倪志浩 陳泓延 吳昊　李琪　段嘉雯

摘 要：本文分析了賽車擴散器對賽車性能的影響，利用Fluent流體力學分析軟件對單層和雙層擴散器的性能進行比較和分析，并根據(jù)對比和分析結(jié)果確定擴散器的擴散角度，選取最佳擴散角度，充分提升賽車性能

關(guān)鍵詞：FSAE；雙層擴散器；Fluent；最大升阻比

0 引言

FSAE比賽是汽車工程相關(guān)專業(yè)的學生團隊參加的汽車設計與制造的中國大學生方程式賽車大賽，按照賽事制定的規(guī)則和賽車設計與制造標準，參賽的單人賽車能夠完成全部或部分賽事，并在加速制動操控性等方便具有優(yōu)異表現(xiàn)。

FSAE賽車的空氣動力學套件主要包括尾翼、側(cè)翼、擴散器、擾流板，還有很多翼片等組成，其中擴散器是FSAE賽車獲得下壓力的主要來源之一，在賽車的行駛過程中，擴散器產(chǎn)生的下壓力將占整個車身所有空氣動力學套件所產(chǎn)生總下壓力的40%。

擴散器的工作原理主要是在車尾形成低壓區(qū)，將賽車下部的氣流快速導出，進而在車底制造低壓，達到增加賽車下壓力的效果。增大下壓力后，車輛在高速行駛時輪胎受到地面的反力明顯增大，對于改善極限加速性能、高速轉(zhuǎn)向性能、高速制動性能都有著積極的作用。

1 雙層擴散器的研究目的

隨著汽車工業(yè)中發(fā)動機、輪胎以及底盤技術(shù)都逐步趨于成熟，汽車越來越向著高速化的方向發(fā)展。于是，高速下的操縱穩(wěn)定性成為了衡量車輛設計水平的一個重要指標，其中彎道行駛的穩(wěn)定性又是一個重中之重，影響高速操縱彎道穩(wěn)定性的一個重要因素就是輪胎與地面接觸面上的壓力。在車重一定的前提下，空氣動力學工程師嘗試開發(fā)出可以高效地增加下壓力的裝置。一種普遍的方法是在車身上加裝可以增加下壓力的翼片或擾流板，這些空氣動力學套件雖然開發(fā)相對簡單，但都存在升阻比（翼片產(chǎn)生升力與阻力之比）較小、對整車阻力有明顯不利影響的弊端。

車尾擴散器（diffuser）應運而生。相對傳統(tǒng)的擾流板，擴散器的效率（此處指升阻比）更高，在頂尖的賽事中，擴散器產(chǎn)生的下壓力占到了整車下壓力的近1/2。其工作原理是在車尾加裝一個向上翹的導流板，將車底的氣流快速抽出，車底氣流速度越大壓強越低，于是便形成了一個低壓區(qū)，而車頂部分壓力相對較高，最終使車身獲得下壓力。擴散器的整個工作過程中，產(chǎn)生極少額外的空氣阻力，這也是其效率極高的原因。

2 雙層擴散器的建模以及設計計算

通過Fluent軟件對不同擴散角度的擴散器模擬數(shù)據(jù)進行對比，最終確定當擴散器角度為10°和20°時可以產(chǎn)生最大的升阻比，充分保證賽車在彎道行駛的下壓力，同時在該角度下，賽車的行駛阻力不會太大。本賽季我們在之前的原理之上增加第二層擴散口，形成雙側(cè)通道加中央擴散口，兩側(cè)通道擴散角均為20°，中央擴散口角度為10°。

同時我們在設計過程中也考慮到后期的在整車裝配問題，因此我們本次擴散器的前部延伸至大約前環(huán)處，尾部位于后懸架之前，與車架緊密貼合，保證最小離地間隙；尾部距離舉升桿20mm，防止干涉；擴散器總寬1260mm，兩側(cè)覆蓋雙水箱底面，確保配合，保證了整車裝配的合理性。

3 雙層擴散器在fluent仿真模擬中的性能分析

我們模擬在相同的氣體流速情況下的擴散器所產(chǎn)生的下壓力，可以發(fā)現(xiàn)雙層擴散器產(chǎn)生的下壓力最大可以達到50.6MPa，且最大下壓力集中在車身中后部，可以保證賽車在進行彎道行駛極限工況時，后輪扔可以保持較大的摩擦力，牢牢抓住地面，防止賽車發(fā)生側(cè)滑，用fluent對擴散器進行不同工況下模擬的速度矢量圖以及壓力云層圖，我們可以看出在速度不斷提升，賽車的擴散器所產(chǎn)生的下壓力會不斷增大，這也正彌補了賽車在彎道行駛時隨速度增加所需要的向心加速度，防止賽車側(cè)滑，充分提升賽車的彎道性能，在賽車高速行駛工況下，在擴散器中前部，上下壓力差達到最大值，該位置正是賽車后輪所在位置，這與我們前面所提到的提升賽車過彎性能相一致。

4 整車裝配后風洞測試數(shù)據(jù)分析

風洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設備，它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具。風洞實驗是汽車空氣動力學套件研制工作中的一個不可缺少的組成部分。用風洞作實驗的依據(jù)是運動的相對性原理。

將整車固定在風洞試驗臺上，通過氣流相對于賽車的運動，模擬賽車在跑道上的運動，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動模擬賽車的彎道行駛，并通過車身上固定的壓力傳感器，測得在實際工況下的賽車所產(chǎn)生的下壓力。

通過風洞數(shù)據(jù)計算出，當轉(zhuǎn)盤角度增加即賽車彎道角度增加時，通過賽車尾部擴散器對氣流進行分流，使其產(chǎn)生上下壓差，賽車的整車升阻比仍然保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，這也正是我們所需要的保持的一個數(shù)據(jù)范圍。

5 結(jié)論

本文通過對FSAE賽車的擴散器進行設計計算，以及通過fluent軟件對不同擴散角度進行分析，最終選取10°和20°作為我們本賽季所用擴散器的擴散角，并通過風洞試驗，驗證賽車的彎道性能的提升，同時為日后的擴散器的更深層次研究提供了理論基礎(chǔ)和操作方法

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（作者單位：吉林大學汽車工程學院）