車輛空氣動力學(xué)與車身造型

車輛空氣動力學(xué)與車身造型〔Aerodynamics〕是爭論物體在與四周空氣作相對運動時兩者之間相互作用或路面車輛的空氣動力學(xué)〔AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics〕爭論供給與航空等問題有本質(zhì)的區(qū)分，汽車空氣動力學(xué)已逐步進展成為了空氣動力學(xué)的一個獨立分支，在方程式賽車領(lǐng)域更是得到了極大的應(yīng)用。下面就談?wù)勝愜囍锌諝鈩恿W(xué)的應(yīng)用。1：行車阻力隨車速的變化狀況1：行車阻力隨車速的變化狀況柔舒適〔力氣很小房倒屋塌，勢不行擋〔力氣很大。這說明當(dāng)風(fēng)速到達某種程100公里/小時〔km/h〕時，氣流對車輛產(chǎn)生的阻力就會超過車輪的1所示。定性，過彎速度，以及剎車距離，甚至輪胎溫度掌握等等?？諝鈩恿W(xué)的根本概念和根本方程，通常用M數(shù)〔也稱為馬赫〕來劃分。假設(shè)定義流速V與大氣中聲音的傳播速度a之比為MM=V/a。大氣中小擾動的傳播速度是和聲音的傳播速度一樣的，M=1后，會消滅激波，氣動特性發(fā)生很大變化。M>>M>１為超音速，M在1.2-0.8左右為跨音速；M<0.8M<0.3是低速范圍，汽車、滑翔傘，以及多種球類運動都屬于這個范圍。定律F=ma，有了質(zhì)量m，只要再有加速度a，就會產(chǎn)生力F。空氣的質(zhì)量密度r≈1.22千克/311.221/800。同時空氣還有粘性，它的粘性系m1.8*10-5牛秒/21/55。流場和流線：通常將布滿運動流體〔液或氣體〕的肯定空間稱為流場來形象地表示流場中流體的流淌趨向，這些線條稱為流線。粘性，又不行壓縮就稱為抱負流體。層流和紊流：當(dāng)流體流經(jīng)物體外表，流線很平順時，各層之間層次清楚，互不影響，我們稱這種流淌為層流。假設(shè)因流體的粘性或物體外表粗糙但看起來流線在跳動，層次不清楚。這種流淌稱為紊流。點。轉(zhuǎn)變的因素是流體質(zhì)量密度r，粘性系數(shù)m，流速V，流經(jīng)的距離L以及物體外表的粗糙度等。我們用雷諾數(shù)Re=rVL/m到達某一數(shù)值作為判別的條件。一般層流中阻力較小。附面層、分別、層流、尾跡：以平面流場示意圖3為例，當(dāng)流體以均勻流速V，流過物阻滯。層流附面層尾跡分別點駐點層流3：附面層、分別點、層流、尾跡隨著流經(jīng)物體距離L的增加，受阻流體的范圍也增大。到達Lx時，δx范圍內(nèi)各層的流速都會依次下降，略呈拋物線分布。我們將速度接近V層作為邊界，稱速度受到阻滯，厚度隨流經(jīng)的距離在變化的這層流體為附面層。從附面層內(nèi)流速的分布看，近物體外表小，外斷續(xù)發(fā)生，所以在尾跡中渦流區(qū)內(nèi)，流淌物性往往很不穩(wěn)定。連續(xù)方程現(xiàn)在來爭論無視粘性影響的穩(wěn)定流場狀況我們將一組流線圖圍成的管道稱為流管。以垂直流管的切面A1，A2截取一段流管。A1切面流管面積為Δ A1，A2切面流管面積為Δ A2。在A1A2間，沒有流體注入或溢出，所以在dt時間內(nèi)，從Δ A1流入的流體質(zhì)量〔流量〕與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：流管切面積，dt：時段或 r1*V1*Δ A1＝r2*V2*Δ A2這方程表示流淌沒有中斷，稱連續(xù)方程。在爭論低速空氣動力學(xué)時，認為空氣是不行壓縮的。即r1＝r2＝常量，屬抱負流體，連續(xù)方程變?yōu)椋篤1*Δ A1＝V2*Δ A2說明管道切面越小處，流速越快。伯努利方程：我們?nèi)耘f假定是無粘性、不行壓縮的穩(wěn)定流場。dt時間內(nèi)經(jīng)Δ A1切面的流量dm1為：dm1＝r1*V1*Δ A1*dt經(jīng)Δ A2切面的流量dm2為：dm2＝r2*V2*Δ A2*dt按不行壓條件， r1＝r2＝r連續(xù)條件下： dm1＝dm2＝dm＝r*V1*Δ A1*dt＝r*V2*Δ A2*dt在Δ A1切面dt時間內(nèi)流入的總機械能是動能與位能之和：dE1＝〔1/2〕*dm*V12+dm*g*h1h:切面位置高度，g:重力加速度在Δ A2切面同一時間流出的總機械能為：dE2＝〔1/2〕*dmV22+dm*g*h2dt時間內(nèi)，流管A1A2間機械能的增量為：dE＝dE1－dE2＝[〔1/2〕*〔V12－V22〕+g*〔h1－h(huán)2〕]*dm與此同時，流管兩端外力P對流體作功的增量dW為：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(huán)］*d＝０即 〔1/2〕*r*V12＋r*g*h1＋P1＝〔1/2〕*r*V22＋r*g*h２＋P２這就是伯努利方程。就賽車看，根本上是在等高度上，即h1=h2方程變?yōu)椋?〔1/2〕*r*V12＋P1＝〔1/2〕*r*V22＋P２式中第一項稱動壓，其次項稱靜壓，兩項合起來稱總壓。這式說明抱負流場中，速度高的地方壓力小，速度小的地方壓力較大。流場中物體所受的空氣動力LZ＝∞，因此氣流橫向流過時在Z方向的分速度VZ＝0，所以各切面流淌狀況一樣，可用任意切面為代表，變成平面〔二維〕4所示。θ＝0°的點AVA＝0，按伯努利方程，氣流中總壓在駐點全部轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓PA。PA＝P∞+〔1/2〕ρV∞2θ＝180°處，VF＝0，所以PF＝P∞+〔1/2〕ρV∞2P∞：流場中未受物體影響處靜壓，V∞：未受物體影響處流速。4：非粘性流流過無限長圓柱狀況圓周上不同θ位置各點，速度、靜壓變化如圖中〔c〕,〔b〕所示。抱負氣體沒有粘性，所以沒有摩擦，沒有能量損失，只有動、靜壓的轉(zhuǎn)換。流經(jīng)物體后，速度可以完全恢復(fù)，所以柱體上不產(chǎn)生阻力，也不產(chǎn)生升力〔物體上所受的力在氣流速度方向的分力稱阻力，垂〕翼型的壓力分布、升力和阻力：賽車的前后豎面，是產(chǎn)生氣動力的重要組件，現(xiàn)來介紹它的氣動力特性。5：翼型翼面的長度叫豎度L，橫切面外形稱翼型。如圖5所示。做成這種外形，主要是為了產(chǎn)生升力。在賽車上，是反過來裝的，主要是產(chǎn)生負升力。翼型對著氣流的一端稱前緣，另一端稱后緣，前后緣連線稱翼弦，其長度稱弦長5：翼型是最大厚度，t/C稱相對厚度。弦線與速度矢量的夾角α，稱迎角。以上這些翼型的幾何參數(shù)，都會影響翼型的氣動力性能。當(dāng)機翼展長L極大時，叫無限翼展機翼。這時流過機翼的氣流不會產(chǎn)生展向分速度，所以各切面的流淌一樣，變成平面〔二維〕流淌狀況。氣流流過翼型就是這種狀況。6：升力產(chǎn)生理論的示意圖6：升力產(chǎn)生理論的示意圖實際風(fēng)洞試驗中觀看結(jié)果與圖67：a〕翼型上下外表壓力分布；b〕摩擦剪力分布；c〕翼型微面積上力的幾何關(guān)系7所示。此外實際空氣有粘性，還會產(chǎn)生剪力如圖7(b)。計算時，沿翼型外表積分圖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＝?d*FY＝－?p*sinθ*dA+?τ*cosθ*dAX＝?d*Fx＝?p*cosθ*dA+?τ*sinθ*dA通常按阻力產(chǎn)生的緣由，上式右端前一項叫壓差阻力〔或外形阻力力。實際翼面展長L是有限的，翼尖局部因上下壓力差，氣流會由下外表反向上外表，并度。εY在原來速度V0的方向上，產(chǎn)生了分力Xi。因ε很小，所以Y0＝Y(jié)cosε≈Y，Xi＝Y(jié)sinεXi稱誘導(dǎo)阻力，它是隨升力伴生的，是獲得升力無法避開的代價。此外就整車而言，組件間還會相互干擾，還會產(chǎn)生阻力，稱為干擾阻力，這樣總阻力將由以下幾局部組成：總阻力＝壓差阻力〔外形阻力〕+摩擦阻力+誘導(dǎo)阻力+干擾阻力賽車水平翼面端部，往往裝上垂直的端板，除了增加方向穩(wěn)定性外〔尾翼尾渦強度，減小誘阻，使平尾效力增高。升力、阻力系數(shù)Cy、Cx隨迎角α的變化：在翼型外表某點A作用的氣動力中，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，稱氣動力系數(shù)，是個無因次量。類似的有升力系數(shù)Cy，阻力系數(shù)Cx，側(cè)力系數(shù)Cz，以及力矩系數(shù)Cmo等。當(dāng)求翼面上的氣動力P時，用如下的公式：P＝Cp*〔1/2〕*ρ*V2*S Cp是相對參考面積S取的。類似的求翼面上升力Y時，Y＝Cy*〔1/2〕*ρ*V2*S 對應(yīng)CyS取翼面平面積。求全車阻力X時，X＝Cx*〔1/2〕*ρ*V2*S 對應(yīng)CxS取車輛最大的迎風(fēng)切面積。同翼型。例如NACA〔NASA的前身〕的NACA0006和NACA23012就是最大相對厚度t/C6%12%的對稱和不對稱翼型。不同翼型的Cy,Cx等系數(shù)隨迎角α的變化曲線，在手冊中可以查到。它們大致的趨勢如圖8所示：8：升力、阻力系數(shù)隨迎角的變化狀況一般Cy~α曲線在α<10o左右時，Cy隨α直線增加，接近Cymax時，氣流消滅分別，Cy增加減慢。隨著分別區(qū)域的擴大，達Cymax后會突然下降，稱為失速。這時的Cx也隨αα０＝０o，有彎度〔中弧線上凸的〕α０<０o，為負值。相對厚度較大的翼型，Cymax和失速迎角也較大，Cx也略大。為了提高Cymax，要盡力延緩上表現(xiàn)氣流分別，并增大翼型彎度。較有效的方法就是面，增大氣流流速，使分別延緩，Cymax增大?，F(xiàn)在很多賽車的水平翼面，都承受類似原理的幾個翼面組合。爭論方法與試驗設(shè)備已經(jīng)是一門進展多年的學(xué)科。爭論這門學(xué)科，大體分為理論方法和試驗方法。往存在較大差異，所以又不得不承受試驗方法。動機進、排氣的影響等都很簡單。而最突出的是模型試驗與實際狀況之間的“相像”問題。所謂“相像”不只是幾何尺寸要成比例，各種力之間也應(yīng)保持同樣比例。這有時很難做到。寸做得接近實物，來提高“相像程度〔甚至能容納真車，推動風(fēng)象，進展性能改善?？啃旭傇囼瀬矶ò?。Re=ρVL/μ代表慣性力與粘性力之間的比例。在大氣環(huán)境中做風(fēng)洞試驗，ρ，μ是與行車環(huán)境一樣的，所以提高風(fēng)速V，增加模型尺寸L，都可提高相像性。賽車試驗用的風(fēng)洞是低速風(fēng)200萬里/小時左右，型式有開口式和閉循環(huán)式。如圖9所示。3*2最大橫切面積建議不超過試驗段切面積的7%，以降低洞壁的影響。為了模擬行車狀況，地面應(yīng)能隨氣流向后運動。并有吸氣縫穴，以減小附面層厚度。實際行車時，大氣是靜止的。風(fēng)洞中的氣流是旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇推動的，為了提高氣流質(zhì)量，試驗段前有整流格，阻擋旋轉(zhuǎn)，消退渦流。收縮段和穩(wěn)定段使氣流加速，保持流場均勻穩(wěn)定。集中段使氣流速度降低，削減洞壁的摩擦損失，節(jié)約風(fēng)扇馬達的功率。動裝置，即可將流速顯示在儀表上。線或噴煙染色照相的方法獲得直觀效果。測力的方法可用六分力天秤，它可直接測得x、y、z方向的分力和繞x、y、z軸的力矩重量。這種天秤可以是直接支持地面，或直接支持支柱的機械式，或置于撐桿內(nèi)的應(yīng)變式。后者便于應(yīng)用到活動地面的模型上，但對氣流有小的局部影響。空氣動力對賽車性能的影響率〔隨檔位不同〕和行駛的需用功率。當(dāng)發(fā)動機的可用功率與行駛的需用功率相等時，這時得到可能的最大速度Vmax〔某個檔位的。開車輪尾跡。進氣道內(nèi)部轉(zhuǎn)彎處，應(yīng)有導(dǎo)流片，減小發(fā)生渦流帶來能量損失。排氣管出口位持好的流線。散熱器進、排氣口布置，也大體遵循這些原則。一般說來，車身上外表壓力分布趨勢大致如圖10所示。AAA點以后是遞增的，分別多發(fā)生在A點以后，因此排氣口放在這一區(qū)域，可以起到吹除作用，延緩氣流分別。分，裝一種防失速的渦流發(fā)生器，如圖11這種渦流發(fā)生器可使層流附面層提前轉(zhuǎn)換成紊流附面層以增加氣流能量。可延緩分別，小外表積。最終是干擾阻力，這對露輪類〔印地、一級方程式等〕賽車尤其突出。解決方法〔也稱整流片或引導(dǎo)暖氣流加溫輪胎等。Xw和氣動阻力Xa。氣動阻力Xa可用阻力傘或阻力板產(chǎn)生，但受到技術(shù)規(guī)章的限制，并非全部賽車XwXw與正壓力P和車輪車道間摩擦系數(shù)μ有關(guān)。Μ的大小，與剎車時，車輪打滑程度有關(guān)。假設(shè)以車輪全鎖死的打滑率為100%，則無剎車時為0%，即此時車輪接地點速度與車速一樣，該點車輪與地?zé)o相對運動。最大μmax15%左右。在無ABS〔Anti-lockBrakingSystem〕類賽車，能到達的μ值，取決于車手的技術(shù)?，F(xiàn)只爭論正壓力P。P中包含三局部：重力W、氣動力Y〔負升力〕以及慣性力mah/l。Xw=μP前輪摩擦力：Xwf＝μ*(Wf+Yf+mah/l)后輪摩擦力：Xwr＝μ*(Wr+Yr-mah/l)式中m：車的質(zhì)量，a：剎車加速度，h：重心離地高度，l：前后輪距，Wf，Wr重心位置打算的。和安排，可依據(jù)要求，在肯定程度上，由前后水平翼面的設(shè)計來掌握，有利提高剎車效率。不過負升力與速度平方成比，高速時效果才明顯。Y=0曲線是無負升力翼面車輛；Y>0裝有負升力翼面車輛。負升力實際改善了高速時輪胎的抓地性能，所以也改善高速時的加速性?！曹囕v和作用在上面的力就是一個系統(tǒng)，由于外來干擾〔有限度的〕的穩(wěn)定性，會使操縱性變壞。對賽車，方向穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)的構(gòu)造、輪胎性能、重心位置等都有關(guān)系?，F(xiàn)在只就氣動力影響局部加以分拆。β分力分別為：左右前