科普 | 什么是气动升力?

添加时间:2016-08-16   点击次数:1479

气动升力作为评价汽车空气动力学性能的主要指标之一,直接影响汽车的操纵稳定性和动力性,今天的“汽车空气动力学知识系列”我们就来谈一谈气动升力。

在“汽车风洞技术”微信公众号第012期推送的文章《汽车也有一颗想飞的心》中,我们已经预告了,本期要讲一讲气动升力。今天的讲解有点偏学术性,请耐心看完,相信你一定有收获。

首先看一段视频:


赛道上正常行驶的赛车为什么会突然飞起?酿成这起事故的幕后黑手是什么?解答这些问题,就需要认识空气对运动物体施加的另外一种力——气动升力!

一、气动升力的来源

首先我们先说明下伯努利原理。伯努利原理实质是流体的机械能守恒,即:动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为:等高流动时,流速大,压力就小。即由不可压、理想流体沿流管作定常流动时,流动速度增加,流体的静压将减小;反之,流动速度减小,流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和,称为总压始终保持不变。

伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv2+ρgh=C,也可以表述为p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。这个式子被称为伯努利方程。

当空气流经上下表面不对称的翼型时(下图),空气质点流经上表面的路程比下表面的路程长,而流经后的空气质点又必须同时在机翼后缘汇合,因此流经上翼面的空气质点速度比流经下翼面的空气质点速度高。根据伯努利定理可知,上翼面的静压比下翼面的静压小,从而在上下翼面间产生压差。这也就是气动升力产生的基本原理。

汽车气动升力的来源与机翼类似,但由于汽车形状更为复杂,且汽车是在地面上行驶流经车身的气流有很大一部分是从汽车车身两侧流过,其气动升力来源更为复杂。前文视频中,高速行驶的汽车飞起,直接原因就是气动升力克服车重将汽车托起。

二、汽车气动升力的组成

由于汽车是在地面上行驶,地面效应是影响汽车气动升力的重要因素。汽车受到的气动升力包括压差升力和粘性升力两个方面,其中压差升力占主要部分。

压差升力一方面是由于汽车上下表面曲率不同,形成的上下表面压差造成的,另一方面是由于地面效应的影响,在汽车底部和地面之间形成了一个类似于渐缩喷管的气流通道,在汽车底部形成负升力。

粘性升力主要是由于汽车表面脱落的涡流,对汽车产生的向上或向下的力。汽车车身脱落的涡流

三、气动升力对汽车性能的影响

气动升力作为评价汽车空气动力学性能的主要指标之一,不仅直接影响汽车的操纵稳定性和动力性,同时也间接地影响燃油经济性。当汽车速度超过70km/h时,某些车会出现“发飘”这种高速气动不稳定现象,即驾驶员感觉行驶的车辆失去路面感,车辆转向系统反应迟钝,进而直至驾驶员失去对车辆的控制,这就是由于气动升力过大引起的。

气动升力将减小汽车轮胎的附着力。重量轻的汽车,特别是重心靠后的汽车,对前轮的升力特别敏感。由于升力是随车速的平方而增加,升力有时可达几千牛,这样使汽车因车轮附着力骤减而失去控制,这种事故在赛车时经常发生。纵倾气动力矩将引起前后车轮的载荷变化,或使前转向轮失去转向力,或使后驱动轮失去驱动力,影响汽车操纵稳定性。

四、如何降低汽车气动升力

1、车身扁平化 

扁平化的楔形造型,其上曲面平缓的压强变化使得它能产生较小的气动升力,甚至能产生负升力。各种使车身表面和横剖面圆滑过渡以增加两侧气流量的措施,都有利于降低气动升力。

2、车身底盘平顺处理 

通过加装底部导流板,减小底盘突出物对气流的阻挡,增大了车底气流速度,便可减小底部压力,从而降低了气动升力。

3、前端扰流器 

车身前端扰流器可改变车身下部气流流动,阻止气流进入车身底部,降低了车身底部的空气压力,从而降低了气动升力。

4、车尾扰流器 

车尾扰流器,通常设置在行李箱盖后上方。通过车尾扰流器可将部分汽车后部气流导向上方流动,形成气动下压力,降低气动升力。

5、汽车尾翼 

汽车尾翼为倒置的机翼,可产生巨大的下压力,尾翼通常在赛车上使用较多,效果也最显著。

6、汽车扩散器 

安装在汽车底部的扩散器主要是通过加速车身底部气流速度,减小底部压力,从而降低气动升力的。在F1赛车上,扩散器约提供了40%的下压力。

另外减小气动升力还可从车头边角造型、发动机罩倾角、离地间隙、车底纵向/横向曲率、行李箱倾角、车尾横向收缩等方面进行。相关研究数据可参考国内外的汽车气动升力方面的科研论文。

问题:那么汽车的下压力越大越好吗?

答案是否定的。一般说来气动升力与空气阻力是一对矛盾的存在,气动升力的减小会带来空气阻力的增大,这就对燃油经济性带来不利的影响。另外过大的汽车下压力也将会加剧轮胎的磨损,同样也影响了行驶的安全性。

CAERI 视点

气动升力的大小直接影响了汽车高速行驶的安全性。由于汽车三维扰流的复杂性以及地面效应的影响,汽车气动升力的产生机理以及高精度的气动升力数值计算都还需要开展进一步的的基础理论和风洞试验研究。相比气动阻力,气动升力的大小较小,受气流干扰较大,因此在风洞试验中就对测力天平的精度和分辨率提出的更高的要求。位于重庆的中国汽研气动-声学风洞安装有高精度高分辨率的汽车专用测力天平,可精确测量汽车气动升力,为汽车空气动力学工程师进行升力控制提供强大的试验支持。

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