FSAE赛车的双层扩散器的结构设计及优化

倪志浩 陈泓延 吴昊　李琪　段嘉雯

摘 要：本文分析了赛车扩散器对赛车性能的影响，利用Fluent流体力学分析软件对单层和双层扩散器的性能进行比较和分析，并根据对比和分析结果确定扩散器的扩散角度，选取最佳扩散角度，充分提升赛车性能

关键词：FSAE；双层扩散器；Fluent；最大升阻比

0 引言

FSAE比赛是汽车工程相关专业的学生团队参加的汽车设计与制造的中国大学生方程式赛车大赛，按照赛事制定的规则和赛车设计与制造标准，参赛的单人赛车能够完成全部或部分赛事，并在加速制动操控性等方便具有优异表现。

FSAE赛车的空气动力学套件主要包括尾翼、侧翼、扩散器、扰流板，还有很多翼片等组成，其中扩散器是FSAE赛车获得下压力的主要来源之一，在赛车的行驶过程中，扩散器产生的下压力将占整个车身所有空气动力学套件所产生总下压力的40%。

扩散器的工作原理主要是在车尾形成低压区，将赛车下部的气流快速导出，进而在车底制造低压，达到增加赛车下压力的效果。增大下压力后，车辆在高速行驶时轮胎受到地面的反力明显增大，对于改善极限加速性能、高速转向性能、高速制动性能都有着积极的作用。

1 双层扩散器的研究目的

随着汽车工业中发动机、轮胎以及底盘技术都逐步趋于成熟，汽车越来越向着高速化的方向发展。于是，高速下的操纵稳定性成为了衡量车辆设计水平的一个重要指标，其中弯道行驶的稳定性又是一个重中之重，影响高速操纵弯道稳定性的一个重要因素就是轮胎与地面接触面上的压力。在车重一定的前提下，空气动力学工程师尝试开发出可以高效地增加下压力的装置。一种普遍的方法是在车身上加装可以增加下压力的翼片或扰流板，这些空气动力学套件虽然开发相对简单，但都存在升阻比（翼片产生升力与阻力之比）较小、对整车阻力有明显不利影响的弊端。

车尾扩散器（diffuser）应运而生。相对传统的扰流板，扩散器的效率（此处指升阻比）更高，在顶尖的赛事中，扩散器产生的下压力占到了整车下压力的近1/2。其工作原理是在车尾加装一個向上翘的导流板，将车底的气流快速抽出，车底气流速度越大压强越低，于是便形成了一个低压区，而车顶部分压力相对较高，最终使车身获得下压力。扩散器的整个工作过程中，产生极少额外的空气阻力，这也是其效率极高的原因。

2 双层扩散器的建模以及设计计算

通过Fluent软件对不同扩散角度的扩散器模拟数据进行对比，最终确定当扩散器角度为10°和20°时可以产生最大的升阻比，充分保证赛车在弯道行驶的下压力，同时在该角度下，赛车的行驶阻力不会太大。本赛季我们在之前的原理之上增加第二层扩散口，形成双侧通道加中央扩散口，两侧通道扩散角均为20°，中央扩散口角度为10°。

同时我们在设计过程中也考虑到后期的在整车装配问题，因此我们本次扩散器的前部延伸至大约前环处，尾部位于后悬架之前，与车架紧密贴合，保证最小离地间隙；尾部距离举升杆20mm，防止干涉；扩散器总宽1260mm，两侧覆盖双水箱底面，确保配合，保证了整车装配的合理性。

3 双层扩散器在fluent仿真模拟中的性能分析

我们模拟在相同的气体流速情况下的扩散器所产生的下压力，可以发现双层扩散器产生的下压力最大可以达到50.6MPa，且最大下压力集中在车身中后部，可以保证赛车在进行弯道行驶极限工况时，后轮扔可以保持较大的摩擦力，牢牢抓住地面，防止赛车发生侧滑，用fluent对扩散器进行不同工况下模拟的速度矢量图以及压力云层图，我们可以看出在速度不断提升，赛车的扩散器所产生的下压力会不断增大，这也正弥补了赛车在弯道行驶时随速度增加所需要的向心加速度，防止赛车侧滑，充分提升赛车的弯道性能，在赛车高速行驶工况下，在扩散器中前部，上下压力差达到最大值，该位置正是赛车后轮所在位置，这与我们前面所提到的提升赛车过弯性能相一致。

4 整车装配后风洞测试数据分析

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。风洞实验是汽车空气动力学套件研制工作中的一个不可缺少的组成部分。用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。

将整车固定在风洞试验台上，通过气流相对于赛车的运动，模拟赛车在跑道上的运动，通过转盘的转动模拟赛车的弯道行驶，并通过车身上固定的压力传感器，测得在实际工况下的赛车所产生的下压力。

通过风洞数据计算出，当转盘角度增加即赛车弯道角度增加时，通过赛车尾部扩散器对气流进行分流，使其产生上下压差，赛车的整车升阻比仍然保持在一个相对稳定的数值，这也正是我们所需要的保持的一个数据范围。

5 结论

本文通过对FSAE赛车的扩散器进行设计计算，以及通过fluent软件对不同扩散角度进行分析，最终选取10°和20°作为我们本赛季所用扩散器的扩散角，并通过风洞试验，验证赛车的弯道性能的提升，同时为日后的扩散器的更深层次研究提供了理论基础和操作方法

参考文献

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（作者单位：吉林大学汽车工程学院）