车辆空气动力学

空气动力学的分支

空气动力学的一个分支，主要研究汽车、火车等车辆的空气动力性能、行驶稳定性、操纵性和气动噪声等问题。

简介

20世纪30年代，德国和法国就开始做这方面的研究工作。随着车辆速度的提高，车辆空气动力学的研究逐渐受到各国主要车辆生产厂家和有关研究机关的重视，研究的结果对车型设计产生很大影响，对改进车辆的空气动力性能(如降低空气阻力系数Cd)有显著效果（表1）。

表1 空气阻力系数随车型的变化

研究内容

中国近年来对轿车、大客车和高速列车等开展空气动力学实验，为改进或选择车型提供科学依据。

汽车

汽车行进时所受阻力大致可分为机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提高，空气阻力所占比例迅速提高。以美国60年代生产的典型桥车为例，车速为每小时60公里时，空气阻力为行驶总阻力的33～40%；车速为每小时100公里时，空气阻力为行驶总阻力的50〜60%；车速为每小时150公里时，空气阻力为行驶总阻力的70～75%多（见图）。各类汽车的空气阻力系数Cd的范围见表2。

图：车速与空气阻力的关系--车为4门轿车；正投影面积2.04米；重1670千克；Cd=0.45

汽车空气阻力可分解为：①车型阻力，即由车体外形决定的阻力：②表面摩擦阻力；③干扰阻力，即由于安装在车体外的零部件，如后视镜、车门把手、车灯、车头装饰件等对气流干扰引起的阻力；④由拖曳涡引起的“涡阻”；⑥内部气流阻力，即气流通过车头内的散热器、发动机等引起的阻力。现代轿车的空气阻力中，车型阻力和“涡阻”约占62%，表面摩擦阻力约占9%，干扰阻力约占17%，内部阻力约占12%。缩小车辆的迎风投影面积，改进车身外形，减少安装在车外的零部件，将车身下面的部件合理布罝或用托板封闭，均可使空气阻力系数显著下降。空气阻力每减小10%，车辆燃枓消耗大约可降低5%。

表2 各类汽车空气阻力系数的范围

汽车空气动力学研究主要有下列四个方面：①汽车运行中所受的空气动力和力矩，包括阻力、举力、俯仰力矩、侧倾力矩和摆动力矩，其中举力和俯仰力矩的研究涉及车辆操纵稳定性，②汽车运行中各部位的流场，包括雨水流的路径，污垢附着的过程和原理，风噪声和面板颤振，风挡玻璃上的作用力等；③发动机的冷却问题；④汽车内的气候条件。

火车

火车的空气动力学研究同汽车的空气动力学研究有许多类似的地方。但由于火车在固定轨道上运行，车身细长，因此也有白己的特点，主要有：①火车横向稳定性：在大风地区，当火车受到超过某个临界值的横风作用时，会发生翻车事故。一般说来，运货棚车的临界翻车风速值小。而在运货棚车中空棚车最易翻车，载货重量越大越不易翻车。中国某地区典型地段上空棚车的临界翻车风速为32米/秒，相当于风力11级。②火车通过隧道时的气动问题：由于隧道容积有限，火车进入隧道时，气流受到约束，使火车所受阻力比在开阔地行驶时增加1.6〜3.4倍。这方面问题包括车体强度、通风、散热和两火车会车时气流的相互影响以及隧道截面设计等。③电气列车受电弓的气动问题：列车高速行驶时受电弓所受空气阻力、负举力和动载荷引起的振动会影响受电弓与输电网之间的接触压力少而使受电性能变化，影响列车正常行驶。这方面的研究包括选择性能良好的受电弓弹簧，确定受电系统的固有频率和设计合理的悬挂结构等。④火车行驶时边界层问题：火车行驶时边界层的作用范围和强度取决于火车的速度，这方面的研究包括轨道外安全距离的确定和双线铁路线路间距的确定等。

研究方法

车辆所受的空气阻力以及相应的空气动力系数可通过风洞实验和外场实验进行测定。缩小尺寸的车辆模型风洞实验一般用于车型空气阻力的测量。因为小尺寸模型很难反映实车的结构细节，不能准确测定表面阻力、干扰阻力和内部气流阻力等分量，测出的空气阻力系数往往低于全尺寸风洞实（汽）车实验的数据。在没有全尺寸风洞的情况下，可以利用汽车在道路上滑行实验测定的总阻力和转鼓试验中测定的机械阻力，来计算空气阻力。火车的外场实验包括缩尺模型实验和实车实验两种，均能得到有用的结果。但工作量大，数据重复性差，往往不够经济和安全。