氣動升力作為評價汽車空氣動力學(xué)性能的主要指標(biāo)之一，直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性和動力性，今天的“汽車空氣動力學(xué)知識系列”我們就來談一談氣動升力。

在“汽車風(fēng)洞技術(shù)”微信公眾號第012期推送的文章《汽車也有一顆想飛的心》中，我們已經(jīng)預(yù)告了，本期要講一講氣動升力。今天的講解有點偏學(xué)術(shù)性，請耐心看完，相信你一定有收獲。

賽道上正常行駛的賽車為什么會突然飛起？釀成這起事故的幕后黑手是什么？解答這些問題，就需要認(rèn)識空氣對運動物體施加的另外一種力——氣動升力！

氣動升力的來源

首先我們先說明下伯努利原理。伯努利原理實質(zhì)是流體的機械能守恒，即：動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)。其最為著名的推論為：等高流動時，流速大，壓力就小。即由不可壓、理想流體沿流管作定常流動時，流動速度增加，流體的靜壓將減??；反之，流動速度減小，流體的靜壓將增加。但是流體的靜壓和動壓之和，稱為總壓始終保持不變。

伯努利原理往往被表述為p+1/2ρv2+ρgh=C，也可以表述為p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。這個式子被稱為伯努利方程。



當(dāng)空氣流經(jīng)上下表面不對稱的翼型時（下圖），空氣質(zhì)點流經(jīng)上表面的路程比下表面的路程長，而流經(jīng)后的空氣質(zhì)點又必須同時在機翼后緣匯合，因此流經(jīng)上翼面的空氣質(zhì)點速度比流經(jīng)下翼面的空氣質(zhì)點速度高。根據(jù)伯努利定理可知，上翼面的靜壓比下翼面的靜壓小，從而在上下翼面間產(chǎn)生壓差。這也就是氣動升力產(chǎn)生的基本原理。



汽車氣動升力的來源與機翼類似，但由于汽車形狀更為復(fù)雜，且汽車是在地面上行駛流經(jīng)車身的氣流有很大一部分是從汽車車身兩側(cè)流過，其氣動升力來源更為復(fù)雜。前文視頻中，高速行駛的汽車飛起，直接原因就是氣動升力克服車重將汽車托起。



汽車氣動升力的組成

由于汽車是在地面上行駛，地面效應(yīng)是影響汽車氣動升力的重要因素。汽車受到的氣動升力包括壓差升力和粘性升力兩個方面，其中壓差升力占主要部分。

壓差升力一方面是由于汽車上下表面曲率不同，形成的上下表面壓差造成的，另一方面是由于地面效應(yīng)的影響，在汽車底部和地面之間形成了一個類似于漸縮噴管的氣流通道，在汽車底部形成負(fù)升力。



汽車車身上下表面流線



粘性升力主要是由于汽車表面脫落的渦流，對汽車產(chǎn)生的向上或向下的力。



汽車車身脫落的渦流

氣動升力對汽車性能的影響

氣動升力作為評價汽車空氣動力學(xué)性能的主要指標(biāo)之一，不僅直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性和動力性，同時也間接地影響燃油經(jīng)濟性。當(dāng)汽車速度超過70km/h時，某些車會出現(xiàn)“發(fā)飄”這種高速氣動不穩(wěn)定現(xiàn)象，即駕駛員感覺行駛的車輛失去路面感，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，進而直至駕駛員失去對車輛的控制，這就是由于氣動升力過大引起的。



氣動升力將減小汽車輪胎的附著力。重量輕的汽車，特別是重心靠后的汽車，對前輪的升力特別敏感。由于升力是隨車速的平方而增加，升力有時可達幾千牛，這樣使汽車因車輪附著力驟減而失去控制，這種事故在賽車時經(jīng)常發(fā)生。縱傾氣動力矩將引起前后車輪的載荷變化，或使前轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力，或使后驅(qū)動輪失去驅(qū)動力，影響汽車操縱穩(wěn)定性。

如何降低汽車氣動升力

1車身扁平化
扁平化的楔形造型，其上曲面平緩的壓強變化使得它能產(chǎn)生較小的氣動升力，甚至能產(chǎn)生負(fù)升力。各種使車身表面和橫剖面圓滑過渡以增加兩側(cè)氣流量的措施，都有利于降低氣動升力。



2 車身底盤平順處理
通過加裝底部導(dǎo)流板，減小底盤突出物對氣流的阻擋，增大了車底氣流速度，便可減小底部壓力，從而降低了氣動升力。



3 前端擾流器
車身前端擾流器可改變車身下部氣流流動，阻止氣流進入車身底部，降低了車身底部的空氣壓力，從而降低了氣動升力。



4 車尾擾流器
車尾擾流器，通常設(shè)置在行李箱蓋后上方。通過車尾擾流器可將部分汽車后部氣流導(dǎo)向上方流動，形成氣動下壓力，降低氣動升力。



5 汽車尾翼
汽車尾翼為倒置的機翼，可產(chǎn)生巨大的下壓力，尾翼通常在賽車上使用較多，效果也最顯著。



6 汽車擴散器
安裝在汽車底部的擴散器主要是通過加速車身底部氣流速度，減小底部壓力，從而降低氣動升力的。在F1賽車上，擴散器約提供了40%的下壓力。



另外減小氣動升力還可從車頭邊角造型、發(fā)動機罩傾角、離地間隙、車底縱向/橫向曲率、行李箱傾角、車尾橫向收縮等方面進行。相關(guān)研究數(shù)據(jù)可參考國內(nèi)外的汽車氣動升力方面的科研論文。



那么汽車的下壓力越大越好嗎？

答案是否定的。一般說來氣動升力與空氣阻力是一對矛盾的存在，氣動升力的減小會帶來空氣阻力的增大，這就對燃油經(jīng)濟性帶來不利的影響。另外過大的汽車下壓力也將會加劇輪胎的磨損，同樣也影響了行駛的安全性。
CAERI 視點
氣動升力的大小直接影響了汽車高速行駛的安全性。由于汽車三維擾流的復(fù)雜性以及地面效應(yīng)的影響，汽車氣動升力的產(chǎn)生機理以及高精度的氣動升力數(shù)值計算都還需要開展進一步的的基礎(chǔ)理論和風(fēng)洞試驗研究。相比氣動阻力，氣動升力的大小較小，受氣流干擾較大，因此在風(fēng)洞試驗中就對測力天平的精度和分辨率提出的更高的要求。位于重慶的中國汽研氣動-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有高精度高分辨率的汽車專用測力天平，可精確測量汽車氣動升力，為汽車空氣動力學(xué)工程師進行升力控制提供強大的試驗支持。