空氣阻力加裝尾翼法

汽車(chē)在行駛過(guò)程中的阻力可分為縱向、側(cè)向和垂直上升3個(gè)方面的作用。其中升力是由于氣流通過(guò)汽車(chē)上下面時(shí)流速不同而產(chǎn)生壓力差造成的，升力會(huì)使汽車(chē)產(chǎn)生向上浮起的趨勢(shì)，一方面導(dǎo)致輪胎與地面的接觸載荷減小，另一方面導(dǎo)致懸架幾何學(xué)特性發(fā)生變化，所以升力通常導(dǎo)致汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性變差。

汽車(chē)尾翼的作用，就是在汽車(chē)高速行駛時(shí)，使空氣阻力形成一個(gè)向下的壓力，盡量抵消升力，從而提高行駛的穩(wěn)定性。

汽車(chē)尾翼形狀尺寸是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師精確計(jì)算而確定的，不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，不然反而會(huì)增加轎車(chē)的行車(chē)阻力或起不到應(yīng)有的作用。

空氣阻力汽車(chē)阻力

指汽車(chē)外表面大氣作用的法向壓力在行駛方向的分力；根據(jù)阻力源的不同，壓力阻力又分為：形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力及誘導(dǎo)阻力。

（1）形狀阻力

由車(chē)身形狀的不同而產(chǎn)生的空氣阻力（主要由作用在汽車(chē)前、后兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的58%；

（2）干擾阻力

車(chē)身中局部突起部分（如：反光鏡、車(chē)門(mén)把手等）產(chǎn)生的空氣阻力，其占空氣阻力總額的14%；

（3）內(nèi)循環(huán)阻力

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)、冷卻系、車(chē)身通風(fēng)系統(tǒng)等所需要和產(chǎn)生的空氣流流經(jīng)車(chē)體內(nèi)部所產(chǎn)生的阻力，其占空氣阻力總額的12%；

（4）誘導(dǎo)阻力

空氣升力在水平方向的投影（主要由作用在車(chē)身上、下兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的7% ；

空氣阻力阻力系數(shù)

汽車(chē)的空氣阻力系數(shù)是一種車(chē)型的重要參數(shù)。對(duì)新車(chē)型設(shè)計(jì)和車(chē)型改裝來(lái)說(shuō)，為減少空氣阻力系數(shù)，以獲得良好的汽車(chē)動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，是汽車(chē)設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)重要工作。

汽車(chē)在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車(chē)重心同時(shí)產(chǎn)生縱向、側(cè)向和垂直等三個(gè)方向的空氣動(dòng)力量，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的80%以上?？諝庾枇ο禂?shù)值是由風(fēng)洞測(cè)試得出來(lái)的。

由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系，現(xiàn)代轎車(chē)為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從20世紀(jì)50年代到70年代初，轎車(chē)的空氣阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間。70年代能源危機(jī)后，各國(guó)為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)。轎車(chē)的空氣阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。

試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。曾有人對(duì)兩種相同質(zhì)量、相同尺寸；但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車(chē)進(jìn)行比較，以每小時(shí)88km的時(shí)速行駛了100km，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7L。

通過(guò)對(duì)空氣阻力積分，我們可以得到在空氣阻力條件下的加速度，速度和位移方程。

根據(jù)空氣阻力的公式：

式中：C為空氣阻力系數(shù)，該值通常是實(shí)驗(yàn)值，和物體的特征面積（迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān)；ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/L，特殊條件下可以實(shí)地監(jiān)測(cè)；S為物體迎風(fēng)面積；V為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。在空氣中如果速度達(dá)到2.5M（馬赫） 附近， 由于空氣的摩擦， 開(kāi)始出現(xiàn)氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。

假設(shè)空氣不動(dòng)，上式中V=物體速度v。

由于空氣阻力方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，因此以物體運(yùn)動(dòng)速度為正值時(shí)，空氣阻力方向則為負(fù)值。

如此加速度公式

分離變量：

兩邊積分：

解微分方程：

當(dāng)

得：

空氣阻力是汽車(chē)在空氣介質(zhì)中行駛，汽車(chē)相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣作用力在行駛方向形成的分力，空氣阻力與汽車(chē)速度的平方成正比，車(chē)速越快阻力越大。如果空氣阻力占汽車(chē)行駛阻力的比率很大，則會(huì)增加汽車(chē)燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車(chē)的動(dòng)力性能。

在一級(jí)方程式賽車(chē)界中有這么一句話：“誰(shuí)控制好空氣，誰(shuí)就能贏得比賽”。追求最佳的空氣動(dòng)力是現(xiàn)代一級(jí)方程式賽車(chē)中最重要的部分之一。在時(shí)速達(dá)300km以上的賽車(chē)世界中，空氣在很大程度上決定了賽車(chē)的速度?？諝鈩?dòng)力中，要考慮的要素簡(jiǎn)而言之有兩點(diǎn)。

1、減少空氣阻力（drag）；

2、增加把賽車(chē)下壓的下壓力（downforce）。空氣阻力越小賽車(chē)的速度越能越快，下壓力越大賽車(chē)在彎道時(shí)的速度就越快?？諝鈩?dòng)力學(xué)簡(jiǎn)單說(shuō)就是如何取決在某些時(shí)候這兩個(gè)完全相反的力的最佳平衡。實(shí)際操作時(shí)要與環(huán)境因素造成的氣流量的壓強(qiáng)掛鉤。 否則你將區(qū)別不出什么是空氣動(dòng)力和空氣阻力。

摩擦阻力

指空氣粘度在車(chē)身表面產(chǎn)生的切向力在行駛方向的分力；該力僅占空氣阻力總額的9%，在航空和航天中其作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，在地面一般車(chē)輛中可予以忽略。

降落傘是利用空氣阻力，依靠相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)充氣展開(kāi)的可展式氣動(dòng)力減速器，使人或物從空中安全降落到地面的一種航空工具。主要由柔性織物制成。是空降兵作戰(zhàn)和訓(xùn)練、航空航天人員的救生和訓(xùn)練、跳傘運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練、比賽和表演，空投物資、回收飛行器的設(shè)備器材。

在空中運(yùn)動(dòng)的物體，受到空氣的阻力，在空氣中如果速度低于2.5 M（馬赫），基本上認(rèn)為其阻力f與阻力系數(shù)k傘的面積S速度成正比 （f=ksv），這時(shí)k一般可取為2.937。當(dāng)其在空氣中如果速度高于2.5 M（馬赫），由于空氣的摩擦， 開(kāi)始出現(xiàn)氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。

合理地車(chē)身形狀對(duì)于減小汽車(chē)的空氣阻力具有重要作用，現(xiàn)代車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)工程師認(rèn)為，低空氣阻力系數(shù)值的轎車(chē)車(chē)身應(yīng)遵循下列要點(diǎn)：

車(chē)身前部

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋應(yīng)向前下傾，如圖1所示。面與面交接處的棱角應(yīng)為圓柱狀。風(fēng)窗玻璃應(yīng)盡可能“躺平”且與車(chē)頂圓滑過(guò)渡。前支柱應(yīng)圓滑，側(cè)窗應(yīng)與車(chē)身相平。盡量減少燈、后視鏡等凸出物，凸出物的形狀應(yīng)接近流線型。在保險(xiǎn)杠下面的前面，應(yīng)裝有合適的擾流板。車(chē)輪蓋應(yīng)與輪胎相平。

整車(chē)

整個(gè)車(chē)身應(yīng)向前傾斜1°~2°，水平投影應(yīng)為“腰鼓”形，后端稍稍收縮，前端呈半圓形。

汽車(chē)后部

最好采用艙背式(hatch back)或直背式(fast back)。應(yīng)有后擾流板。若用折背式(notch back)，則行李箱蓋板至地面距離應(yīng)高些，長(zhǎng)度要短些，后面應(yīng)有鴨尾式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

車(chē)身底部

所有零部件應(yīng)在車(chē)身下平面內(nèi)且較平整，最好有平滑的蓋板蓋住底部，如圖4所示。蓋板從車(chē)身中部或由后輪以后向上稍稍升高。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

仔細(xì)選擇進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的位置，應(yīng)有高效率的冷卻水箱、精心設(shè)計(jì)的內(nèi)部風(fēng)道，如圖5所示。

對(duì)于貨車(chē)與半掛車(chē)，在駕駛室頂部加裝導(dǎo)流罩（如圖6所示），可以減小空氣阻力，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

在研究車(chē)身這類非流線體特性時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)已成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。風(fēng)洞測(cè)試中，可采用整車(chē)模型或比例模型進(jìn)行試驗(yàn)，也可進(jìn)行道路實(shí)車(chē)試驗(yàn)。通過(guò)模型試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)車(chē)輛的空氣動(dòng)力特性，對(duì)某些設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)或部件進(jìn)行改進(jìn)，完善設(shè)計(jì)。

盡管空氣動(dòng)力特性可根據(jù)理論方法和計(jì)算流體軟件來(lái)求解相關(guān)的流體力學(xué)方程來(lái)求出，但是，由于車(chē)輛外形的復(fù)雜性，很難用數(shù)值方法計(jì)算出與實(shí)際情況相符的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。因此在對(duì)符合空氣動(dòng)力特性的車(chē)身設(shè)計(jì)中，風(fēng)洞試驗(yàn)仍十分必要。

風(fēng)洞試驗(yàn)首先要做出車(chē)輛模型，然后安裝在風(fēng)洞的人工流場(chǎng)中，用儀器測(cè)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(lái)觀察模型附近流線的變化，如圖7所示。

雖然風(fēng)洞試驗(yàn)的效能已被廣泛承認(rèn)，但因?yàn)橐M輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，地面運(yùn)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣的影響、以及閉塞效應(yīng)修正和速度修正等都很復(fù)雜，因此風(fēng)洞試驗(yàn)方法也不是沒(méi)有缺陷的。

空氣阻力降落傘

利用空氣阻力使人或物從空中安全降落到地面的工具。它廣泛應(yīng)用于航空航天人員救生，空降兵作戰(zhàn)和訓(xùn)練，跳傘運(yùn)動(dòng)，空投物資，回收飛行器和設(shè)備等。降落傘按用途分為人用傘和物用傘。人用傘有救生傘、傘兵傘、運(yùn)動(dòng)傘和備用傘。物用傘有投物傘、回收傘等。用以縮短飛機(jī)著陸滑跑距離的阻力傘，就其工作原理來(lái)說(shuō)，也屬于降落傘。

據(jù)《史記》記載，舜利用兩個(gè)斗笠，從著火的倉(cāng)廩上跳下，安全落地，說(shuō)明當(dāng)時(shí)已有人懂得利用空氣阻力減小物體從空中降落速度的道理。12世紀(jì)，中國(guó)已有人用兩把帶柄的傘從高塔“跳傘”成功的記載。14世紀(jì)，中國(guó)雜技藝人用類似降落傘的裝置作 “跳傘”表演。15世紀(jì)，意大利著名藝術(shù)家達(dá)·芬奇曾畫(huà)了一個(gè)角錐形降落傘草圖，并作了說(shuō)明。氣球的出現(xiàn)，促進(jìn)了降落傘的發(fā)展。1783年，法國(guó)人L.S.勒諾芒研制了帶剛性骨架的降落傘。1797年，法國(guó)人A.J.加爾納蘭用降落傘從氣球上跳傘成功。20世紀(jì)初期，歐美一些國(guó)家先后發(fā)明能折疊在傘包里、可由跳傘員手控打開(kāi)的降落傘。1912年，美國(guó)人A.貝利第一次從飛機(jī)上跳傘成功。降落傘最初用于航空氣球救生。第一次世界大戰(zhàn)期間，大約有800名氣球偵察員被救，大戰(zhàn)末期用于飛機(jī)救生，第二次世界大戰(zhàn)中廣泛用于空降作戰(zhàn)，60年代用于航天員救生和航天器回收。

降落傘一般由引導(dǎo)傘、傘衣、傘繩、背帶系統(tǒng)、傘包、開(kāi)傘設(shè)備等組成。引導(dǎo)傘用于拉直傘衣、傘繩，使傘衣張開(kāi)；傘衣用于產(chǎn)生空氣阻力；傘繩連接傘衣和背帶系統(tǒng)；背帶系統(tǒng)用于承受開(kāi)傘沖擊力；傘包用來(lái)包裝引導(dǎo)傘、傘衣、傘繩；開(kāi)傘設(shè)備用于封鎖和打開(kāi)傘包。現(xiàn)代降落傘除少數(shù)部件用金屬部件制成外，大多用強(qiáng)度大、重量輕的化學(xué)纖維織物制成。傘衣形狀有方形、圓形、導(dǎo)向面形和翼形等。物用傘的傘衣面積，一般為幾平方米到90平方米，重型投物傘多用幾個(gè)傘組合而成。人用傘的傘衣面積通常為40～90平方米，下降速度一般不大于7米/秒，開(kāi)傘沖擊力較小，下降穩(wěn)定，操縱靈活，大都裝自動(dòng)開(kāi)傘器。70年代研制成翼型降落傘，傘衣為氣囊結(jié)構(gòu)，面積約20平方米，傘衣張開(kāi)后氣囊充滿空氣，展開(kāi)呈機(jī)翼形狀，能產(chǎn)生一定升力，操縱輕便靈活，可獲得10米/秒左右的水平運(yùn)動(dòng)速度。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，降落傘的使用范圍將日益廣泛，其性能將朝著更加安全可靠、輕便靈活的方向發(fā)展。

空氣阻力減速傘

減速傘也叫阻力傘，是用來(lái)減小飛機(jī)著陸時(shí)滑跑速度的傘狀工具。通常由主傘、引導(dǎo)傘和傘袋等組成，裝在飛機(jī)尾部的傘艙內(nèi)。飛機(jī)著陸滑跑中，由飛行員操縱打開(kāi)傘艙門(mén)，引導(dǎo)傘首先張開(kāi)，將傘袋拉出，打開(kāi)主傘，傘衣被拉出張開(kāi)后可增大空氣阻力，向后拖拽飛機(jī)，使之減速，縮短滑跑距離。2100433B

在汽車(chē)行駛范圍內(nèi)，空氣阻力的數(shù)值通常都總結(jié)成與氣流相對(duì)速度的動(dòng)壓力1/2 ρur^2成正比例的形式，即Fw=1/2 Cd Aρu_r^2。

式中，Cd為空氣阻力系數(shù)，一般講應(yīng)是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，在車(chē)速較高、動(dòng)壓力較高而相應(yīng)氣體的粘性摩擦較小時(shí)，Cd將不隨Re而變化；ρ為空氣密度，一般ρ=1.2258N?s^2?m^(-4)；A為迎風(fēng)面積，即汽車(chē)行駛方向的投影面積（m^2）；ur為相對(duì)速度，在無(wú)風(fēng)時(shí)即汽車(chē)的行駛速度（m/s）。

在無(wú)風(fēng)條件下汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，ur即為汽車(chē)行駛速度ua。如ua以Km/h、A以m^2計(jì)，則空氣阻力（N）為Fw=(Cd Aua^2)/21.15。

上式表明，空氣阻力是與Cd及A成正比的。A值收到乘坐使用空間的限制不易進(jìn)一步減少，所以降低值是降低Cd空氣阻力的主要手段。

汽車(chē)直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇Ψ譃閴毫ψ枇εc摩擦阻力兩部分。作用在汽車(chē)外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力稱為壓力阻力；摩擦阻力是由于空氣的粘性在車(chē)身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力。壓力阻力又分為四部分：形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。

現(xiàn)代車(chē)身動(dòng)力學(xué)工程師認(rèn)為，低Cd的轎車(chē)車(chē)身應(yīng)遵循以下要點(diǎn)（圖1）：

空氣阻力系數(shù)車(chē)身前部

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋應(yīng)向前下傾。面與面交接處的棱角應(yīng)為圓柱狀。風(fēng)窗玻璃應(yīng)盡可能“躺平”且與車(chē)頂圓滑過(guò)渡。前支柱應(yīng)圓滑，側(cè)窗應(yīng)與車(chē)身相平。盡量減少燈、后視鏡等物突出，突出物的形狀應(yīng)接近流線型（圖2后視鏡設(shè)計(jì)）。在保險(xiǎn)杠下面的前面，應(yīng)裝有合適的擾流板。車(chē)輪蓋應(yīng)與輪胎相平。

空氣阻力系數(shù)整車(chē)

整個(gè)車(chē)身應(yīng)向前傾斜1°—2°。水平投影應(yīng)為“腰鼓”形，后端稍稍收縮，前端呈半圓形。

空氣阻力系數(shù)汽車(chē)后部

最好采用艙背式或直背式。應(yīng)有后擾流板。

空氣阻力系數(shù)車(chē)身底部

所有零部件應(yīng)在車(chē)身下平面內(nèi)且較平整，最好有平滑的蓋板蓋住底部。蓋板從車(chē)身中部或由后輪以后向上稍稍升高。

空氣阻力系數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

仔細(xì)選擇進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的位置，應(yīng)有高效率的冷卻水箱、精心設(shè)計(jì)的內(nèi)部通道。

圖（3）是克萊斯勒公司Dodge Intrepid ESX車(chē)身的外形。這種車(chē)身的前發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后行李箱蓋與車(chē)廂平順圓滑地相連，總體造型渾然一體，其設(shè)計(jì)意圖Cd=0.2。