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看不到摸不着但很重要 车辆空气动力学入门

2019-01-18 15:16
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流场

流场,全程气流场域。指的是汽车在运动状态下,流过车辆整个外表面(包括车身车底和轮胎等每个能接触到外界空气的地方)所有空气的状态。车子的流场分为两类,一类是还没碰到车子本身的,处于不受干扰状态的空气,这类叫自由流。另一类是流经车体的,拥有不同速度的气流,这些,就是流场本身。

层流和湍流

我们都知道气流是有不同速度的,有的你完全感觉不到,有的像龙卷风一样猛烈。但在空气动力学里,你总不能简单地用“风大风小”来衡量对吧,因此,就有了层流和湍流之分。

层流,指的是流动缓慢,不容易受到外界影响(这个点很重要)的气流,而湍流指代流动速度较快,容易和外界发生交互的气流。区分层流和湍流用的是一个叫雷诺数的数值。雷诺数2300以下的是层流,这种气流黏性很大,不容易和外界发生相互作用,雷诺数4000以上的是湍流。层流湍流和接下来要说到的气流黏性,是研究车子空气动力学最基本的知识点。

气流黏性与边界层

空气是有黏性的,试试往一根吸管里吹一口气,你感受到了什么?你当然感觉不到什么,但实际上在吸管里发生的事,远不止“我往吸管里吹了一口气”那么简单。

吸管里本身是有气流在流动的,你一口气吹下去,从你口里出来的速度较快的空气,遇到吸管里速度比较慢的空气,在这两股气流中间,就会产生一个很奇妙的力,这个力会阻碍两股气流的流速继续加速,换句话说,当两股气流相遇(无论是对向还是同向)时,这两股气流都会减速,原因就是因为气流有黏性,这些黏性拉住对方,让两股气流同时减速。

再换一个实验,在你手上吹一口气,当然你感觉到的只是手上有风吹过。但实际上你手上发生的事并没有那么简单。一股气流流经你固定着的手。这时候由于气流黏性作用,在你手部皮肤上方会发生很有趣的现象。

高速度的气流在静止的固体表面(你的手,或者车体表面)会因为黏性作用而流速大减。减到从湍流变成层流为止(还记得前面说过的湍流层流吗?敲黑板了!)。那么在高速度的湍流和低速度(你就看作是静止吧)的层流中间,就会出现一层过渡带,这层东西,叫边界层。

边界层是车辆空气动力学中最重要的术语之一。这个边界层可大可小,而且和气流温度和固体表面温度关系巨大。简单来说,固体表面温度不变,气流温度越高,边界层越厚,反之亦然。

边界层剥离

不要不相信,这是每一个车子的空气动力工程师最不愿意看到的结论。边界层剥离,直接代表着这个部分的设计完全是无效的,错的。但到底什么是边界层剥离?

前面说的边界层可大可小大家都知道吧?那么如果我这边界层大到一定程度会咋样呢?前面提到气流有黏性,它理论上会贴着车体表面一直流过去,但如果边界层太大(通常都是车子外表面形状突然大角度变化),气流就会像脱轨的过山车一样直接飞走,不能再继续贴在固体表面了,这种状况,就叫边界层剥离。

边界层剥离后的气流走向是不可控的,对于车子来说,一旦出现边界层剥离,意味着某个地方的外形设计肯定是大错特错,这种状态下的汽车,已经没有了保持整体流场的能力,气流会一下子变得乱七八糟。

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