车辆空气动力学与车身造型

车辆空气动力学与车身造型空气动力学（Aerodynamics）是研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流体力学的一个重要分支。长期以来，空气动力学成果的应用多侧重于航空及气象领域，特别是在航空领域内这门科学取得了巨大的进展，给汽车或路面车辆的空气动力学（Automotive Aerodynamics-Road Vehicle Aerodynamics）研究提供了借鉴。然而进一步的深入研究表明，汽车或车辆的空气动力学问题从理论到实际两方面都与航空等问题有本质的区别，汽车空气动力学已逐步发展成为了空气动力学的一个独立分支，在方程式赛车领域更是得到了极大的应用。下面就谈谈赛车中空气动力学的应用。我们从日常生活的经验知道，当风吹向一个物体时，就会产生作用在物体上的力。力的大小与风的方向和强弱有关。比如说轻风徐来，我们的感觉是轻柔舒适（力量很小） ；飓风袭来，房倒屋塌，势不可挡（力量很大） 。这说明当风速达到某种程度时，就不能忽视它的影响。对赛车来说，是车运动，大气可视为不动，相对运动的关系是一样的。一般大致在车速超过 100 公里/小时（km/h）时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力。这时就必须考虑空气动力的影响。如图 1 所示。其实气动力对赛车的影响，不只是行车阻力，还有对发动机的进、排气，车辆行驶的稳定性，过弯速度，以及刹车距离，甚至轮胎温度控制等等。1空气动力学的基本概念和基本方程空气动力学，属流体力学的范畴，是研究以空气作介质的流场中，物体所受的力与流动特点的科学。赛车空气动力学属低速空气动力学。高速流和低速流在空气压缩性上有很大差别，通常用 M 数（也称为马赫）来划分。若定义流速 V 与大气中声音的传播速度 a之比为 M 数，则 M=V/a。大气中小扰动的传播速度是和声音的传播速度相同的，M=1 后，会出现激波，气动特性发生很大变化。一般 M为高超音速范围，主要是弹道导弹等的飞行； M为超音速，M 在 1.2-0.8 左右为跨音速；M0 装有负升力翼面车辆。负升力实际改善了高速时轮胎的抓地性能，所以也改善高速时的加速性。空气动力对稳定性的影响：稳定性是指处于平衡状态的系统（车辆和作用在上面的力就是一个系统） ，由于外来干扰（有限度的）而使平衡破坏时，在干扰除去后，靠系统自身力量，回复原来状态的能力。它是与操纵性相对的，后者是指改变原来平衡状态的能力。图 11：机翼表面的一种涡流发生器过高的稳定性，会使操纵性变坏。对赛车，方向稳定性与转向系统、悬挂系统的构造、轮胎性能、重心位置等都有关系。现在只就气动力影响部分加以分拆。假设赛车在行驶中，受到干扰而使车辆发生 角的偏航。这时侧滑阻力在垂直车轴线的分力分别为：左右前轮阻力合力Ff *(Wf + Yf)左右后轮阻力合力Fr *(Wr + Yr)：轮胎地面侧滑时摩擦系数，Wf、Wr：重量在前、后轮上的分力，Yf、Yr ：前、后轮处负升力前阻力 Ff 对重心的力矩是非稳定的Mf *(Wf + Yf)*lf后阻力 Fr 对重心的力矩是稳定的Mr *(Wr + Yr)* lrlf、lr ：是重心到前、后轮轴的距离。此外左右垂直尾翼在 角下会产生的侧力 Z，Z 力同样会产生稳定力矩 MzZlr。可见后平尾及垂直尾面的气动力都是增加方向稳定的，当然也是在高速下，效果才明显。最后来讨论气动力对过弯速度的影响：假设赛道没有倾斜。车辆过曲率半径为 r 的弯道时，离心力 Fc:Fc mv 2/r mr 2式中 r：弯道曲率半径， v：车辆过弯速度，：过弯角速度，m：车辆质量与此同时，地面与轮胎间的侧向摩擦阻力 Fg 为：Fg (mg+Y)g: 重力加速度，mgW：车辆重力Fg 是四个轮胎阻力的合力，假设作用在重心上。车辆不致侧向滑出的条件是（忽略垂尾产生的力矩）：Fc*hFg*b/2即 mr 2*h (mg+Y)*b/2式中 h 是重心高度，b 是轮距。从以上两个条件看，除了重心高度 h 要低，轮距 b 要大外，就应尽量增大负升力 Y，才能提高过弯速度 V 和减小转弯半径 r。不管是从刹车、稳定性以及过弯速度看，后平尾的负升力 Y 都扮演着重要的有利角色。为了提高它的效率，常在两端加垂直翼面，使平尾效率接近无限翼度，增加负升力，减小诱阻。同时若使用开缝襟翼，还能在有限翼展长内，获得更好的负升力效果。有些赛车，没有规定底部必须为平面时，也可利用车身底部曲面来产生负