賽車空動優化的秘密

梁子平+田野

賽車的空氣動力學套件前翼，尾翼和擴散器都有一定的攻角，在其工作時氣流也面臨著邊界層分離的情形。優化邊界層，就可以保持氣流的持續附著，延遲甚至是避免失速，從而大大提高空氣動力學套件對環境的適應能力，降低其敏感度。以下是一些優化方案：

翼面開槽

翼面開槽，就是把一塊長翼弦、大面積的翼片拆分成若干個部分，使得翼片在迎風行進過程中上翼面的氣流可以通過開槽流入下一塊翼片的下表面。這部分氣流的介入可以彌補翼面下方由于粘滯作用而導致的能量損耗，彌補流速差，削弱逆壓梯度。開槽后的翼片更不容易引發失速，因此開槽后的翼片可以比原始翼型具有更大的氣動攻角，產生更多的負升力。

渦流發生器

提升空氣動力學套件表現、優化邊界層的另一種措施就是安裝渦流發生器（vortexgenerator）。

渦流發生器的工作原理與開槽相比略有不同，開槽是將其他區域的氣流引導到翼面下表面，為翼面下表面補充能量;而渦流發生器則是利用其尖端產生的翼尖渦為邊界層提供能量。但是兩者的根本原理都是利用能量削弱逆壓梯度，因此從本質上來說，兩者又是相似的。

渦流發生器自1947年首次被美國聯合飛機公司的Bmynes和Tayler提出，到目前已廣泛應用于航空、流體機械、冶金化工、汽車、船舶等領域。渦流發生器實際上是以某一安裝角垂直地安裝在機體表面上的小展弦比小機翼，所以它在迎面氣流中和常規機翼一樣能產生翼尖渦，由于其展弦比較小，翼尖渦的強度相對較強。這種高能量的翼尖渦與其下游的低能量邊界層流動混合后，就把能量傳遞給邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場獲得附加能量后能夠繼續貼附在機體表面而不致分離。

渦流發生器按大小分三類，即普通渦流發生器（VG）、亞附面層渦流發生器（SBVG）和微型渦流發生器（MVG）。渦流發生器在賽車領域已經有了廣泛的應用。目前，渦流發生器已經成為了提升賽車特別是方程式賽車性能的必備組件。

擴散器的意義

擴散器的逆壓梯度并不像前翼一樣僅僅存在于翼面表面的邊界層區域，而是貫穿整個擴散器內部。擴散器內部的空間逐漸增大，氣體由車底流入擴散器后流速減慢，壓強遞增，在擴散器內部的氣體壓強普遍小于底盤下方。

從某種意義上來說，這種現象限制了擴散器的工作性能：擴散器往往不能具有太大的傾角，防止氣體在擴散器內部發生壓強突變而阻礙氣流從車底抽出，而渦流發生器的應用，恰恰能使這一弊端得到改善。

賽車擴散器內的渦流發生器通常都為三角形，從擴散器的起點開始貫穿整個擴散器內部。一具擴散器的內部往往同時裝有多組渦流發生器。流入擴散器的一部分氣流會在渦流發生器上產生翼尖渦，重新提升了擴散器內部的動態能量，削弱了壓強差。這樣一來，氣流流入擴散器而不伴隨相應的逆壓梯度，就可以吸引車底更多的氣流流入擴散器以填補其體積逐漸增大形成的空腔，增強了擴散器的抽氣效果，為賽車提供更大的負升力。

對于FSC這類低速賽事，從空氣動力學的角度分析，由于低流速的限制，加之氣體在低速狀態下邊界層較厚，難以讓空氣動力學套件發揮顯著的效果。然而渦流發生器體積小，制造渦流的能量高，加之成本低廉，工藝簡單，可以極大程度地優化邊界層，提升賽車現有的空氣動力學表現。在2014年FSC比賽中，燕山大學隊的燕翔五號賽車上就使用了渦流發生器技術。endprint