氣動(dòng)升力作為評(píng)價(jià)汽車空氣動(dòng)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(dòng)力性，今天的“汽車空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)系列”我們就來(lái)談一談氣動(dòng)升力。

在“汽車風(fēng)洞技術(shù)”微信公眾號(hào)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(dòng)升力。今天的講解有點(diǎn)偏學(xué)術(shù)性，請(qǐng)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(huì)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(shí)空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體施加的另外一種力——氣動(dòng)升力！

氣動(dòng)升力的來(lái)源

首先我們先說(shuō)明下伯努利原理。伯努利原理實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒，即：動(dòng)能+重力勢(shì)能+壓力勢(shì)能=常數(shù)。其最為著名的推論為：等高流動(dòng)時(shí)，流速大，壓力就小。即由不可壓、理想流體沿流管作定常流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)速度增加，流體的靜壓將減小；反之，流動(dòng)速度減小，流體的靜壓將增加。但是流體的靜壓和動(dòng)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(gè)式子被稱為伯努利方程。



當(dāng)空氣流經(jīng)上下表面不對(duì)稱的翼型時(shí)（下圖），空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)上表面的路程比下表面的路程長(zhǎng)，而流經(jīng)后的空氣質(zhì)點(diǎn)又必須同時(shí)在機(jī)翼后緣匯合，因此流經(jīng)上翼面的空氣質(zhì)點(diǎn)速度比流經(jīng)下翼面的空氣質(zhì)點(diǎn)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(dòng)升力產(chǎn)生的基本原理。



汽車氣動(dòng)升力的來(lái)源與機(jī)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(guò)，其氣動(dòng)升力來(lái)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(dòng)升力克服車重將汽車托起。



汽車氣動(dòng)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(dòng)升力的重要因素。汽車受到的氣動(dòng)升力包括壓差升力和粘性升力兩個(gè)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(gè)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(duì)汽車產(chǎn)生的向上或向下的力。



汽車車身脫落的渦流

氣動(dòng)升力對(duì)汽車性能的影響

氣動(dòng)升力作為評(píng)價(jià)汽車空氣動(dòng)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(dòng)力性，同時(shí)也間接地影響燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)汽車速度超過(guò)70km/h時(shí)，某些車會(huì)出現(xiàn)“發(fā)飄”這種高速氣動(dòng)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(jìn)而直至駕駛員失去對(duì)車輛的控制，這就是由于氣動(dòng)升力過(guò)大引起的。



氣動(dòng)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(duì)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(shí)可達(dá)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(shí)經(jīng)常發(fā)生?？v傾氣動(dòng)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(dòng)輪失去驅(qū)動(dòng)力，影響汽車操縱穩(wěn)定性。

如何降低汽車氣動(dòng)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(qiáng)變化使得它能產(chǎn)生較小的氣動(dòng)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(guò)渡以增加兩側(cè)氣流量的措施，都有利于降低氣動(dòng)升力。



2 車身底盤平順處理
通過(guò)加裝底部導(dǎo)流板，減小底盤突出物對(duì)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(dòng)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(dòng)，阻止氣流進(jìn)入車身底部，降低了車身底部的空氣壓力，從而降低了氣動(dòng)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(guò)車尾擾流器可將部分汽車后部氣流導(dǎo)向上方流動(dòng)，形成氣動(dòng)下壓力，降低氣動(dòng)升力。



5 汽車尾翼
汽車尾翼為倒置的機(jī)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(kuò)散器
安裝在汽車底部的擴(kuò)散器主要是通過(guò)加速車身底部氣流速度，減小底部壓力，從而降低氣動(dòng)升力的。在F1賽車上，擴(kuò)散器約提供了40%的下壓力。



另外減小氣動(dòng)升力還可從車頭邊角造型、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行。相關(guān)研究數(shù)據(jù)可參考國(guó)內(nèi)外的汽車氣動(dòng)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(shuō)來(lái)氣動(dòng)升力與空氣阻力是一對(duì)矛盾的存在，氣動(dòng)升力的減小會(huì)帶來(lái)空氣阻力的增大，這就對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)不利的影響。另外過(guò)大的汽車下壓力也將會(huì)加劇輪胎的磨損，同樣也影響了行駛的安全性。
CAERI 視點(diǎn)
氣動(dòng)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(dòng)升力的產(chǎn)生機(jī)理以及高精度的氣動(dòng)升力數(shù)值計(jì)算都還需要開展進(jìn)一步的的基礎(chǔ)理論和風(fēng)洞試驗(yàn)研究。相比氣動(dòng)阻力，氣動(dòng)升力的大小較小，受氣流干擾較大，因此在風(fēng)洞試驗(yàn)中就對(duì)測(cè)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(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有高精度高分辨率的汽車專用測(cè)力天平，可精確測(cè)量汽車氣動(dòng)升力，為汽車空氣動(dòng)力學(xué)工程師進(jìn)行升力控制提供強(qiáng)大的試驗(yàn)支持。