車輛空氣動力學

空氣動力學的一個分支，主要研究汽車、火車等車輛的空氣動力性能、行駛穩定性、操縱性和氣動噪聲等問題。

基本介紹

• 中文名：車輛空氣動力學
• 含義：空氣動力學的一個分支
• 研究內容：汽車、火車等車輛的空氣動力性能

簡介

20世紀30年代，德國和法國就開始做這方面的研究工作。隨著車輛速度的提高，車輛空氣動力學的研究逐漸受到各國主要車輛生產廠家和有關研究機關的重視，研究的結果對車型設計產生很大影響，對改進車輛的空氣動力性能(如降低空氣阻力係數C_d)有顯著效果（表1）。

表1 空氣阻力係數隨車型的變化

研究內容

中國近年來對轎車、 大客車和高速列車等開展空氣動力學實驗，為改進或選擇車型提供科學依據。

汽車

汽車行進時所受阻力大致可分為機械阻力和空氣阻力兩部分。隨著車速的提高，空氣阻力所占比例迅速提高。以美國60年代生產的典型橋車為例，車速為每小時60公里時，空氣阻力為行駛總阻力的33～40%；車速為每小時100公里時，空氣阻力為行駛總阻力的50〜60%；車速為每小時150公里時，空氣阻力為行駛總阻力的70～75%多（見圖）。各類汽車的空氣阻力係數C_d的範圍見表2。

圖：車速與空氣阻力的關係--車為4門轎車；正投影面積2.04米；重1670千克；C_d=0.45

汽車空氣阻力可分解為：①車型阻力，即由車體外形決定的阻力：②表面摩擦阻力；③干擾阻力，即由於安裝在車體外的零部件，如後視鏡、車門把手、車燈、車頭裝飾件等對氣流干擾引起的阻力；④由拖曳渦引起的“渦阻”；⑥內部氣流阻力，即氣流通過車頭內的散熱器、發動機等引起的阻力。現代轎車的空氣阻力中，車型阻力和“渦阻”約占62%，表面摩擦阻力約占9%，干擾阻力約占17%，內部阻力約占12%。縮小車輛的迎風投影面積，改進車身外形，減少安裝在車外的零部件，將車身下面的部件合理布罝或用托板封閉，均可使空氣阻力係數顯著下降。空氣阻力每減小10%，車輛燃枓消耗大約可降低5%。

表2 各類汽車空氣阻力係數的範圍

類別	空氣阻力係數Cd
	40年代車型	60年代車型	70年代車型	可能達到到
轎車	0.6〜1.0	0.37〜0.58	0.32〜0.58	0.21
賽車		0.15〜0.20
大客車		0.3～0.5
箱式車		0.3～0.5
載貨車		0.46～0.95
牽引車和拖車組合		0.74～1.17
雙輪機車		0.9

汽車空氣動力學研究主要有下列四個方面：①汽車運行中所受的空氣動力和力矩，包括阻力、舉力、俯仰力矩、側傾力矩和擺動力矩，其中舉力和俯仰力矩的研究涉及車輛操縱穩定性，②汽車運行中各部位的流場，包括雨水流的路徑，污垢附著的過程和原理，風噪聲和面板顫振，風擋玻璃上的作用力等；③發動機的冷卻問題；④汽車內的氣候條件。

火車

火車的空氣動力學研究同汽車的空氣動力學研究有許多類似的地方。但由於火車在固定軌道上運行，車身細長，因此也有白己的特點，主要有：①火車橫向穩定性：在大風地區，當火車受到超過某個臨界值的橫風作用時，會發生翻車事故。一般說來，運貨棚車的臨界翻車風速值小。而在運貨棚車中空棚車最易翻車，載貨重量越大越不易翻車。中國某地區典型地段上空棚車的臨界翻車風速為32米/秒，相當於風力11級。②火車通過隧道時的氣動問題：由於隧道容積有限，火車進入隧道時，氣流受到約束，使火車所受阻力比在開闊地行駛時增加1.6〜3.4倍。這方面問題包括車體強度、通風、散熱和兩火車會車時氣流的相互影響以及隧道截面設計等。③電氣列車受電弓的氣動問題：列車高速行駛時受電弓所受空氣阻力、負舉力和動載荷引起的振動會影響受電弓與輸電網之間的接觸壓力少而使受電性能變化，影響列車正常行駛。這方面的研究包括選擇性能良好的受電弓彈簧，確定受電系統的固有頻率和設計合理的懸掛結構等。④火車行駛時邊界層問題：火車行駛時邊界層的作用範圍和強度取決於火車的速度，這方面的研究包括軌道外安全距離的確定和雙線鐵路線路間距的確定等。

研究方法

車輛所受的空氣阻力以及相應的空氣動力係數可通過風洞實驗和外場實驗進行測定。縮小尺寸的車輛模型風洞實驗一般用於車型空氣阻力的測量。因為小尺寸模型很難反映實車的結構細節，不能準確測定表面阻力、干擾阻力和內部氣流阻力等分量，測出的空氣阻力係數往往低於全尺寸風洞實（汽）車實驗的數據。在沒有全尺寸風洞的情況下，可以利用汽車在道路上滑行實驗測定的總阻力和轉鼓試驗中測定的機械阻力，來計算空氣阻力。火車的外場實驗包括縮尺模型實驗和實車實驗兩種，均能得到有用的結果。但工作量大，數據重複性差，往往不夠經濟和安全。

相關書目

方昌烈、陳可興、王悅然：國外改善列車氣動性能的研究概況，《空氣動力學》，第二期，1982。

傅立敏等著：《小公共汽車模型風洞實驗報告》，長春汽車研究所，長春，1978。