133.070830123張新帥 汽車(chē)的流線型與空氣阻力 (3)

1、汽車(chē)的流線型與空氣阻力070830123張新帥【摘要】當(dāng)汽車(chē)行使過(guò)程中會(huì)受到空氣阻力，而流線型設(shè)計(jì)可以最大限度的減少空氣阻力。汽車(chē)車(chē)型的不斷改進(jìn)，流線型設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，亦能夠提升汽車(chē)的性能。【關(guān)鍵字】氣動(dòng)阻力阻力系數(shù)伯努利原理流線型【正文】眾所周知，當(dāng)汽車(chē)以很快的速度行駛的時(shí)候，周?chē)鷼饬鲗?duì)汽車(chē)的氣動(dòng)力就會(huì)急劇增加，這里所受的氣動(dòng)力又包括迎面阻力、升力、側(cè)向力以及這些力形成的俯仰力矩、側(cè)傾力矩和橫擺力矩，通過(guò)模型或者實(shí)車(chē)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可得，這些力及力矩的大小，大致都與空氣對(duì)汽車(chē)的相對(duì)速度的平方成正比，可以從中得到各自對(duì)應(yīng)的系數(shù)，通稱為空氣阻力系數(shù)，這一名詞在過(guò)去的轎車(chē)手冊(cè)中鮮有提及，現(xiàn)在已成為評(píng)價(jià)汽車(chē)

2、性能的常用參數(shù)之一。汽車(chē)重心同時(shí)產(chǎn)生的縱向，側(cè)向和垂直三個(gè)方向的動(dòng)力量。這三個(gè)動(dòng)力量會(huì)對(duì)在高速行駛的汽車(chē)產(chǎn)生不同的影響，而其中縱向空氣動(dòng)力量是最大的氣動(dòng)阻力，大約占空氣阻力的百分之八十。通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以得到不同車(chē)型的與氣動(dòng)阻力相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)阻力系數(shù)，該數(shù)值與汽車(chē)上的合成氣流速度形成的動(dòng)壓力有密切關(guān)系。當(dāng)車(chē)身投影尺寸相同，車(chē)身外形的不同或車(chē)身表面處理的不同而造成空氣動(dòng)壓值不同，其空氣阻力系數(shù)也會(huì)不同。垂直空氣動(dòng)力量是由于汽車(chē)在行駛時(shí)車(chē)身上部和底部空氣流速不等形成的壓力差而形成的。如果升力不通過(guò)汽車(chē)重心的話，將會(huì)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)生俯仰力矩，升力還有抬升車(chē)輪的作用，使驅(qū)動(dòng)輪的附著力減小，雖然可以減少輪胎與地面

3、的摩擦力，但是增加了橫風(fēng)對(duì)高速行駛的汽車(chē)的作用，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向性能變差?，F(xiàn)在建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，設(shè)置汽車(chē)行駛方向的縱向是X方向，則空氣作用與車(chē)身X方向的縱向分力稱之為氣動(dòng)阻力。由于氣動(dòng)阻力與汽車(chē)速度的平方成正比，與氣動(dòng)阻力系數(shù)成正比，則可得為克服氣動(dòng)阻力所消耗的功率和燃料是隨著車(chē)速的三次方急劇增加的?？稍O(shè)汽車(chē)的功率、氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力系數(shù)、空氣密度、氣流相對(duì)汽車(chē)速度和汽車(chē)正投影面積分別是P、Fx、Cx、p、Vr、A,則可得氣動(dòng)阻力方程Fx=CxpAV2（1），而功率P=FxVr，由此可得功率P和速度的關(guān)系式：P=CxpAV2（2）。升力與升力系數(shù)可以寫(xiě)成Fz=CzpAV22（3）。r由于氣動(dòng)阻力

4、以及功率與氣動(dòng)阻力系數(shù)成正比關(guān)系，現(xiàn)代轎車(chē)為了減少氣動(dòng)阻力就必須要考慮降低氣動(dòng)阻力系數(shù)。從50年代到70年代初，轎車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間。在70年代能源危機(jī)后，各國(guó)為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低氣動(dòng)阻力系數(shù)，現(xiàn)在的轎車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。并且根據(jù)方程式（2）可看出，在空氣密度不變的前提下，如果汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的功率一定，減少汽車(chē)正投影面積或者減小氣動(dòng)阻力系數(shù)都可以提高汽車(chē)的最大速度，而由上可知?dú)鈩?dòng)阻力系數(shù)又與車(chē)身表面的處理有關(guān)。因此可以利用流線型設(shè)計(jì)方法以減少汽車(chē)的正投影面積和氣動(dòng)阻力系數(shù)，達(dá)到節(jié)油減排或者提高汽車(chē)速度的目的。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空氣

5、阻力系數(shù)每降低百分之十，燃油就可以節(jié)省百分之七，當(dāng)車(chē)速超過(guò)100km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)了功率有80%用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，所以降低阻力系數(shù)可以很好的降低汽車(chē)的油耗。曾有人對(duì)兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)（分別是0.44和0.25）的轎車(chē)進(jìn)行比較，以每小時(shí)88公里的時(shí)速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7公升。流線型原是空氣動(dòng)力學(xué)名詞,用來(lái)描述表面圓滑、線條流暢的物體形狀，流線型設(shè)計(jì)的物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保證流體從物體表面流過(guò)而不會(huì)分離物體表面。所謂流線型化是將在流體（例如空氣或水）中運(yùn)動(dòng)的物體外形設(shè)計(jì)成流線型,這種形狀能減少物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)阻。上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，氣動(dòng)阻力與汽

6、車(chē)的正有影面積和氣動(dòng)阻力系數(shù)成正比，并且渦流對(duì)風(fēng)阻也有很大的影響，流線型設(shè)計(jì)車(chē)型不僅可以減小氣動(dòng)阻力系數(shù)。并且通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)知道具有流線型車(chē)身的汽車(chē)抗渦流的性能最好。汽車(chē)尾部的流線型設(shè)計(jì)，也可以減少阻力。汽車(chē)通過(guò)后留下的真空地帶需要空氣填補(bǔ)，就會(huì)對(duì)汽車(chē)有一個(gè)拖后的力叫曳力（drag）。流線型就解決了這個(gè)問(wèn)題。原來(lái)汽車(chē)尾部的截面是正方形，汽車(chē)通過(guò)后產(chǎn)生很大的真空地帶，所受的曳力就很大。改成流線型的尾巴后在高速運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的真空空間就小，曳力就小了；并且可得空氣相對(duì)于汽車(chē)的垂直速度減小，根據(jù)伯努利方程P+pV212=恒量（P是流體靜態(tài)壓強(qiáng)，p是流體密度,v是流體速率，pV2/2是流體動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)）可知?dú)怏w

7、的靜態(tài)壓強(qiáng)也增大了，即空氣向前推動(dòng)汽車(chē)的力F=PA（A是整個(gè)汽車(chē)的投影面積）也增大。根據(jù)壓差阻力的形成原理：在沒(méi)有粘性的理想流體中運(yùn)動(dòng)的物體，由于其前部和后部的壓力合力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力正好平衡，所以壓差阻力為零（見(jiàn)）。但是，在真實(shí)流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘性一般會(huì)使物體后部的流動(dòng)減速并從表面分離，形成壓力較低的旋渦區(qū)或尾流（圖1流動(dòng)分離現(xiàn)象，因而物體后部的壓力合力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力小于物體前部的相應(yīng)分力，出現(xiàn)壓差阻力。流動(dòng)分離的主要原因之一是物體后部流動(dòng)減速太快。得到為減小汽車(chē)的壓差阻力，則盡量使汽車(chē)尾部的空氣相對(duì)速度變小。根據(jù)康達(dá)效應(yīng)，當(dāng)汽車(chē)外形流線化設(shè)計(jì)時(shí)（可以滿足物體表面的曲率不是很大），可以使

8、空氣在車(chē)身截面積變化時(shí)不脫離車(chē)身，而是從汽車(chē)的表面流過(guò)，然后在摩擦力的作用下，空氣的相對(duì)速度減小，即弱化流動(dòng)分離現(xiàn)象，從而減小壓差阻力。根據(jù)世界轎車(chē)車(chē)型的發(fā)展歷史，從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初的馬車(chē)型車(chē)身，到1915年福特公司生產(chǎn)出第一部箱型汽車(chē)，雖然在高速行駛時(shí)幫助駕駛員抵擋住了風(fēng)雨的侵襲，但是又不利于車(chē)速的大幅度提高，因?yàn)橄湫蛙?chē)車(chē)身大，空氣阻力也就很大。所以人們開(kāi)始研究流線型車(chē)身的設(shè)計(jì)。這也是汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)首次與空氣動(dòng)力學(xué)相結(jié)合。1934年美國(guó)的克萊斯勒公司生產(chǎn)的氣流牌小轎車(chē)首先采用了流線型的車(chē)身外形。以達(dá)到減少更多空氣阻力的目的，特別是流體力學(xué)的深入研究和應(yīng)用，為船型車(chē)身的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。因

9、為在船型車(chē)身高速行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生分離/尾流圖丄流動(dòng)分髙現(xiàn)象馬車(chē)型車(chē)身箱型汽車(chē)甲殼蟲(chóng)汽車(chē)福特船型汽車(chē)較強(qiáng)的空氣渦流，為了克服這一缺陷，設(shè)計(jì)師把船型車(chē)的后窗玻璃逐漸傾斜，這就是魚(yú)型車(chē)的雛形。但是這種車(chē)身對(duì)橫風(fēng)有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，當(dāng)其高速行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生升力，使車(chē)輪附著力減小。1963年首次亮相的美國(guó)斯蒂貝克公司設(shè)計(jì)出的楔形車(chē)很好的解決了魚(yú)型車(chē)的升力問(wèn)題，因?yàn)檫@種車(chē)身前部向下方傾斜，導(dǎo)致后行李箱明顯高于前發(fā)動(dòng)機(jī)艙，而車(chē)尾平直，形成良好的風(fēng)壓，防止車(chē)輪發(fā)飄。現(xiàn)在的轎車(chē)基本上都朝這個(gè)方向發(fā)展。其中每一種車(chē)型的出現(xiàn)，都不是單純的工業(yè)產(chǎn)物或者藝術(shù)的作品，而是與流體力學(xué)尤其是空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展相結(jié)合。（下附不同時(shí)期的汽

10、車(chē)圖片）魚(yú)型汽車(chē)楔型汽車(chē)汽車(chē)車(chē)型的發(fā)展史說(shuō)明了隨著空氣動(dòng)力學(xué)的逐漸完善，工程師們明白汽車(chē)車(chē)身的流線化對(duì)降低空氣阻力的重要性。一般情況下有以下幾種方法：（1）流線化車(chē)頭和車(chē)尾；（2）封閉車(chē)輛各部件不使其暴露在外；（3）盡可能的使車(chē)身光滑無(wú)突出物。但是車(chē)輛不是獨(dú)立的行駛在空氣中的，地面效應(yīng)將使行駛的汽車(chē)受到的空氣動(dòng)力量發(fā)生較大的變化?，F(xiàn)近似的建立一個(gè)受力模型，以繞圓柱的流動(dòng)代表繞車(chē)輪的流動(dòng)，在下圖中，可以分為三種情況：（i）空氣均勻的流繞固定圓柱（如圖所示）；（ii）空氣均勻的流繞以角速度為3旋轉(zhuǎn)的圓柱；（iii）空氣均勻的流繞與地面接觸的以角速度為3旋轉(zhuǎn)的圓柱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（i）空氣對(duì)圓柱沒(méi)有

11、升力但是有阻力；（ii）空氣對(duì)圓柱有向下的升力和較大的阻力；（iii）空氣對(duì)圓柱有向上的升力和更大的阻力。這表明地面效應(yīng)不僅增加了阻力，而且還改變了升力的方向。這將會(huì)影響車(chē)輛的穩(wěn)定性和操縱性，特別是高速行駛或者在側(cè)風(fēng)中行駛的時(shí)候。氣動(dòng)阻力包括5部分，即（1）誘導(dǎo)阻力；（2）形狀阻力；（3）摩擦阻力；（4）干擾阻力；（5）內(nèi)循環(huán)阻力。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，由于氣流經(jīng)過(guò)車(chē)身上下部時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)的路程不同，根據(jù)伯努利原理，可知?dú)饬鞯牧魉僖膊煌⑶医?jīng)過(guò)上部的空氣質(zhì)點(diǎn)流速快，因此會(huì)產(chǎn)生升力，升力在水平方向的分力稱之為誘導(dǎo)阻力，約占空氣阻力的7%。氣流流經(jīng)汽車(chē)時(shí)，在汽車(chē)表面局部氣流速度急劇變化的部位會(huì)產(chǎn)生渦流，在車(chē)身尾部會(huì)有明顯的渦流區(qū)，此時(shí)有負(fù)壓，而汽車(chē)正面是正壓，所以會(huì)形成壓差阻力，即形狀阻力，它約占整個(gè)阻力的58%。摩擦阻力是由于空氣的粘性，在流經(jīng)車(chē)身表面