车辆空气动力学与车身造型

车辆空气动力学与车身造型〔Aerodynamics〕是争论物体在与四周空气作相对运动时两者之间相互作用或路面车辆的空气动力学〔AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics〕争论供给与航空等问题有本质的区分，汽车空气动力学已逐步进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。1：行车阻力随车速的变化状况1：行车阻力随车速的变化状况柔舒适〔力气很小房倒屋塌，势不行挡〔力气很大。这说明当风速到达某种程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1所示。定性，过弯速度，以及刹车距离，甚至轮胎温度掌握等等。空气动力学的根本概念和根本方程，通常用M数〔也称为马赫〕来划分。假设定义流速V与大气中声音的传播速度a之比为MM=V/a。大气中小扰动的传播速度是和声音的传播速度一样的，M=1后，会消灭激波，气动特性发生很大变化。M>>M>１为超音速，M在1.2-0.8左右为跨音速；M<0.8M<0.3是低速范围，汽车、滑翔伞，以及多种球类运动都属于这个范围。定律F=ma，有了质量m，只要再有加速度a，就会产生力F。空气的质量密度r≈1.22千克/311.221/800。同时空气还有粘性，它的粘性系m1.8*10-5牛秒/21/55。流场和流线：通常将布满运动流体〔液或气体〕的肯定空间称为流场来形象地表示流场中流体的流淌趋向，这些线条称为流线。粘性，又不行压缩就称为抱负流体。层流和紊流：当流体流经物体外表，流线很平顺时，各层之间层次清楚，互不影响，我们称这种流淌为层流。假设因流体的粘性或物体外表粗糙但看起来流线在跳动，层次不清楚。这种流淌称为紊流。点。转变的因素是流体质量密度r，粘性系数m，流速V，流经的距离L以及物体外表的粗糙度等。我们用雷诺数Re=rVL/m到达某一数值作为判别的条件。一般层流中阻力较小。附面层、分别、层流、尾迹：以平面流场示意图3为例，当流体以均匀流速V，流过物阻滞。层流附面层尾迹分别点驻点层流3：附面层、分别点、层流、尾迹随着流经物体距离L的增加，受阻流体的范围也增大。到达Lx时，δx范围内各层的流速都会依次下降，略呈抛物线分布。我们将速度接近V层作为边界，称速度受到阻滞，厚度随流经的距离在变化的这层流体为附面层。从附面层内流速的分布看，近物体外表小，外断续发生，所以在尾迹中涡流区内，流淌物性往往很不稳定。连续方程现在来争论无视粘性影响的稳定流场状况我们将一组流线图围成的管道称为流管。以垂直流管的切面A1，A2截取一段流管。A1切面流管面积为Δ A1，A2切面流管面积为Δ A2。在A1A2间，没有流体注入或溢出，所以在dt时间内，从Δ A1流入的流体质量〔流量〕与Δ A2流出的流量相等。即 r1*V1*Δ A1*dt＝r2*V2*Δ A2*dt式中，r：密度，V：流速，Δ A：流管切面积，dt：时段或 r1*V1*Δ A1＝r2*V2*Δ A2这方程表示流淌没有中断，称连续方程。在争论低速空气动力学时，认为空气是不行压缩的。即r1＝r2＝常量，属抱负流体，连续方程变为：V1*Δ A1＝V2*Δ A2说明管道切面越小处，流速越快。伯努利方程：我们仍旧假定是无粘性、不行压缩的稳定流场。dt时间内经Δ A1切面的流量dm1为：dm1＝r1*V1*Δ A1*dt经Δ A2切面的流量dm2为：dm2＝r2*V2*Δ A2*dt按不行压条件， r1＝r2＝r连续条件下： dm1＝dm2＝dm＝r*V1*Δ A1*dt＝r*V2*Δ A2*dt在Δ A1切面dt时间内流入的总机械能是动能与位能之和：dE1＝〔1/2〕*dm*V12+dm*g*h1h:切面位置高度，g:重力加速度在Δ A2切面同一时间流出的总机械能为：dE2＝〔1/2〕*dmV22+dm*g*h2dt时间内，流管A1A2间机械能的增量为：dE＝dE1－dE2＝[〔1/2〕*〔V12－V22〕+g*〔h1－h2〕]*dm与此同时，流管两端外力P对流体作功的增量dW为：dW＝〔P1*V1*Δ A1－P2*V2*Δ A2〕*dt 引入dm式dW＝〔1/r〕*〔P1－P2〕*dm按能量守恒原理：dW＋dE＝０所以1/〕〔P1P2〕＋1/〔V1V〕+g〔h1－h］*d＝０即 〔1/2〕*r*V12＋r*g*h1＋P1＝〔1/2〕*r*V22＋r*g*h２＋P２这就是伯努利方程。就赛车看，根本上是在等高度上，即h1=h2方程变为： 〔1/2〕*r*V12＋P1＝〔1/2〕*r*V22＋P２式中第一项称动压，其次项称静压，两项合起来称总压。这式说明抱负流场中，速度高的地方压力小，速度小的地方压力较大。流场中物体所受的空气动力LZ＝∞，因此气流横向流过时在Z方向的分速度VZ＝0，所以各切面流淌状况一样，可用任意切面为代表，变成平面〔二维〕4所示。θ＝0°的点AVA＝0，按伯努利方程，气流中总压在驻点全部转变为静压PA。PA＝P∞+〔1/2〕ρV∞²θ＝180°处，VF＝0，所以PF＝P∞+〔1/2〕ρV∞²P∞：流场中未受物体影响处静压，V∞：未受物体影响处流速。4：非粘性流流过无限长圆柱状况圆周上不同θ位置各点，速度、静压变化如图中〔c〕,〔b〕所示。抱负气体没有粘性，所以没有摩擦，没有能量损失，只有动、静压的转换。流经物体后，速度可以完全恢复，所以柱体上不产生阻力，也不产生升力〔物体上所受的力在气流速度方向的分力称阻力，垂〕翼型的压力分布、升力和阻力：赛车的前后竖面，是产生气动力的重要组件，现来介绍它的气动力特性。5：翼型翼面的长度叫竖度L，横切面外形称翼型。如图5所示。做成这种外形，主要是为了产生升力。在赛车上，是反过来装的，主要是产生负升力。翼型对着气流的一端称前缘，另一端称后缘，前后缘连线称翼弦，其长度称弦长5：翼型是最大厚度，t/C称相对厚度。弦线与速度矢量的夹角α，称迎角。以上这些翼型的几何参数，都会影响翼型的气动力性能。当机翼展长L极大时，叫无限翼展机翼。这时流过机翼的气流不会产生展向分速度，所以各切面的流淌一样，变成平面〔二维〕流淌状况。气流流过翼型就是这种状况。6：升力产生理论的示意图6：升力产生理论的示意图实际风洞试验中观看结果与图67：a〕翼型上下外表压力分布；b〕摩擦剪力分布；c〕翼型微面积上力的几何关系7所示。此外实际空气有粘性，还会产生剪力如图7(b)。计算时，沿翼型外表积分图7(c)，即可求得翼型的升力和阻力。DFY＝－(p*dA)*sinθ +(τ*dA)*cosθDFx＝(p*dA)*cosθ +(τ*dA)*sinθ翼型升力Y，阻力X：Y＝ſd*FY＝－ſp*sinθ*dA+ſτ*cosθ*dAX＝ſd*Fx＝ſp*cosθ*dA+ſτ*sinθ*dA通常按阻力产生的缘由，上式右端前一项叫压差阻力〔或外形阻力力。实际翼面展长L是有限的，翼尖局部因上下压力差，气流会由下外表反向上外表，并度。εY在原来速度V0的方向上，产生了分力Xi。因ε很小，所以Y0＝Ycosε≈Y，Xi＝YsinεXi称诱导阻力，它是随升力伴生的，是获得升力无法避开的代价。此外就整车而言，组件间还会相互干扰，还会产生阻力，称为干扰阻力，这样总阻力将由以下几局部组成：总阻力＝压差阻力〔外形阻力〕+摩擦阻力+诱导阻力+干扰阻力赛车水平翼面端部，往往装上垂直的端板，除了增加方向稳定性外〔尾翼尾涡强度，减小诱阻，使平尾效力增高。升力、阻力系数Cy、Cx随迎角α的变化：在翼型外表某点A作用的气动力中，按伯努利方程的概念得：P＝PA－PB＝(1/2)*ρ*V∞2－(1/2)*ρ*VA2＝(1－VA2/V∞2)*(1/2)*ρ*V∞2＝Cp*(1/2)*ρ*V∞2式中Cp＝－A2/∞2，称气动力系数，是个无因次量。类似的有升力系数Cy，阻力系数Cx，侧力系数Cz，以及力矩系数Cmo等。当求翼面上的气动力P时，用如下的公式：P＝Cp*〔1/2〕*ρ*V2*S Cp是相对参考面积S取的。类似的求翼面上升力Y时，Y＝Cy*〔1/2〕*ρ*V2*S 对应CyS取翼面平面积。求全车阻力X时，X＝Cx*〔1/2〕*ρ*V2*S 对应CxS取车辆最大的迎风切面积。同翼型。例如NACA〔NASA的前身〕的NACA0006和NACA23012就是最大相对厚度t/C6%12%的对称和不对称翼型。不同翼型的Cy,Cx等系数随迎角α的变化曲线，在手册中可以查到。它们大致的趋势如图8所示：8：升力、阻力系数随迎角的变化状况一般Cy~α曲线在α<10º左右时，Cy随α直线增加，接近Cymax时，气流消灭分别，Cy增加减慢。随着分别区域的扩大，达Cymax后会突然下降，称为失速。这时的Cx也随αα０＝０º，有弯度〔中弧线上凸的〕α０<０º，为负值。相对厚度较大的翼型，Cymax和失速迎角也较大，Cx也略大。为了提高Cymax，要尽力延缓上表现气流分别，并增大翼型弯度。较有效的方法就是面，增大气流流速，使分别延缓，Cymax增大。现在很多赛车的水平翼面，都承受类似原理的几个翼面组合。争论方法与试验设备已经是一门进展多年的学科。争论这门学科，大体分为理论方法和试验方法。往存在较大差异，所以又不得不承受试验方法。动机进、排气的影响等都很简单。而最突出的是模型试验与实际状况之间的“相像”问题。所谓“相像”不只是几何尺寸要成比例，各种力之间也应保持同样比例。这有时很难做到。寸做得接近实物，来提高“相像程度〔甚至能容纳真车，推动风象，进展性能改善。靠行驶试验来定案。Re=ρVL/μ代表惯性力与粘性力之间的比例。在大气环境中做风洞试验，ρ，μ是与行车环境一样的，所以提高风速V，增加模型尺寸L，都可提高相像性。赛车试验用的风洞是低速风200万里/小时左右，型式有开口式和闭循环式。如图9所示。3*2最大横切面积建议不超过试验段切面积的7%，以降低洞壁的影响。为了模拟行车状况，地面应能随气流向后运动。并有吸气缝穴，以减小附面层厚度。实际行车时，大气是静止的。风洞中的气流是旋转风扇推动的，为了提高气流质量，试验段前有整流格，阻挡旋转，消退涡流。收缩段和稳定段使气流加速，保持流场均匀稳定。集中段使气流速度降低，削减洞壁的摩擦损失，节约风扇马达的功率。动装置，即可将流速显示在仪表上。线或喷烟染色照相的方法获得直观效果。测力的方法可用六分力天秤，它可直接测得x、y、z方向的分力和绕x、y、z轴的力矩重量。这种天秤可以是直接支持地面，或直接支持支柱的机械式，或置于撑杆内的应变式。后者便于应用到活动地面的模型上，但对气流有小的局部影响。空气动力对赛车性能的影响率〔随档位不同〕和行驶的需用功率。当发动机的可用功率与行驶的需用功率相等时，这时得到可能的最大速度Vmax〔某个档位的。开车轮尾迹。进气道内部转弯处，应有导流片，减小发生涡流带来能量损失。排气管出口位持好的流线。散热器进、排气口布置，也大体遵循这些原则。一般说来，车身上外表压力分布趋势大致如图10所示。AAA点以后是递增的，分别多发生在A点以后，因此排气口放在这一区域，可以起到吹除作用，延缓气流分别。分，装一种防失速的涡流发生器，如图11这种涡流发生器可使层流附面层提前转换成紊流附面层以增加气流能量。可延缓分别，小外表积。最终是干扰阻力，这对露轮类〔印地、一级方程式等〕赛车尤其突出。解决方法〔也称整流片或引导暖气流加温轮胎等。Xw和气动阻力Xa。气动阻力Xa可用阻力伞或阻力板产生，但受到技术规章的限制，并非全部赛车XwXw与正压力P和车轮车道间摩擦系数μ有关。Μ的大小，与刹车时，车轮打滑程度有关。假设以车轮全锁死的打滑率为100%，则无刹车时为0%，即此时车轮接地点速度与车速一样，该点车轮与地无相对运动。最大μmax15%左右。在无ABS〔Anti-lockBrakingSystem〕类赛车，能到达的μ值，取决于车手的技术。现只争论正压力P。P中包含三局部：重力W、气动力Y〔负升力〕以及惯性力mah/l。Xw=μP前轮摩擦力：Xwf＝μ*(Wf+Yf+mah/l)后轮摩擦力：Xwr＝μ*(Wr+Yr-mah/l)式中m：车的质量，a：刹车加速度，h：重心离地高度，l：前后轮距，Wf，Wr重心位置打算的。和安排，可依据要求，在肯定程度上，由前后水平翼面的设计来掌握，有利提高刹车效率。不过负升力与速度平方成比，高速时效果才明显。Y=0曲线是无负升力翼面车辆；Y>0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。〔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〕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局部加以分拆。β分力分别为：左右前