車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型

車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型〔Aerodynamics〕是爭(zhēng)論物體在與四周空氣作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩者之間相互作用或路面車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)〔AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics〕爭(zhēng)論供給與航空等問(wèn)題有本質(zhì)的區(qū)分，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)已逐步進(jìn)展成為了空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，在方程式賽車(chē)領(lǐng)域更是得到了極大的應(yīng)用。下面就談?wù)勝愜?chē)中空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。1：行車(chē)阻力隨車(chē)速的變化狀況1：行車(chē)阻力隨車(chē)速的變化狀況柔舒適〔力氣很小房倒屋塌，勢(shì)不行擋〔力氣很大。這說(shuō)明當(dāng)風(fēng)速到達(dá)某種程100公里/小時(shí)〔km/h〕時(shí)，氣流對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的阻力就會(huì)超過(guò)車(chē)輪的1所示。定性，過(guò)彎速度，以及剎車(chē)距離，甚至輪胎溫度掌握等等?？諝鈩?dòng)力學(xué)的根本概念和根本方程，通常用M數(shù)〔也稱(chēng)為馬赫〕來(lái)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(dòng)的傳播速度是和聲音的傳播速度一樣的，M=1后，會(huì)消滅激波，氣動(dòng)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(chē)、滑翔傘，以及多種球類(lèi)運(yùn)動(dòng)都屬于這個(gè)范圍。定律F=ma，有了質(zhì)量m，只要再有加速度a，就會(huì)產(chǎn)生力F?？諝獾馁|(zhì)量密度r≈1.22千克/311.221/800。同時(shí)空氣還有粘性，它的粘性系m1.8*10-5牛秒/21/55。流場(chǎng)和流線(xiàn)：通常將布滿(mǎn)運(yùn)動(dòng)流體〔液或氣體〕的肯定空間稱(chēng)為流場(chǎng)來(lái)形象地表示流場(chǎng)中流體的流淌趨向，這些線(xiàn)條稱(chēng)為流線(xiàn)。粘性，又不行壓縮就稱(chēng)為抱負(fù)流體。層流和紊流：當(dāng)流體流經(jīng)物體外表，流線(xiàn)很平順時(shí)，各層之間層次清楚，互不影響，我們稱(chēng)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(lái)流線(xiàn)在跳動(dòng)，層次不清楚。這種流淌稱(chēng)為紊流。點(diǎn)。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(dá)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(chǎng)示意圖3為例，當(dāng)流體以均勻流速V，流過(guò)物阻滯。層流附面層尾跡分別點(diǎn)駐點(diǎn)層流3：附面層、分別點(diǎn)、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(dá)Lx時(shí)，δx范圍內(nèi)各層的流速都會(huì)依次下降，略呈拋物線(xiàn)分布。我們將速度接近V層作為邊界，稱(chēng)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(lái)爭(zhēng)論無(wú)視粘性影響的穩(wěn)定流場(chǎng)狀況我們將一組流線(xiàn)圖圍成的管道稱(chēng)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(méi)有流體注入或溢出，所以在dt時(shí)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(shí)段或 r1*V1*Δ A1＝r2*V2*Δ A2這方程表示流淌沒(méi)有中斷，稱(chēng)連續(xù)方程。在爭(zhēng)論低速空氣動(dòng)力學(xué)時(shí)，認(rèn)為空氣是不行壓縮的。即r1＝r2＝常量，屬抱負(fù)流體，連續(xù)方程變?yōu)椋篤1*Δ A1＝V2*Δ A2說(shuō)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(wú)粘性、不行壓縮的穩(wěn)定流場(chǎng)。dt時(shí)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(shí)間內(nèi)流入的總機(jī)械能是動(dòng)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(shí)間流出的總機(jī)械能為：dE2＝〔1/2〕*dmV22+dm*g*h2dt時(shí)間內(nèi)，流管A1A2間機(jī)械能的增量為：dE＝dE1－dE2＝[〔1/2〕*〔V12－V22〕+g*〔h1－h(huán)2〕]*dm與此同時(shí)，流管兩端外力P對(duì)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(chē)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(xiàng)稱(chēng)動(dòng)壓，其次項(xiàng)稱(chēng)靜壓，兩項(xiàng)合起來(lái)稱(chēng)總壓。這式說(shuō)明抱負(fù)流場(chǎng)中，速度高的地方壓力小，速度小的地方壓力較大。流場(chǎng)中物體所受的空氣動(dòng)力LZ＝∞，因此氣流橫向流過(guò)時(shí)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(diǎn)AVA＝0，按伯努利方程，氣流中總壓在駐點(diǎn)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(chǎng)中未受物體影響處?kù)o壓，V∞：未受物體影響處流速。4：非粘性流流過(guò)無(wú)限長(zhǎng)圓柱狀況圓周上不同θ位置各點(diǎn)，速度、靜壓變化如圖中〔c〕,〔b〕所示。抱負(fù)氣體沒(méi)有粘性，所以沒(méi)有摩擦，沒(méi)有能量損失，只有動(dòng)、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(chēng)阻力，垂〕翼型的壓力分布、升力和阻力：賽車(chē)的前后豎面，是產(chǎn)生氣動(dòng)力的重要組件，現(xiàn)來(lái)介紹它的氣動(dòng)力特性。5：翼型翼面的長(zhǎng)度叫豎度L，橫切面外形稱(chēng)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(chē)上，是反過(guò)來(lái)裝的，主要是產(chǎn)生負(fù)升力。翼型對(duì)著氣流的一端稱(chēng)前緣，另一端稱(chēng)后緣，前后緣連線(xiàn)稱(chēng)翼弦，其長(zhǎng)度稱(chēng)弦長(zhǎng)5：翼型是最大厚度，t/C稱(chēng)相對(duì)厚度。弦線(xiàn)與速度矢量的夾角α，稱(chēng)迎角。以上這些翼型的幾何參數(shù)，都會(huì)影響翼型的氣動(dòng)力性能。當(dāng)機(jī)翼展長(zhǎng)L極大時(shí)，叫無(wú)限翼展機(jī)翼。這時(shí)流過(guò)機(jī)翼的氣流不會(huì)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(guò)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(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)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(shí)際空氣有粘性，還會(huì)產(chǎn)生剪力如圖7(b)。計(jì)算時(shí)，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(xiàng)叫壓差阻力〔或外形阻力力。實(shí)際翼面展長(zhǎng)L是有限的，翼尖局部因上下壓力差，氣流會(huì)由下外表反向上外表，并度。εY在原來(lái)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(chēng)誘導(dǎo)阻力，它是隨升力伴生的，是獲得升力無(wú)法避開(kāi)的代價(jià)。此外就整車(chē)而言，組件間還會(huì)相互干擾，還會(huì)產(chǎn)生阻力，稱(chēng)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(chē)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(qiáng)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(diǎn)A作用的氣動(dòng)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(chēng)氣動(dòng)力系數(shù)，是個(gè)無(wú)因次量。類(lèi)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(dòng)力P時(shí)，用如下的公式：P＝Cp*〔1/2〕*ρ*V2*S Cp是相對(duì)參考面積S取的。類(lèi)似的求翼面上升力Y時(shí)，Y＝Cy*〔1/2〕*ρ*V2*S 對(duì)應(yīng)CyS取翼面平面積。求全車(chē)阻力X時(shí)，X＝Cx*〔1/2〕*ρ*V2*S 對(duì)應(yīng)CxS取車(chē)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(duì)厚度t/C6%12%的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)翼型。不同翼型的Cy,Cx等系數(shù)隨迎角α的變化曲線(xiàn)，在手冊(cè)中可以查到。它們大致的趨勢(shì)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(xiàn)在α<10o左右時(shí)，Cy隨α直線(xiàn)增加，接近Cymax時(shí)，氣流消滅分別，Cy增加減慢。隨著分別區(qū)域的擴(kuò)大，達(dá)Cymax后會(huì)突然下降，稱(chēng)為失速。這時(shí)的Cx也隨αα０＝０o，有彎度〔中弧線(xiàn)上凸的〕α０<０o，為負(fù)值。相對(duì)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(chē)的水平翼面，都承受類(lèi)似原理的幾個(gè)翼面組合。爭(zhēng)論方法與試驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)是一門(mén)進(jìn)展多年的學(xué)科。爭(zhēng)論這門(mén)學(xué)科，大體分為理論方法和試驗(yàn)方法。往存在較大差異，所以又不得不承受試驗(yàn)方法。動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣的影響等都很簡(jiǎn)單。而最突出的是模型試驗(yàn)與實(shí)際狀況之間的“相像”問(wèn)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(shí)很難做到。寸做得接近實(shí)物，來(lái)提高“相像程度〔甚至能容納真車(chē)，推動(dòng)風(fēng)象，進(jìn)展性能改善?？啃旭傇囼?yàn)來(lái)定案。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(yàn)，ρ，μ是與行車(chē)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(chē)試驗(yàn)用的風(fēng)洞是低速風(fēng)200萬(wàn)里/小時(shí)左右，型式有開(kāi)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(guò)試驗(yàn)段切面積的7%，以降低洞壁的影響。為了模擬行車(chē)狀況，地面應(yīng)能隨氣流向后運(yùn)動(dòng)。并有吸氣縫穴，以減小附面層厚度。實(shí)際行車(chē)時(shí)，大氣是靜止的。風(fēng)洞中的氣流是旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇推動(dòng)的，為了提高氣流質(zhì)量，試驗(yàn)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(chǎng)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(dá)的功率。動(dòng)裝置，即可將流速顯示在儀表上。線(xiàn)或噴煙染色照相的方法獲得直觀效果。測(cè)力的方法可用六分力天秤，它可直接測(cè)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(jī)械式，或置于撐桿內(nèi)的應(yīng)變式。后者便于應(yīng)用到活動(dòng)地面的模型上，但對(duì)氣流有小的局部影響?？諝鈩?dòng)力對(duì)賽車(chē)性能的影響率〔隨檔位不同〕和行駛的需用功率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的可用功率與行駛的需用功率相等時(shí)，這時(shí)得到可能的最大速度Vmax〔某個(gè)檔位的。開(kāi)車(chē)輪尾跡。進(jìn)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(lái)能量損失。排氣管出口位持好的流線(xiàn)。散熱器進(jìn)、排氣口布置，也大體遵循這些原則。一般說(shuō)來(lái)，車(chē)身上外表壓力分布趨勢(shì)大致如圖10所示。AAA點(diǎn)以后是遞增的，分別多發(fā)生在A點(diǎn)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?？裳泳彿謩e，小外表積。最終是干擾阻力，這對(duì)露輪類(lèi)〔印地、一級(jí)方程式等〕賽車(chē)尤其突出。解決方法〔也稱(chēng)整流片或引導(dǎo)暖氣流加溫輪胎等。Xw和氣動(dòng)阻力Xa。氣動(dòng)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(chē)XwXw與正壓力P和車(chē)輪車(chē)道間摩擦系數(shù)μ有關(guān)。Μ的大小，與剎車(chē)時(shí)，車(chē)輪打滑程度有關(guān)。假設(shè)以車(chē)輪全鎖死的打滑率為100%，則無(wú)剎車(chē)時(shí)為0%，即此時(shí)車(chē)輪接地點(diǎn)速度與車(chē)速一樣，該點(diǎn)車(chē)輪與地?zé)o相對(duì)運(yùn)動(dòng)。最大μmax15%左右。在無(wú)ABS〔Anti-lockBrakingSystem〕類(lèi)賽車(chē)，能到達(dá)的μ值，取決于車(chē)手的技術(shù)?，F(xiàn)只爭(zhēng)論正壓力P。P中包含三局部：重力W、氣動(dòng)力Y〔負(fù)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(chē)的質(zhì)量，a：剎車(chē)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(jì)來(lái)掌握，有利提高剎車(chē)效率。不過(guò)負(fù)升力與速度平方成比，高速時(shí)效果才明顯。Y=0曲線(xiàn)是無(wú)負(fù)升力翼面車(chē)輛；Y>0裝有負(fù)升力翼面車(chē)輛。負(fù)升力實(shí)際改善了高速時(shí)輪胎的抓地性能，所以也改善高速時(shí)的加速性?！曹?chē)輛和作用在上面的力就是一個(gè)系統(tǒng)，由于外來(lái)干擾〔有限度的〕的穩(wěn)定性，會(huì)使操縱性變壞。對(duì)賽車(chē)，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。現(xiàn)在只就氣動(dòng)力影響局部加以分拆。β分力分別為：左右前