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1、细心整理车辆空气动力学与车身造型空气动力学Aerodynamics是探究物体在与四周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，特殊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探究供应了借鉴。然而进一步的深化探究说明，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分，汽车空气动力学已逐步开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
2、用。下面就谈谈赛车中空气动力学的应用。图1：行车阻力随车速的变更状况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。比方说轻风徐来，我们的感觉是温顺舒适力气很小；飓风袭来，房倒屋塌，势不行挡力气很大。这说明当风速到达某种程度时，就不能无视它的影响。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。这时就必需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
3、，甚至轮胎温度限制等等。1空气动力学的根本概念和根本方程空气动力学，属流体力学的范畴，是探究以空气作介质的流场中，物体所受的力与流淌特点的科学。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异，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M数，那么M=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，会出现激波，气动特性发生很大变更。一般M为超群音速范围，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；M0.8为亚音速范围，高速飞机的飞行跨越这三个范围。M0.3是低速范围，汽车、滑翔伞，以及多种球类运动都属于
4、这个范围。空气的质量和粘性：当我们探究空气动力学时，必需要考虑空气的质量。遵照牛顿其次定律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r1.22千克/米3，即1立方米空气质量约1.22千克，约为水的1/800。同时空气还有粘性，它的粘性系数m为1.8*10-5牛秒/米2，约为水的1/55。图2：流场中，小扰动源的波形图流场和流线：通常将充溢运动流体液或气体的必需空间称为流场，并且用有向线条来形象地表示流场中流体的流淌趋向，这些线条称为流线。过流线任一点的切线方向，即代表流场中该点的流淌方向。流场中线条越密的区域，表示流速越大。各点流速不随时间变更的流场称稳定流场。为了简
5、化实际问题，假设假设流体无粘性，又不行压缩就称为志向流体。层流和紊流：当流体流经物体外表，流线很平顺时，各层之间层次清晰，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，流线会慢慢出现小的扰动，尽管平均流速仍未受影响，但看起来流线在跳动，层次不清晰。这种流淌称为紊流。流经物体外表的流淌，往往起先是层流，到达某点后才变为紊流，转变的地方，称转泪点。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。图3：附面层、分别点、层流、尾迹分别点附面层驻点尾迹层流层流附面层、分别、层
6、流、尾迹：以平面流场示意图3为例，当流体以匀整流速V，流过物体外表时，由于自身粘性的影响，接触物体后，首先是贴近物体外表的一层流体的速度会受阻滞。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，x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更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，外面大。速度的这种差易，就构成了转动的趋势。当流线与物体分别后，就发生旋转而形成三角。受阻的流体与涡组成的区域，分别点的位置往往也有小的前后移动。涡的形成和脱体，会断续发生，所以在尾迹中涡流区内，流淌物性往往很不稳定。连续
7、方程：此时此刻来探讨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 A1，A2切面流管面积为 A2。在A1A2间，没有流体注入或溢出，所以在dt时间内，从 A1流入的流体质量流量与 A2流出的流量相等。即 r1*V1 * A1*dtr2*V2 * A2*dt式中，r：密度，V：流速， A：流管切面积，dt：时段或 r1*V1 * A1r2*V2* A2这方程表示流淌没有中断，称连续方程。在探究低速空气动力学时，认为空气是不行压缩的。即r1r2常量，属志向流体，连续方程变为：V1 * A1V2 * A2 说明管道切面越小
8、处，流速越快。伯努利方程：我们照旧假定是无粘性、不行压缩的稳定流场。dt时间内经 A1切面的流量dm1为： dm1 r1*V1 * A1*dt 经 A2切面的流量dm2为： dm2r2*V2* A2*dt 按不行压条件， r1r2r 连续条件下： dm1dm2dmr *V1 * A1*dtr*V2 * A2*dt 在 A1切面dt时间内流入的总机械能是动能与位能之和： dE11/2*dm *V12+ dm*g*h1 h:切面位置高度，g:重力加速度 在 A2切面同一时间流出的总机械能为： dE21/2*dm V22+ dm*g*h2 dt时间内，流管A1至A2间机械能的增量为： dEdE1dE
9、21/2*V12V22+g*h1h2*dm 与此同时，流管两端外力P对流体作功的增量dW为： dWP1* V1* A1P2* V2 * A2*dt 引入dm式 dW1/r*P1P2*dm 按能量守恒原理： dWdE 所以，1/r*P1P21/2*V12V22+g*h1h2*dm 即 1/2*r *V12r*g*h1P11/2*r *V22r*g*hP 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 *V12P11/2*r* V22P 式中第一项称动压，其次项称静压，两项合起来称总压。这式说明志向流场中，速度高的地方压力小，速度小的地方压力较大。2. 流场
10、中物体所受的空气动力 志向流体流经圆柱体的状况：假设圆柱体是无限长的，即纵向长度LZ ，因此气流横向流过时在Z方向的分速度VZ0，所以各切面流淌状况一样，可用随意切面为代表，变成平面二维流淌问题。如图4所示。0的点A，称驻点。驻点气流速度VA0，按伯努利方程，气流中总压在驻点全部转变为静压PA。PAP+1/2V180处，VF0，所以PF P+1/2V P：流场中未受物体影响处静压，V：未受物体影响处流速。图4：非粘性流流过无限长圆柱状况圆周上不同位置各点，速度、静压变更如图中c,b所示。志向气体没有粘性，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，速度可以完全复原，所以柱体上不
11、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，垂直速度的称升力。翼型的压力分布、升力和阻力： 图5：翼型赛车的前后竖面，是产生气动力的重要组件，现来介绍它的气动力特性。 翼面的长度叫竖度L，横切面形态称翼型。如图5所示。做成这种形态，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C。翼型各点高度中点的连线称中弧线，中弧线与弦线间的距离称中弧线高度，用来表示翼型的弯度，t是最大厚度，t/C称相对厚度。弦线与速度矢量的夹角，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
12、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。 图6：升力产生理论的示意图此时此刻来说明升力产生的一种理论：无旋的志向气流流过翼型时，假如是小迎角，无分别。流线的示意图如图6。图7：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实际风洞试验中视察结果与图6右边的图形一样，并可测得翼型上下外表的压力分布状况。如图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)*sin + (*dA)*cos DFx (
13、p*dA)*cos + (*dA)*sin 翼型升力Y，阻力X： Y d*FY p*sin*dA + *cos*dA X d*Fx p*cos*dA + *sin*dA 通常按阻力产生的缘由，上式右端前一项叫压差阻力或形态阻力，后一项叫摩擦阻力。 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，并在翼尖后缘脱离翼面形成尾涡，旋转的气流使整个翼面后缘，产生向下的速度，称为下泻速度。从切面看，由原来流速与下泻速度合成的速度矢量，方向发生角的变更，新的升力Y在原来速度V0的方向上，产生了分力Xi。 因很小，所以Y0YcosY，XiYsin Xi称诱导阻力，它是随升力伴生的，是
14、获得升力无法幸免的代价。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： 总阻力压差阻力形态阻力+ 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，还能降低尾涡强度，减小诱阻，使平尾效力增高。升力、阻力系数Cy、Cx随迎角的变更：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： PPAPB(1/2)*V2 (1/2)*VA2 (1VA2/ V2)*(1/2)*V2 Cp*(1/2)*V2 式中Cp1 VA2/ V2，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： PCp*1/2*V2*S Cp是相对参考面积S取的。 类似的求翼面上升力Y时， YCy*1/2*V2*S 对应Cy的S取翼面平面积。 求全车阻力X时，
