Система рассекатель-диффузор

В заметке (а точнее, в серии ответов на вопросы) Саймона МакБита изучаются вопросы взаимодействия рассекателя и переднего диффузора.

Как бы странно ни выглядели различные конструкции рассекателей («сплиттеров), по сути, их задача одна и та же: сбалансировать воздушный поток вокруг гоночного автомобиля и улучшить прижимную силу.

Вопрос:

На прилагаемом рисунке (рисунок 1) «А» - это разделитель/диффузор, как уже обсуждалось в колонке «Аэробайты» (Aerobytes) в журнале (том 14, номер 12). Это распространенная конструкция в серии, в которой я участвую в гонках, и я понимаю ее назначение. Сначала нужно направить как можно больше воздуха на автомобиль, перенести положительное давление как можно дальше вперед, а затем «расширить» воздух под автомобилем, чтобы создать зону низкого давления (больший объем = меньшее давление).

Во многих гоночных автомобилях и европейских сериях кузовных гонок я часто вижу разделители, больше похожие на мой рисунок «B». В этой конструкции идея, по-видимому, состоит в использовании меньшего объема для ускорения воздуха под автомобилем, где более высокая скорость - меньшее давление. Кажется, что две схемы противоречат друг другу? Буду признателен за любую помощь.

Ответ:

Две схемы на ваших эскизах не противоречат друг другу, обе могут быть объяснены уравнением Бернулли вместе с принципом сохранения массы. Давайте еще раз сформулируем, что говорит нам уравнение Бернулли. По сути, оно гласит, что сумма локального «статического давления» (Ps) плюс локального «динамического давления» (1/2 ρπV², половина ρ, плотность воздуха, умноженная на квадрат скорости воздуха) постоянна, если нет потерь. Это утверждение закона сохранения энергии, причем здесь взаимозаменяемыми формами энергии являются энергия давления воздушного потока, определяемая компонентой статического давления Ps, и кинетическая энергия воздушного потока, определяемая компонентой динамического давления 1/2 ρ πV². Энергию давления можно рассматривать как потенциальную энергию воздуха, способную совершать работу, а работа, которую он совершает в нашем контексте, заключается в воздействии сил на поверхности тела.
На рисунке А разделитель располагается в так называемой «застойной зоне» торможения потока в нижней части переднего обтекателя. Скорость воздуха здесь низкая (нулевая в самой точке застоя), следовательно, динамическое давление низкое, и поэтому уравнение Бернулли указывает, что статическое давление здесь будет высоким.

Однако воздух, протекающий под рассекателем, сходится в уменьшенном поперечном сечении между кузовом и землей (горловина трубки Вентури) и ускоряется (как описано принципом сохранения массы), что снижает локальное статическое давление, опять же, как говорит уравнение Бернулли. Таким образом, под рассекателем низкое статическое давление, а сверху — высокое статическое давление, что может создавать прижимную силу.

Развенчание мифов

Но что касается диффузора позади рассекателя, давайте попробуем прояснить действующие механизмы. Часто считается, что диффузор расширяет воздух, создавая низкое давление, но это не так. Этот механизм потребовал бы изменения плотности воздуха, чего диффузор в открытой системе, подобной этой, не может обеспечить. Задача диффузора - максимально эффективно (желательно без отрыва потока) восстанавливать кинетическую энергию воздушного потока, позволяя его скорости упасть (за счет увеличения площади поперечного сечения, при этом принцип сохранения массы остается в силе), и тем самым постепенно повышать статическое давление до уровня, близкого к атмосферному. Увеличение статического давления здесь выгодно, поскольку уменьшает спутное сопротивление. В действительности статическое давление вдоль диффузора обычно все еще меньше атмосферного, поэтому все еще создается некоторая прижимная сила. «Атмосферное статическое давление» на рисунке 2 находится в зеленых областях, где коэффициент давления (Cp_static) равен нулю, например, в невозмущенном свободном потоке на значительном расстоянии от кузова автомобиля.

Дополнительная сложность заключается в том, что пограничный слой также утолщается вдоль длины днища, что фактически заставляет нас уменьшить угол наклона любой из наших конфигураций рассекателя. Таким образом, в случае без диффузора, вероятно, возникнет некоторое препятствие для выхода потока, тогда как с диффузором выход раскрывается, способствуя увеличению массового потока и, следовательно, более высокой скорости потока в горловине, под рассекателем.

На эскизе «B» дополнительный эффект, рассмотренный во времена, когда мы изучали влияние угла входной горловины на функционирование каналов Вентури под днищем. Увеличение угла ускоряло поток воздуха быстрее, что приводило к быстрому снижению статического давления. Рассекатель на эскизе «B» эффективно использует этот принцип, возможно, даже излишне, направляя большую массу воздуха в горловину между днищем и землей, что вызывает большее сужение и, следовательно, большее увеличение скорости. Вероятно, в таком случае потребуется диффузор, чтобы облегчить выход этого увеличенного массового потока и замедлить поток воздуха до (где-то близкого к) скорости окружающей среды (и статического давления). Таким образом, в заключение можно сказать, что механизмы, действующие в этих примерах, не так уж сильно отличаются.

В: Действительно ли необходим диффузор?

О: Если говорить точнее, диффузор за рассекателем обеспечивает большую прижимную силу у рассекателя, меньшую - за ним в самом диффузоре, с отрывом потока в последней трети диффузора. Сопротивление было примерно одинаковым, но принцип его возникновения был разным.

В: Каков будет эффект от удлинения плоской части диффузора назад, под двигателем и подвеской? Ранее Вы объяснили потерю прижимной силы в диффузоре расширением и снижением скорости, как и говорит уравнение Бернулли. Если диффузор останется плоским по всей длине, расширения не произойдет, скорость сохранится, а потеря прижимной силы будет сведена к минимуму. Отрыв потока будет маловероятен. Можно предположить небольшую потерю прижимной силы в области рассекателя из-за большего препятствия в потоке воздуха и меньшего потока под днищем, но при этом большая общая прижимная сила распределяется дальше назад, что способствует общей сбалансированности автомобиля.

О: Этот вопрос связан с предыдущим. К сожалению, мы (пока...) не запускали модель с таким продолжением рассекателя вместо диффузора. Но стало очевидно, что использование диффузора за нашей компоновкой рассекателя/воздухозаборника увеличило переднюю (и общую) прижимную силу, способствуя расширению воздушного потока там, где ранее большая рециркуляция позади воздухозаборника препятствовала этому расширению (см. рисунок 3). Повторюсь, увеличенная площадь поперечного сечения диффузора способствовала увеличению массового потока через область рассекателя, что привело к более высокой скорости и, следовательно, к более низкому статическому давлению под рассекателем при наличии диффузора.

Таким образом, хотя можно с уверенностью предположить, что плоское продолжение рассекателя (которое, как отмечает автор, также предотвратит расширение воздушного потока) будет означать смещение назад зоны низкого статического давления, снижение статического давления под рассекателем может быть фактически меньше, и, следовательно, общий прирост прижимной силы также может быть меньше.

А улучшение аэродинамического баланса будет зависеть от того, не был ли он изначально слишком смещен вперед. Но кажется разумным предположить, что можно ожидать смещения баланса назад при использовании плоского продолжения рассекателя. В некоторых случаях компромисс между общей прижимной силой и смещением баланса назад вполне может быть оправдан.

Вероятно, частичное отрывное течение, наблюдаемое в нашей модели рассекателя/диффузора, можно было бы исправить путем оптимизации угла или формы диффузора, глубины воздухозаборника, угла атаки рассекателя или с помощью методов, облегчающих более свободный выход воздуха вниз по потоку (например, вырезы за передними колесами), - это лишь некоторые из возможных переменных, чтобы лучше согласовать площади входа и выхода и потоки и добиться более эффективной конфигурации.

Помните, что то, что происходит в задней части автомобиля, влияет на то, что происходит в передней части, и наоборот.

Рисунок 1: две конфигурации рассекателя из вопроса 1 (эскизы предоставлены первым корреспондентом).

Рисунок 2: статическое давление вокруг передней части нашей обычной модели НАСКАР с добавленным рассекателем и диффузором.

Рисунок 3: линии тока, окрашенные в соответствии со скоростью, показаны с установленным и без установленного переднего диффузора.