赛车空动优化的秘密

赛车空动优化的秘密

引言：赛车的空气动力学套件前翼，尾翼和扩散器都有一定的攻角，在其工作时气流也面临着边界层分离的情形。优化边界层，就可以保持气流的持续附着，延迟甚至是避免失速，从而大大提高空气动力学套件对环境的适应能力，降低其敏感度。以下是一些优化方案：

赛车的空气动力学套件前翼，尾翼和扩散器都有一定的攻角，在其工作时气流也面临着边界层分离的情形。优化边界层，就可以保持气流的持续附着，延迟甚至是避免失速，从而大大提高空气动力学套件对环境的适应能力，降低其敏感度。以下是一些优化方案：

翼面开槽

法拉利F14T赛车前翼开槽

翼面开槽，就是把一块长翼弦、大面积的翼片拆分成若干个部分，使得翼片在迎风行进过程中上翼面的气流可以通过开槽流入下一块翼片的下表面。这部分气流的介入可以弥补翼面下方由于粘滞作用而导致的能量损耗，弥补流速差，削弱逆压梯度。开槽后的翼片更不容易引发失速，因此开槽后的翼片可以比原始翼型具有更大的气动攻角，产生更多的负升力。

涡流发生器

提升空气动力学套件表现、优化边界层的另一种措施就是安装涡流发生器（vortexgenerator）。

前翼下方的涡流发生器

涡流发生器的工作原理与开槽相比略有不同，开槽是将其他区域的气流引导到翼面下表面，为翼面下表面补充能量；而涡流发生器则是利用其尖端产生的翼尖涡为边界层提供能量。但是两者的根本原理都是利用能量削弱逆压梯度，因此从本质上来说，两者又是相似的。

涡流发生器自1947年首次被美国联合飞机公司的Bmynes和Tayler提出，到目前已广泛应用于航空、流体机械、冶金化工、汽车、船舶等领域。涡流发生器实际上是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡，由于其展弦比较小，翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。

涡流发生器按大小分三类，即普通涡流发生器（VG）、亚附面层涡流发生器（SBVG）和微型涡流发生器（MVG）。涡流发生器在赛车领域已经有了广泛的应用。目前，涡流发生器已经成为了提升赛车特别是方程式赛车性能的必备组件。

扩散器的意义

扩散器的逆压梯度并不像前翼一样仅仅存在于翼面表面的边界层区域，而是贯穿整个扩散器内部。扩散器内部的空间逐渐增大，气体由车底流入扩散器后流速减慢，压强递增，在扩散器内部的气体压强普遍小于底盘下方。

扩散器下表面压强分布

从某种意义上来说，这种现象限制了扩散器的工作性能：扩散器往往不能具有太大的倾角，防止气体在扩散器内部发生压强突变而阻碍气流从车底抽出，而涡流发生器的应用，恰恰能使这一弊端得到改善。

赛车扩散器内的涡流发生器通常都为三角形，从扩散器的起点开始贯穿整个扩散器内部。一具扩散器的内部往往同时装有多组涡流发生器。流入扩散器的一部分气流会在涡流发生器上产生翼尖涡，重新提升了扩散器内部的动态能量，削弱了压强差。这样一来，气流流入扩散器而不伴随相应的逆压梯度，就可以吸引车底更多的气流流入扩散器以填补其体积逐渐增大形成的空腔，增强了扩散器的抽气效果，为赛车提供更大的负升力。

对于FSC这类低速赛事，从空气动力学的角度分析，由于低流速的限制，加之气体在低速状态下边界层较厚，难以让空气动力学套件发挥显着的效果。然而涡流发生器体积小，制造涡流的能量高，加之成本低廉，工艺简单，可以极大程度地优化边界层，提升赛车现有的空气动力学表现。在2014年FSC比赛中，燕山大学队的燕翔五号赛车上就使用了涡流发生器技术。