空氣動力學小車

學校：官六中班級：高二二班組號：3組長：嚴善瑞組員：嚴善瑞，李永，王祝鑫，李瑞，高小涵，陳筱瑩郭靜嫻，王藝潔

空氣動力學是力學的一個分支，它主要研究物體在同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體流動規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學變化。它是在流體力學的基礎上，隨著航空工業(yè)和噴氣推進技術的發(fā)展而成長起來的一個學科。目錄發(fā)展簡史研究內(nèi)容研究方法概念分化空氣動力車公式論文3、45678-1010-14發(fā)展簡史最早對空氣動力學的研究,可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測。17世紀后期，荷蘭物理學家惠更斯首先估算出物體在空氣中運動的阻力；1726年，生頓應用力學原理和演繹方法得出：在空氣中運動的物體所受的力，正比于物體運動速度的平方和物體的特征面積以及空氣的密度。這一工作可以看作是空氣動力學經(jīng)典理論的開始。1755年，數(shù)學家歐拉得出了描述無粘性流體運動的微分方程，即歐拉方程。這些微分形式的動力學方程在特定條件下可以積分，得出很有實用價值的結(jié)果。19世紀上半葉，法國的納維和英國的斯托克斯提出了描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運動方程，后稱為纟納維-斯托克斯方程到19世紀末，經(jīng)典流體力學的基礎已經(jīng)形成。20世紀以來，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空氣動力學便從流體力學中發(fā)展出來并形成力學的一個新的分支。航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的舉力、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度。這就要從理論和實踐上研究飛行器與空氣相對運動時作用力的產(chǎn)生及其規(guī)律。1894年，英國的蘭徹斯特首先提出無限翼展機翼或翼型產(chǎn)生舉力的環(huán)量理論，和有限翼展機翼產(chǎn)生舉力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當時并未得到廣泛重視。約在1901?1910年間，庫塔和儒科夫斯基分別獨立地提出了翼型的環(huán)量和舉力理論，并給出舉力理論的數(shù)學形式，建立了二維機翼理論。1904年，德國的普朗特發(fā)表了著名的低速流動的邊界層理論。該理論指出在不同的流動區(qū)域中控制方程可有不同的簡化形式。邊界層理論極大地推進了空氣動力學的發(fā)展。普朗特還把有限翼展的三維機翼理論系統(tǒng)化，給出它的數(shù)學結(jié)果，從而創(chuàng)立了有限翼展機翼的舉力線理論。但它不能適用于失速、后掠和小展弦比的情況。1946年美國的瓊期提出了小展弦比機翼理論，利用這一理論和邊界層理論，可以足夠精確地求出機翼上的壓力分布和表面摩擦阻力。近代航空和噴氣技術的迅速發(fā)展使飛行速度迅猛提高。在高速運動的情況下，必須把流體力學和熱力學這兩門學科結(jié)合起來,才能正確認識和解決高速空氣動力學中的問題。1887?1896年間，奧地利科學家馬赫在研究彈丸運動擾動的傳播時指出：在小于或大于聲速的不同流動中，彈丸引起的擾動傳播特征是根本不同的。在高速流動中，流動速度與當?shù)芈曀僦仁且粋€重要的無量綱參數(shù)。1929年，德國空氣動力學家阿克萊特首先把這個無量綱參數(shù)與馬赫的名字聯(lián)系起來，十年后，馬赫數(shù)這個特征參數(shù)在氣體動力學中廣泛引用。小擾動在超聲速流中傳播會疊加起來形成有限量的突躍——激波。在許多實際超聲速流動中也存在著激波。氣流通過激波流場，參量發(fā)生突躍，熵增加而總能量保持不變。英國科學家蘭金在1870年、法國科學家許貢紐在1887年分別獨立地建立了氣流通過激波所應滿足的關系式，為超聲速流場的數(shù)學處理提供了正確的邊界條件。對于薄冀小擾動問題，阿克萊特在1925年提出了二維線化機冀理論，以后又相應地出現(xiàn)了三維機翼的線化理論。這些超聲速流的線化理論圓滿地解決了流動中小擾動的影響問題。在飛行速度或流動速度接近聲速時，飛行器的氣動性能發(fā)生急劇變化，阻力突增，升力驟降。飛行器的操縱性和穩(wěn)定性極度惡化，這就是航空史上著名的聲障。大推力發(fā)動機的出現(xiàn)沖過了聲障，但并沒有很好地解決復雜的跨聲速流動問題。直至 20世紀60年代以后，由于跨聲速巡航飛行、機動飛行，以及發(fā)展高 效率噴氣發(fā)動機的要求，跨聲速流動的研究更加受到重視，并有很大的發(fā)展。遠程導彈和人造衛(wèi)星的研制推動了高超聲速空氣動力學的發(fā)展。在 50年代到60年代初，確立了高超聲速無粘流理論和氣動力的工程計算方法。60年代初，高超聲速流動數(shù)值計算也有了迅速的發(fā)展。通過研究這些現(xiàn)象和規(guī)律，發(fā)展了高溫氣體動力學、高速邊界層理論和非平衡流動理論等。由于在高溫條件下會引起飛行器表面材料的燒蝕和質(zhì)量的引射， 需要研究高溫氣體的多相流。空氣動力學的發(fā)展出現(xiàn)了與多種學科相結(jié)合的特點?？諝鈩恿W發(fā)展的另一個重要方面是實驗研究，包括風洞等各種實驗設備的發(fā)展和實驗理論、實驗方法、測試技術的發(fā)展。世界上第一個風洞是英國的韋納姆在 1871年建成的。到今天適用于各種模擬條件、目的、用途和各種測量方式的風洞已有數(shù)十種之多，風洞實驗的內(nèi)容極為廣泛。20世紀70年代以來，激光技術、電子技術和電子計算機的迅速發(fā)展，極大地提高了空氣動力學的實驗水平和計算水平， 促進了對高度非線性問題和復雜結(jié)構的流動的研究。除了上述由航空航天事業(yè)的發(fā)展推進空氣動力學的發(fā)展之外，60年代以來，由于交通、運輸、建筑、氣象、環(huán)境保護和能源利用等多方面的發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)空氣動力學等分支學科。研究內(nèi)容通常所說的空氣動力學研究內(nèi)容是飛機，導彈等飛行器在名種飛行條件下流場中氣體的速度、壓力和密度等參量的變化規(guī)律，飛行器所受的舉力和阻力等空氣動力及其變化規(guī)律，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學變化以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律等。從這個意義上講，空氣動力學可有兩種分類法：首先，根據(jù)流體運動的速度范圍或飛行器的飛行速度，空氣動力學可分為低速空氣動力學和高速空氣動力學。通常大致以400千米/小時這一速度作為劃分的界線。在低速空氣動力學中，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的，對應的流動稱為不可壓縮流動。大于這個速度的流動，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學特性的變化。這種對應于高速空氣動力學的流動稱為可壓縮流動。其次，根據(jù)流動中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性，空氣動力學又可分為理想空氣動力學（或理想氣體動力學）和粘性空氣動力學。除了上述分類以外，空氣動力學中還有一些邊緣性的分支學科。例如稀薄氣體動力學、高溫氣體動力學等。在低速空氣動力學中，介質(zhì)密度變化很小，可視為常數(shù)，使用的基本理論是無粘二維和三維的位勢流、翼型理論、舉力線理論、舉力面理論和低速邊界層理論等；對于亞聲速流動，無粘位勢流動服從非線性橢圓型偏微分方程，研究這類流動的主要理論和近似方法有小擾動線化方法，普朗特-格勞厄脫法則、卡門-錢學森公式和速度圖法，在粘性流動方面有可壓縮邊界層理論；對于超聲速流動，無粘流動所服從的方程是非線性雙曲型偏微分方程。在超聲速流動中，基本的研究內(nèi)容是壓縮波、膨脹波、激波、普朗特-邁耶爾流動、錐型流，等等。主要的理論處理方法有超聲速小擾動理論、寺征線法和高速邊界戻理論等?？缏曀贌o粘流動可分外流和內(nèi)流兩大部分，流動變化復雜，流動的控制方程為非線性混合型偏微分方程，從理論上求解困難較大。高超聲速流動的主要特點是高馬赫數(shù)和大能量，在高超聲速流動中，真實氣體效應和激波與邊界層相互干擾問題變得比較重要。高超聲速流動分無粘流動和高超聲速粘性流兩大方面。工業(yè)空氣動力學主要研究在大氣邊界層中，風同各種結(jié)構物和人類活動間的相互作用以及大氣邊界層內(nèi)風的特性、風對建筑物的作用、風引起的質(zhì)量遷移、風對運輸車輛的作用和風能利用，以及低層大氣的流動特性和各種顆粒物在大氣中的擴散規(guī)律,特別是端流擴散的規(guī)律，等等。研究方法空氣動力學的研究，分理論和實驗兩個方面。理論和實驗研究兩者彼此密切結(jié)合，相輔相成。理論研究所依據(jù)的一般原理有：運動學方面，遵循質(zhì)量守恒定律;動力學方面,遵循牛頓第二定律;能量轉(zhuǎn)換和傳遞方面,遵循能量守恒定律;熱力學方面，遵循熱力學第一和第二定律介質(zhì)屬性方面,遵循相應的氣體狀態(tài)方程和粘性、導熱性的變化規(guī)律,等等。實驗研究則是借助實驗設備或裝置，觀察和記錄各種流動現(xiàn)象，測量氣流同物體的相互作用,發(fā)現(xiàn)新的物理特點并從中找出規(guī)律性的結(jié)果。由于近代高速電子計算機的迅速發(fā)展,數(shù)值計算在研究復雜流動和受力計算方面起著重要作用,高速電子計算機在實驗研究中的作用也日益增大。因此,理論研究、實驗研究、數(shù)值計算三方面的緊密結(jié)合是近代空氣動力學研究的主要特征。空氣動力學研究的過程一般是：通過實驗和觀察,對流動現(xiàn)象和機理進行分析,提出合理的力學模型,根據(jù)上述幾個方面的物理定律,提出描述流動的基本方程和定解條件；然后根據(jù)實驗結(jié)果，再進一步檢驗理論分析或數(shù)值結(jié)果的正確性和適用范圍，并提出進一步深入進行實驗或理論研究的問題。如此不斷反復、廣泛而深入地揭示空氣動力學問題的本質(zhì)。20世紀70年代以來，空氣動力學發(fā)展較為活躍的領域是湍流、邊界層過渡、激波與邊界層相互干擾、跨聲速流動、渦旋和分離流動、多相流、數(shù)值計算和實驗測試技術等等。此外，工業(yè)空氣動力學、環(huán)境空氣動力學，以及考慮有物理化學變化的氣體動力學也有很大的發(fā)展。概念理論分化汽車的發(fā)展距今已有一百多年的歷史，而把空氣動力學的概念理論研究結(jié)果引入汽車設計是從上世界20年代末期才開始的?？偣步?jīng)歷了四個階段：基本形狀造型、流線形化造型、細部優(yōu)化、整體優(yōu)化?；拘危浩囓嚿硗庑慰崴扑危由宪囕喓托旭傁到y(tǒng)后，整個流場已不是單純的水滴外形，氣動阻力很大。流線形：汽車外形不再是簡單的水滴形，地面效應已被人們認識。首先出現(xiàn)了半車身形造型，采用罩住車輪等減阻措施，認識到消除尾部的氣流分離及車身前部流場與后部流場的相互影響等車身細部優(yōu)化：汽車設計首先應服從汽車工程需要，即首先充分保證整體布置、安全、舒適和制造工藝的要求，并

在保證造型風格的前提下，進行外形設計，然后對形體細部進行修正，控制及防止氣流的分離發(fā)生。這樣即可使車輛外形挺拔，氣動阻力系數(shù)也小。整體優(yōu)化：這一階段從1983年開始，其方法是采用具有極低氣動阻力系數(shù)的原形，在不改變其整體流場的條件下，使其逐步形成具有低氣動阻力的實車。在實用化車型的設計過程中，每一部都應嚴格保證形體的光順性，使氣流不從汽車表面分離。一、汽車空氣動力特性對動力性的影響汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度是評價汽車動力性的主要指標。1、汽動阻力與最大速度汽車在水平路面上等速行使，其最大車速可表示為:滾動阻力糸數(shù)車辜滾動阻力糸數(shù)車辜/1VmaxF-Vmax- max 1pA(C-2Cf)L/\」

系數(shù)

氣動阻力糸數(shù) 氣動升力’、分析：當車重及其他因素不變，一定的最大驅(qū)動力時，汽車的最大速度取決于氣動阻力糸數(shù)和氣動升力糸數(shù)。由于氣動升力糸數(shù)涉及到汽車的穩(wěn)定性，在此不討論，可見：減小氣動阻力糸數(shù)可提高最大速度。2、汽動阻力與汽車加速度汽車傳動糸效率TOC\o"1-5"\h\zdvdP 36O0H=L= T dtdt 3Gf+_pACv2/ 2 Da發(fā)動機功率隨時間的變化率1、汽動阻力占總阻力的比例汽車上的總阻力由氣動阻力和滾動阻力組成：T=1pAv2C+2(G-L)f+2(G-L)f2 D FFF RRR氣動阻力 在前后輪上的汽車重力和升力由于汽車車身上部和下部不對稱，導致氣流上下流速不等，使車身上部和下部形成壓差，從而產(chǎn)生升力及縱傾力矩。汽車前后輪上也有升力的產(chǎn)生。前輪的升力使汽車上浮，前輪失去附著力而使汽車失去控制；后輪上的升力減小了后輪負荷，使驅(qū)動力減小。汽車上產(chǎn)生的升力和縱傾力矩使轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力，驅(qū)動輪失去牽引力，而且車速越高，這種影響越大。為提高車輛的直進性和穩(wěn)定性，應減小升力。當風力正對汽車前面吹來時，側(cè)向力為零；當風以一傾角從汽車前面吹來或風從汽車側(cè)面吹來，就會產(chǎn)生側(cè)向力。如果側(cè)向力的作用點與坐標原點不重合，會產(chǎn)生繞z軸回轉(zhuǎn)的橫擺力矩。側(cè)向力可使汽車方向盤產(chǎn)生抖動和直線穩(wěn)定性不良的現(xiàn)象。要想減小側(cè)向力，必需改進汽車側(cè)面的形狀，并且使側(cè)向力的作用點移向車身后方。0.200.15CMIO?°\OpelJr\二”.3048003800 1180131>00.200.15CMIO?°\OpelJr\二”.3048003800 1180131>0WEOmpunWEOmpun論文阻力和升力阻力一輛轎車的氣動效率是由其阻力系數(shù)（Cd）所決定的。而阻力系數(shù)與面積無關，它僅僅是反映出物體的形狀對于氣動阻力的影響。理論上來講，一個圓形的平板的阻力系數(shù)為1.0,但是如果考慮到其邊緣周圍的湍流效應，它的阻力系數(shù)將會變?yōu)?.2左右。氣動效率最高的形狀是水滴，它的阻力系數(shù)只有0.05。不過，我們不可能制造出一輛水滴形狀的轎車。一輛典型的轎車的阻力系數(shù)大致為0.30?？諝鈩恿W輔助設備尾翼（后擾流器）在20世紀60年代早期，的工程師們發(fā)現(xiàn)通過在轎車的尾部增加一個氣翼（我們簡單地將其稱為“尾翼”），可以大幅度減小升力甚至產(chǎn)生一個完全向下的壓力。同時，阻力只是略微有所增加。尾翼的作用是引導大部分的氣流直接離開車頂而不發(fā)生回流，這就會使升力減小。（如果我們加大尾翼的角度，甚至可能產(chǎn)生一千公斤向下的壓力。）當然，依然會有一小部分氣流會回流到背部并從尾翼下的車尾處離開。這就避免了在非斜背式轎車上出現(xiàn)的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空氣沿這個路線流動，所以它們對于升力的影響可以輕松地被尾翼消除。為了受益于絕大部分的氣流，尾翼安裝的位置必須比較高。擾流器擾流器是改變車身下面氣流的空氣動力學裝備。我們將安裝在前保險杠底部邊緣的擾流器稱為“下顎擾流器”或者“氣壩”，而將安裝在車身兩側(cè)底部邊緣的擾流器稱為“側(cè)裙”。要了解擾流器的原理，我們必須先談談車身下面的氣流。車身下面的氣流總不是我們希望存在的。在轎車車身的下面有很多暴露在外的組件，比如發(fā)動機、變速箱、傳動軸、差速器等。這些設備會阻礙氣流，不僅僅造成增大阻力的湍流，還會因使氣流慢下來而增大升力。擾流器通過促進空氣從車身兩側(cè)離開達到減小車身下面氣流的目的，其結(jié)果是減小了因車身下面的氣流造成的阻力和升力。一般來說，擾流器安裝的位置越低，能達到的效果就越好。因此你會發(fā)現(xiàn)長距離賽車的擾流器幾乎是擦著地面的。當然，道路轎車不可能做到這樣?？疾炱囓囆蔚陌l(fā)展史，從本世紀初的福特T型箱式車身到30年代中型的甲蟲型車身，從甲蟲型車身到50年代的船型車身，從船型車身到80年代的楔型車身，直到今天的轎車車身模式，每一種車身外形的出現(xiàn)，都不是某一時期單純工業(yè)設計的產(chǎn)物，而是伴隨著現(xiàn)代空氣動力學技術的進步而發(fā)展的。2.1汽車造型的演變與空氣動力學的關系[1-2]馬車型汽車。在汽車誕生前，馬車是陸地上最好的交通工具，可以說，汽車的發(fā)展是從馬車的機動化開始的。在汽車造型方面，沒有專門的設計人才，汽車外形基本上沿用了馬車的造型。馬車型汽車的時代是汽車發(fā)展的初期階段，技術尚未成熟，在車身造型上沒有引進空氣動力學的原理。箱型汽車。馬車型車身一般都是敞篷和活動布篷的，很難抵御風雨的侵襲。福特公司生產(chǎn)了一種新型的T型車，車身像一只大箱子，因此稱作“箱型車身”。隨著汽車的普及及生活節(jié)奏的加快，人們對車速的要求也越來越高，當車速超過100kmPh后，可以說功率幾乎都用來克服空氣阻力了，因此這一時期，人們開始降低車的高度減小迎風面積來克服空氣阻力。但箱形車阻力大，因此人們開始研究一種新的車型-流線型汽車。甲殼蟲型汽車。1930年后，汽車設計越來越重視車身外形對減少空氣阻力的重要性。1934年，美國的克萊斯勒公司生產(chǎn)的氣流牌(AirFlow)小客車，首先采用了流線型的車身外形。雖然在銷售方面遭到了慘敗，但它卻宣告了汽車造型新時代的開始。從此以后在世界刮起一股流線形浪潮。船型汽車。為了克服“甲殼蟲”汽車對橫風的不穩(wěn)定性，1949年美國福特公司經(jīng)過幾年的努力，推出了新型的福特V8型汽車，這種汽車改變了以往汽車造型的模式，使前翼子板和發(fā)動機罩，后翼子板和行李艙罩溶于一體,大燈和散熱器罩也形成整體,車身兩側(cè)形成一個平滑的面,車室位于車的中部,整