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汽车空气动力学附件应用技术（一）——扩散器

2019-10-29 23:19:08·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
车辆扩散器（DIFFUSER）狭义上是指固定在车辆底部（一般处在尾部）的，具有加速车底流速的空气动力学部件。由于扩散器在底盘上产生的压差可以为车身提供大量的负
车辆扩散器（ DIFFUSER ）狭义上是指固定在车辆底部（一般处在尾部）的，具有加速车底流速的空气动力学部件。 由于扩散器在底盘上产生的压差可以为车身提供大量的负升力，因此被广泛地应用于赛车及高性能车辆的气动设计中。 同时，由于尾部扩散器的形状特征，扩散器的减阻作用也逐步引起了民用车市场的重视。 本文将简要介绍扩散器的工作原理及其气动特性，例举典型车辆扩散器的应用案例，并对其在车辆整体气动布局中的作用进行解析。

散器原理：

扩散器是通过抽吸底盘下方的气流而产生负升力的气动部件。 非常具有迷惑性的一点在于，尽管大多数人知道扩散器加速了车底的气流，但气流在扩散器内部却是处于减速状态的。 这是由于随着扩散器腔体容积的增大，为了满足车辆不可压流动状态下的连续性条件，气流需要减速以填充更大的空间。 在气流未发生分离的情况下，经过扩散器“喉部”（负压峰值点）后，扩散器腔体内沿流动方向静压升高直至与车尾气流汇合。 在流动的机械能不损失的假设下，由前部底板流至扩散器内部的流体需满足伯努利方程，即扩散器出口处静压应高于其上游任意一点静压，该现象也被称为“压力恢复”（PRESSURE RECOVERY）（图 1）。
图1 二维扩散器模型吸力侧Cp分布图，横轴为沿流向空间位置，纵轴为吸力侧Cp值。
 
不难看出，在设计扩散器时需要考虑两个重要的问题：流动如何克服逆静压梯度以及如何优化压力恢复的过程，以下分别进行讨论：
 
对于上述第一点而言，在扩散器扩散角度很小的情况下，其内部的流动往往是相对稳定的，但路面颠簸和悬架变形带来的离地间隙变化会影响其内部的流动。例如，在车辆高速制动的情况下，由于车辆前倾而增大了扩散器的工作角度进而带来气流分离的风险。对于高性能车辆而言，高速制动的工况往往出现在车辆转向之前，因此后轴负升力的损失会加剧车辆过度转向的趋势。事实上，负升力的重要性更多地体现在弯道中——由于气流在底板的分布为非对称情况，扩散器对于不同转向半径工况的适应性是更需要重视的。

对于第二点而言，优化压力恢复的过程也就是减小气流动能转化为静压过程中的能量损失。合理的通道形状设计以及离地间隙会在尽可能小的能量损失下将扩散器内部压力降低到设计值。

除以上两点之外，从外界补充扩散器内部气流动能的设计也受到了赛车界的广泛重视，例如对扩散器内部的吹气、在尾部的抽吸等。但由于扩散器在工作时强烈地依靠地面效应，该类设计在其机械结构或功能失效的情况下将严重威胁车辆的安全性，因此在FIA的绝大多数赛事中是被禁止的。值得注意的是，在不发生剧烈分离的情况下，扩散器本身对于阻力的贡献极低，这使其拥有极高的气动效率（负升力/阻力）。

赛车扩散器历史：

在赛车空气动力学被发掘的前夕，发动机和底盘技术是车队在赛场内竞争的主要领域。 图 1中所示LOTUS 49（1967年）是该阶段具有统治性表现的赛车之一。 不难看出，该阶段的F1赛车不具备现代赛车上的空气动力学装置。
 
图2 LOTUS 49（1967）前空气动力学时代赛车，尽管具有狭长的车身，但尚未真正将空气动力学对于车辆操作稳定性的影响纳入设计范畴
图片源自https://www.conceptcarz.com/view/photo/861668,21414,1/1967-Lotus-Type-49_photo.aspx

LOTUS于1968年在TYPE 49的基础上推出了新一代长轴距版赛车LOTUS 49B，同时空气动力学装置也首次以负升力翼的形式出现在F1赛场内。在最初始的设计中，工程师将翼片通过支撑结构固定在悬架上（图 2），但是出于安全方面的考虑，最终LOTUS49B（图 3）将翼片以簧上的形式固定在了车架上。
 
图3 LOTUS 49B的高位固定尾翼，可以注意到该尾翼支撑结构的固定点位于横臂与立柱连接点，因此在发生轮跳时支撑结构会发生形变，同时该尾翼的高度对于赛车的安全性也造成了威胁。
图片源自https://www.hemmings.com/blog/2018/03/23/the-year-that-everything-changed-remembering-the-1968-formula-1-season/
 
图4 在LOTUS将负升力翼引入F1摩纳哥站后，FERRARI和McLaren等车队也纷纷效仿，在比利时站拿出了尾翼设计，同时，LOTUS和FERRARI为赛车装备了前翼以提供更佳的平衡性。可以从图中看到，此时的前翼并没有发掘地面效应能带来的巨大的影响。
图片源自https://www.hemmings.com/blog/2018/03/23/the-year-that-everything-changed-remembering-the-1968-formula-1-season/
 
LOTUS78（1977年）（图 4）是首台运用了地面效应设计的赛车，通过侧箱下部的造型为其提供了极大的下压力。同时，为了更好地利用车底的低压区域，LOTUS 78采用了柔性裙边密封车底外缘。随后推出的LOTUS 79和LOTUS80（图 5）在其前代的基础上进一步优化了赛车底部的通道，尽可能地利用了地面效应所带来的优势。由于LOTUS在1978赛季统治性地赢得了半数的比赛，所有的车队都开始研发赛车的地面效应装置。最为著名的设计之一即是BRABHAM的BT46B（1978年）赛车，其设计师GORDON MURRAY敏锐地发现了路特斯极大抓地力的来源，并在瑞典大奖赛上推出了“风扇车”BT46B（图 6），利用一套专用的传动系统来驱动其尾部的风扇，该风扇会为车底提供额外的低压，进一步提升赛车的下压力水平。事实上，BT46B并不是第一台利用风扇产生下压力的赛车，CHAPARRALCARS车队早在1970年推出的 CHAPARRAL 2J赛车就装备了两只由一台两冲发动机驱动的风扇来参加CAN-AM系列赛事，然而由于赛会对于双发动机的禁令以及机械结构问题，该设计最终被封存起来。
 
图5 LOTUS 78 是首台利用地面效应的F1赛车，其侧箱下部的“类翼型“造型为赛车提供了极大的下压力，表标志着F1正式进入地面效应设计的较量阶段。
图片源自https://www.motorsport.com/f1/news/from-f1-racing-now-that-was-a-car-the-lotus-78-947109/3043436/
 
图6 LOTUS 79B 和 LOTUS 80，在其前代TYPE 78的基础上进一步优化了车底的通道造型，值得注意的是，TYPE 80在鼻锥最前端设计了一套两部件的翼片以开发之前被忽略的前翼中间部分。
图片源自https://www.formula1.com/en/latest/article.re-writing-the-f1-rule-book-part-1-from-wing-cars-to-flat-bottoms.EJZ73Lnn0c6EgcMKMAWOU.html
 
图7 BRABHAM BT46（1978），此时已经有了对于禁用“可移动空气动力学装置（MoveableAerodynamic Devices）”的规定，但GORDONMURRAY给出的解释是该风扇是用于散热模块冷却的，后续FIA颁布了更为严格的禁令来限制动力地面效应设备的使用。
图片源自https://www.formula1.com/en/latest/article.re-writing-the-f1-rule-book-part-1-from-wing-cars-to-flat-bottoms.EJZ73Lnn0c6EgcMKMAWOU.html
 
进入80年代后，用于附着车底制造负升力的裙边设计被FIA禁止，同时也引入了水平底板的规则，扩散器的设计空间随之被进一步压缩至车尾。 90年代后，F1赛会要求各支车队需在赛车底部使用10mm厚的木板（现为合金层）以限制车辆的最小离地间隙。 许多精妙的扩散器设计在规则不断更迭的狭缝中涌现出来，例如2009年由 BRAWN GP ， WILLIAMS F1 以及 TOYOTA RACING 利用规则的灰色区域率先研发的双层扩散器等。 时至今日，扩散器已经成为赛车最为重要的设计部分之一，其复杂程度也随着制造工艺的上升而进一步进化，图 7所示为2018赛季REDBULL RACING RB4赛车，扩散器尾部的多层结构通过增加环量的方式进一步强化后部的了“泵效应（PUMPING EFFECT）”，提高了其内部流动克服静压力梯度的能力。
图8 2018赛季 RB14赛车扩散器，在其尾部的多片结构利用了多组件翼片在地面效应下的优势进一步增强了其内部流动克服逆静压梯度的能力。
图片源自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
 
扩散器在非方程式赛车上的应用：
除了方程式赛车外，扩散器在拉力赛与其他场地赛中也有广泛地应用。例如，WRC 2017赛季加泰罗尼亚站的HYUNDAI I20 COUPÉ WRC赛车（图 8）与WRC 2018赛季加泰罗尼亚站的FORD FIESTA WRC赛车所装备的巨大扩散器。不难发现，在扩散器内还安装有垂直地面的隔板（实为涡流发生器），该结构对于经常处于转向工况下的扩散器具有辅助作用。
 
图9 2017年WRC加泰罗尼亚站D.SORDO与M.MARTÍ所驾驶的HYUNDAI I20 COUPÉ WRC赛车装备有一套与车尾集成度较高的扩散器。
图片源自https://www.wrcwings.tech/2016/11/15/diffusers-revolution-for-2017-wrc-cars/
 
图10 2018年WRC 加泰罗尼亚站S.OGIER/J.INGRASSIA所驾驶的FORD FIESTA WRC赛车，相比于图 8赛车所使用的扩散器，该扩散器的容积更大，而在此之前，FORDFIESTA也采用了与HYUNDAI I20 COUPÉ WRC类似的小扩散器设计。
图片源自https://www.wrcwings.tech/2018/10/15/review-of-the-ford-fiesta-wrc-new-rear-diffuser/
 
图 10所示为刚刚在9月14日WTCR宁波站夺冠的CYAN RACING车队领克03 TCR赛车尾部扩散器。需要指出的是，尽管外观与量产版本比较接近，但仍然要配合房车赛赛车极其平整的底盘布置，才能使扩散器发挥其作用。
 
图11 2019 WTCR宁波站 LYNK&CO 03 TCR赛车的尾部扩散器，相比于方程式赛车，房车赛赛车的设计对于民用车来说更具借鉴意义。
图片源自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)赛事中，扩散器得到了更为广泛的应用和深入的发掘。 由于与方程式赛车不同的前部布局，除了在赛车尾部使用扩散器外，在赛车前部也出现了类似的结构，例如TOYOTA GT-ONE(1998-1999)赛车所装备的前部扩散器（图 11）。 必须指出的是，由于该扩散器处于车辆最前部，与后部扩散器相比，其上游没有任何气流可以被加速，因此其负升力的来源仅为下表面与气流的动量交换。 该类型扩散器的设计必须十分谨慎——前扩散器控制着下游的气流分配，当设计不当时很可能导致后方的空气动力学部件过于敏感甚至失效。
 
图12 在1998-1999年24 HOURS OF LE MANS赛事中的原型赛车TOYOTA GT-ONE装备有前部扩散器，其作用与前翼类似，但由于其工作表面仅为下表面，因此更多地被划分为扩散器而非翼。
图片源自（左上，右上）http://www.mulsannescorner.com/gtone-1.html
COPYRIGHTMARTIN SPETZ，TONY MATHEWS AND RACE TECH MAGAZINE
图片源自（下）https://www.conceptcarz.com/view/photo/1066002,884/1999-toyota-gt-one_photo.aspx
 
扩散器在民用车上应用的瓶颈：
相比于在赛场内的广泛应用，扩散器在民用车上仅见于部分运动型车与高性能跑车上。 由于对于上游气流的依赖性较强，因此往往需要较为平整的前、中部底板配合尾部扩散器工作，这也是限制其广泛应用的主要原因之一。 另外，纤薄的造型，尤其是扩散器中涡流发生器的耐用性也是非赛道车需要考量的重点。 目前，部分类似扩散器的造型元素已经出现在我国民用车市场，尽管该类设计难以像赛车一样产生巨大的负升力，但其对于减阻的贡献已经开始被国内设计团队广泛地接受。 在减阻开发已经逐渐到达瓶颈的今天，为更好操控性服务的空气动力学开发势必成为未来市场的必争之地。
 
 
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