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为何扩散器能增加F1赛车的抓地力?

发布时间:2021-01-11

  F1运动是一项科技含量非常高的运动,为了提升赛车速度,各家在空气动力学上的投入都十分巨大,赛车前部的扩散片和尾部扩散器可以算的上是赛车空气动力基础了。然而,F1运动的多层扩散器被禁止使用了,吹气扩散器也走到了尽头,在扩散器上的一个个花招被光荣伟大的FIA斩落马下,现在,是时候返璞归真,说说作为赛车空气动力基础的扩散器本身。这也能让我们更深入的了解工程师们在其上投入的汗水与金钱。


  对F1赛车来说,路是用轮胎跑的,所以怎么保证轮胎与地面的紧密结合是最最重要的事情,这就是“抓地力”。而抓地力的获得主要来自车辆悬挂控制的机械抓地力和空气动力效应产生的抓地力。而利用空气动力效应产生下压力的扩散器是在整个车体的尾部,尽管从技术角度称之为扩散器不是很正确,但是,大家还是用扩散器来称呼赛车的这个部位。扩散器的作用有两方面,一方面,它像一个翅膀弯曲起来,从而在赛车的尾部产生一个反方向的压力来增加下压力。第二个跟第一个作用息息相关,它是从车的下方抽走空气从而形成一个低压区域。但是,F1赛车会碰到一个问题,车底空间远小于车体上方空间。而空气流入较小空间后会产生乱流,从而影响空气流动速度,这样一来,底部的空气压力会明显抬升。这个时候,扩散器就开始发挥效力了,扩散器主要作用就是让混乱的气流重新恢复正常流动,并且利用整理好的轨道,让气体加速流出。这时,由于赛车车底尾部的气流快速流出,会在此区域产生了一个相对的低压区。如此一来,这个低压区就相当于一个抽风机,不断将从赛车前部进入车底的空气向后抽出。就这样,赛车底部相对于赛车上部就产生了一个相对的低压区。因此,赛车在高速行进中就被牢牢的按在了地面上。


  现在,让我们看看关于扩散器的简单理论:


  要理解扩散器的工作,我们首先要了解升力与压力的基本原理。 气流在流经翼片时下表面的气流要比上表面流过更长的距离,这就意味着在相同的时间内,下表面的空气要加把劲儿,跑的更快才能准时与上表面的气流汇合。根据伯努利方程,速度越快,压力越低。这样就降低了下表面的空气压力,在翼片的上下表面之间创造了一个压力差。该翼片实际上被上方的高压空气向下压,产生了下压力。


  赛车扩散器的设计法则就是让赛车底部的空气加速,创造一个低压区,在赛车的上下表面之间产生一个较大的气压差,从而获得更大的下压力,或者说更快的弯道速度。

  我们已经了解了基本的下压力产生方式,接下来看更多的扩散器设计细节,以及它们之间为何有所不同。

  扩散器的容积由前向后逐渐扩大,产生一个需要被流经的空气填满的巨大空间。这就像一个文丘里管一样,在扩散器的喉部空气被加速。产生工程师们渴望的下压力。随后,扩散器中的空气逐渐减速,直到在尾部与车身上部的空气汇合(见下图)。扩散器内部的扩张曲线非常重要,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地流经扩散器的顶部与侧边而不发生气流剥离。

  扩散器出口上方的翼片(在F1中就是粱翼)同样对扩散器的效率有重要的影响。该处的翼片可以确保在扩散器出口处抽出的气流全部是来自于赛车底部,而不是赛车的上表面。


  一般来说,由于扩散器产生下压力的效率(升阻比)非常高,所以,现代F1赛车扩散器负责产生总下压力的40%左右,所以可以说,赛车最重要的不同都在我们看不见的底部,整个赛车都应围绕提高扩散器效能这一目标展开设计,而平常我们看到的照片中的扩散器其实只不过冰山一角罢了。


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