FSAE賽車的雙層擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

倪志浩 陳泓延 吳昊　李琪　段嘉雯

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

關(guān)鍵詞：FSAE；雙層擴(kuò)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(xué)生團(tuán)隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造的中國(guó)大學(xué)生方程式賽車大賽，按照賽事制定的規(guī)則和賽車設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)，參賽的單人賽車能夠完成全部或部分賽事，并在加速制動(dòng)操控性等方便具有優(yōu)異表現(xiàn)。

FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)套件主要包括尾翼、側(cè)翼、擴(kuò)散器、擾流板，還有很多翼片等組成，其中擴(kuò)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(kuò)散器產(chǎn)生的下壓力將占整個(gè)車身所有空氣動(dòng)力學(xué)套件所產(chǎn)生總下壓力的40%。

擴(kuò)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(dǎo)出，進(jìn)而在車底制造低壓，達(dá)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(shí)輪胎受到地面的反力明顯增大，對(duì)于改善極限加速性能、高速轉(zhuǎn)向性能、高速制動(dòng)性能都有著積極的作用。

1 雙層擴(kuò)散器的研究目的

隨著汽車工業(yè)中發(fā)動(dòng)機(jī)、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(shè)計(jì)水平的一個(gè)重要指標(biāo)，其中彎道行駛的穩(wěn)定性又是一個(gè)重中之重，影響高速操縱彎道穩(wěn)定性的一個(gè)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)套件雖然開發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，但都存在升阻比（翼片產(chǎn)生升力與阻力之比）較小、對(duì)整車阻力有明顯不利影響的弊端。

車尾擴(kuò)散器（diffuser）應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)傳統(tǒng)的擾流板，擴(kuò)散器的效率（此處指升阻比）更高，在頂尖的賽事中，擴(kuò)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(gè)向上翹的導(dǎo)流板，將車底的氣流快速抽出，車底氣流速度越大壓強(qiáng)越低，于是便形成了一個(gè)低壓區(qū)，而車頂部分壓力相對(duì)較高，最終使車身獲得下壓力。擴(kuò)散器的整個(gè)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(kuò)散器的建模以及設(shè)計(jì)計(jì)算

通過Fluent軟件對(duì)不同擴(kuò)散角度的擴(kuò)散器模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最終確定當(dāng)擴(kuò)散器角度為10°和20°時(shí)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(shí)在該角度下，賽車的行駛阻力不會(huì)太大。本賽季我們?cè)谥暗脑碇显黾拥诙訑U(kuò)散口，形成雙側(cè)通道加中央擴(kuò)散口，兩側(cè)通道擴(kuò)散角均為20°，中央擴(kuò)散口角度為10°。

同時(shí)我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中也考慮到后期的在整車裝配問題，因此我們本次擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)散器所產(chǎn)生的下壓力，可以發(fā)現(xiàn)雙層擴(kuò)散器產(chǎn)生的下壓力最大可以達(dá)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(jìn)行彎道行駛極限工況時(shí)，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(duì)擴(kuò)散器進(jìn)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(kuò)散器所產(chǎn)生的下壓力會(huì)不斷增大，這也正彌補(bǔ)了賽車在彎道行駛時(shí)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(kuò)散器中前部，上下壓力差達(dá)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(fēng)洞測(cè)試數(shù)據(jù)分析

風(fēng)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(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是汽車空氣動(dòng)力學(xué)套件研制工作中的一個(gè)不可缺少的組成部分。用風(fēng)洞作實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理。

將整車固定在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上，通過氣流相對(duì)于賽車的運(yùn)動(dòng)，模擬賽車在跑道上的運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬賽車的彎道行駛，并通過車身上固定的壓力傳感器，測(cè)得在實(shí)際工況下的賽車所產(chǎn)生的下壓力。

通過風(fēng)洞數(shù)據(jù)計(jì)算出，當(dāng)轉(zhuǎn)盤角度增加即賽車彎道角度增加時(shí)，通過賽車尾部擴(kuò)散器對(duì)氣流進(jìn)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，這也正是我們所需要的保持的一個(gè)數(shù)據(jù)范圍。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)FSAE賽車的擴(kuò)散器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以及通過fluent軟件對(duì)不同擴(kuò)散角度進(jìn)行分析，最終選取10°和20°作為我們本賽季所用擴(kuò)散器的擴(kuò)散角，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證賽車的彎道性能的提升，同時(shí)為日后的擴(kuò)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(xué)汽車工程學(xué)院）