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详解几种常见的汽车空气动力学装置

2018-02-27 15:01:35·  
　
当汽车开的比较快时，车身会有发飘的感觉，特别是有侧向风的时候这种感觉会更明显，这一现象是由于汽车高速行驶产生的气动升力所致。为了改善汽车高速行驶时的稳定性，设计师们给汽车加上了各种各样的空气动力学装置。汽车行驶时，气流与汽车相遇后分开，一部分气流会沿着车顶流过，一部分气流沿着车底流过。气流在车顶的行


当汽车开的比较快时，车身会有发飘的感觉，特别是有侧向风的时候这种感觉会更明显，这一现象是由于汽车高速行驶产生的气动升力所致。为了改善汽车高速行驶时的稳定性，设计师们给汽车加上了各种各样的空气动力学装置。

汽车行驶时，气流与汽车相遇后分开，一部分气流会沿着车顶流过，一部分气流沿着车底流过。气流在车顶的行程相对车底来说更长，气流的密度相对也较低。根据伯努利原理：流体速度越快，压力就会越小。因此汽车顶部的空气压力就比底部小，从而产生了向上的升力。

然而，升力是飞行的要素，对于地面行驶的汽车来说，升力越大，汽车的稳定性就越差。为此工程师们开发了各种各样的汽车空气动力学装置，以改善汽车高速行驶时的稳定性。

扰流板

扰流板是指安装在汽车后箱盖上类似倒装的飞机尾翼的部件，主要是为汽车提供一定的下压力。

扰流板的工作原理就是阻碍气流流动，以在扰流板前方形成高压区，这种较高的压力作用在后箱盖上从而提供下压力。



扰流板作用原理

汽车上的扰流板多种多样。如赛车上的扰流板较高，这是为了充分发挥扰流作用，使没有乱流的气流直接作用在扰流板上，而且使它产生的下压力不致于作用车身而抵消其效应。因此必须将扰流板离开车身表面安装。

两厢车的顶盖后缘常安装一个像鸭尾那样的扰流板，引导顶盖上一部分气流流过后窗表面。这样既可使后窗后部的升力降低，也可引导气流将后窗表面浮尘消除，避免尘污附着而影响汽车的后视野。

在许多普通轿车上，也装有扰流板。但由于这些车的速度都不是很高，因此扰流板也难以发挥实际作用，仅仅达到美化车身外观的目的。



实车安装的扰流板

气坝

气坝，也就是前扰流器，是指在汽车前部配置一个像墙壁一样的“大坝”，通常靠近路面并且沿着车身两侧向后延伸，用于阻止气流进入汽车底部，从而在车身底部产生真空或低压区域。

低压区域与车辆前部以及顶部的高压区域相配合，对汽车前部产生了下压力。



气坝作用原理

值得注意的是，如果没有侧裙的话，气流很快从侧面进入车底以平衡车底的压力，这样将影响前气坝的效果。

因此通常将气坝沿汽车两侧延伸成为“裙”，以扩大车身底部的真空区或低压区。侧裙不仅具有一定的扰流作用，在一定条件下还可以明显降低空气阻力。



实车安装的侧裙

翼片

目前市场上最流行、最广为人知的汽车空气动力装置非“翼片”莫属了。

根据伯努利原理，一定体积的空气流动速度越快，空气压力就越低。 因此，需要加快气流的流速以得到较低的空气压力。

翼片正是通过上下边缘距离不同来达到这个目的。较长下边缘的空气流动速度快（压力较低），较短上边缘的空气流动速度慢（压力较大），上下边缘的压力差产生了从上到下的推动力。



翼片上下边缘的压力差

另外，还可以通过增加攻角和翼片角度来实现更大的压力差，但随着攻角增加，阻力也会随之增加，而且翼片终将失效而失去下压力。这时可以通过在大翼片的后面放置一个或多个小翼片以避免翼片的失效。

圣地亚哥州立大学航空和航天工程力学主席Joseph Katz在《Race Car Aerodynamics: Designing for Speed》一书中提出了“复合多翼片的压力系数图”，其中各翼片的位置是非常关键的。通过精确定位每个翼片，使得翼片之间的间隙恰好可以“弥补”较小翼片那一侧的低压。



复合多翼片的压力系数（Cp）图

此外，翼片还可以与平板组合以阻止高压空气在翼片上部“溢出”到下部低压区。



翼片与平板组合

文丘里管

文丘里管是意大利物理学家Giovanni Battista Venturi（文丘里）发明的一种先收缩而后逐渐扩大的管道，利用收缩的气流在汽车底部产生高速的低压区域。



配置文丘里管的汽车示意图

有些赛车设计师将赛车底板设计成“倒置的翼片”来实现文丘里管的功能。通过车辆底板与道路间的距离变化，实现文丘里管的“收缩与膨胀”，使得“收缩”产生的低压沿着车身中后部得以持续。

文丘里管是非常有效的气动装置，但是很容易受到车辆行驶高度限制的影响，因此使用范围较窄。
扩散器
扩散器，位于车尾底部的气流出口，是赛车高速弯道行驶时获得下压力的主要来源。

扩散器的工作原理类似于文丘里管。车尾安装扩散器后使得车尾底部的气流速度加快，压力降低，从而产生下压力。有时也可以利用喷射到扩散器中的高速排气来获得更低的压力。


扩散器原理示意图

某些情况也可以通过倾斜的底盘实现扩散器的功能，也就是说底盘前部比后部更靠近地面。

汽车较低的“鼻子”可以减少通过前车底的气体体积，而较高“尾部”可以形成真空（或低压）效应的区域，从而形成下压力。



实车安装的扩散器

万般道理不离本宗，致敬伯努利先生和伯努利原理！




伯努利先生和伯努利原理 
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