一級(jí)方程式賽車尾流的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)仿真分析與發(fā)展

朱仕卓 王毓 程實(shí) 趙炫 崔宇航

武漢理工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院 湖北省武漢市 430070

1 引言

一級(jí)方程式賽車作為汽車運(yùn)動(dòng)最高級(jí)別的賽事，不僅代表了現(xiàn)代汽車運(yùn)動(dòng)的最高競(jìng)技水平，也是衡量現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展最高水準(zhǔn)（特別是汽車空氣動(dòng)力學(xué)）的重要標(biāo)桿。F1方程式賽車直線行駛的最高時(shí)速可達(dá)到410km/h，遠(yuǎn)超過(guò)波音747客機(jī)的起飛速度（280～300km/h），其氣動(dòng)特性直接影響到賽車的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性。

現(xiàn)代一級(jí)方程式賽車和噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)有更多的相似之處?？諝鈩?dòng)力學(xué)是賽車運(yùn)動(dòng)中致勝的關(guān)鍵。氣動(dòng)設(shè)計(jì)師有兩個(gè)首要關(guān)注點(diǎn)：第一，制造下壓力使賽車輪胎更貼近賽道地面，同時(shí)提升轉(zhuǎn)彎能力；第二，將由空氣渦流引起、使車速減慢的空氣阻力降低至最小。實(shí)際上一輛典型的F1賽車的風(fēng)阻系數(shù)都在0.7Cd左右，比普通家用車高的多，因?yàn)榇蟛糠肿枇τ脕?lái)轉(zhuǎn)換為下壓力，減小氣動(dòng)升力。由于一級(jí)方程式賽車的抓地力2/3以上由后輪承擔(dān)，后負(fù)升力對(duì)F1方程式賽車的動(dòng)力性及操縱穩(wěn)定性影響很大。

2 F1賽車的氣動(dòng)特性介紹

2.1 負(fù)升力產(chǎn)生原理，見(jiàn)圖1

由伯努利方程（流體機(jī)械能守恒）：流體的動(dòng)能+勢(shì)能+壓力=常數(shù)。流體的壓強(qiáng)位能，重力位能，動(dòng)能之和為一常數(shù)，是能量守恒的一種表達(dá)式。空氣流經(jīng)上下表面不對(duì)稱翼型時(shí)，路程長(zhǎng)的表面流速高，故壓力下，上下表面形成壓力差。

圖1 伯努利原理

2.2 提高負(fù)升力的方法

提供負(fù)升力，即賽車所需的下壓力。產(chǎn)生下壓力一般有三種方式：

1.車身扁平化：扁平化的楔形車身造型，曲面平緩的壓強(qiáng)差能減小氣動(dòng)升力甚至產(chǎn)生負(fù)升力。

2.底盤平順化處理：將車身底部完全覆蓋起來(lái)并具有適度組合和造型，可減小底部壓力，降低氣動(dòng)升力。

3.空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置：尾翼、前負(fù)升力翼、擾流板、擴(kuò)散器等附加裝置的安裝是十分有效的降低氣動(dòng)升力的方法。

2.3 空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置

賽車上空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置主要有以下幾種：

1.分流器：是汽車前部的主要邊緣，與地面相平行，其使車輛頂部保持較高的氣壓而不是讓空氣在它下部流動(dòng)。這個(gè)高壓力在分流器上向下作用，有助于產(chǎn)生下壓力。

2.俯沖板：通常被安裝在前保險(xiǎn)杠的左右兩側(cè)，形狀是彎曲的，用以在車輛的前方產(chǎn)生定向氣流，由此產(chǎn)生下壓力，同時(shí)還用于改變車輛側(cè)面的氣流，減少進(jìn)入汽車底部的高氣壓量，進(jìn)而產(chǎn)生升力/減少下壓力。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)罩通風(fēng)孔：發(fā)動(dòng)機(jī)罩通風(fēng)孔允許干凈的外部空氣通過(guò)散熱器，有助于保持通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣流動(dòng)，提高冷卻效果。

4.NACA導(dǎo)管：一種低阻力進(jìn)氣管，正確安裝后對(duì)氣流的干擾較小，且允許車身鈑金件吸入空氣。NACA導(dǎo)管通常用于為發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和機(jī)艙內(nèi)輸入空氣進(jìn)行冷卻，一般安裝在引擎蓋和側(cè)板上。

5.側(cè)面通風(fēng)口：側(cè)通風(fēng)口一般位于前輪或后輪的后面，讓氣流能夠流出輪艙，結(jié)合車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)保持湍流。同時(shí)也有用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱空氣的流出。

6.側(cè)裙：可以看作車體兩側(cè)安裝的裙板，用以減少車體兩側(cè)進(jìn)入車底的氣流。有一定的擾流作用，在一定條件下可以明顯降低空氣阻力。

7.擴(kuò)散器：位于車尾底部的氣流出口，可將汽車后部下方逐漸增多的空氣量快速擴(kuò)散導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)底部快速流動(dòng)的低氣壓減速，并在后部擴(kuò)張，從而降低底部壓力，提高下壓力。

8.擾流板：車尾上方安裝的附加板，通過(guò)在產(chǎn)生上升氣流的路徑上設(shè)置障礙來(lái)避免氣動(dòng)升力，改變氣流路徑使后方氣流可以在水平或向上方向上離開(kāi)車身。

9.尾翼：在賽車上使用最廣泛的空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置，使氣流偏轉(zhuǎn)向上，在車身上產(chǎn)生向下的推力，增加下壓力。

10.前負(fù)升力翼：可產(chǎn)生較大負(fù)升力。

圖2 幾種空氣動(dòng)力學(xué)裝置

2.4 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的三要素

一般我們?cè)O(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置，需要考慮到以下三個(gè)因素：

1.升阻比：即同一迎角下升力與阻力的比值。附加裝置引起流場(chǎng)變化的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)升力和阻力，理論上，升阻比越大越好，可以讓額外增加的驅(qū)動(dòng)力抵消阻力的增加并有所剩余。好的升阻比設(shè)定能夠讓額外增加的驅(qū)動(dòng)力抵消掉阻力的增加并且有所剩余，繼而達(dá)到提升車輛過(guò)彎速度的目的。以尾翼為例，高性能車往往都會(huì)在車輛尾部加入一個(gè)大尺寸的尾翼，理由就是帶來(lái)負(fù)升力，為車輛的尾部提供高速行駛過(guò)程中的下壓力。一般來(lái)說(shuō)，負(fù)升力與翼面的迎角呈正比關(guān)系，隨著迎角的增加，負(fù)升力隨之加大，與此同時(shí)，阻力也越大。但是，尾翼的迎角又不能一味地增加，當(dāng)迎角超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，流經(jīng)尾翼下表面的氣流就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流分離，繼而形成一個(gè)大渦輪，直接導(dǎo)致升阻比的急劇變小。所以，現(xiàn)在的高性能車尾翼都會(huì)采用較長(zhǎng)的翼展或者在翼片末端加入一小塊格尼襟翼以增加負(fù)升力。

2.導(dǎo)流：利用流體粘滯性，改變氣體流向來(lái)減少某些部分的空氣阻力或增加進(jìn)氣效率。如在保險(xiǎn)杠前方加擾流唇阻止氣體進(jìn)入；寬體化的翼子板把氣流導(dǎo)向輪胎外側(cè)，以降低輪胎擾動(dòng)阻力；導(dǎo)流槽改變流經(jīng)進(jìn)氣口周圍空氣方向，引入高速空氣。

3.風(fēng)壓中心：車身表面氣動(dòng)合力的作用點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)的存在對(duì)于整車的行駛穩(wěn)定性極為重要，甚至還會(huì)影響到車輛的轉(zhuǎn)向特性、運(yùn)動(dòng)時(shí)的前后軸荷分配、側(cè)向力力配比等等方面。可以通過(guò)附加裝置改變風(fēng)壓中心，進(jìn)而調(diào)整車輛轉(zhuǎn)向特性等。如增加尾翼后移風(fēng)壓中心，使后軸下壓力增加，趨于中性轉(zhuǎn)向。

3 F1賽車的尾翼及發(fā)展

3.1 尾翼的工作原理

尾翼通過(guò)車身頂部和底部的壓力差產(chǎn)生下壓力，這種氣壓的不同是因?yàn)榭諝饬鹘?jīng)尾翼的方式不同而造成的。

圖3 尾翼的原理

根據(jù)伯努利原理，對(duì)于一定流量的氣體，流動(dòng)速度越高，氣壓越低。尾翼通過(guò)使空氣分子以不同方式從前緣運(yùn)動(dòng)到尾緣來(lái)產(chǎn)生壓力差。在尾翼較長(zhǎng)的下部要求氣流在該邊的速度高（低壓），實(shí)現(xiàn)與低速（高壓）氣流在尾翼的末端的頂部相遇。

尾翼底部的低壓區(qū)域使得頂部高壓區(qū)域產(chǎn)生向下的推力作用在尾翼上，可以產(chǎn)生下壓力，降低氣動(dòng)升力。影響尾翼空氣動(dòng)力學(xué)特性的主要參數(shù)是尾翼攻角，當(dāng)尾翼攻角在一定范圍內(nèi)增大的時(shí)候，下壓力也會(huì)隨之增大。但攻角在增大到一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣流分離。當(dāng)發(fā)生氣流分離時(shí)，相比于不發(fā)生分離的狀態(tài)，氣流向上的動(dòng)量減小，所以產(chǎn)生的下壓力會(huì)急劇減少，同時(shí)產(chǎn)生的阻力也會(huì)明顯增加。這稱為失速現(xiàn)象。

3.2 現(xiàn)代尾翼的結(jié)構(gòu)

上層尾翼：上層尾翼又由兩片組成，水平的翼片是主翼，傾斜帶有攻角的翼片是副翼。

圖4 上層尾翼

梁翼：梁翼通常也是賽車尾部結(jié)構(gòu)的一部分，它的作用主要是為了增加下壓力

圖5 梁翼

端板：端板就是上層尾翼兩側(cè)垂直于地面的板，決定尾翼的高度

圖6 端板及百葉結(jié)構(gòu)

百葉：在尾翼端板上會(huì)有百葉結(jié)構(gòu)的縫隙，這些平行的縫隙用于減少尾翼阻力。

3.3 F1賽車尾翼的發(fā)展

一級(jí)方程式賽車尾翼的發(fā)展從上世紀(jì)50年代開(kāi)始至今可大致分為四個(gè)階段

3．3．1 20 世紀(jì) 50 年代

F1賽車設(shè)計(jì)類似于二戰(zhàn)前的汽車，前置發(fā)動(dòng)機(jī)，大梁式車架，“雪茄”狀流線型車身，窄輪子。1957年英國(guó)古巴車隊(duì)推出中置式發(fā)動(dòng)機(jī)賽車，降低了風(fēng)阻系數(shù)，加快了車速，使車身重量更為均衡，提高了賽車的轉(zhuǎn)彎性能，但基本不具備空氣動(dòng)力學(xué)特性。

圖7 20世紀(jì)50年代賽車

3．3．2 20 世紀(jì) 60 年代

車手開(kāi)始戴頭盔和穿防火套裝，坐姿向后傾斜，發(fā)動(dòng)機(jī)移至后部并采用承載式車身，一級(jí)方程式賽車進(jìn)入現(xiàn)代化時(shí)期，第一臺(tái)尾翼賽車誕生，但翼面安裝在單獨(dú)的長(zhǎng)長(zhǎng)的支撐桿上與車身分離。

圖8 20世紀(jì)60年代賽車

3．3．3 20 世紀(jì) 70 年代

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器移到駕駛艙的兩側(cè)，一級(jí)方程式賽車外觀呈楔形，尾翼增加了端板。尾翼上如果沒(méi)有端板的話，就會(huì)形成前面提到的渦流。雖然渦流對(duì)氣流的控制是有利的，但會(huì)產(chǎn)生阻力。在產(chǎn)生渦流之前，空氣是直接向后運(yùn)動(dòng)的，在生成一個(gè)渦流時(shí)，將部分向后運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成了側(cè)向旋轉(zhuǎn)的能量，使空氣損失了向后的速度。為了減少渦流的產(chǎn)生，在尾翼兩端安裝了巨大的端板，尾翼端板可以用來(lái)來(lái)阻止高壓氣流從尾翼端部溢出流向下部低壓側(cè)。

3．3．4 21 世紀(jì)初

隨著科研人員與工程師對(duì)賽車空氣動(dòng)力學(xué)不斷深入研究，更多氣動(dòng)理論被應(yīng)用于一級(jí)方程式賽車的設(shè)計(jì)。

在端板上開(kāi)一些狹縫（百葉結(jié)構(gòu)），使得端板內(nèi)側(cè)的氣體能夠與外側(cè)氣體輕微混合，以減少壓差，避免高壓氣體仍舊會(huì)快速翻過(guò)上表面繞到下方，形成翼端渦流。

DRS（Drag Reduction System），尾翼產(chǎn)生下壓力同時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生很大的阻力，這會(huì)降低車的尾速?？烧{(diào)尾翼控制系統(tǒng)DRS通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)尾翼角度，來(lái)使阻力大大降低?，F(xiàn)代賽車的尾翼變得更高更寬，產(chǎn)生更大的下壓力和阻力，增加了DRS開(kāi)閉前后的差別，這樣在前車不能開(kāi)啟DRS的條件下，后車可以通過(guò)開(kāi)啟DRS更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)前車的超越。后車在彎中由于前面提到轉(zhuǎn)向不足，在進(jìn)入直道后很難跟上前車，DRS 可以抵消這一負(fù)面影響。

圖9 端板的作用

3.4 現(xiàn)代F1賽車尾翼的仿真

3．4．1 模型的建立

我們選用現(xiàn)代最新型一級(jí)方程式賽車來(lái)進(jìn)行尾翼部分的外流場(chǎng)分析

圖10 尾翼模型

3．4．2 計(jì)算域的設(shè)定

本文在此次仿真過(guò)程中，設(shè)定的計(jì)算域是一個(gè)10倍車長(zhǎng)（前3倍后6倍）、4倍車高、9倍車寬的長(zhǎng)方體。

圖11 計(jì)算域

3．4．3 網(wǎng)格的劃分

在 Ansys軟件的meshing模塊中，我們進(jìn)行了兩款車型的網(wǎng)格劃分。整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在前端、A柱、后視鏡處進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格由小到大逐漸過(guò)渡到風(fēng)洞壁面。網(wǎng)格總數(shù)為875946個(gè)，911的網(wǎng)格總數(shù)為536901個(gè)。

圖12 劃分網(wǎng)格

3．4．4 邊界條件的設(shè)定

本文設(shè)置環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)真實(shí)的風(fēng)洞測(cè)量數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化風(fēng)洞。風(fēng)向沿X軸正向，距離汽車前部3倍車長(zhǎng)處的端面為入口邊界，距離尾部6倍車長(zhǎng)處的端面為出口邊界。

表1

3．4．5 求解模型及參數(shù)設(shè)定

Fluent中有較多的粘性模型，如laminar、kepsilon等，本文將詳細(xì)介紹k-epsilon模型。

K-epsilon是湍流模式理論中的一種，簡(jiǎn)稱k-ε模型。k-ε模型是最常見(jiàn)的湍流模型，其基于湍動(dòng)能k及湍流耗散率epsilon。這是非常流行的兩方程模型，可靠、收斂性好、內(nèi)存需求低，有很多的變體模型，如Standard，RNG，Realizable等。

1. Standard：最簡(jiǎn)單的完整湍流模型是兩個(gè)方程的模型，要解兩個(gè)變量，速度和長(zhǎng)度尺寸。在FLUENT中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型自從被提出之后，就變成工程流場(chǎng)計(jì)算中主要的工具了。適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度。它是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的公式，是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來(lái)的。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型，其常 數(shù) 值 為 ：k=1.0，σε=1.3，Cg1=1.44，Cg2=1.92，Cμ=0.09

2.RNG：RNG k-ε模型來(lái)源于嚴(yán)格的技術(shù)統(tǒng)計(jì)。它和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型很相似，但是有以下改進(jìn)：

(1)RNG 模型在ε方程中加了一個(gè)條件，有效的改善了精度；

(2)考慮到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度；

(3)RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式，然而便準(zhǔn)k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)的流動(dòng)粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對(duì)待近壁區(qū)域。

Realizable：可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型比起標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)說(shuō)有兩個(gè)主要的不同點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型為湍流粘性增加了一個(gè)公式：為耗散率增加了新的傳輸方程，這個(gè)方程來(lái)源于一個(gè)為層流速度波動(dòng)而作的精確方程?？蓪?shí)現(xiàn)的k-ε模型直接的好處是對(duì)于平板和圓柱射流的發(fā)散比率有更精確的預(yù)測(cè)，而且它在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流的分析中有很好的表現(xiàn)。

由于汽車?yán)@流問(wèn)題的流場(chǎng)一般為定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)，其復(fù)雜的外形會(huì)引起氣流的分離，應(yīng)按湍流處理。本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型來(lái)模擬。

仿真時(shí)，我們?cè)O(shè)定流體為空氣，固體即車身部分為鋁，粘性模型依照上文所述來(lái)設(shè)定，求解器設(shè)置為SIMPLE模式。

3.5 F1賽車的外流場(chǎng)分析

通過(guò)仿真模擬，得到以下結(jié)果

3．5．1 賽車尾翼流譜

流譜是指氣流流動(dòng)的流線族。流線上任一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的氣流微團(tuán)的速度方向。在研究汽車內(nèi)、外流譜時(shí)，通常假定空氣是定常流，即流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間改變。汽車內(nèi)外流譜由汽車外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及速度決定。對(duì)于某一具體車型，當(dāng)速度達(dá)到一定范圍，即可認(rèn)為速度己不再對(duì)流譜有影響。即可認(rèn)為流線在空間位置基本固定不變。流譜的研究不僅能對(duì)相關(guān)氣流情況有一個(gè)直觀的了解，同時(shí)對(duì)于了解氣動(dòng)力的產(chǎn)生的原因、氣流分離機(jī)理、汽車氣動(dòng)造型優(yōu)化、減少表面塵土污染、改善雨水流徑以及降低氣動(dòng)噪聲等都有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義。

圖13 尾翼流譜圖

14 尾翼流譜圖

由賽車尾翼流譜圖可看出，現(xiàn)代F1賽車的流譜線清晰，渦流區(qū)更小，所以低壓區(qū)更小，空氣阻力系數(shù)較小，負(fù)升力更大。

3．5．2 賽車尾部速度矢量圖與速度云圖

圖15 速度云圖

圖16 尾翼速度矢量圖

17 尾翼速度矢量圖

由圖可知，前負(fù)升力翼將氣流分為上下兩個(gè)部分，上半部分氣流流經(jīng)車身上表面，下半部分沿底盤流動(dòng)，并且速度顯著加快，上表面氣流經(jīng)過(guò)負(fù)升力翼后，會(huì)在翼面上形成一個(gè)正壓區(qū)，從而產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻力，但采用多片翼面，可產(chǎn)生更大的負(fù)升力，上下兩股氣流在賽車尾流區(qū)重新匯合。從尾部氣流分布可看出，后負(fù)升力翼頂部的逆時(shí)針?shù)鰷u和靠近地面的順時(shí)針?shù)鰷u，漩渦的旋轉(zhuǎn)和氣流的摩擦需要消耗大量能量，從而在車尾形成較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，提供氣動(dòng)升力的同時(shí)也產(chǎn)生了壓差阻力。

3．5．3 賽車尾部的壓力云圖

由圖可知，賽車后負(fù)升力翼上表面是正壓區(qū)，而在底盤由于氣流分離會(huì)形成減低壓力從而形成負(fù)壓區(qū)，會(huì)增大整車的氣動(dòng)升力，尾翼處氣體流速更快，形成的負(fù)壓力也更強(qiáng)，增大氣動(dòng)升力。但是在負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)交界處氣流分離會(huì)形成不同程度漩渦，引起氣流的旋轉(zhuǎn)與脫落，從而消耗大量能量，增加了氣動(dòng)阻力。

圖18 壓力云圖

4 賽車的擴(kuò)散器

4.1 底部流場(chǎng)對(duì)賽車氣動(dòng)特性的影響

賽車在行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生三道氣流，一道從車體與尾翼上方經(jīng)過(guò)的氣流，一道從側(cè)方通過(guò)散熱器的氣流，更為重要的其實(shí)是流經(jīng)底盤的氣流，因?yàn)檫@道氣流不僅是構(gòu)成下壓力的重要條件，而且其占了車體上方與側(cè)方氣流量總和的 45%以上?；谶@樣的理由，F(xiàn)1賽車的底部設(shè)計(jì)在戰(zhàn)略上具有極高的重要性。為了提升車體底部的空氣動(dòng)力性能，裝設(shè)在車尾下方的擴(kuò)散器成為一項(xiàng)重要的空氣動(dòng)力套件。同尾翼產(chǎn)生下壓力的基本原理相同?？諝饨?jīng)過(guò)翼型下方比經(jīng)過(guò)上方的距離長(zhǎng)，導(dǎo)致下方的空氣加速，氣壓下降，產(chǎn)生上下表面的壓力差，這就是所謂的下壓力。

4.2 擴(kuò)散器的功能

賽車上擴(kuò)散器的作用是加快汽車底部的氣流速度，減少壓力，創(chuàng)造一個(gè)更大的上下表面壓力差，帶來(lái)更多的下壓力和氣動(dòng)抓地力，使汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度更快。

4．2．1 地面效應(yīng)

擴(kuò)散器是一個(gè)大鏟子形狀的部件，位于車底板的尾端。擴(kuò)散器有助于使賽車底板與尾翼下部的形狀相似。擴(kuò)散器使得賽車尾部形成較大的空洞，對(duì)底部氣流產(chǎn)生抽吸作用，使底部氣流加速，從而大幅度減小賽車底部的壓力，增加了整車的下壓力。這種作用被稱為“地面效應(yīng)”。

圖19 地面效應(yīng)

4．2．2 梳理氣流

由于車底空間遠(yuǎn)小于車體上方空間。而空氣流入較小空間后會(huì)產(chǎn)生亂流，從而影響空氣流動(dòng)速度，這樣一來(lái)，底部的空氣壓力會(huì)明顯抬升。這個(gè)時(shí)候，擴(kuò)散器的垂直擾流板就開(kāi)始發(fā)揮效力了，擴(kuò)散器另主要作用就是讓混亂的氣流重新恢復(fù)正常流動(dòng)，并且利用整理好的軌道，讓氣體加速流出。增加的垂直方向的“柵欄”能夠確?？諝庵唤?jīng)過(guò)的底部，而不從上表面泄漏，以優(yōu)化擴(kuò)散器效率。

圖20 擴(kuò)散器“柵欄”

4．2．3 增加下壓力

擴(kuò)散器在賽車底部產(chǎn)生了一個(gè)真空區(qū)域，這意味著車身底部的氣流將會(huì)加速流向這個(gè)區(qū)域，根據(jù)伯努利原理，在車身底部將會(huì)產(chǎn)生更大的負(fù)壓。同時(shí)由于文丘里效應(yīng)（氣體或液體在文丘里管里面流動(dòng)，在管道最窄處，動(dòng)態(tài)壓力（速度）達(dá)到最大值，靜態(tài)壓力（靜息壓力）達(dá)到最小值。），氣流在流經(jīng)擴(kuò)散器喉管部位時(shí)速度最快，在這個(gè)位置會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓極小值區(qū)域。因此擴(kuò)散器增了賽車底部氣流的速度，形成低壓區(qū)，達(dá)到了增強(qiáng)賽車下壓力的效果。

圖21 擴(kuò)散器壓力云圖

圖22 壓力分布

4.3 擴(kuò)散器性能的影響因素

擴(kuò)散器的性能受以下幾個(gè)因素影響：

1.離地間隙是下托盤的最低點(diǎn)到地面之間的距離連續(xù)性方程通過(guò)改變離地間隙來(lái)深入了解底盤性能如何受到影響。較小的離地間隙導(dǎo)致下方更低的壓力下降，從而導(dǎo)致更大的壓力差，從而產(chǎn)生更多的下壓力。但它不能太小，否則下托盤可能會(huì)擊中地面。另一方面，如果太大，則不會(huì)有足夠的壓差來(lái)產(chǎn)生足夠的下壓力。

2.擴(kuò)散器的氣流進(jìn)出口高度對(duì)擴(kuò)散器的工作效率也有一定影響。在出氣口高度比進(jìn)氣口高度高時(shí)，擴(kuò)散器的抽吸效果比較明顯，氣流會(huì)在擴(kuò)散器內(nèi)加速排出。反之，進(jìn)氣口的高度大于出氣口時(shí)，氣流無(wú)法及時(shí)排出擴(kuò)散器，造成氣流速度緩慢，擴(kuò)散器工作效率降低。

3.下托盤的進(jìn)口角度對(duì)于底盤擴(kuò)散器的性能起著非常重要的作用。它就像一個(gè)噴嘴，并將空氣引導(dǎo)到底盤下方，增加了空氣的速度。如果這個(gè)角度非常小，速度就不會(huì)有足夠的增加另一方面，如果它太大，要在出口處匹配所需的條件將是非常困難的，因?yàn)檫@將要求出口面積非常大。

4.出口角度給出了可用于壓力恢復(fù)的區(qū)域，以將下托盤下方的空氣帶回到自由流速度以減少湍流和阻力。如果太小，車身下方的空氣將不會(huì)達(dá)到自由流速，并且會(huì)有很大的阻力。如果太大，身體上方的空氣將不能沿著表面向上移動(dòng)，并且會(huì)有流動(dòng)分離，這種現(xiàn)象稱為失速。氣流向上的動(dòng)量減小，所以產(chǎn)生的下壓力會(huì)急劇減少，同時(shí)產(chǎn)生的阻力也會(huì)明顯增加。

故在設(shè)計(jì)擴(kuò)散器是，用到以下一些改進(jìn)方法：

1.整臺(tái)賽車從后向前抬高傾斜的，從而增加所謂的賽車地面傾角，使整個(gè)擴(kuò)散的過(guò)程能夠盡量的均勻和平緩，從而減少湍流。

2.設(shè)置合適的下托盤進(jìn)口角、出口角與離地間隙，實(shí)現(xiàn)最高效的設(shè)計(jì)，使其產(chǎn)生與最小阻力相對(duì)應(yīng)的最大下壓力。

3.給擴(kuò)散器安裝渦流發(fā)生器來(lái)保證氣流的附著。通過(guò)渦流發(fā)生器實(shí)現(xiàn)邊界層氣流與主流的動(dòng)量摻混形成混合渦而有效地阻止氣流的過(guò)早分離，盡可能地使護(hù)散器處于理想的工作狀態(tài)，降低氣流分離造成的負(fù)面影響。

圖23 渦流的作用

4.4 擴(kuò)散器的外流場(chǎng)分析

圖24 擴(kuò)散器模型

圖25 擴(kuò)散器速度矢量圖

26 擴(kuò)散器速度矢量圖

由圖可知，流經(jīng)底部的氣流流速明顯加快，賽車底部壓強(qiáng)比尾部要高，底部氣流進(jìn)入尾流時(shí)形成了一股強(qiáng)大的倒流，形成下部漩渦，從而在車尾處形成了較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)。賽車上擴(kuò)散器的作用是加快汽車底部的氣流速度，減少壓力，創(chuàng)造一個(gè)更大的上下表面壓力差，帶來(lái)更多的下壓力和氣動(dòng)抓地力。

4.5 擴(kuò)散器的發(fā)展

20世紀(jì)80年代尾翼的功能以同一思路被延伸到車底，發(fā)展為擴(kuò)散器，使穩(wěn)定性又有所提高。

之后的總總變化大多跟規(guī)則的改變有關(guān)，其中也不乏出現(xiàn)了一些另類。其中F1雙層擴(kuò)散器的出現(xiàn)主要就是為了鉆規(guī)則的空子。2009年F1規(guī)則縮小擴(kuò)散器的最大尺寸，各車隊(duì)根據(jù)規(guī)則字眼，設(shè)計(jì)出了雙層擴(kuò)散器。它符合規(guī)則，但實(shí)際工作尺寸變大了。雙層擴(kuò)散器上層的了氣流由擴(kuò)散器下表面引導(dǎo)來(lái)的，增大了擴(kuò)張角度以及擴(kuò)散器高度

圖27 雙層擴(kuò)散器

如今，由于底板的設(shè)計(jì)必須依照賽會(huì)規(guī)則，因此各隊(duì)賽車的差異性并不太大，差別主要在于擴(kuò)散器中央與兩側(cè)形狀的設(shè)計(jì)，而其中垂直擾流板與導(dǎo)流室的高度則是差異最大的部位。

5 結(jié)論

從理論與模擬兩個(gè)層面分析驗(yàn)證了尾翼與擴(kuò)散器的功用，尾翼與擴(kuò)散器在良好的優(yōu)化設(shè)計(jì)下可顯著增大方程式賽車的下壓力，提升車輛的動(dòng)力性與操控穩(wěn)定性。尾翼與擴(kuò)散器的發(fā)展就是一個(gè)不斷將賽車尾流的空氣動(dòng)力學(xué)性能一步步壓榨運(yùn)用到極致的過(guò)程，盡管也存在規(guī)則的制約，但努力的最終方向都是盡可能利用好賽車的尾流，將性能盡可能地發(fā)揮出來(lái)。