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汽车空气动力学基础——扩散器

2018-04-10 15:14:12·  来源：AutoAero  
　
鉴于目前对布朗GP车队的设计的争议，丰田和威廉姆斯车队扩散器赛车工程部门决定回归赛车空气动力学的本质，这将使我们更好地理解为什么他们的设计更加有效。
让我们回到赛车工程的基础空气动力学知识，来看看扩散器的功能

鉴于目前对布朗GP车队的设计的争议,丰田和威廉姆斯车队扩散器赛车工程部门决定回归赛车空气动力学的本质，这将使我们更好地理解为什么他们的设计更加有效。



让我们从扩散器的基本功能和操作开始

在现代赛车中，扩散器的关键作用在于加速赛车底部的气流,创建一个低压区,从而增加下压力。这在现实中真实的实现就是F1车身后部的设计的形状，它的作用就是把空气从车身底部抽出。这种抽吸作用，将车辆吸在在赛道上行驶的方式产生的抓地力要远高于原本简单地通过轮胎和悬挂设置实现的。这就是我们说的气动抓地力。

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丰田TF109赛车的尾部扩散器

理论知识

要理解扩散器为何如此重要，必须掌握升力和下压力的基本原理。下面的插图展示了一个能够产生下压力的简单翼形的剖面。



空气经过翼型下方比经过上方的距离长，这导致翼型下方的空气加速,致使气压下降,这将产生一个上下表面的压力差。这种差别本质上意味着上方的高压将翼型向下推,产生所谓的下压力。



在上图的Chaparral 2J车上面可以看到这个理论的应用的极致。在汽车后部的一对风扇将空气从地板下吸入，并排放到路上。
有鉴于此,赛车上的扩散器的作用是加快汽车底部的气流速度,减少其压力,创造一个更大的上下表面的压力差。这意味着更多的下压力和气动抓地力,使汽车转弯时速度更快。
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扩散器的机理

既然我们了解了下压力生成的基本知识，我们可以看一下关于扩散器更详细的分析,以及为什么他们有自己独特的形式。
扩散器沿着其长度方向空间体积增加，以产生使空气可以从车身底部经过的空隙。文丘里效应意味着气流经过扩散器的喉部区域时加速,产生所需的低压,然后逐渐回到相同的速度后,进入尾流(见下图),角度或斜坡也很重要,扩散器必须有一个逐渐变化的角度,以防止气流从顶部和两侧分离。



扩散器机理

增加的垂直方向的“栅栏”能够确保空气只经过的底部,而不从上表面泄漏，以优化扩散器效率。



扩散器底部压力分布

上图显示了一般扩散器的压力系数,用蓝色表示最低压力区域,红色表示最高压力。如图可以看出在扩散器喉部区域随着速度的增加压力减少，以及随后的气压减小以使地板下的扩散器将车吸附在地上。

为什么“双层扩散器”更有效率

简单说,他们比单层的设计拥有一个更大的体积,从而吸引更多的空气从底部经过，增加下压力水平。
2009年的规定的目的是通过压缩他们的高度和宽度，来限制扩散器的体积。而09年之前的几年内，设备变得比允许尺寸更长、更高,其造成的湍流对后来汽车的下压力水平产生了很坏的影响。
然而通过狡猾的解释规则,布朗,威廉姆斯和丰田已经能够增加一个重要的二级扩散器,这也大大增加在底部产生的下压力。 
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