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[基础理论] 空气动力学工程师怎么看《飞驰人生》

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发表于 2019-4-23 10:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  引 言
  贺岁档电影《飞驰人生》正在上映,电影讲的是一个五连冠赛车手因飙车而被禁赛五年,禁赛期满为了赢得尊严、追逐梦想又重新复出,并最终取得冠军,但付出生命的故事。这显然不是一部看了只能让人哈哈大笑的电影,电影里叶经理和张弛在楼顶上伴着落日余晖合唱《光辉岁月》的片段总是在我脑中回映,不过这部电影对于汽车行业从业者,对于一名气动工程师而言,可回味的显然不仅于此。

  赛车比赛追求的是更快的驾驶速度,更好的成绩。而想要达成这个目标,除了赛车手本身的操作和驾驶技术外,车手所使用车辆本身的技术含量也很重要,工欲善其事必先利其器。动力更强劲的发动机,更轻但结构强度更高的车体,效率更高的传动系统,控制更灵敏的转向系统和制动系统,性能表现更好的车轮,以及空气动力学性能更好的造型设计等都能提高赛车成绩。

  什么是操稳?
  在F1比赛中平均车速为200~230km/h,高车速让车手对车辆的控制提升了成倍的难度,一个弯没过好就可能导致车辆失控,一旦车辆在高速下失控则车手九死一生。
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  即使车辆未失控,过弯耗时对比赛成绩的影响也是巨大的,赛场上零点几秒就是领奖台上接受鲜花和掌声与领奖台下懊恼不已希望下一次能证明自己的区别。因此赛车操纵稳定性(简称操稳)对车手人身安全和比赛成绩而言至关重要。

  操稳是指车能按照车手驾驶意图行驶(操纵性),同时也能抵抗外界干扰的能力(稳定性)。

  汽车能前进是因为车轮给了地面作用力,地面给了车轮反作用力(牛顿第三运动定律)。车手的驾驶意图最终都是通过这个力来实现的。
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  影响这个力的因素有很多,赛车所受垂直方向正压力(本文简称正压力)就是其中重要因素。

  另外赛车在有很大正压力的情况下抵抗横风或偏载等外界干扰的能力也大大增加。

  因此合适的正压力能直接提升赛车的操纵性和稳定性。

  什么是正压力,如何调整正压力?
  正压力由重力以及整车所受空气在Z方向的合力合成,空气对车辆在Z方向合力如果向上,则该力称为升力,如果空气对车辆在Z方向的合力向下,则该力称为下压力。同样空气在X 方向合力称为气动阻力,在Y方向的合力称为侧向力。
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  我们可以通过造型设计以及气动附件添加来改变空气对整车纵向、横向、垂直方向的作用力,自然也能控制垂直方向的升力/下压力,影响正压力。


  升力影响正压力最直观的感受就是高速上开车。在高速上开车常常感觉“发飘”,这个所谓的“发飘”,就是因为车速上升,整车所受升力增加,正压力减小,车轮抓地力减小,驾驶员感觉车辆不能及时响应驾驶操作。
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  赛车气动设计目标就是保证在确定的整车前后设计配重情况下,高速时整车气动下压力分布能使得前后轴正压力平衡,同时整车阻力尽可能小。如果前后轴正压力没有平衡,如前轴正压力过大,后轴正压力不足,转弯时车尾有甩出趋势,容易产生转向过度现象;若后轴正压力过大,前轴正压力不足,转弯时后轮有保持直线运动趋势,容易产生转向不足现象,这两种情况均会影响过弯成绩。
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  升力如何产生?
  我们可以把汽车简单理解成上表面是个弧形,下表面是个平面的物体,当前方有均匀来流吹过的时候,这股气流被分成两部分(为了便于理解忽略两侧气流),一部分向上走,从车顶越过,到达车尾,一部分直接从车下方流过,到达车尾。由于上表面的距离比下表面的距离长,所以从宏观上可以认为流经上表面的空气平均速度比流经下表面的空气平均速度大,而由伯努利原理可知,速度越大的地方压力越小,速度越小的地方压力越大,因此可做定性判断,整车上表面的压力比下表面小,这个压力差会形成升力,并且来流速度越高,这个压差越大,既车速越快,升力越大。

  实际汽车气动升力形成机理比这复杂,受压差影响,也受地面效应影响,受流场结构影响,也受气流形态影响,但我们可以这么粗略理解为什么汽车会产生升力。
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  影响下压力的气动附件
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  这是一张赛车的图片,赛车的主要气动套件是前翼和尾翼,这两处的套件截面可以大致认为是一个反过来的飞机机翼。

  机翼上表面流速高,下表面流速低,可以为飞机提供飞行所需的升力。
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  反过来安装,则上表面流速低,下表面流速高,上表面压力大,下表面压力小,这个压差可以为赛车提供所需的下压力。这前后两处的下压力,就像两只无形的大手,将赛车按在地上,保证了赛车高速行驶不会有“发飘”的感觉,提升了操纵稳定性。
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  这里可以开个脑洞,当车速足够高的情况下,下压力数值会大于整车重力,如果车是在天花板上开,那作用在车上的上压力会大于车的重力,这样是不是在高架桥的背面行驶,就成为了可能呢?
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  尾翼的高级玩法
  尾翼不仅仅能影响下压力,还能影响阻力。当尾翼水平放置时候,阻力小;当尾翼与车身呈一定角度放置时候,阻力大,此时下压力也大。
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  为了适应直线段和弯道段不同的阻力下压力需求,可调式尾翼(Drag Reductuion System)应运而生。在直线段尾翼放平,减小阻力提高车速;在弯道段尾翼升起提供下压力增加过弯速度。有些车也让尾翼在刹车时升起,提供阻力增加刹车效率。
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  在赛车攻弯时由于车有向弯道外侧侧翻的趋势,倘若赛车在弯道中能够自适应地调整车辆两侧的下压力以抵消这个趋势,则更有利于车手控制赛车在弯道中的走向,提升弯道成绩,而这就是2018年广州车展上亮相的兰博基尼Aventador SVJ的最新设计。

  该车尾翼内有一个气流通道,该气流通道入口是在尾翼根部,出口是横贯整个尾翼下端面的一道缝隙,气流通道入口的开闭状态可以决定是否有气流从气流通道出口流出,从而改变尾翼处的气流状态,实现自适应改变下压力的效果。
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  尾翼加装
  谈起汽车改装,就免不得提起尾翼加装。人们往往通过夸张的尾翼造型来表达自我,展示个性。

  然而在没有经过气动设计与优化的情况下,这些尾翼通常会提供巨大的后轮下压力,而又没有前轮下压力或车前部配重来与之匹配,这会产生一个俯仰力矩,该力矩轻则减轻前轮抓地力,影响操纵稳定性;重则使汽车直接起飞。
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  超车时的空气动力学应用
  以上聊了升力与下压力形成原因及其如何对赛车比赛产生影响,实际上空气动力学在赛车设计及比赛中的应用远不止于此。在赛车比赛中通常是在弯道超车,不过也能看到长直线段超车的情况。
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  这时观众往往会嘘声一片,前面那车怎么不加速呀,踩油门呀,二档八千转干啊,怎么直线段被超车了。殊不知前车车手是极其无奈的,并不是他没踩油门,而是他真的已经踩到底了,只能绝望地看着对手一点点超过自己。

  为什么两辆动力水平差不多的车在此时的动力表现会有如此差异呢?这里涉及到一个空气动力学知识。

  前车开过之后,前车尾部气体是被带向行驶方向的,也就是说前车尾部气体有了向前方的初速度。这个初速度使得后车与空气的相对速度比前车与空气的相对速度小,相当于后车以更小的速度撞向空气,因此后车空气阻力也就小。
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  我们知道发动机功率P=FV,功率等于总阻力乘以速度。在保持相同的行车速度跟车时,因后车阻力小,故其所需发动机功率是低于前车的,换句话说,当跟车阶段前车油门已经踩到底的情况下,后车油门还保有余量,正是这点余量让后车有剩余动力超过前车,取得领先地位。

  到这里有没有想起一句话,一群大雁往南飞,一会儿排成个人字,一会儿排成个一字。

  空气动力学可不仅仅是升力/下压力
  前面说了当汽车行驶速度相同的时候,阻力低,所需发动机的功率也就低。当两台车发动机最高输出功率相同时,其中一台车的空气阻力越低,则总阻力越低,则该车最高车速越高。因此在赛车造型设计时,若在保证足够下压力的情况下还能降低赛车的空气阻力,那无疑这个造型能够让该款赛车在激烈的比赛中占得先机。

  乘用车和赛车所面临的情况是不同的,对于乘用车而言,降低阻力的优先级无疑是大于降低升力提高下压力的。赛车追求的是速度和操控,而这需要提升下压力来保证车手驾驶意图的准确实现;乘用车追求的是舒适和经济,乘用车不会开到极限速度,没有紧迫的提升下压力需求,而降低空气阻力能降低油耗,这既能让整车厂的产品增加竞争力,又能让用户节约实实在在的真金白银,赢得产品口碑,可以说是不同的用车需求使得赛车和乘用车有不同的气动发展方向。

  以赛车为落脚点的电影《飞驰人生》的热映显示了大众对于赛车的热情,而影片中赛车尾翼的运用也表明了空气动力学在赛车设计中不可或缺的重要性已成为社会普遍认识。

  空气动力学不仅仅包含本文主要提到的升力下压力,也包含阻力,还包括侧向力;空气动力学也不仅仅应用在赛车上,也运用在乘用车上,商用车上,飞机上,空气、运动交叉领域(如自行车赛)及其他领域上。这些领域的进步和发展,都蕴含气动工程师的心血,都有气动工程师不可磨灭的功劳,希望在社会各界的关注下,业界同仁的努力下,空气动力学技术的升级迭代会更迅速,空气动力学的发展会更蓬勃。

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发表于 2019-4-23 23:07 | 显示全部楼层
涨知识了
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