空气动力学原理

1、重庆理工大学选修课论文空气动力学原理空气动力学原理空气动力学在科学的范畴里是一门艰深的度量科学， 一辆汽车在行使时，会 对相对静止的空气造成不可避免的冲击， 空气会因此向四周流动，而蹿入车底的 气流便会被暂时困于车底的各个机械部件之中， 空气会被行使中的汽车拉动，所 以当一辆汽车飞驰而过之后，地上的纸张和树叶会被卷起。 此外，车底的气流会 对车头和引擎舱内产生一股浮升力，削弱车轮对地面的下压力，影响汽车的操控 表现。另外，汽车的燃料在燃烧推动机械运转时已经消耗了一大部分动力， 而当汽 车高速行使时，一部分动力也会被用做克服空气的阻力。 所以，空气动力学对于 汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操

2、控性，同时也是降低油耗的一个窍门。对付浮升力的方法对付浮升力的方法，其一可以在车底使用扰流板。不过，今天已经很少有 量产型汽车使用这项装置了，其主要原因是因为研发和制造的费用实在太过高 昂。在近期的量产车中只有 FERRAR360M、LOTUSSPRIT、NISSANSKYLINEGT R还使用这样的装置。另一个主流的做法是在车头下方加装一个坚固而比车头略长的阻流器。 它可 以将气流引导至引擎盖上，或者穿越水箱格栅和流过车身。至于车尾部分，其课 题主要是如何令气流顺畅的流过车身，车尾的气流也要尽量保持整齐。如果在汽车行驶时，流过车体的气流可以紧贴在车体轮廓之上， 我们称之为 ATTECHED者

3、LAMINAR即所谓的流线型）。而水滴的形状就是现今我们所知的 最为流线的形状了。不过并非汽车非要设计成水滴的形状才能达到最好的 LAMINAR其实传统的汽车形态也可以达到很好的 LAMIAR勺效果。常用的方法就 是将后挡风玻璃的倾斜角控制在 25度之内。FERRAR360M和丰田的SUPRAft是 有此特点的双门轿跑车。其实仔细观察这类轿跑车的侧面，就不难发现从车头至车尾的线条会朝着车 顶向上呈弧形，而车底则十分的平坦，其实这个形状类似机翼截面的形状。 当气 流流过这个机翼形状的物体时，从车体上方流过的气体一定较从车体下方流过的 快，如此一来便会产生一股浮升力。随着速度的升高，下压力的损失会

4、逐渐加大。虽然车体上下方的压力差有可能只有一点点， 但是由于车体上下的面积较大，微 小的压力差便会造成明显的抓着力分别。 一般而言，车尾更容易受到浮升力的影 响，而车头部分也会因此造成操控稳定性的问题。传统的房车、旅行车和掀背车这类后挡风玻璃较垂直的汽车，浮升力对它们 的影响会较为轻微，因为气流经过垂直的后窗后就已经散落， 形成所谓的乱流效 果，浮升力因此下降，但是这些乱流也正是气流拉力的来源。有些研究指出像 GOL之类的两厢式掀背车，如车顶和尾窗的夹角在 30度之内，它所造成的气流 拉力会较超过30度的设计更低。所以有些人就会想当然的认为只要将后窗的和 车顶的夹角控制在28至32度之间，就能

5、同时兼顾浮升力和空气拉力的问题。 其 实问题并没有那么简单，在这个角度范围里气流既不能紧贴在车体上也不足以造 成乱流，如此一来将很难预计空气的流动情况。因为汽车在行驶时并非在一个水 平面上行驶，随着悬挂系统的上下运动，其实汽车的离地距离是一个变量， 而气 流在流过车体上下所造成的压力差也会随时改变，同时在车辆过弯时车尾左右的气流动态也会对车尾的气流情况造成影响。当尾窗与车顶的夹角介于28至32度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘， 这其实非常危险的。举个例子，AUDITT 在推出时曾经发生高速翻车的问题， 当时的事故调查报告指出 AUDITT的后轴在 高速时浮升力过高，造成后轮抓着力太弱。而TT

6、在设计时以风格作为首要前提， 在空气动力学上有所牺牲。后窗与车尾的弧度就介于以上那个尴尬的角度之间。 车厂在设计掀背车时宁愿将车尾设计的平直一点，一来可以增加车内的空间，二来也克服了空气动力学上的不足。尾翼的基本设计尾翼和扰流器的诞生正是要解决气流和浮升力的问题。 我们见到过的尾翼可 谓五花八门、千万百怪。不过它们却有着相同的特点：表面狭窄、水平面离开车 身安装（如果尾翼紧贴在车身安装，如果它不仅仅起到装饰作用，便只有扰流器 般的作用，这两者是不同的。）尾翼的主要作用是增加下压力，所以尾翼的外形 必须像倒置的机翼才行，这样的设计会使流经尾翼下端的气流的速度较流经尾翼 上端的来得高，从而产生下压

7、力。还有一种产生下压力的方法是将尾翼前端微微 向下倾斜，虽然这种设计会比水平式的尾翼产生更大的空气拉力，但是在调节下压力大小的方面却较有弹性。WINCJ口 SPOILER勺分另I尾翼和车尾扰流器的分别是后者与车尾连为一体，或者干脆就是车身整体设 计的一部分。车尾扰流器其实也可以用来制造下压力，但是常见的功能扔是减少 浮升力和气流拉力。掀背车的尾扰流器集结了大量的空气于扰流器的前方，目的是分隔车尾的气流，从而降低浮升力。后扰流器也可以令气流更顺畅的流经车尾， 避免气流长时间的徘徊或紧贴在车尾上，如此一来便可以减少空气拉力，同时也 可以减低导致浮升力的车底气压。所以，有很多车书喜欢统称车尾上的凸出

8、物为尾翼是很不专业的行为，比如普通版的911那个可以自动升降的东西该被称为扰流器，而GT2上的那个才是货 真价实的尾翼。一般来说，欧洲的车厂比较注重汽车的美学设计，同时也很在意SPORTSEDAN口 RACINGEDITION之间的分别。所以，欧洲的车厂比较忌用尾翼， 而日本的车厂则将尾翼作为卖点推给顾客， 从这种分别中也可以轻易的体会出不 同国家造车哲学的不同。尾翼和扰流器的简史早在上世纪30年代，各大车厂已经开始致力于降低气流拉力，而对于浮升 力的研究，各车厂大致要到60年代才开始关注。FERRA的赛车手RICHIE GINTHER 于1961年发明了能产生下压力的车尾扰流器，他也因此闻名

9、于世。随后的 FERRAR战车也都使用此项设计。而第一部使用前扰流器（俗称气霸）的汽车应 该是大名鼎鼎的FORDGT40这部车在超越时速300KM/H时所产生的浮升力令其 成为一部根本无法驾驭的汽车，据说在加装了前气霸之后，GT40在达到极速时前轮的下压力由原来的310磅激增至604磅！ ！ ！至于第一部使用尾翼的汽车我 没有准确的资料，不过据说时道奇于60年代末生产的CHARGEDAYTONALYMOUTH SUPERBIRD韵敕洲车厂方面，保时捷可以算首家兼顾扰流器的功能和美学设计的车厂。 1975的911 TUBRO的一体式的气霸和鲸鱼尾式的扰流器大副降低了浮升力的产 生，其效用高达90

10、%。于是在70年代末，气霸和扰流器更成为保时捷的标志。 当时有很多以高性能作为卖点的车厂也跟随保时捷的步伐以气霸和扰流器作为 卖点。（说到这里，我到想起了一些题外话。其实车厂都要经过一个发展阶段才 能走向成熟，其实日本车与欧洲车的差距就体现在日本车其实在走欧洲车曾经走过的一条道路，这条路每个车厂都必须经历。如果以后中国真正的拥有自己的汽 车工业的话，那么中国的车厂也必须走这条道路。 一般我认为欧洲车厂的空气动 力学水平要较日本车厂来的高一点，就拿对空气动力学要求很高的F1赛事来说， 所有空气动力学高手都是欧洲人，而这些欧洲人也无一例外的供职酉敕洲车厂， 英美车队在空气动力学方面的研究在它这几年

11、来几乎没有进步，从这一点上面就可以看出欧洲车厂于日本车厂之间的差距。不过，这些差距是由时间造成的，我想技术上的差距相对比较容易弥补。而文化背景的不同才容易造成真正的差异， 而这种差异如果产生不良性的发展，日本车厂就真正的危险了。）现在气霸和扰流器已经非常非常的普通了， 几乎时速可以达到百余公里的汽 车都使用这些东西。其实如果你的车速并不高，这些东西并不起作用。当车速介 于60到80之间时，气流的拉力根本高不过车轮的运动阻力， 如果要感受尾翼和 扰流器在浮升力和下压力方面的明显作用，时速必须高于160KM其中的原因是因为气流的动力往往是车速的二次方，一部汽车从 130KM/W口速至260KM/H

12、浮 升力和空气拉力将会有四倍的增加。同时，所有汽车所有的气霸，在降低气流拉力方面都具有一定的作用。 一般 来说可以减少510%的整体气流拉力。另一方面，气霸也有助于冷却引擎，亦 方便了雾灯的安装。不过仍然有为数不少的车厂认为尾翼和扰流器是为了美观而 设的。不过总体来说，这些空气动力部件都具有一定的实际作用，以上代凌志 SC系列来说，加装原厂车尾扰流器之后，汽车的 Cd数值（气流拉力）由原来的 0.32 降至 0.31 o 但是 FORD ADVANCED DESIGN STUDW师 GRANT GARRISON 曾经说过：如果尾翼和扰流器不是那么受欢迎， 我们是不会加在车身上的，但是 我们可以

13、用其它方法来把车辆设计得具有同样的空气动力学效果。持相同观点的还有大名鼎鼎的FERRARI众所周知FERRAR为了迁就车身设计的美感是很忌讳 在车身上使用尾翼的，而即使以快跑作为最高目的的ENZO FERRA就使用的是可升降的尾扰流板，其原因是FERRAR的主席认为一部静止的FERRAR不需要任 何扰流器！ ！ ！对Cd值的一为什么释最后值得一提的倒是普遍存在的对 Cd值的一些误解。在许多车厂的产品介 绍书中，常常会提及新车的风阻系数降低至多少多少Cd,而Cd所指的并不简单是指我们一般所说的空气阻力，而是流气拉力系数（ DRACCOEFFICIENT, 一般 而言气流在车尾造成的拉力，数值越低

14、，表示车尾气流处理的越流畅，该部分的 浮升力亦会越小，相对而言，车辆行走时的阻力会低一点，后轮的下压力也会好 一点。说到这里我们就应该明白，加装尾翼并不一定会增加Cd值！如果加装尾翼和尾扰流器后，车辆尾部气流通过的流畅度增高，那么这辆车的Cd值反而应该降低。汽车设计的空气动力学问题并不止于车尾，其实车头的长度和宽度也会 影响一部汽车的总拉力数值。比如前纵置引擎的中心点要比前轴的中心点更前， 车头就容易造得很长，而如果加阔前轮距来横置摆放引擎，车头部分就会随着加 阔，以上两种情况都会影响到整体的气流拉力（CdA。虽然有可能一辆车的Cd 造得很低，但是同样难以弥补车头部分增加的长度和宽度所带来的整

15、体气流拉力数值的上升，举个例子来说，一部汽车的风阻系数由原来的Cd0.40下降至Cd0.38,但是车头的宽度却增加了 75MM这时它的CdA数值约会上升5%,这样 一来等于完全抵消了 Cd下降的效果。（比如新款的ACCOR D虽然风阻系数达到 了惊人的Cd0.25,可是因为车体全面比上一代要加大许多，所有在高速时的稳定 性表现，我个人估计不会有大幅的攀升，如果这方面的表现的确有所改进，也首 先应该归功于轴距的加长和悬挂设定的改进，空气动力学的成就反而是次要的。因为民用车的空气动力学表现必须兼顾降低风噪和燃油经济性，所有在设计时必然会对汽车的下压力作出一定的牺牲。）因此，在大家谈论Cd时，不应该认为Cd代表了一部汽车的整体空气动力表 现，更不能轻易的认为随便加装一只尾翼或者巨型扰流器就必然可以获得更好的 空气动力学表现！其实充其量它只不过改善了空气动力学中某个部分的表现而 已。最后，我要说的是对改装空气动力学部件的一点个人看法。基本上，主流车厂在空气动力学方面的研究在这 5至6年里得到了迅猛的发展（原因很简单，内 燃机的改进在近十年步伐明显放缓，要想改善汽车的动力