汽車空氣動力學

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　　汽車空氣動力學是研究汽車與空氣運動之間相互作用規律以及氣動力對汽車各性能影響的一門科學。　　

　　汽車依據其外形和用途可分為三類：乘用車(轎車)、商用車(客車及貨車)和賽車(高性能汽車)。

　　轎車的演變，反映了汽車空氣動力學的發展過程。

　　從第一輛汽車問世，至今已有一百多年的歷史。通過人們的不斷創造和改進，汽車從只有車架和車輪等簡單的行駛系統，逐步地具備了較完善的傳動機構和制動機構，並裝上了發動機，終於發展成今天這樣結構複雜而精密的現代汽車。道路車輛的雛形繼承了馬車形狀，其設計只能先解決機械問題。由於這些汽車的速度很低，所以還不存在空氣動力特性方面問題。把空氣動力學的概念與研究成果引入汽車設計中，形成獨特的汽車空氣動力學學科，是從20世紀20年代開始的。

　　在第一輛汽車發明後約二十五年，人們開始對汽車空氣動力特性有了一定的認識。最初只註意降低氣動阻力，隨著車速的提高，人們開始註意到氣動升力及側風穩定性問題。近期汽車空氣動力學的發展又註意了駕駛室內流、發動機冷卻、空氣動力雜訊及消除車身上泥土附著等問題。

　　汽車空氣動力學的發展歷史表明，它是伴隨著由於道路狀況的變化和使用要求的提高而引起汽車造型的變化而發展起來的，可以說，汽車造型變化的歷史就是汽車空氣動力學發展的歷史。如下圖：

　　1．汽車空氣動力學的重要結論來自於試驗

　　飛機空氣動力學在相當大的範圍內採用理論分析。當今飛機的空氣動力學設計從理論分析亦即從數值計算開始，然後進行小模型的風洞試驗，最後才進行樣機的飛行試驗。

　　汽車空氣動力學研究主要是通過試驗，包括各種模擬試驗、驗證和改進各種改型措施，同時模擬試驗又不斷揭示各種氣動現象，通過試驗數據的分析和推理，得出大量的重要結論，這又推動了汽車空氣動力學研究的發展。

　　汽車空氣動力學設計與飛機設計步驟不同。汽車不僅要考慮空氣動力學，同時還要考慮造型風格、操縱穩定性、安全性、舒適性以及生產工藝的合理性。人們正不斷致力於把飛機空氣動力學的結論應用到汽車上，並且在解決某些問題時，取得了巨大的成就，但二者還是有很大差別的。

　　2．數值計算不能取代風洞試驗

　　飛機的機翼、機身和尾翼可以單獨考慮，因此，飛機周圍的氣流計算就得到了簡化，各部分的相互作用也可以用理論方法來評價。由於氣流通常是“附著的”(連續的)，計算可以分兩步進行。首先確定非粘性流場，然後用“邊界層”理論計算粘度效應，這個步驟所依據的理論和方法在不斷發展，目前已擴展到更高速下的計算(馬赫數效應)。

　　汽車周圍的氣流存在著顯著的分離現象，粘性的影響不再局限於車身錶面較小的範圍內。另外，對於汽車來說，無法區分出幾個或多或少的相互獨立的流場，因此汽車周圍的流場不可以像飛機流場那樣處理，對汽車的流場只能作為一個整體來考慮。

　　多年來，人們一直以德國著名空氣動力學家w．H．Hucho的論述來說明汽車空氣動力學的研究內容。本書仍以此來說明。下圖說明瞭汽車空氣動力學的研究內容：

　　①研究影響車輛行駛性能和方向穩定性的氣動力和力矩。

　　②研究發動機冷卻的最佳化。

　　③研究駕駛室

　　內的空調特性。

　　④研究氣動雜訊、泥土上捲等流場特性。近年來，更註重了與熱流場和氣動雜訊相關的汽車空氣動力特性的研究，其研究手段主要是風洞試驗。隨著電腦的發展，數值流體力學也得到了廣泛應用。

　　與汽車相關的流場主要分為外部流場和內部流場，W．H．Hucho用下圖說明瞭汽車的流場。外部流場是決定汽車空氣動力特性的主要因素，一部分為沿發動機、頂蓋、後行李箱的車身上部氣流，這一部分氣流在車身後部分離，在車身尾部形成複雜的流動；另一部分氣流由車身前端經車身底部和輪罩流向車身尾部，在車尾形成馬蹄渦。

　　內部流場主要是發動機室內和駕駛室內的流動，發動機室的流動與外部流場同時作用影響發動機的冷卻，駕駛室內的流動與空調相關聯，兩者不僅影響氣流流動問題，同時引起 與冷卻相關聯的問題。

　　汽車空氣動力學的重要性在於：在確定汽車外形初步方案階段，就需對汽車的空氣動力學特性進行估計，在進行汽車造型設計和確定汽車的式樣時，應當綜合考慮美學造型和氣動造型，在實驗樣車進行結構設計和試製之前，應先解決空氣動力學特性問題，併在全尺寸模型上進行驗證。否則很難，甚至不可能預言汽車的性能和一般道路特性。