空氣動力-公式

車輛空氣動力學與車身造型流體力學的一個重要分支。長期以來，空氣動力學成果的應用多側(cè)重于航空及氣象領域，特別是在航空領域內(nèi)這門科學取得了巨大的進展，給汽車或路面車輛的空氣動力學〔AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics〕爭論供給了借鑒。然而進一步的深入爭論說明，汽車或車輛的空氣動力學問題從理論到實際兩方面都與航空等問題有本質(zhì)的區(qū)分，汽車空氣動力學已逐步進展成為了空氣動力學的一個獨立分支，在方程式賽車領域更是得到了極大的應用。下面就談談賽車中空氣動力學的應用。1：行車阻力隨車速的變化狀況我們從日常生活的閱歷知道，當風吹向一個物體時，就會產(chǎn)生作用在物體上的力。力的大小與風的方向和強弱有關(guān)。比方說輕風徐來，我們的感覺是輕柔舒適〔力氣很小〕；颶風襲來，房倒屋塌，勢不行擋〔力氣很大〕。這說明當風速到達某種程度時，就100公里/〔km/h〕時，氣流對車輛產(chǎn)生的阻力就會超過車輪的滾動阻力。這時就必需考慮空氣動力的影響。如圖1所示。至輪胎溫度把握等等?？諝鈩恿W的根本概念和根本方程空氣動力學。高速流和低速流在空氣壓縮性上有很大差異，通常用M數(shù)〔也稱為馬赫〕來劃分。假設定義流速V與大氣中聲音的傳aM數(shù)，則M=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。1.2-0.8高速飛機的飛行跨越這三個范圍。M<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。F=mam，只要再有aFr≈1.22千克/311.221/800。同時空氣還有m1.8*10-5牛秒/21/55。2：流場中，小擾動源的波形圖〔液或氣體〕確實定空間稱為流場，并且用有向線條來形象地表示流場中流體的流淌趨向，這些線條稱為流線。的流場稱穩(wěn)定流場。為了簡化實際問題，假設假設流體無粘性，又不行壓縮就稱為抱負流體。層流和紊流：當流體流經(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。這種流淌稱為紊流。流經(jīng)物體外表的流淌，往往開頭是層流，到達某點后才變?yōu)槲闪?，轉(zhuǎn)變的地方，稱轉(zhuǎn)淚點。轉(zhuǎn)變的因素是流體質(zhì)量密度r，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。3為例，當流體以均勻流速V，流過物體外表時，由于自身粘性的影響，接觸物體后，首先是貼近物體外表的一層流體的速度會受阻滯。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，外面大。速度的這種差易，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)動的趨勢。當流線與物體分別后，就發(fā)生旋轉(zhuǎn)而形成三角。受阻的流體與渦組成的區(qū)域，分別點的位置往往也有小的前后移動。渦的形成和脫體，會斷續(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。A1，A2截取一段流管。A1切面流管面積為ΔA1，A2切面流管面積為ΔA2。在A1A2間，沒有流體注入或溢出，所以在dt時間內(nèi)，從ΔA1流入的流體質(zhì)量〔流量〕與ΔA2流出的流量相等。即*ΔA1*dt＝r2*V2*ΔA2*dtdt：時段或*ΔA1＝r2*V2*ΔA2這方程表示流淌沒有中斷，稱連續(xù)方程。r1＝r2＝常量，屬抱負流體，連續(xù)方程變?yōu)椋篤1*ΔA1＝V2*ΔA2說明管道切面越小處，流速越快。伯努利方程：我們照舊假定是無粘性、不行壓縮的穩(wěn)定流場。為：r1*V1*ΔA1*dtdm2＝r2*V2*ΔA2*dt按不行壓條件，r1＝r2＝r連續(xù)條件下： *V1*ΔA1*dt＝r*V2*ΔA2*dt在ΔA1dt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dE2＝〔1/2〕*dmV22+dm*g*h2dtA1A2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*ΔA1－P2*V2*ΔA2〕*dt dW＝〔1/r〕*〔P1－P2〕*dmdW＋dE＝０，［〔1/r〕*〔P1－P2〕＋〔1/2〕*〔V12－V22〕+g*〔h1－h(huán)2〕］*dm＝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)椋骸?/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＝∞ZVZ＝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＝0AVA＝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，所以柱體上不產(chǎn)生阻力，也不產(chǎn)生升力?！参矬w上所受的力在氣流速度方向的分力稱阻力，垂直速度的稱升力?！骋硇偷膲毫Ψ植肌⑸妥枇Γ?：翼型賽車的前后豎面，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，C。翼型各點高度中點的連線稱中弧線，中弧線與弦線間的距離稱中弧線高度，用來表示翼型的彎度，t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?！捕S〕流淌狀況。氣流流過翼型就是這種狀況。6：升力產(chǎn)生理論的示意圖現(xiàn)在來解釋升力產(chǎn)生的一種理論：無旋的抱負氣流流過翼型時，假設是小迎角，無分別。流線的示意圖如圖6。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)系實際風洞試驗中觀看結(jié)果與圖6右邊的圖形全都，并可測得翼型上下外表的壓力分布狀況。如圖7所示。7(b)7(c)，即可求得翼型的升力和阻力。DFY＝－(p*dA)*sinθ+(τ*dA)*cosθYX：＝－?p*sinθ*dA+?τ*cosθ*dA＝?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〕，后一項叫摩擦阻力。氣流使整個翼面后緣，產(chǎn)生向下的速度，稱為下瀉速度。εYV0的方向上，產(chǎn)生了分Xi。因εY0＝Y(jié)cosε≈Y，Xi＝Y(jié)sinεXi稱誘導阻力，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+誘導阻力+干擾阻力〔尾翼〕，還能降低尾渦強度，減小誘阻，使平尾效力增高。Cy、Cx隨迎角α的變化：(1/2)*ρ*VA2＝(1－VA2/V∞2)*(1/2)*ρ*V∞2VA2/V∞2〕，稱氣動力系數(shù)，是個無因次量。Cmo等。當求翼面上的氣動力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。Y時，Y＝Cy*〔1/2〕*ρ*V2*S 對應CyS取翼面平面積。X時，CxS取車輛最大的迎風切面積。8：升力、阻力系數(shù)隨迎角的變化狀況很多著名氣動爭論機構(gòu)，都研制了不同特性的翼型，并且用各自規(guī)定的代號，來區(qū)分不同翼型。例如NACA〔NASA的前身〕的NACA0006NACA23012就是最大相對厚度t/C6%12%Cy,Cx等系數(shù)隨迎角α的變8所示：左右時，Cy隨αCymax時，氣流消滅分別，Cy增加減