133.070830123张新帅 汽车的流线型与空气阻力 (3)

1、汽车的流线型与空气阻力070830123张新帅【摘要】当汽车行使过程中会受到空气阻力，而流线型设计可以最大限度的减少空气阻力。汽车车型的不断改进，流线型设计不断改进，亦能够提升汽车的性能。【关键字】气动阻力阻力系数伯努利原理流线型【正文】众所周知，当汽车以很快的速度行驶的时候，周围气流对汽车的气动力就会急剧增加，这里所受的气动力又包括迎面阻力、升力、侧向力以及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆力矩，通过模型或者实车的风洞实验可得，这些力及力矩的大小，大致都与空气对汽车的相对速度的平方成正比，可以从中得到各自对应的系数，通称为空气阻力系数，这一名词在过去的轿车手册中鲜有提及，现在已成为评价汽车

2、性能的常用参数之一。汽车重心同时产生的纵向，侧向和垂直三个方向的动力量。这三个动力量会对在高速行驶的汽车产生不同的影响，而其中纵向空气动力量是最大的气动阻力，大约占空气阻力的百分之八十。通过风洞实验可以得到不同车型的与气动阻力相对应的气动阻力系数，该数值与汽车上的合成气流速度形成的动压力有密切关系。当车身投影尺寸相同，车身外形的不同或车身表面处理的不同而造成空气动压值不同，其空气阻力系数也会不同。垂直空气动力量是由于汽车在行驶时车身上部和底部空气流速不等形成的压力差而形成的。如果升力不通过汽车重心的话，将会对汽车产生俯仰力矩，升力还有抬升车轮的作用，使驱动轮的附着力减小，虽然可以减少轮胎与地面

3、的摩擦力，但是增加了横风对高速行驶的汽车的作用，从而导致转向性能变差。现在建立一个三维坐标系，设置汽车行驶方向的纵向是X方向，则空气作用与车身X方向的纵向分力称之为气动阻力。由于气动阻力与汽车速度的平方成正比，与气动阻力系数成正比，则可得为克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随着车速的三次方急剧增加的。可设汽车的功率、气动阻力、气动阻力系数、空气密度、气流相对汽车速度和汽车正投影面积分别是P、Fx、Cx、p、Vr、A,则可得气动阻力方程Fx=CxpAV2（1），而功率P=FxVr，由此可得功率P和速度的关系式：P=CxpAV2（2）。升力与升力系数可以写成Fz=CzpAV22（3）。r由于气动阻力

4、以及功率与气动阻力系数成正比关系，现代轿车为了减少气动阻力就必须要考虑降低气动阻力系数。从50年代到70年代初，轿车的气动阻力系数维持在0.4至0.6之间。在70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低气动阻力系数，现在的轿车气动阻力系数一般在0.28至0.4之间。并且根据方程式（2）可看出，在空气密度不变的前提下，如果汽车发动机消耗的功率一定，减少汽车正投影面积或者减小气动阻力系数都可以提高汽车的最大速度，而由上可知气动阻力系数又与车身表面的处理有关。因此可以利用流线型设计方法以减少汽车的正投影面积和气动阻力系数，达到节油减排或者提高汽车速度的目的。有实验数据表明，空气

5、阻力系数每降低百分之十，燃油就可以节省百分之七，当车速超过100km/h时，发动了功率有80%用来克服气动阻力，所以降低阻力系数可以很好的降低汽车的油耗。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数（分别是0.44和0.25）的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。流线型原是空气动力学名词,用来描述表面圆滑、线条流畅的物体形状，流线型设计的物体在流体中运动时可以保证流体从物体表面流过而不会分离物体表面。所谓流线型化是将在流体（例如空气或水）中运动的物体外形设计成流线型,这种形状能减少物体在高速运动时的风阻。上面已经说过，气动阻力与汽

6、车的正有影面积和气动阻力系数成正比，并且涡流对风阻也有很大的影响，流线型设计车型不仅可以减小气动阻力系数。并且通过风洞试验知道具有流线型车身的汽车抗涡流的性能最好。汽车尾部的流线型设计，也可以减少阻力。汽车通过后留下的真空地带需要空气填补，就会对汽车有一个拖后的力叫曳力（drag）。流线型就解决了这个问题。原来汽车尾部的截面是正方形，汽车通过后产生很大的真空地带，所受的曳力就很大。改成流线型的尾巴后在高速运动中产生的真空空间就小，曳力就小了；并且可得空气相对于汽车的垂直速度减小，根据伯努利方程P+pV212=恒量（P是流体静态压强，p是流体密度,v是流体速率，pV2/2是流体动态压强）可知气体

7、的静态压强也增大了，即空气向前推动汽车的力F=PA（A是整个汽车的投影面积）也增大。根据压差阻力的形成原理：在没有粘性的理想流体中运动的物体，由于其前部和后部的压力合力在运动方向上的分力正好平衡，所以压差阻力为零（见）。但是，在真实流体中运动时，粘性一般会使物体后部的流动减速并从表面分离，形成压力较低的旋涡区或尾流（图1流动分离现象，因而物体后部的压力合力在运动方向上的分力小于物体前部的相应分力，出现压差阻力。流动分离的主要原因之一是物体后部流动减速太快。得到为减小汽车的压差阻力，则尽量使汽车尾部的空气相对速度变小。根据康达效应，当汽车外形流线化设计时（可以满足物体表面的曲率不是很大），可以使

8、空气在车身截面积变化时不脱离车身，而是从汽车的表面流过，然后在摩擦力的作用下，空气的相对速度减小，即弱化流动分离现象，从而减小压差阻力。根据世界轿车车型的发展历史，从19世纪末到20世纪初的马车型车身，到1915年福特公司生产出第一部箱型汽车，虽然在高速行驶时帮助驾驶员抵挡住了风雨的侵袭，但是又不利于车速的大幅度提高，因为箱型车车身大，空气阻力也就很大。所以人们开始研究流线型车身的设计。这也是汽车的运动首次与空气动力学相结合。1934年美国的克莱斯勒公司生产的气流牌小轿车首先采用了流线型的车身外形。以达到减少更多空气阻力的目的，特别是流体力学的深入研究和应用，为船型车身的出现奠定了理论基础。因

9、为在船型车身高速行驶时会产生分离/尾流图丄流动分髙现象马车型车身箱型汽车甲壳虫汽车福特船型汽车较强的空气涡流，为了克服这一缺陷，设计师把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，这就是鱼型车的雏形。但是这种车身对横风有很强的不稳定性，当其高速行驶时，会产生升力，使车轮附着力减小。1963年首次亮相的美国斯蒂贝克公司设计出的楔形车很好的解决了鱼型车的升力问题，因为这种车身前部向下方倾斜，导致后行李箱明显高于前发动机舱，而车尾平直，形成良好的风压，防止车轮发飘。现在的轿车基本上都朝这个方向发展。其中每一种车型的出现，都不是单纯的工业产物或者艺术的作品，而是与流体力学尤其是空气动力学的发展相结合。（下附不同时期的汽

10、车图片）鱼型汽车楔型汽车汽车车型的发展史说明了随着空气动力学的逐渐完善，工程师们明白汽车车身的流线化对降低空气阻力的重要性。一般情况下有以下几种方法：（1）流线化车头和车尾；（2）封闭车辆各部件不使其暴露在外；（3）尽可能的使车身光滑无突出物。但是车辆不是独立的行驶在空气中的，地面效应将使行驶的汽车受到的空气动力量发生较大的变化。现近似的建立一个受力模型，以绕圆柱的流动代表绕车轮的流动，在下图中，可以分为三种情况：（i）空气均匀的流绕固定圆柱（如图所示）；（ii）空气均匀的流绕以角速度为3旋转的圆柱；（iii）空气均匀的流绕与地面接触的以角速度为3旋转的圆柱。实验结果表明：（i）空气对圆柱没有

11、升力但是有阻力；（ii）空气对圆柱有向下的升力和较大的阻力；（iii）空气对圆柱有向上的升力和更大的阻力。这表明地面效应不仅增加了阻力，而且还改变了升力的方向。这将会影响车辆的稳定性和操纵性，特别是高速行驶或者在侧风中行驶的时候。气动阻力包括5部分，即（1）诱导阻力；（2）形状阻力；（3）摩擦阻力；（4）干扰阻力；（5）内循环阻力。在汽车行驶过程中，由于气流经过车身上下部时，空气质点流经的路程不同，根据伯努利原理，可知气流的流速也不同，并且经过上部的空气质点流速快，因此会产生升力，升力在水平方向的分力称之为诱导阻力，约占空气阻力的7%。气流流经汽车时，在汽车表面局部气流速度急剧变化的部位会产生涡流，在车身尾部会有明显的涡流区，此时有负压，而汽车正面是正压，所以会形成压差阻力，即形状阻力，它约占整个阻力的58%。摩擦阻力是由于空气的粘性，在流经车身表面