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汽車空氣動力學(xué)附件應(yīng)用技術(shù)（一）——擴(kuò)散器

2019-10-29 23:19:08·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  
　
車輛擴(kuò)散器（DIFFUSER）狹義上是指固定在車輛底部（一般處在尾部）的，具有加速車底流速的空氣動力學(xué)部件。由于擴(kuò)散器在底盤上產(chǎn)生的壓差可以為車身提供大量的負(fù)
車輛擴(kuò)散器（ DIFFUSER ）狹義上是指固定在車輛底部（一般處在尾部）的，具有加速車底流速的空氣動力學(xué)部件。 由于擴(kuò)散器在底盤上產(chǎn)生的壓差可以為車身提供大量的負(fù)升力，因此被廣泛地應(yīng)用于賽車及高性能車輛的氣動設(shè)計(jì)中。 同時，由于尾部擴(kuò)散器的形狀特征，擴(kuò)散器的減阻作用也逐步引起了民用車市場的重視。 本文將簡要介紹擴(kuò)散器的工作原理及其氣動特性，例舉典型車輛擴(kuò)散器的應(yīng)用案例，并對其在車輛整體氣動布局中的作用進(jìn)行解析。

散器原理：

擴(kuò)散器是通過抽吸底盤下方的氣流而產(chǎn)生負(fù)升力的氣動部件。 非常具有迷惑性的一點(diǎn)在于，盡管大多數(shù)人知道擴(kuò)散器加速了車底的氣流，但氣流在擴(kuò)散器內(nèi)部卻是處于減速狀態(tài)的。 這是由于隨著擴(kuò)散器腔體容積的增大，為了滿足車輛不可壓流動狀態(tài)下的連續(xù)性條件，氣流需要減速以填充更大的空間。 在氣流未發(fā)生分離的情況下，經(jīng)過擴(kuò)散器“喉部”（負(fù)壓峰值點(diǎn)）后，擴(kuò)散器腔體內(nèi)沿流動方向靜壓升高直至與車尾氣流匯合。 在流動的機(jī)械能不損失的假設(shè)下，由前部底板流至擴(kuò)散器內(nèi)部的流體需滿足伯努利方程，即擴(kuò)散器出口處靜壓應(yīng)高于其上游任意一點(diǎn)靜壓，該現(xiàn)象也被稱為“壓力恢復(fù)”（PRESSURE RECOVERY）（圖 1）。
圖1 二維擴(kuò)散器模型吸力側(cè)Cp分布圖，橫軸為沿流向空間位置，縱軸為吸力側(cè)Cp值。
 
不難看出，在設(shè)計(jì)擴(kuò)散器時需要考慮兩個重要的問題：流動如何克服逆靜壓梯度以及如何優(yōu)化壓力恢復(fù)的過程，以下分別進(jìn)行討論：
 
對于上述第一點(diǎn)而言，在擴(kuò)散器擴(kuò)散角度很小的情況下，其內(nèi)部的流動往往是相對穩(wěn)定的，但路面顛簸和懸架變形帶來的離地間隙變化會影響其內(nèi)部的流動。例如，在車輛高速制動的情況下，由于車輛前傾而增大了擴(kuò)散器的工作角度進(jìn)而帶來氣流分離的風(fēng)險(xiǎn)。對于高性能車輛而言，高速制動的工況往往出現(xiàn)在車輛轉(zhuǎn)向之前，因此后軸負(fù)升力的損失會加劇車輛過度轉(zhuǎn)向的趨勢。事實(shí)上，負(fù)升力的重要性更多地體現(xiàn)在彎道中——由于氣流在底板的分布為非對稱情況，擴(kuò)散器對于不同轉(zhuǎn)向半徑工況的適應(yīng)性是更需要重視的。

對于第二點(diǎn)而言，優(yōu)化壓力恢復(fù)的過程也就是減小氣流動能轉(zhuǎn)化為靜壓過程中的能量損失。合理的通道形狀設(shè)計(jì)以及離地間隙會在盡可能小的能量損失下將擴(kuò)散器內(nèi)部壓力降低到設(shè)計(jì)值。

除以上兩點(diǎn)之外，從外界補(bǔ)充擴(kuò)散器內(nèi)部氣流動能的設(shè)計(jì)也受到了賽車界的廣泛重視，例如對擴(kuò)散器內(nèi)部的吹氣、在尾部的抽吸等。但由于擴(kuò)散器在工作時強(qiáng)烈地依靠地面效應(yīng)，該類設(shè)計(jì)在其機(jī)械結(jié)構(gòu)或功能失效的情況下將嚴(yán)重威脅車輛的安全性，因此在FIA的絕大多數(shù)賽事中是被禁止的。值得注意的是，在不發(fā)生劇烈分離的情況下，擴(kuò)散器本身對于阻力的貢獻(xiàn)極低，這使其擁有極高的氣動效率（負(fù)升力/阻力）。

賽車擴(kuò)散器歷史：

在賽車空氣動力學(xué)被發(fā)掘的前夕，發(fā)動機(jī)和底盤技術(shù)是車隊(duì)在賽場內(nèi)競爭的主要領(lǐng)域。 圖 1中所示LOTUS 49（1967年）是該階段具有統(tǒng)治性表現(xiàn)的賽車之一。 不難看出，該階段的F1賽車不具備現(xiàn)代賽車上的空氣動力學(xué)裝置。
 
圖2 LOTUS 49（1967）前空氣動力學(xué)時代賽車，盡管具有狹長的車身，但尚未真正將空氣動力學(xué)對于車輛操作穩(wěn)定性的影響納入設(shè)計(jì)范疇
圖片源自https://www.conceptcarz.com/view/photo/861668,21414,1/1967-Lotus-Type-49_photo.aspx

LOTUS于1968年在TYPE 49的基礎(chǔ)上推出了新一代長軸距版賽車LOTUS 49B，同時空氣動力學(xué)裝置也首次以負(fù)升力翼的形式出現(xiàn)在F1賽場內(nèi)。在最初始的設(shè)計(jì)中，工程師將翼片通過支撐結(jié)構(gòu)固定在懸架上（圖 2），但是出于安全方面的考慮，最終LOTUS49B（圖 3）將翼片以簧上的形式固定在了車架上。
 
圖3 LOTUS 49B的高位固定尾翼，可以注意到該尾翼支撐結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)位于橫臂與立柱連接點(diǎn)，因此在發(fā)生輪跳時支撐結(jié)構(gòu)會發(fā)生形變，同時該尾翼的高度對于賽車的安全性也造成了威脅。
圖片源自https://www.hemmings.com/blog/2018/03/23/the-year-that-everything-changed-remembering-the-1968-formula-1-season/
 
圖4 在LOTUS將負(fù)升力翼引入F1摩納哥站后，F(xiàn)ERRARI和McLaren等車隊(duì)也紛紛效仿，在比利時站拿出了尾翼設(shè)計(jì)，同時，LOTUS和FERRARI為賽車裝備了前翼以提供更佳的平衡性。可以從圖中看到，此時的前翼并沒有發(fā)掘地面效應(yīng)能帶來的巨大的影響。
圖片源自https://www.hemmings.com/blog/2018/03/23/the-year-that-everything-changed-remembering-the-1968-formula-1-season/
 
LOTUS78（1977年）（圖 4）是首臺運(yùn)用了地面效應(yīng)設(shè)計(jì)的賽車，通過側(cè)箱下部的造型為其提供了極大的下壓力。同時，為了更好地利用車底的低壓區(qū)域，LOTUS 78采用了柔性裙邊密封車底外緣。隨后推出的LOTUS 79和LOTUS80（圖 5）在其前代的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了賽車底部的通道，盡可能地利用了地面效應(yīng)所帶來的優(yōu)勢。由于LOTUS在1978賽季統(tǒng)治性地贏得了半數(shù)的比賽，所有的車隊(duì)都開始研發(fā)賽車的地面效應(yīng)裝置。最為著名的設(shè)計(jì)之一即是BRABHAM的BT46B（1978年）賽車，其設(shè)計(jì)師GORDON MURRAY敏銳地發(fā)現(xiàn)了路特斯極大抓地力的來源，并在瑞典大獎賽上推出了“風(fēng)扇車”BT46B（圖 6），利用一套專用的傳動系統(tǒng)來驅(qū)動其尾部的風(fēng)扇，該風(fēng)扇會為車底提供額外的低壓，進(jìn)一步提升賽車的下壓力水平。事實(shí)上，BT46B并不是第一臺利用風(fēng)扇產(chǎn)生下壓力的賽車，CHAPARRALCARS車隊(duì)早在1970年推出的 CHAPARRAL 2J賽車就裝備了兩只由一臺兩沖發(fā)動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇來參加CAN-AM系列賽事，然而由于賽會對于雙發(fā)動機(jī)的禁令以及機(jī)械結(jié)構(gòu)問題，該設(shè)計(jì)最終被封存起來。
 
圖5 LOTUS 78 是首臺利用地面效應(yīng)的F1賽車，其側(cè)箱下部的“類翼型“造型為賽車提供了極大的下壓力，表標(biāo)志著F1正式進(jìn)入地面效應(yīng)設(shè)計(jì)的較量階段。
圖片源自https://www.motorsport.com/f1/news/from-f1-racing-now-that-was-a-car-the-lotus-78-947109/3043436/
 
圖6 LOTUS 79B 和 LOTUS 80，在其前代TYPE 78的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了車底的通道造型，值得注意的是，TYPE 80在鼻錐最前端設(shè)計(jì)了一套兩部件的翼片以開發(fā)之前被忽略的前翼中間部分。
圖片源自https://www.formula1.com/en/latest/article.re-writing-the-f1-rule-book-part-1-from-wing-cars-to-flat-bottoms.EJZ73Lnn0c6EgcMKMAWOU.html
 
圖7 BRABHAM BT46（1978），此時已經(jīng)有了對于禁用“可移動空氣動力學(xué)裝置（MoveableAerodynamic Devices）”的規(guī)定，但GORDONMURRAY給出的解釋是該風(fēng)扇是用于散熱模塊冷卻的，后續(xù)FIA頒布了更為嚴(yán)格的禁令來限制動力地面效應(yīng)設(shè)備的使用。
圖片源自https://www.formula1.com/en/latest/article.re-writing-the-f1-rule-book-part-1-from-wing-cars-to-flat-bottoms.EJZ73Lnn0c6EgcMKMAWOU.html
 
進(jìn)入80年代后，用于附著車底制造負(fù)升力的裙邊設(shè)計(jì)被FIA禁止，同時也引入了水平底板的規(guī)則，擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)空間隨之被進(jìn)一步壓縮至車尾。 90年代后，F(xiàn)1賽會要求各支車隊(duì)需在賽車底部使用10mm厚的木板（現(xiàn)為合金層）以限制車輛的最小離地間隙。 許多精妙的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)在規(guī)則不斷更迭的狹縫中涌現(xiàn)出來，例如2009年由 BRAWN GP ， WILLIAMS F1 以及 TOYOTA RACING 利用規(guī)則的灰色區(qū)域率先研發(fā)的雙層擴(kuò)散器等。 時至今日，擴(kuò)散器已經(jīng)成為賽車最為重要的設(shè)計(jì)部分之一，其復(fù)雜程度也隨著制造工藝的上升而進(jìn)一步進(jìn)化，圖 7所示為2018賽季REDBULL RACING RB4賽車，擴(kuò)散器尾部的多層結(jié)構(gòu)通過增加環(huán)量的方式進(jìn)一步強(qiáng)化后部的了“泵效應(yīng)（PUMPING EFFECT）”，提高了其內(nèi)部流動克服靜壓力梯度的能力。
圖8 2018賽季 RB14賽車擴(kuò)散器，在其尾部的多片結(jié)構(gòu)利用了多組件翼片在地面效應(yīng)下的優(yōu)勢進(jìn)一步增強(qiáng)了其內(nèi)部流動克服逆靜壓梯度的能力。
圖片源自https://www.motorsport.com/f1/news/barcelona-f1-test-tech-gallery-photos-1012183/1394927/#gal-1394927-0-max-verstappen-red-bull-racing-rb14-rear-16012448
 
擴(kuò)散器在非方程式賽車上的應(yīng)用：
除了方程式賽車外，擴(kuò)散器在拉力賽與其他場地賽中也有廣泛地應(yīng)用。例如，WRC 2017賽季加泰羅尼亞站的HYUNDAI I20 COUPÉ WRC賽車（圖 8）與WRC 2018賽季加泰羅尼亞站的FORD FIESTA WRC賽車所裝備的巨大擴(kuò)散器。不難發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散器內(nèi)還安裝有垂直地面的隔板（實(shí)為渦流發(fā)生器），該結(jié)構(gòu)對于經(jīng)常處于轉(zhuǎn)向工況下的擴(kuò)散器具有輔助作用。
 
圖9 2017年WRC加泰羅尼亞站D.SORDO與M.MARTÍ所駕駛的HYUNDAI I20 COUPÉ WRC賽車裝備有一套與車尾集成度較高的擴(kuò)散器。
圖片源自https://www.wrcwings.tech/2016/11/15/diffusers-revolution-for-2017-wrc-cars/
 
圖10 2018年WRC 加泰羅尼亞站S.OGIER/J.INGRASSIA所駕駛的FORD FIESTA WRC賽車，相比于圖 8賽車所使用的擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器的容積更大，而在此之前，F(xiàn)ORDFIESTA也采用了與HYUNDAI I20 COUPÉ WRC類似的小擴(kuò)散器設(shè)計(jì)。
圖片源自https://www.wrcwings.tech/2018/10/15/review-of-the-ford-fiesta-wrc-new-rear-diffuser/
 
圖 10所示為剛剛在9月14日WTCR寧波站奪冠的CYAN RACING車隊(duì)領(lǐng)克03 TCR賽車尾部擴(kuò)散器。需要指出的是，盡管外觀與量產(chǎn)版本比較接近，但仍然要配合房車賽賽車極其平整的底盤布置，才能使擴(kuò)散器發(fā)揮其作用。
 
圖11 2019 WTCR寧波站 LYNK&CO 03 TCR賽車的尾部擴(kuò)散器，相比于方程式賽車，房車賽賽車的設(shè)計(jì)對于民用車來說更具借鑒意義。
圖片源自https://paultan.org/2018/10/22/lynk-co-dan-cyan-racing-bina-kereta-lumba-tcr-03-untuk-wtcc-2019-bersama-versi-jalan-raya-500-hp/lynk-co-03-cyan-concept-12/
 
在勒芒(LE MANS)賽事中，擴(kuò)散器得到了更為廣泛的應(yīng)用和深入的發(fā)掘。 由于與方程式賽車不同的前部布局，除了在賽車尾部使用擴(kuò)散器外，在賽車前部也出現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)，例如TOYOTA GT-ONE(1998-1999)賽車所裝備的前部擴(kuò)散器（圖 11）。 必須指出的是，由于該擴(kuò)散器處于車輛最前部，與后部擴(kuò)散器相比，其上游沒有任何氣流可以被加速，因此其負(fù)升力的來源僅為下表面與氣流的動量交換。 該類型擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)必須十分謹(jǐn)慎——前擴(kuò)散器控制著下游的氣流分配，當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)時很可能導(dǎo)致后方的空氣動力學(xué)部件過于敏感甚至失效。
 
圖12 在1998-1999年24 HOURS OF LE MANS賽事中的原型賽車TOYOTA GT-ONE裝備有前部擴(kuò)散器，其作用與前翼類似，但由于其工作表面僅為下表面，因此更多地被劃分為擴(kuò)散器而非翼。
圖片源自（左上，右上）http://www.mulsannescorner.com/gtone-1.html
COPYRIGHTMARTIN SPETZ，TONY MATHEWS AND RACE TECH MAGAZINE
圖片源自（下）https://www.conceptcarz.com/view/photo/1066002,884/1999-toyota-gt-one_photo.aspx
 
擴(kuò)散器在民用車上應(yīng)用的瓶頸：
相比于在賽場內(nèi)的廣泛應(yīng)用，擴(kuò)散器在民用車上僅見于部分運(yùn)動型車與高性能跑車上。 由于對于上游氣流的依賴性較強(qiáng)，因此往往需要較為平整的前、中部底板配合尾部擴(kuò)散器工作，這也是限制其廣泛應(yīng)用的主要原因之一。 另外，纖薄的造型，尤其是擴(kuò)散器中渦流發(fā)生器的耐用性也是非賽道車需要考量的重點(diǎn)。 目前，部分類似擴(kuò)散器的造型元素已經(jīng)出現(xiàn)在我國民用車市場，盡管該類設(shè)計(jì)難以像賽車一樣產(chǎn)生巨大的負(fù)升力，但其對于減阻的貢獻(xiàn)已經(jīng)開始被國內(nèi)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)廣泛地接受。 在減阻開發(fā)已經(jīng)逐漸到達(dá)瓶頸的今天，為更好操控性服務(wù)的空氣動力學(xué)開發(fā)勢必成為未來市場的必爭之地。
 
 
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