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新浪试车科技浅谈车辆空气动力学设计

  • 新浪试车科技浅谈车辆空气动力学设计
    07:53:39
    在地球大气层内运动的物体全部都受到流体力学的影响,因此流体力学对交通工具的设计具有非常重大的指导意义。随着内燃机功率的不断增大,汽车的行驶速度越来越快,到20世纪30年代,车辆的行驶速度记录已经突破300km/h大关。在如此的速度之中,空气对车辆行驶能力的影响已经非常大。

所以,当代汽车设计必须要包含的一项就是空气动力学,这是流体力学的一个分支,主要研究空气中的运动物体与空气之间的关系。当今汽车的最高行驶速度普遍不超过350km/h,这个速度刚达到喷气式飞机的起飞速度。所以汽车涉及的空气动力学属于中低速范畴,且汽车行驶时相对于空气无俯仰、无偏航、无滚转,相对于航空界的气动研究简单许多。

即便是比较初级的空气动力学也是一项复杂的系统学科,鄙人才疏学浅只略知一二,所以在此只想浅显的聊聊汽车气动设计的最基本元素,以此让众网友了解一些汽车光鲜外形背后的科学原理。

一、空气阻力的产生与消除办法

1、与阻力相关的气动知识:

在谈空气阻力之前,先讲解一些与阻力相关的气动基础,了解这些知识之后有助于理解后面要讲的内容。

流体粘性
流体都具有粘性流体都具有粘性
流体的粘性特质是气动力学要研究的内容之一流体的粘性特质是气动力学要研究的内容之一

日常生活中我们经常会直观的感受到流体的粘性,例如从蜂蜜罐子中舀蜂蜜,很稠的蜂蜜会粘在勺子上,而且搅动蜂蜜的时候会感觉很费劲。把勺子从蜜罐中拔出来后会看到外层的蜂蜜开始滑落,而内层的蜂蜜还是粘在勺子的表面。这个现象引出了下面的气动概念,即使是空气也是有粘性的,只是不像蜂蜜这样明显。

层流
空气分层流动,互不干扰空气分层流动,互不干扰

如同勺子上的蜂蜜,外面的蜂蜜会快速滑落,越靠近勺子的蜂蜜滑落速度越慢,这就是层流。在空气动力学中层流是指分层流动的空气,空气之间平滑移动。层流是一种非常理想的流动状态,气动设计中总是追求能在气动表面形成层流。

湍流
湍流是一种不佳的流动状态,气动设计中要尽量避免产生湍流湍流是一种不佳的流动状态,气动设计中要尽量避免产生湍流

相对于层流,空气开始出现相互扰动,层间出现空气的对流,这种流动叫做湍流。湍流是一种不佳流动,它的出现往往伴随阻力增加和压差失效,如果飞机机翼表面出现湍流会使机翼失效,无法起到提供升力、稳定机身、控制方向等作用。

空气在流经物体表面时紧贴表面的一部分空气会受到物体的阻滞作用,就像粘在勺子上的那层蜜,这部分流动受影响的空气叫做附面层。

研究发现,当空气流经平面时产生的附面层开始是以层流的形式流动,当流动达到一定距离之后,层流开始变得不稳定,随后产生湍流。这是附面层的不稳定性,为了消除这种现象,流线体的表面很少出现大面积的平面。

气流分离
流体绕过球体后无法沿球体表面流动,产生分离流体绕过球体后无法沿球体表面流动,产生分离

气流在流经物体的时候有一种特性是沿着物体表面流动,这种特性也与流体粘性有关。但空气分子自身也有惯性,让它突然剧烈改变方向是很难的。如果在流体中的物体表面不是缓和的连续表面,那么在表面的断点就会出现气流分离现象。
带迎角的机翼表面产生的分离带迎角的机翼表面产生的分离

图中是机翼的分离现象,机翼与来流空气呈一定的迎角,气体无法绕过机翼前后缘形成平滑流动,于是分离区产生。分离区实际上可理解为严重的湍流,分离区会使机翼失效、阻力增大。

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