除了發(fā)動機功率和傳動比外，空氣阻力是確定車輛最高車速和燃油消耗的影響因素。升力和俯仰力矩影響車輛動力學，考察非穩(wěn)態(tài)流動條件，如側風時，側向力、側傾力矩和橫擺力矩具有特殊的作用。

16.3 空氣動力和力矩的產生

16. 3.1 車輛周圍的氣流

車輛行駛時，周圍的空氣會圍繞車身分離。因此，加速和減速發(fā)生在周圍氣流中。通過在車輛前部引入煙，可以看出這些分離，如圖 16.3 所示。所謂的流線變成可見的，與車輛的形狀對應，是彎曲的。在流線壓縮的區(qū)域，氣流加速；在流線變寬的區(qū)域，氣流減速。如果考慮無摩擦流，氣流中的物體關系可以由Bernouli（伯努利）方程描述[I]:

由這個方程可以導出簡單而重要的關系。其清晰地說明氣流包含的能量以壓力功和動能（速度） 的形式儲備。在兩種能量形式之間，能夠發(fā)生交換。高的流速導致氣流低壓力，反之亦然。考慮圖 16.3 中繞車輛的流動，當流動加速時（流線壓縮），壓力減小；在流動減速時（流線變寬），產生正的壓力梯度，這種能量變化導致車輛外表面的壓力分布?？拓泝捎密囕v的情況，如圖 16.4 所示。

通過積分車輛表面的壓力，可以確定力和力矩。在附加流的情況下，壓力分布由氣流加速和減速產生。在車輛后部區(qū)域，氣流急劇分離，產生高的正的壓力梯度，如圖 16.3 中變寬的流線所示。這些正壓力梯度的結果，是在車輛后部流動分離和形成分離的氣泡。在流動中，這種所謂的尾流以氣流中明顯的渦流為特征。渦流是高能量的流動形式， 不僅包含旋轉能量， 而且包含摩擦損失， 其通常導致低壓力區(qū)域。式(16.8)的Bernoulli方程不再適千描述其物理狀態(tài)， 這種類型的流動需要通過所謂Navier - Stokes（納維－斯托克斯）方程描述[I -4] 。

由于高動能和摩擦損失， 渦流中的壓力較低。此外， 渦流在其周圍引起高流速， 最終導致低壓區(qū)域。因此， 車輛后部渦流的起源和形式很大程度上影響動態(tài)力和力矩。在車輛后部可以觀察到兩種類型的渦流， 如圖16.5所示。

第一種類型的渦流在車輛后部銳邊產生， 垂直于流動方向， 如行李艙蓋的邊緣。這種類型的渦流繞平行于分離線的軸旋轉， 形成車輛尾跡。為了區(qū)別， 這種類型的渦流稱為環(huán)形渦流。第二種類型的渦流在傾斜千流動方向的邊產生， 沿著這些邊分離并開始形成管狀U形渦流，存在流動方向的旋轉軸。其沿著流動方向在軸向繼續(xù)側傾，不局限于車輛的尾跡存在。這些渦流在車輛后部成對出現，在車輛尾跡中引起所謂的向下運動。高流動率在向下運動中占主導，導致低壓。

縱向渦流產生非常低壓的區(qū)域，因此對氣動阻力和升力有很大影響。在任何類型車輛中，都可以發(fā)現兩種類型渦流：縱向渦流和環(huán)形渦流。然而，取決于車輛的形狀，這些類型的一種或其他種更普遍。特殊渦流類型的強度，由后部形狀確定，將在下面的章節(jié)解釋。

16.3.2 不同后部形狀的阻力和升力

在空氣動力學術語中，要區(qū)別三種后部形狀一直背式、斜背式、快背式。

每種后部形狀與一種渦流的特性相聯系[1,5 -7], 下面的說明將闡明這些內容。

圖16.6給出了直背式后部的流動，后部分離邊或多或少地垂直流動方向，形成環(huán)形渦流構成車輛尾跡，因此低壓在尾跡中占主導。由于幾何形狀，與其他后部形狀相比，直背式車輛的尾跡大。即與相對大的接觸面結合，低壓導致較大的阻力。車輛后部流動類型也影響升力，尤其是在后軸。典型的這種后部流動模式呈現出負升力或者在后軸至少是非常低升力的趨勢。

圖16.7給出了斜背式后部的流動，其主要有與直背式車輛后部同樣的分離類型，形成環(huán)形渦流垂直于分離邊。然而，流動在C柱開始部分分離，見第26 章?？v向渦流慢移過去，向內旋轉，在尾跡中產生向下運動。因此，與直背式相比，斜背式有后部升力的趨勢。整體上，在尾跡中環(huán)形渦流的影響占主導。由于斜背式的尾跡相對小于直背式，因此其有相對較小的阻力。

圖16.8給出了快背式后部的流動，流動在C柱的傾斜邊處分離，開始形成向內旋轉的縱向渦流，控制著分離模式。它們在車輛后部產生強大的向下運動，而且繼續(xù)向下側傾，在車輛后一定距離還沒有消散?？v向渦流產生了低壓區(qū)域，與其他兩種后部形狀相比，其將高的阻力和高的升力耦合聯系在一起。

無論是環(huán)形渦流還是縱向渦流在車輛尾跡中占優(yōu)，都主要受后部形狀的傾斜角影響?？v向渦流在傾斜邊形成，如C柱，這說明這種類型的渦流在快背形狀中特別占優(yōu)的原因。在文獻［1]中，詳細調查和研究了這種現象。其中，改變車輛后部的傾斜角以便觀察其對升力和阻力的影響。圖16.9給出圖解的結果，傾斜角約30°時，縱向渦流達到最大。車輛尾跡有顯著向下運動的作用，由向內旋轉的縱向渦流引起，阻力和升力在這個區(qū)域顯著增加。

圖中的約 30°的傾斜角，是在理想化的基礎車身上確定的。后部設計中的詳細元素，如表面的半徑和幾何錐形，部分消除了上面描述的影響，以至于這個臨界角在一定范圍內散布【1,5】

引證的例子旨在說明，在一定的窗口內阻力和升力已經由車輛基本形狀確定。具有傾斜分離邊的后部形狀，尤其是快背式，易于形成消耗高能量的縱向渦流。即使較不顯著，這些從斜背式后部分離的縱向渦流也應當引起注意。后部形狀展示的后升力，取決于縱向渦流的程度。在直背式車輛中， 后部分離通過形成的環(huán)形渦流控制， 這種類型的后部流動模式具有負后升力或至少非常低的后升力的趨勢。

無論后部形狀產生正或負的后升力， 都反映了車輛后的渦流旋轉方向。斜背式和快背式有正后升力的趨勢，換言之， 車輛的下部比車輛頂部作用有較高的壓力。因此， 后部壓力從底到上平衡。由后部觀察， 渦流向內旋轉。對于直背式，其影響正相反。

16.3.3 誘導阻力（渦流阻力）