Headline News
LUXGENWorld.com 暫停更新 (七月 31, 2017 9:09 上午)
氣、油、音、煙–養車4大秘訣 (三月 17, 2017 5:08 下午)
引擎咑噠哒…就是爆震嗎? (三月 1, 2017 12:11 下午)
卡鉗含著不放的尖叫聲… (二月 23, 2017 5:32 下午)
Dalco_Supercomputer_CFD_BMW_F1_PressurePath

《入門原理》你的空力套件符合流體力學嗎?

隨著越來越多汽車行駛速度已突破300km/h大關,空氣力學對車輛行駛的影響已經非常大,空氣動力學已是當代汽車設計十分重要的一環。雖然汽車的極速度普遍不超過350km/h,差不多是噴氣式飛機的起飛速度,且相較於飛機並無「俯仰」、「偏航」、「滾轉」的動作需求,但即使汽車所涉及的空氣力學比飛機簡單許多,仍是一門複雜的系統學科,筆者本著自我常識提升的衷旨,整理了一些過去媒體曾經報導過的空氣力學原理,並簡化成淺顯易讀的內容,希望對各位愛車人士有幫助。
Dalco_Supercomputer_CFD_BMW_F1_PressurePath

流體力學基礎名詞:
流體的粘性特質是氣動力學要研究的內容之一1-1.流體黏性>>>
所有的流體都具備黏性,只是容不容易被觀察到而已,好比攪動整罐蜂蜜時很費勁,從勺子滑落的速度比水慢很多,而杓子外層的蜂蜜又流得比內層慢,甚至最內層的蜂蜜的流速之慢,彷彿是一層不再流動的薄膜,這種流體的黏滯現象其實也適用於空氣,只是不像蜂蜜這樣明顯。
空氣分層流動,互不干擾

1-2.層流>>>
如同杓子上的蜂蜜,外層的蜂蜜會快速滑落,越貼近勺子的蜂蜜滑落速度越慢,這就是「層流」。在空氣動力學中層流是指「平滑分層流動的空氣」。層流是一種非常理想的流動狀態,氣動設計中總是追求能在氣動表面形成層流。

http://i1.sinaimg.cn/qc/2013/0703/U3392P33DT20130703095819.jpg1-3.附面層>>>
空氣流經物體表面時,緊貼表面的部分空氣會受到阻滯,就像黏附在勺子上的那層蜜,形成所謂的「附面層」。附面層流經平面之初是以層流形態流動,當流動一段距離之後,層流開始變得不穩定,隨後產生「湍流」。 這是附面層的不穩定性,為了消除這種現象,流線體的表面很少出現大面積的平面。

 

湍流是一種不佳的流動狀態,氣動設計中要盡量避免產生湍流

1-4.湍流>>>
相對於層流,空氣開始出現相互擾動,層間出現空氣的對流,這種流動叫做湍流 (又稱為亂流、擾流或紊流。)。湍流是一種不佳流動,它往往伴隨阻力增加和壓差失效,如果飛機機翼表面出現湍流會使機翼失效,無法起到提供升力、穩定機身、控制方向等作用。

 


流體繞過球體後無法沿球體表面流動,產生分離

1-5.氣流分離>>>
氣流在流經物體時,會有一種沿著物體表面流動的特性,這種特性也與流體黏性有關。
但空氣分子自身也有慣性,讓它突然劇烈改變方向是很難的。 如果在流體中的物體表面不是緩和的連續表面,那麼在表面的斷點就會出現氣流分離現象。
圖中是機翼的氣流分離現象,機翼與撞風面呈一定迎角,氣體無法繞過機翼前後緣形成平滑流動,於是產生分離區(圖中分離漩渦)。 分離區實際上可理解為嚴重的湍流,使機翼喪失升力、阻力增大。

空气阻力随车速的增加而增大
 行駛速度越快風阻越強,這是日常生活中可輕易體驗的定律。 從上圖顯示,車速低於90km/h時的主要阻力是機械阻力,如:引擎、變速箱、 輪胎…所產生的摩擦或慣性阻力,但隨著靜者恆靜、動者恆動的質能不滅定律持續發酵,90km/h後的機械阻力已大幅減少,反觀空氣阻力則不斷上升。

压力阻力是车辆面对的主要空气阻力車輛行駛中所產生的阻力類型主要是「壓力式阻力」,而壓力式阻力又可分成「迎面阻力」和「壓差阻力」。

1-6.「迎面阻力」很好理解,就是迎風面撞上車頭所產生的阻力,這種阻力可透過車頭設計流線型來降低。

1-7.「壓差阻力」則是氣流至順著車身走勢,從車頭開始逐漸擴大,接著往車尾變成逐漸收縮,此時車頂與車底的上下兩層氣流,從離開車尾以後開始變成漩渦狀的「湍流(並以後廂蓋的垂直面最嚴重)」,也就是前述的空氣分離區,由於這個分離區往往是「負壓」,因此與車頭的「正壓」的形成了與行駛方向相反的拉扯力(Drag:反向阻力),即所謂的「壓差阻力」。

http://www.homebuiltairplanes.com/forums/attachments/aircraft-design-aerodynamics-new-technology/19396d1345218284-revolutionary-emerging-new-technology-0_23_070215_nascar_graphic_2.jpg壓差阻力是比較難消除的阻力,理想的流線體都有一個長長的尾巴,使空氣能繼續沿表面流動而不分離。 但是汽車顯然不能這樣設計,否則車長會是現在的兩倍,而且為了實現最佳外形的這部分車體沒有任何實際用途,就是一段空尾巴。 因此絕大多數市售車的外型會選擇向實用性妥協

http://a57.foxnews.com/www.foxnews.com/images/262683/450/350/0_24_070215_nascar_graphic_3.jpg全程在環形賽道奔馳NASCAR常見兩車緊貼著跑,這不僅能使後車大幅消除「迎面阻力」,也能消除前車尾端的「壓差阻力」,使兩車共同獲得更好的加速性

bigpreview_Porsche Singer 911, Side View為了減小「壓差阻力」的車尾湍,車背都會設計的坡度很緩,讓氣流盡量沿平緩的車背流動減少分離。

http://4.bp.blogspot.com/-Dix2PgnQfsM/UXLKrNjwDMI/AAAAAAAAFXI/UEip-_7DZXc/s1600/An+F1+Aerodynamic+Diagram+Diffuser.png
因為車形“上凸下凹”的限制無法改變,所以工程師利用從「擴散器(Diffuser)」,將車底的氣流向上方引導,吹散車尾分離區的湍流。

http://img12.imageshack.us/img12/4903/diffusercopy.jpg
有效的Diffuser,其設計範圍應該從後輪軸延伸至後保桿。從上圖可知,封閉式後保桿對於底盤氣體流速有不利的影響。飞机的前缘缝翼可将一部分底部空气引导至上表面,可吹散上表面的分离区Diffuser的
原理很類似飛機前緣縫翼和展向吹起技術。
http://www.lambopower.com/forum/uploads/monthly_11_2008/post-14091-1227424928.jpg將原本凹凸不平的底盤平整化,除了減少底盤風阻,連帶因為底盤空氣流速比與車頂更快,產生車上車下的壓差,進而產生吸在地上般的效果!
http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/VirtualAero/BottleRocket/airplane/Images/induced.gif1-8.誘導阻力induced drag)是一個和該物體運動方向相反的力,有著跟攻角成正比增加的特性,作用於任何因外形能改變空氣流向以產生升力的物體。例如:飛機機翼產生向上的升力和汽車擾流板產生向下的下壓力。當升力增減,誘導阻力也跟著增減;當升力降至零,誘導阻力也隨之消失。
http://dpexperience.com/wp-content/gallery/paul-bowen/bowen-9.jpg以飛機為例,誘導阻力是由機翼上下表面壓差導致的,下表面的空氣壓力高會繞過機翼翼尖向上表面逸散,於是形成由下向上翻捲的漩渦,這些漩渦會帶走能量。http://tommytoy.typepad.com/.a/6a0133f3a4072c970b0168ebdb847b970c-800wi為了消除誘導阻力,需要隔絕存在壓差的兩部分空氣。 飛機的解決方法是安裝翼稍小翼,該小翼能平衡上下翼面間的壓力差,減小翼尖渦降低誘導阻力。

http://www.formula1-dictionary.net/Images/DragF1.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-MShEgg9ggfQ/UXLLLLfp5PI/AAAAAAAAFXg/0egdqKN6VNI/s1600/End%2BPlates%2BUsed%2BTo%2BReduce%2BTurbalence%2BOn%2BRear%2BWing%2BF1.png
F1的尾翼上可以看到更加明顯的類似設計,其尾翼類似於機翼,上下表面的壓力差很大。 所以通過封閉側面的方式,隔絕了上下翼面的空氣對流,藉此消除誘導阻力。

二、下壓力&高速行駛&抓地力
對汽車而言,下壓力關係到高速行駛的穩定性,因
“上凸下平”的車輛造型,屬於典型的升力造型,在空氣中運動會產生升力,而升力又與車速成正比, 所以汽車 ( 尤其是競賽車)需要額外設計一些部件來產生下壓力,克服車身產生的升力,讓四條輪胎能緊貼地面。 下壓力的極端代表是F1賽車,據說F1產生的下壓力足以讓它在天花板上行駛。

2-1.汽車造型的先天空力缺陷
根據伯努力定律,機翼被設計成“上凸下平”的形狀,空氣流過“凸起弧面”的上翼面如同流過收縮的管道,空氣流速會加快,使壓力減少。
而“平面造型的下翼面”流速不變,所以壓力也不變,因此與上翼面產生了壓力差,並使機翼具備了升力。然而汽車需要的“下壓力”,與車體先天的造型限制相違背,所以如何增加底盤下空氣的流速,或安裝“倒置機翼”將升力變成壓力,就成了汽車氣體動力學最關心的議題。
倒置的机翼可以产生下压力

http://i1010.photobucket.com/albums/af226/duckants_bucket/honda.jpg
所以,若把車體總成當作一個大型碟翼來看,前述的「底盤平整化」,只做到了減少排氣管、線路所造成的額外風阻,想進一步增加底盤空氣流速,必須在底盤下創造文氏管效應,才能讓底盤的氣體流速翼遠大於車頂,創造能跑上天花板的驚人貼地性。

 2-2.道路用車如何應用?
前下巴
和F1大面積的前翼相比,一般街道車改裝的小型前下巴,即使在高速時的「迎風面壓力」非常小,因為所謂高速,意味著車輛很可能正在衝直線,此時讓車頭產生龐大的下壓力並不恰當。不過,前下巴的構造能壓扁
底盤的入口面積,按造截面積越小,流速越快的定律而言,便能加快底部空氣流速,稍微平衡一些車頂與底盤下的壓力差,避免全車性的升力過大


Citroen 2013 & Chevrolet 2006從雪鐵龍2013年和雪佛蘭2006年的WTCC參賽車來看,「前下擾流板」並無明顯想用”鏟風”,創造強大車頭下壓力的意圖,同樣是加速分流為主的概念。

 

F1 Front wing雖然F1的前翼面積很大,具有不可忽視的車頭下壓力,但從右圖可見,分上/中/下三層的「水平翼面」,主要功能也是為了將氣流角度拉高,避免吹到前輪。外側的「垂直翼面」除了也負責將氣流導離輪胎,也藉著弧面能加快流速的特性,減少車身阻力。

How does F1 Rear wing workF1的尾翼多採用阻尼感應式,如同避震器阻尼壓縮的原理,隨著風壓強弱而彎曲尾翼的角度。

F1的尾翼藉由阻尼筒控制行程變化的快慢與長短,創造出可變風阻的尾翼。假設該場地的最高速彎極限為200km/h,那麼「變形翼」在 200km/h以下都會保持高風阻造型,以高下壓力模式幫助車輛克服離心力。但當進入大直線全力衝刺之後,這些定風翼就會在201km/h開始變成「低風 阻造型」。

尾翼
房車賽所用的尾翼造型多半很陽春,無法隨著車速變化轉變不同的迎風面角度,因此尾翼下壓力的多寡,無法兼顧高速與低速的需求,需靠更多的懸吊系統設定,來改變車身動態平衡。而說起懸吊設定,那又是另外一大篇了。

本文參考文獻>>
維基百科、JPetrolhead-F1 Technical Insights、新浪汽車http://auto.sina.com.cn/news/2013-07-04/13421182904.shtml

Comments

comments

Comments are closed.