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空气动力学入门篇

作者:赚钱的游戏 发布时间:2020-07-27 08:33 点击数:

  空气动力学入门篇_天文/地理_自然科学_专业资料。空气动力学入门篇(1) 空气动力学入门篇(1) 空气动力学是十分重要的,这一点每个人似乎都知道。特别是当我们越开越快的时候。如果你不信在当今 空气动力 的遥控车比赛中,空气动力学扮演一个重要的角色,

  空气动力学入门篇(1) 空气动力学入门篇(1) 空气动力学是十分重要的,这一点每个人似乎都知道。特别是当我们越开越快的时候。如果你不信在当今 空气动力 的遥控车比赛中,空气动力学扮演一个重要的角色,你可以试试不用车壳 车壳裸跑,就会发现巨大的差别。但 车壳 不幸的是,空气动力学所包含的物理学和数学知识是非常复杂的。所以,在以下的文章,我们用一些现实 生活中的事例和图片,为大家解释一下空气动力学的效果。 你是否留意过,多年以来,汽车变的越来越曲线化呢? 有着柔和的表面和浑圆的边角。 反观几十年前的 汽车,多数具有样子凶狠的鬼面罩、锋利的边角、外倾的车头和车尾、数个带碟子的天线,尾鳍,还有各 式各样向外突出的东西。以下方图片为证: 这种进化的原因是因为所有有突出的形状或者锋利的边角的东西都会产生阻力,这种阻力会使车变慢。 一般来说,水滴形状是最好的,也就是说它产生最小的空气阻力。近代的研究指出,企鹅形状的物体阻力 甚至更小。无论什么形状,其重点是:空气在形状平缓的物体的表面流动,是最有效率的。 平缓的表面,使空气在流动时不会破裂成很多小旋涡。基本上,任何尖锐、突出形状的物体都会产生旋涡 (旋涡就象我们冲厕所看到的水流那样)。旋涡会带走能量,因为空气会自由流动,而不依附于车子的表 面。本来这些在空气摩擦中损失的能量是可以用于加速车子的。 我们可以把空气阻力分成两部分来研究: 由空气对车的前方的压力, 还有由车的后方的真空所产生的拉力。 这种分法比较直接,因为要使车子在空气中前进,首先车的前面要拨开空气;当车通过这些空气之后,空 气会迅速填补“空”的地方。 车在空气中前进的时候,车首撞击一堆空气,并压缩其中的一部分。其结果使车前方的空气压强增加。大 概我们每个人都会记得:“101 物理定律”--压力=压强 x 面积。 因此,全车截面积乘以压强,就等于净阻 力。引擎 引擎动力要克服这种阻力,因此阻力可以减速你的车,或者消耗更多的能量。 引擎 所以,车的纵向截面积越大,产生的阻力就越大。这就是为什么将车壳安装低几毫米(在规则之内),是 明智之举。这也是在大的,高速的赛道上,Alfa Romeo 156 车壳比 Dodge Stratus 好的原因。Dodge Stratus 的车顶非常宽,所以纵向截面积比较大,产生更多的阻力。 不过这不是唯一的原因,以下论述其他原因。 第二部分,是我们经常忽略的。 一辆快速的车,其后部都有相当的延伸。 举两个现实生活中的例子:首 先,你是否注意到 Le Mans 24 小时耐力赛的参赛车辆,都有一个精巧的车尾? 理由十分明显,Le Mans 车辆有非常可观的长直线形状,这些车可以具有非常高的极速。而且因为是 24 小时耐力比赛,空气动力效率和燃油经济性也是非常重要的。非常夸张的长车尾保证空气柔和的在汽车尾 部会聚,而不会分裂成大旋涡以至从车的表面分散出去。 第二个例子是现代的跑车都使用小型的扰流器,特别是翘背车(hatchback)。扰流器通过消除后挡风玻璃上 的小旋涡,以减少阻力。 这里要说明一下:扰流器和风翼是不同的,扰流器连接到车体,基本上是车身整体的一部分;而风翼是一 个分离的部件,通常风翼放置在车尾上方,并有侧翼。 除了这些现实尺寸的例子,还有更遥控模型 模型化的例子。让我们研究一下 Dodge Stratus 和 Alfa Romeo 156 模型 的车壳。 Alfa 的车鼻非常倾斜,前挡风玻璃和车顶也比较窄,离车尾部也比较远。 车尾的曲线向内弯曲,以至后 端非常窄。 Stratus 的车鼻比较生硬,但有巨型前挡风玻璃,其倾斜度也很大。 车顶是在车身的正中央。车后端又大 又方。 所有这些特点说明,在阻力方面来说,Alfa 无疑是比较优胜的。Alfa 的纵向截面积比较小,而尾部也较象 Le Mans 赛车那样流畅。对于大型高速赛道来说,Alfa 是您的最佳选择。 关于这两个车壳的其他比较,主要是空气动力学的另一个重要方面----下压力,我们将在下一篇文章讨论。 请看:空气动力学入门 (2) 入门篇 入门 空气动力学入门篇(2) 第二部分:下压力 空气动力学的另一重要方面是下压力。下压力是一个伟大的发明,它可以是车胎产生更多的抓着力,而无 须增加车的重量。也就是说:你可以用更快的速度过弯。但是其缺点是:更多的下压力通常意味着更多的 阻力。 制造下压力 有两种解释下压力的方法,一种是简单的,但另一种比较复杂。 让我们先来看看简单的一种。 扰流器、风翼、倾斜的车鼻……所有这些东西都是为了把空气“铲”向上方。 空气被抬起,车子就被向下压, 因为“作用力=反作用力”。所以更大的表面积,或者更倾斜的角度,可以 产生更多的下压力。 图:空气被向上推,车子被往下压 现在我们来解释一下比较复杂的说法。 一个现实中的风翼的形状,就象飞机的机翼一样,不过它是反向的。飞机机翼产生升力;但汽车风翼产生 反向的升力,这是下压力的另一种说法。 升力(或者反向升力,无论怎么说其实是一回事)是由于风翼上下表面的不同压强所产生的。为了更容易 解释,重新提醒一下:“压力=压强 x 面积”。所以更大的压强差,或者更大的表面积,可以增加下压力。 但是为什么会产生不同的压强呢?让我们仔细研究一下示意图,你可以看到风翼的上表面比较平直,而下 表面比较弯曲。 这意味着空气在上表面流动的路径,比在下表面更直,也更短。下表面空气被迫沿着曲 线流动,因此走了更长的距离。根据柏努利定理,一定体积的流体总能量是守恒的(除非加热流体,或者 机械的改变流体的体积)。如果假定空气的流动方向不是改变太多的话,我们可以近似的认为:如果空气 (或者其他流体)速度增加,其压强就会下降。从能量守恒的角度,我们可以认为,空气的能量更多的用 于保持粒子速度,那剩下用以维持施加于物体表面压强的能量就减少了。 简单的说,在风翼的下表面,空气在相同的时间内走了更长的距离,其速度就更快,导致压强下降。 上 下表面的压强差产生一个净向下的力,这就是下压力。 所以,如果你要找什么适当形状的东西来产生下 压力的话,就找倾斜的,或者反向机翼形状的,越大越好。 压力中心点 但是,比下压力的大与小,还有更多需要讨论的东西。就是所谓的“压力中心点”(CP)。就象重力分布一 样,这里是下压力分布,或者说压强分布。这表述得更清楚一些。 让我们开始研究压力中心点和重心(重力中心点,或者说质量中心点)。 重心是一个想象中的点,整部车的质量集中于这一点。所以,你将车的所有部分的所有质量与其所在的位 置进行计算,就可以得到重心,简称 CG。其好处是你可以用一个点来计算,而不需要分别处理车的所有 部分。只有一个点的重力是等于整车的重力,这就是重心。 压力中心点也是类似的原理,空气作用于整个车体,我们可以把所有这些作用力换算成作用在一个压力中 心点上的压力。通常这个力可以分成两个分量:一个是向下的下压力,一个是向后的阻力。 因此,你可以建立一个计算机模型来模拟车体的空气动力学特性,计算出压力中心点。另外,你也可以仔 细的研究你的车,估算出压力中心点和重心的相对位置关系。 让我们举个例子:羽毛球的球体。 羽毛球大约 95%的质量是分布在前端的半圆球上,很显然,重心就在 半圆球附近。 但是从空气动力学来看,如果你看看哪里产生大多数的空气压力, 那会在后方羽毛所在的地方。 羽毛组 成了一个很大的表面,当羽毛球在前进的时候,这个表面把空气向外推。 因此,压力中心点应该在羽毛 附近,相对来说比较靠后的地方。 当你用球拍打羽毛球,球体几乎马上掉头,以半圆球朝着前方飞行。为什么会这样呢?首先你需要了解一 些基本的物理知识: 以下的图表阐述了:两个大小相等但是方向相反的力,作用在不同一条直线上,就会产生扭距。 图:两个相同的反向力作用在不同一条直线上产生扭距 在空气动力学的情况中, 这意味着当重心不在压力中心的正前方的时候, 扭距就会出现, 以改变这种状况。 这两个力越大,或者中心和压力中心之间距离月大,扭距就越大。 图:侧向飞行 回到羽毛球的例子。来自球拍的作用力(红色),是作用在重心上的,方向是远离打球者。而空气动力(蓝 色),在这里是纯粹的阻力,作用在压力中心点上,方向朝着打球者。如果重心不是准确的在压力中心前 方,就会产生一个扭距来改正这种状况。 也就是说,重心在压力中心的正前方,是物体移动时最稳定和 最自然的姿态。 在图画中,假设羽毛球正在朝屏幕的左方前进。 图:直线飞行 在飞镖中也有一样的情况。质量主要集中在前端,因此重心也在前方。 而压力中心就在后方的箭羽附近。 同样的,如果你在玩飞镖的时候标头朝后扔出去,飞镖也会马上改变方向,镖头朝前飞。 这并不令人惊奇,或许你会想:对于汽车来说,压力中心点在重心的后方(而且通常在上方)。虽然不象 羽毛球或者飞标那种极端的情况,但是效果是一样的。 压力中心点越靠后,当你的车偏离方向的时候,改正偏离的扭距就越大。 也就是说,压力中心点在重心 的后方越远,车子就越稳定,可以很容易的保持方向,或者走直线。 那么怎样改变压力中心点的位置呢?基本上,可以通过改变风翼的位置。向后移动风翼,压力中心点也随 之后移。向前移动风翼,压力中心点就向前移。 在这里,前挡风玻璃的位置和大小也是很重要的因素。 一个在车子前方的大面积挡风玻璃意味着压力中心也相应的移向车子的前方。 一个现实中的例子是:Dodge Viper. 我们很难用它高速的转弯。 图:Dodge Viper 不过,这不是压力中心点的全部,其高度也是很重要的因素。因为阻力是作用于压力中心点的,而推进车 辆的力是作用于重心的,所以其产生的扭距向后轮施加更多的压力,同时减少前轮的压力。 图:超级燃料改装车的压力中心点(CP)和重心(CG) 燃料改装 燃料改装 图:作用在 CP 和 CG 上的力产生一个扭距 这个扭距使车子向后倾,就象那些机械狗玩具那样。 这说明,当你把风翼装的更高,将获得更多的后轮抓着力,但是会减少转向。 图:风翼装得相当高 我们再次使用超级燃料改装车的例子,我不大认为他们可以将风翼装的那么高而不使车后倾。这里的第一 个理由是:他们只需要后轮的抓着力!前轮的抓着力并不重要,因为它们只是支持车直线行驶。第二个理 由是:风翼越高,空气越“整齐”。整齐的意思就是没有紊流。 在下一篇中我们将会介绍压力分布、地面效应、和一些窍门。 请看:空气动力学入门 (3) 入门篇 入门 空气动力学入门篇(3) 空气动力学入门篇(3) 第三部分: 第三部分:压力分布 在整篇文章中,有一样东西我是始终保持沉默的,因为我想它违反了遥控模型 模型所有范畴的定律。这东西是 模型 地面效应。 地面效应可以提供比风翼和扰流器更有效率的下压力 下压力,因为在贴近地面或者水面的时候,我们可以获得一 下压力 些特别的效应。 大家还记不记得俄罗斯的大型水上飞机 Ekranoplan? 图:大型水上飞机 Ekranoplan 举个熟悉一点的例子:大家都记得一级方程式赛车历史上著名的“地面效应年代”吧。 图:一部地面效应的赛车,请留意车的裙边! 当年的赛车跑起来太疯狂了。这就是为什么最后赛会对底板、最低车高等其他方面作出严格规定,以限制 地面效应的使用。 我们的观点是:地面效应,能够比风翼或者扰流器,在相同的空气阻力下更有效地产 生下压力(或者升力,对于水上飞机来说)。 现在我们来概括这个定理: 如果你将车壳 车壳后端的防撞器(bumper)以下的部分剪掉,在后轮的后面留下一 车壳 个大缺口,这会产生某种形式的地面效应。当然,后防撞器的形状必须保持完整,这也是定理的一部分。 因为您现在车的后方有巨大的缝隙,所以在车子行走时,空气就会从缝隙被吸出。同时,空气从车壳的其 他某部分被吸入。如果车壳上没有什么孔,而且在轮子那里剪去的部分有良好和紧凑的曲线,那么,空气 就只能从车底被吸入。换句话说,您的车子就好象把它自己吸在赛道上一般。这是一个非常棒的效应,我 们推荐您尝试一下。 大家注意,车壳后面的缺口也向外弯曲一点。 这实现了两方面: 第一,它增加了整个缺口的强度,防止 车壳在高速时向内弯曲而碰到轮子;第二,它产生了有如扩散器的效果。 我猜您现在一定很感兴趣:什么是扩散器,它是做什么用的。如果你没兴趣的话,按Page Down键吧 ;-) 扩散器是一个半管道形状的装置,与车的下端连成一体。 越向车的后方,扩散器就变得越宽,也越高。 扩散器工作原理如下:在车子底下流动的空气,比在车旁边流动的空气,体积扩张的更大。那么,越多的 空气向车的后方移动,其气压就越低。于是车底的低压力就将车子吸到路面上。 另外一个好处是:从扩散器流出的气流,正好填补了尾风翼下方的低压区,使风翼的效率更高。 那么,我们如何将这些知识运用到遥控车上呢? 很简单,就是把整个车壳做成一个大的扩散器形状的东 西。 图:看到平路跑车和扩散器的相似之处了吗? 对于房车(touring car)来说,办法就是剪掉车壳的后防撞器以下的整个部分。 但是我的个人爱好是将车壳下端由前到后逐渐向外弄弯一点。 如图所示: 图中的形状从上方看,车壳是梯形的,后面比前面要宽。 当然,本来就前面已经比后面宽的车壳,就不 需要特意把它弄弯了。 这个小技巧的优点是:在非常高速的情况下,车壳会有点变形,以对抗车子下方的吸力,这使它有可能阻 碍了车架或者轮子的运动。 这个小技巧解决了此问题。 当我们谈到我刚才保持沉默的东西: “空气阻力和下压力都和速度的平方成正比”。 您可以感受到它的作 用:在低速时,比如非常紧的发夹弯,基本上只有车子的机械平衡在起作用。 但是在速度越来越快的时 候,空气动力 空气动力的效应就逐渐登场了,甚至从某种观点来说,空气动力处于支配的地位。 通常来说,车子 空气动力 在接近极速时的操控 操控,几乎主要决定于空气动力的平衡。请记住这一点。 比如说您的车子在几个发夹弯 操控 中转向不足,但是在其他弯角表现良好,那就不要尝试增加前端的下压力;因为那样在发夹弯中根本一点 效果都没有,反而使车子在其他弯角失去平衡! 请看第 4 部分:流体分割 空气动力学入门篇(4) 空气动力学入门篇(4) 第四部分: 第四部分:流体分割 “流体分割”,顾名思义,就是描述“流体”如何在物体表面上“分割”。事实上,流体分割是产生湍流的开始。 在低速时,我们可以把流体看作是沿着不同的“层”流动的,每层是比较平直的流动,且没有旋涡产生,各 层也不互相扰乱。从能量的角度来说,这种情况是非常有益的,因为层状流动只损耗很小的能量。 当流速超过临界速度的时候(或者流体的密度和粘稠度开始下降的时候,但着种情况不会在遥控模型 模型中发 模型 生),附面层 (就是指和物体表面接触的一层)开始产生小旋涡。当流速越来越大的时候,就会变成彻 底的湍流,湍流会损耗很多的能量。 在风翼的情况中,当空气速度过快,或者风翼的迎角太大,就会产生流体分割。 假设你需要获得尽可能多的下压力 下压力,因此你将风翼安装成一个很大的角度(迎角)。当速度达到一定值时, 下压力 流经风翼下表面的空气会挣脱风翼表面以直线行进;而不会沿着风翼的轮廓流动,并填补在风翼后缘下方 产生的低压区。 流体从风翼表面分离出来,是因为低压区的压力不再低至足以把空气向上吸。 这意味着:风翼已经失去了它的空气动力 空气动力效率。风翼后缘下方的区域,本来是低压区的地方,现在已经充 空气动力 满了小旋涡。 普遍来说,这时您已经过分调整了风翼。 每一个特定的风 翼只可以提供一定的下压力,如果您安装的迎角过大,或着 车的速度过高,风翼效率就会变得非常低。这时候您需要的 是一个更大的风翼(更大的表面积) Gurney 襟翼 “Gurney 襟翼”是垂直安装在风翼后沿的一个小条状物。它也 可以称为“柳条带”或者“Gurney 叶片”,这种装置是以 Dan Gurney 的名字命名的。如果您想了解 Gurney 襟翼的全部信 息,请浏览以下网址: 襟翼减轻了风翼后沿的流体分割,因此可以减少阻力,增加下压力。以下我们作更进一步的解释。 让我们回到以前的例子:一个因流体分割而导致低效率的风翼,不过现在这个风翼上安装了一个 Gurney 襟翼。 首先会发生的事情是:阻力增加了。这很正常,因为我们在高速的、压缩的空气的行进路线上,增加了一 个障碍物。这看起来似乎不是一个好主意。但是,作为 Gurney 襟翼的效应的有趣的一面,我们这时制造 了一个非常低压的区域。这就象我们在讨论阻力的一章中所描述的车子“后方真空”一样。风翼后沿的额外 的低压区域减小了风翼下表面的后沿的流体分割的程度,以为低压力区域把空气向上吸,这有效的迫使空 气沿着风翼的轮廓线流动。 而如果流体分割未发生的话,我们制造的低压区域也会将从风翼下表面后沿通过的空气向上吸一点,这也 可以增加一点额外的下压力。 因此,我们发现了一个对付在高速情况下产生的流体分割的有效方法:Gurney 襟翼。 不过这也不是没有 代价的,在低于产生流体分割的临界速度的时候,车子就需要比不安装 Gurney 襟翼时负担更大的阻力。 但我可以说,这只是一个比较小的阻力增加。 如果您试图找出一个使小风翼在高速时更有效率的方法, 就请记住以上的讨论吧。 我们以前说过,空气动力的定律和风翼的尺寸有很大关系。遥控车上相对较小的风翼在高速时可以使用 Gurney 襟翼以产生一些帮助,这也是 Gurney 襟翼经常被使用的原因。它增加了高速时尾翼的效率。而为 什么真实的机翼在遥控车上没什么作用的原因是:流体并没有被缩小!您可以按比例缩小车子,飞机或者 船,但您不可以按比例缩小水或空气! 请看第五部分:机翼型 Vs 薄片型 空气动力学入门篇(5) 第五部分:机翼型 Vs 薄片型 机翼型的形状就象鸟的翅膀一样,如下面上图。 基本上这是一个不对称的水滴型,分为高压面和低压面。 而下面下图是一个弯曲的薄片型风翼的横截面,就象大多数遥控车所使用的一样。 遥控车除了追求非常像真的车子外,基本上都不使用机翼型的风翼,但是真正的汽车或者飞机却大都使用 机翼型风翼,为什么会这样呢? 其实理由非常简单,遥控车的尺寸是如此之小,而速度又如此之快! 空气是一种流体,而流体的流动总是有点迟钝,这就是流体的惯性。空气并不是致密的流体,因此在真实 的飞机机翼的表面上,空气往上然后再往下移动十数厘米并不是什么真正的问题。就是说,因为机翼有几 米长,因此在每小时几百公里的速度下,惯性还不会造成很大的影响。 现在我们看看遥控车,车子的尾翼只有几厘米长。那么在近乎每小时 100 公里的速度下,空气在这么短的 长度中, 往上然后再往下移动即使一两厘米, 也是不可能的事情! 因为空气分子的震动根本就没有那么快! 让我们举些例子 例 1: 螺旋桨驱动的飞机速度不会超过每小时 600 公里,以为螺旋桨在高于这个速度时候就不能工作了。 这就是为什么在飞机的发展史中,喷气引擎或者涡轮引擎是如此的重要。 例 2: 昆虫也不使用机翼型的翅膀,它们的翅膀是薄片型的。因为机翼形在这么小的尺寸中,根本就不 能工作。相反,昆虫使用多种多样的动态效应,比如延迟失速等。这些都是非稳定状态的效应,它们只在 非常短的时间内发生,就是当气流还没有被“安定”下来的时候。 因此,您想要车子尽可能的快的话,您就需要一个跟整部车差不多大小的风翼,或者把整个车体都当作一 个风翼。事实上我们正在这样做,用整个车体来产生地面效应! 机翼型的风翼似乎存在一个最大迎角,大概是 17 度左右。在大于这个角度的情况下,风翼就会失速,就 如前文解释的那样。 另外,大约 80%的下压力来自于风翼下表面的低压区,而只有 20%的下压力来自于增加迎角对上表面产 生的压力。这就意味着机翼型的风翼必须安装的相当高,以使空气可以顺畅的在它下面流过。而且,它也 需要非常非常安定、平顺的空气以使其正常工作。任何的紊流都会产生流体分割现象。 因此,很明显机翼型风翼并不适合于遥控车,如果按照真车风翼完全按比例缩小的线 度的迎角远不 足以产生足够的下压力(记得我们说过空气并不按比例缩小吗?)。而且在多数情况下,把风翼装得很高并 远离车体,以获得安定的气流流过,是不切实际的。 但是,您又不希望车子老是撞来撞去,怎么办呢? 因此,如果您需要一个如真车一样的尾翼,就如我们在房车上所看到的一样,那么该尾翼就只能是一个凹 陷型的东西。这种形状强制空气向上流,并可使用非常大的迎角,同时我们不需要担心尾翼的下面究竟发 生了什么事情,也不需要担心上下表面的气流如何重新汇合到一起。 很显然,这种风翼并不如机翼型的效率高,但它至少可以产生足够的下压力。 作为另外一个优点,弯曲的薄片风翼在它遇到紊乱的气流时,多多少少的更有效率。因为被风翼向上推的 气流,是层流或者紊流并会有太大区别。当然空气本身并不是完全不敏感的,因此安定的气流总是比较好 的。 实用技巧 一个好的车壳 车壳,它在轮子部分裁剪的弧线,不应该比车壳原来指示的线要大,就象前文论述的那样。同时 车壳 您要把车壳安装得尽可能的低,当然也不要刮到地面。任何刮到地面的东西都会减少轮胎的抓地力,因此 您要尽力避免其发生。 在钻壳柱位的孔的时候,请务必小心,请确认车壳装上去之后没有扭曲。这要求您的孔位位置相当精确。 扭曲的车壳会使压力中心点偏向一侧,使车子两边的反应不同。 就想我们提过的顶级燃料 燃料改装车一样,如果尾翼装得高高的,效率会比较高,因为气流会比较平整,没有 燃料 紊流。不过模型车的赛例是有尾翼高度限制的,对于房车来说,尾翼不得高于车顶线。 在上图中,我们看到一个巨大的风翼,安装在足够高的地方以获得平整的气流,并且正好在车子的中间。 您希望获得下压力的一点, 大概在车的正中央, 这样车子会很敏捷的改变方向, 而且过弯的时候不会迟钝。 另外我们可以看到同样巨大的侧翼,这可以使风翼更有效率,并且防止车子在打滑时忽然滑向一边。 我们希望在阅读完以上文章后,您的空气动力 空气动力学如何作用在跑车上,已经有了一个清晰的印象,并将知识 空气动力 运用到您的车子上,使车子获得更好的调教。


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