互聯網 xuw1974 汽車構造維修 2006-08-20
車輛空氣動力學與車身造型
空氣動力學(Aerodynamics)是研究物體在與周圍空氣作相對運動時兩者之間相互作用力的關系及運動規律的科學,它屬于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重于航空及氣象領域,特別是在航空領域內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(Automotive Aerodynamics-Road Vehicle Aerodynamics)研究提供了借鑒。然而進一步的深入研究表明,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的區別,汽車空氣動力學已逐步發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.空氣動力學的基本概念和基本方程
空氣動力學,屬流體力學的范疇,是研究以空氣作介質的流場中,物體所受的力與流動特點的科學。賽車空氣動力學屬低速空氣動力學。高速流和低速流在空氣壓縮性上有很大差別,通常用M數(也稱為馬赫)來劃分。若定義流速V與大氣中聲音的傳播速度a之比為M數,則M=V/a。大氣中小擾動的傳播速度是和聲音的傳播速度相同的,M=1后,會出現激波,氣動特性發生很大變化。
一般M>>1為高超音速范圍,主要是彈道導彈等的飛行;M>1為超音速,M在1.2-0.8左右為跨音速;M<0.8為亞音速范圍,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。
空氣的質量和粘性:當我們研究空氣動力學時,必須要考慮空氣的質量。按照牛頓第二定律F=ma,有了質量m,只要再有加速度a,就會產生力F。空氣的質量密度r≈1.22千克/米3,即1立方米空氣質量約1.22千克,約為水的1/800。同時空氣還有粘性,它的粘性系數m為1.8*10-5牛秒/米2,約為水的1/55。
流場和流線:通常將充滿運動流體(液或氣體)的一定空間稱為流場,并且用有向線條來形象地表示流場中流體的流動趨向,這些線條稱為流線。 過流線任一點的切線方向,即代表流場中該點的流動方向。流場中線條越密的區域,表示流速越大。各點流速不隨時間變化的流場稱穩定流場。為了簡化實際問題,若假設流體無粘性,又不可壓縮就稱為理想流體。
層流和紊流:當流體流經物體表面,流線很平順時,各層之間層次分明,互不影響,我們稱這種流動為層流。
若因流體的粘性或物體表面粗糙,流線會逐漸出現小的擾動,盡管平均流速仍未受影響,但看起來流線在跳動,層次不分明。這種流動稱為紊流。
流經物體表面的流動,往往開始是層流,到達某點后才變為紊流,轉變的地方,稱轉淚點。轉變的因素是流體質量密度r,粘性系數m,流速V,流經的距離L以及物體表面的粗糙度等。我們用雷諾數Re=rVL/m達到某一數值作為判別的條件。一般層流中阻力較小。
附面層、分離、層流、尾跡:以平面流場示意圖3為例,當流體以均勻流速V,流過物體表面時,由于自身粘性的影響,接觸物體后,首先是貼近物體表面的一層流體的速度會受阻滯。 隨著流經物體距離L的增加,受阻流體的范圍也增大。到達Lx時,δx范圍內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,厚度隨流經的距離在變化的這層流體為附面層。從附面層內流速的分布看,近物體表面小,外面大。速度的這種差易,就構成了轉動的趨勢。當流線與物體分離后,就發生旋轉而形成三角。受阻的流體與渦組成的區域,分離點的位置往往也有小的前后移動。渦的形成和脫體,會斷續發生,所以在尾跡中渦流區內,流動物性往往很不穩定。
連續方程:現在來討論忽略粘性影響的穩定流場情況。我們將一組流線圖圍成的管道稱為流管。以垂直流管的切面A1,A2截取一段流管。A1切面流管面積為Δ A1,A2切面流管面積為Δ A2。在A1A2間,沒有流體注入或溢出,所以在dt時間內,從Δ A1流入的流體質量(流量)與Δ A2流出的流量相等。
即 r1*V1 *Δ A1*dt=r2*V2 *Δ A2*dt
式中,r:密度,V:流速,Δ A:流管切面積,dt:時段
或 r1*V1 *Δ A1=r2*V2* Δ A2
這方程表示流動沒有中斷,稱連續方程。
在研究低速空氣動力學時,認為空氣是不可壓縮的。即r1=r2=常量,屬理想流體,連續方程變為:
V1 *Δ A1=V2 *Δ A2
說明管道切面越小處,流速越快。
伯努利方程:我們仍然假定是無粘性、不可壓縮的穩定流場。
dt時間內經Δ A1切面的流量dm1為:
dm1= r1*V1 *Δ A1*dt
經Δ A2切面的流量dm2為:
dm2=r2*V2* Δ A2*dt
按不可壓條件, r1=r2=r
連續條件下: dm1=dm2=dm=r *V1 *Δ A1*dt=r*V2 *Δ A2*dt
在Δ A1切面dt時間內流入的總機械能是動能與位能之和:
dE1=(1/2)*dm *V12+ dm*g*h1
h:切面位置高度,g:重力加速度
在Δ A2切面同一時間流出的總機械能為:
dE2=(1/2)*dm V22+ dm*g*h2
dt時間內,流管A1至A2間機械能的增量為:
dE=dE1-dE2=[(1/2)*(V12-V22)+g*(h1-h2)]*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* Δ A1-P2* V2 *Δ A2)*dt 引入dm式
dW=(1/r)*(P1-P2)*dm
按能量守恒原理: dW+dE=0
所以,[(1/r)*(P1-P2)+(1/2)*(V12-V22)+g*(h1-h2)]*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,基本上是在等高度上,即h1=h2
方程變為: (1/2)*r *V12+P1=(1/2)*r* V22+P2
式中第一項稱動壓,第二項稱靜壓,兩項合起來稱總壓。這式說明理想流場中,速度高的地方壓力小,速度小的地方壓力較大。
2. 流場中物體所受的空氣動力
理想流體流經圓柱體的情況:假設圓柱體是無限長的,即縱向長度LZ =∞,因此氣流橫向流過時在Z方向的分速度VZ=0,所以各切面流動情況相同,可用任意切面為代表,變成平面(二維)流動問題。如圖4所示。
θ=0°的點A,稱駐點。駐點氣流速度VA=0,按伯努利方程,氣流中總壓在駐點全部轉變為靜壓PA。
PA=P∞+(1/2)ρV∞²θ=180°處,VF=0,所以PF= P∞+(1/2)ρV∞²
P∞:流場中未受物體影響處靜壓,V∞:未受物體影響處流速。
翼型的壓力分布、升力和阻力:
賽車的前后豎面,是產生氣動力的重要組件,現來介紹它的氣動力特性。 翼面的長度叫豎度L,橫切面形狀稱翼型。如圖5所示。做成這種形狀,主要是為了產生升力。在賽車上,是反過來裝的,主要是產生負升力。翼型對著氣流的一端稱前緣,另一端稱后緣,前后緣連線稱翼弦,其長度稱弦長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,都會影響翼型的氣動力性能。
當機翼展長L極大時,叫無限翼展機翼。這時流過機翼的氣流不會產生展向分速度,所以各切面的流動相同,變成平面(二維)流動情況。氣流流過翼型就是這種情況。
實際風洞試驗中觀察結果與圖6右邊的圖形一致,并可測得翼型上下表面的壓力分布情況。如圖7所示。 此外實際空氣有粘性,還會產生剪力如圖7(b)。計算時,沿翼型表面積分圖7(c),即可求得翼型的升力和阻力。
DFY =-(p*dA)*sinθ + (τ*dA)*cosθ
DFx = (p*dA)*cosθ + (τ*dA)*sinθ
翼型升力Y,阻力X:
Y = ſd*FY = - ſp*sinθ*dA + ſτ*cosθ*dA
X = ſd*Fx = ſp*cosθ*dA + ſτ*sinθ*dA
通常按阻力產生的原因,上式右端前一項叫壓差阻力(或形狀阻力),后一項叫摩擦阻力。
實際翼面展長L是有限的,翼尖部分因上下壓力差,氣流會由下表面反向上表面,并在翼尖后緣脫離翼面形成尾渦,旋轉的氣流使整個翼面后緣,產生向下的速度,稱為下瀉速度。
從切面看,由原來流速與下瀉速度合成的速度矢量,方向發生角ε的改變,新的升力Y在原來速度V0的方向上,產生了分力Xi。
因ε很小,所以Y0=Ycosε≈Y,Xi=Ysinε
Xi稱誘導阻力,它是隨升力伴生的,是獲得升力無法避免的代價。此外就整車而言,組件間還會相互干擾,還會產生阻力,稱為干擾阻力,這樣總阻力將由下列幾部分組成:
總阻力=壓差阻力(形狀阻力)+ 摩擦阻力 + 誘導阻力 + 干擾阻力
賽車水平翼面端部,往往裝上垂直的端板,除了增加方向穩定性外(尾翼),還能降低尾渦強度,減小誘阻,使平尾效力增高。
升力、阻力系數Cy、Cx隨迎角α的變化:
在翼型表面某點A作用的氣動力中,按伯努利方程的概念得:
P=PA-PB=(1/2)*ρ*V∞2- (1/2)*ρ*VA2
=(1-VA2/ V∞2)*(1/2)*ρ*V∞2
= Cp*(1/2)*ρ*V∞2
式中Cp=(1- VA2/ V∞2),稱氣動力系數,是個無因次量。
類似的有升力系數Cy,阻力系數Cx,側力系數Cz,以及力矩系數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。
類似的求翼面上升力Y時,
Y=Cy*(1/2)*ρ*V2*S 對應Cy的S取翼面平面積。
求全車阻力X時,
X = Cx*(1/2)*ρ*V2*S 對應Cx的S取車輛最大的迎風切面積。
一般Cy~α曲線在α<10º左右時,Cy隨α直線增加,接近Cymax時,氣流出現分離,Cy增加減慢。隨著分離區域的擴大,達Cymax后會突然下降,稱為失速。這時的Cx也隨α由緩慢變為急劇增大。對稱翼型的零升力迎角α0=0º,有彎度(中弧線上凸的)翼型,α0<0º,為負值。相對厚度較大的翼型,Cymax和失速迎角也較大,Cx也略大。
為了提高Cymax,要盡力延緩上表現氣流分離,并增大翼型彎度。較有效的辦法就是翼面后緣安裝開縫襟翼。經精心設計的開縫,使下翼面壓力較高的氣流吹向壓力較低的上翼面,增大氣流流速,使分離延緩,Cymax增大。
現在很多賽車的水平翼面,都采用類似原理的幾個翼面組合。
3.研究方法與試驗設備
研究方法:雖然專門研究賽車空氣動力學歷史不長,但空氣動力學隨著飛機的誕生開始,已經是一門發展多年的學科。研究這門學科,大體分為理論方法和實驗方法。
理論方法主要是通過計算求解有關的流體力學方程,又分為精確解和近似解。前者也叫解析法,由于實際問題很復雜,解析法求解很困難,所以應用上有很大局限性。目前工程上多采用近似方法。隨著電腦的發展,因其快速和不易出錯,所以得到廣泛應用,且其精確性可根據需要,用細化網格的辦法提高,成本也容易控制。缺點是計算模型與實際情況之間往往存在較大差異,所以又不得不采用實驗方法。
實驗方法又分為風洞試驗和真車行駛試驗。風洞試驗是做出賽車模型,安裝在風洞的人工流場中,用儀器測量作用在模型上的力和力矩,以及用噴煙或氣流染色或貼絲線等辦法來觀察模型附近流線的變化。這種方法,也不盡完善,因為要模擬輪胎轉動,地面運動以及發動機進、排氣的影響等都很復雜。而最突出的是模型試驗與實際情況之間的“相似”問題。所謂“相似”不只是幾何尺寸要成比例,各種力之間也應保持同樣比例。這有時很難做到。例如作用于物體表面的力如粘性力,是隨物體表面積也就是長度的二次方變化的,而質量力是隨物體體積即長度的三次方變化的。即使流場的相應參數都做到試驗與實際完全相同,但當模型縮小后,上述兩種力之間的比例,就不能保持完全相同。最簡單的方法就是將模型尺寸做得接近實物,來提高“相似程度”。這時候的風洞也要加大(甚至能容納真車),推動風洞中氣流運動的能源功率更會強大。因此又只好用真車做行駛試驗來測量分析各種數據和現象,進行性能改善。
試驗設備:最基本的試驗設備是風洞及其附屬測試儀器。風洞試驗的優點,是容易控制環境條件,測試儀器有通用性。風洞試驗的重要環節是保持粘性相似。我們以雷諾系數Re=ρVL/μ代表慣性力與粘性力之間的比例。在大氣環境中做風洞試驗,ρ,μ是與行車環境相同的,所以提高風速V,增加模型尺寸L,都可提高相似性。賽車試驗用的風洞是低速風洞,最大風速200萬里/小時左右,型式有開口式和閉循環式。如圖9所示。
后者部分氣流動能得到重復利用,較省功率,但造價昂貴。試件用撐桿、支柱或轉臺裝置在試驗段內。試驗段切面形狀多為長方形,尺寸可達3*2平方米,可以是敞開、封閉或半封閉的。前者在試驗段洞壁上開縫,便于內外空氣交換和調節模型大小對氣流的堵塞。模型最大橫切面積建議不超過試驗段切面積的7%,以降低洞壁的影響。為了模擬行車情況,地面應能隨氣流向后運動。并有吸氣縫穴,以減小附面層厚度。
實際行車時,大氣是靜止的。風洞中的氣流是旋轉風扇推動的,為了提高氣流質量,試驗段前有整流格,阻止旋轉,消除渦流。收縮段和穩定段使氣流加速,保持流場均勻穩定。擴散段使氣流速度降低,減少洞壁的摩擦損失,節省風扇馬達的功率。
這種裝置,對流場的干擾小。本身沒有旋轉機械的慣性滯后,是通用的測速儀表。為了測壓力分布,可在模型表面的測試點上開孔,測得靜壓。分析流動情況,可在模型表面貼絲線或噴煙染色照相的辦法獲得直觀效果。
測力的辦法可用六分力天秤,它可直接測得x、y、z方向的分力和繞x、y、z軸的力矩分量。這種天秤可以是直接支持地面,或直接支持支柱的機械式,或置于撐桿內的應變式。后者便于應用到活動地面的模型上,但對氣流有小的局部影響。
4.空氣動力對賽車性能的影響
空氣動力對發動機性能的影響:車輛的水平直線最大速度,取決于發動機提供的可用功率(隨檔位不同)和行駛的需用功率。
當發動機的可用功率與行駛的需用功率相等時,這時得到可能的最大速度Vmax(某個檔位的)。
另外車身兩側有附面層,層內氣流速度下降,應有排除附面層的設計,并裝置導流片避開車輪尾跡。進氣道內部轉彎處,應有導流片,減小發生渦流帶來能量損失。排氣管出口位置應選在低壓區域,降低排氣反壓力。同時排氣管還具有吹除功能,可使附近氣流加速,保持好的流線。散熱器進、排氣口布置,也大體遵循這些原則。
一般說來,車身上表面壓力分布趨勢大致如圖10所示。 圖10:車身上表面壓力圖
A點以前,壓力沿車身長度方向是遞減的,即吸力越來越大。A點以后是遞增的,分離多發生在A點以后,因此排氣口放在這一區域,可以起到吹除作用,延緩氣流分離。
這種渦流發生器可使層流附面層提前轉換成紊流附面層以增加氣流能量。可延緩分離,不妨在賽車上試用。第三是摩阻,減小的辦法除做到表面光滑以外,就是盡量布局緊湊,減小表面積。最后是干擾阻力,這對露輪類(印地、一級方程式等)賽車尤其突出。解決辦法是在干擾部件間裝置導流片(也稱整流片)。此外導流片的作用,還可引導氣流冷卻剎車片,或引導暖氣流加溫輪胎等。
再來分析空氣動力對剎車距離的影響:剎車距離取決于輪胎與地面間摩擦阻力Xw和氣動阻力Xa。氣動阻力Xa可用阻力傘或阻力板產生,但受到技術規則的限制,并非所有賽車都允許使用。現在僅來分析Xw部分。車輪與地面的摩擦力Xw與正壓力P和車輪車道間摩擦系數μ有關。Μ的大小,與剎車時,車輪打滑程度有關。若以車輪全鎖死的打滑率為100%,則無剎車時為0%,即此時車輪接地點速度與車速相同,該點車輪與地無相對運動。最大μmax大致在打滑率15%左右。
在無ABS(Anti-lock Braking System)類賽車,能達到的μ值,取決于車手的技術。現只討論正壓力P。P中包含三部分:重力W、氣動力Y(負升力)以及慣性力mah/l。
Xw = μP
前輪摩擦力:Xwf = μ*(Wf + Yf +mah/l)
后輪摩擦力:Xwr =μ*(Wr + Yr -mah/l)
式中m:車的質量,a:剎車加速度,h:重心離地高度,l:前后輪距,Wf,Wr重心位置決定的。
慣性力則使前輪剎車效率增加,后輪效率下降。這對車輛穩定性不好。但負升力的大小和分配,可根據要求,在一定程度上,由前后水平翼面的設計來控制,有利提高剎車效率。不過負升力與速度平方成比,高速時效果才明顯。
Y=0曲線是無負升力翼面車輛;Y>0裝有負升力翼面車輛。
負升力實際改善了高速時輪胎的抓地性能,所以也改善高速時的加速性。
空氣動力對穩定性的影響:穩定性是指處于平衡狀態的系統(車輛和作用在上面的力就是一個系統),由于外來干擾(有限度的)而使平衡破壞時,在干擾除去后,靠系統自身力量,回復原來狀態的能力。它是與操縱性相對的,后者是指改變原來平衡狀態的能力。過高的穩定性,會使操縱性變壞。
假設賽車在行駛中,受到干擾而使車輛發生β角的偏航。這時側滑阻力在垂直車軸線的分力分別為:
左右前輪阻力合力
Ff =μ*(Wf + Yf)
左右后輪阻力合力
Fr =μ*(Wr + Yr)
μ:輪胎地面側滑時摩擦系數,Wf、Wr:重量在前、后輪上的分力,Yf、Yr:前、后輪處負升力
前阻力Ff對重心的力矩是非穩定的
Mf =μ*(Wf + Yf)*lf
后阻力Fr對重心的力矩是穩定的
Mr =μ*(Wr + Yr)* lr
lf、lr:是重心到前、后輪軸的距離。
此外左右垂直尾翼在β角下會產生的側力Z,Z力同樣會產生穩定力矩Mz≈Z·lr。可見后平尾及垂直尾面的氣動力都是增加方向穩定的,當然也是在高速下,效果才明顯。
最后來討論氣動力對過彎速度的影響:假設賽道沒有傾斜。車輛過曲率半徑為r的彎道時,離心力Fc:
Fc =mv2/r =mrω2
式中r:彎道曲率半徑,v:車輛過彎速度,ω:過彎角速度,m:車輛質量
與此同時,地面與輪胎間的側向摩擦阻力Fg為:
Fg =μ (mg+Y)
g: 重力加速度,mg=W:車輛重力
Fg是四個輪胎阻力的合力,假設作用在重心上。車輛不致側向滑出的條件是(忽略垂尾產生的力矩):
Fc*h≤Fg*b/2
即 mrω2*h≤μ (mg+Y)*b/2
式中h是重心高度,b是輪距。
從以上兩個條件看,除了重心高度h要低,輪距b要大外,就應盡量增大負升力Y,才能提高過彎速度V和減小轉彎半徑r。
不管是從剎車、穩定性以及過彎速度看,后平尾的負升力Y都扮演著重要的有利角色。為了提高它的效率,常在兩端加垂直翼面,使平尾效率接近無限翼度,增加負升力,減小誘阻。
同時若使用開縫襟翼,還能在有限翼展長內,獲得更好的負升力效果。有些賽車,沒有規定底部必須為平面時,也可利用車身底部曲面來產生負升力。 甚至將車身側壁向下伸出,阻斷產生渦流的強度。但這些流動都非常復雜,理論很難解決,往往是在試車中,不斷完善的。更細微的改進,有很多地方,還要接合每站賽道的特點,
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