流体力学与F1 5 - 图文

扩散器

扩散器位于赛车的尾端，是车尾最低的气动部件。

与前翼和尾翼相比，扩散器被应用的时间相对较晚，但是扩散器却是目前公认的最有效的气动部件，因为与传统的翼片工作方式不同，扩散器工作时几乎不伴随阻力，因此强化扩散器工作效率也常常成为F1设计师提升赛车气动性能的核心要素。通常来说，扩散器可以为赛车提供40%的负升力。

所谓“扩散器”顾名思义，就是要造成气体的扩散，介绍扩散器的工作原理之前，我们有必要了解一下扩散器的结构及其与底盘的联系。

扩散器其实就是底盘末端的一段上翘结构，或者说是底盘末端的一个斜坡，但无论怎样理解，扩散器都是与赛车的底盘相连，亦或理解为底盘的一部分。

那么现在就请我们想象这样一个情景：由于底盘与地面的高度十分有限，因此底盘下方的气流处于一种“压缩状态”中，流速会比赛车的速度有所加快，当这股气流流出底盘，进入扩散器时，气流会由于康达效应顺着上底盘/扩散器的斜坡形状流动，这时问题就出现了：由于扩散器的体积比车底大得多，因此需要更多气体才能填补扩散器这一巨大“空缺”，因此车底被压缩的气流就会加速向着扩散器的方向流动，这样一来，就好比有一双大手将气流源源不断地从车底抽出，车底的气流也获得了更为强大的流速，根据伯努利方程，流速高的地方压强低，车底由于气流的高速运动而产生了低压区，结合外界的一个大气压，便获得了巨大的负升力。

说得再详细一些，车底的气流在刚刚流入底盘下方到流入扩散器之前被加速，而当气流注入扩散器后流速由于扩散器的容积增大而减慢，打一个不太恰当的比方，扩散器只是给底盘下方被压缩的气流提供了一个释放的出口，进而诱导底盘下方的气流加速。因此负升力是作用在底盘上的，在扩散器的内部没有产生可观的负升力。

上图显示了在250km/h的条件下，平面下部的大气压力分布。有蓝色到红色依次表示从小到大的气压。通过这张CFD模拟图，我们不难看出，底盘下方为低压，而且气流在到达扩散器时流速达到最大值，压强也达到最低值（体现为深蓝色），而在扩散器区域却为压强较大的黄色和红色。其中扩散器尾端呈现红色，同时也意味着此处的流速最小，这与之前介绍的气流从注入底盘到流出扩散器的过程中流速先增大后减小的原理是一致的。通过下面两幅图，我们可以很直观的看到气体在扩散腔内部的减速运动。

扩散器的工作原理也可以用文丘里效应解释，换言之，扩散器与文丘里管十分相似，车底的气流从扩散器入口进入，扩散器入口背面形成低压区降低车体底部空气的升力，以此增加赛车的负升力。

扩散器最大的缺点注是对底盘与路面之间的距离要求非常严格，距离变化会对负升力产生巨大的影响，这也就是为会么民用车没有使用这种装置，高度越低越好，但一旦底盘接触地面将前后气流切断，扩散器立刻失效。

上图是扩散器角度为10。时的阻力和负升力系数随着含有扩散器的类车体离地间隙变化而改变的插值曲线，由曲线可得负升力随着离地间隙的减小而增加，离地间隙与车长比值为0.02时扩散器失速点发生。经实验表明此处是扩散器区域气体入口，该区域的气动压力达到最小值，通过改变扩散器起始位置可以对赛车负升力中心加以控制。

压力系数与扩散器角度

研究表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分离，后在文丘里的影响下重新附着在扩散器的表面而流向尾部。针对这种情况，F1的设计师通常会给扩散器安装涡流发生器来保证气流的附着，强化扩散器的“抽气”效能，涡流发生器在航空领域中实际上是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎风面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。应用在F1的扩散器上，涡流发生器通过形成混合涡而有效地阻止气流的过早分离，尽可能地使扩散器处于理想的工作状态，降低气流分离造成的负面影响。

我们在扩散器区域看到的楔形翼片就是涡流发生器。

扩散器内部的扩张曲线同样非常重要，曲线的曲率要经过严密的研究与实验，保证内部的气流顺畅的流经扩散器的顶部与侧边而不发生气流剥离。理想的扩散器其内部压力应该呈现平缓的变化。 对于扩散器而言，负升力的降低是由于混合涡的破碎和底部气流的分离。 课题：如何提高扩散器的工作效率

在前面的文章中，我们介绍了地面效应，地面效应的成功运用使得F1赛车产生了极为恐怖的气动负升力。虽然地面效应已经被国际汽联（FIA）禁止，但是，在“后地面效应”时代，仍然有很多的设计受到了地面效应的影响，比如“侧裙效应”，之前介绍过莲花78赛车的侧裙结构，侧裙将底盘的两边封闭，这样一来底盘两侧的气流就无法进入车底，在扩散器工作时，只有从底盘前端流入的气流被疯狂地抽出，使得底盘下方的空间呈现出近乎真空的状态，与外界标准大气压相比，产生的负升力可想面知。尽管侧裙现在已被明令禁止，但是F1车队还是通过某些技术手段使得某些部件达到侧裙的功效。

比如，迈凯MP4-28的底盘呈锯齿形，在赛车调整行驶时，每一个锯齿的尖端都会形成小的涡流，迈凯伦工程师们

的意图在于，通过这些小涡流影响底盘外侧的气流，从而起到类似于侧裙的效果，更简单地说，迈凯伦MP4－28想利用涡流封闭底盘。

如果你认为细小的涡流不足以封闭底盘，那如果是高能量的废气呢？接下来要介绍的是一项在理念上近乎疯狂的设计，这就是迈凯伦曾经打算在MP4－26上采用的“扇子”排气，我们通常称之为“章鱼排气管”。

“扇子”排气是迈凯轮车队为了迎合2011版技术规则所设计出的产物，在双层扩散器被禁止的规则框架下，各支车队都需要寻找新的路径将废气送到扩散器。迈凯轮车队推出的扇子排气通过将排气延伸至底盘中心线以外650mm到700mm的区域内，在迎合了新规则的同时使废气重新导入扩散器成为了可能，并且在废气从底盘边缘吹出时利用废气创造了裙边效应，使得整个底盘极为高效。主观地讲，如果是我给2011年各队的排气设计打分，那么MP4-26的扇子排气在理念上绝对是对手（包括红牛）所无法企及的，不过，遗憾的是，迈凯轮的工程师们最终没能解决扇子的散热材料问题，因此这套排气最终不幸流产。假如MP4-26能够搭载扇子参加全年的比赛，可能RB7的火星车名号就要被MP4-26所取代了。（关于扇子排气系统，我们会在以后的文章中重点介绍）

除了地面效应，影响扩散器的因素还有很多，在接下来的篇幅中，我们将以2009年的技术改革为背景，详细分析每一年扩散器的工作特性和提升扩散器性能的手段。在下一期的文章中，我们将探讨双层扩散器的技术优势。

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