为什么说空气动力学对汽车很重要 我想知道一些有关空气动力学的事
对车身稳定性,燃油经济性和表面尘埃有影响。
为什么我们的车上面是曲线 下面是直线 就是应为空气动力学,如果不这样 车就回在跑的时候被掀翻。望采纳
空气动力学对车身稳定性,燃油经济性和表面尘埃有影响。当一个物体穿过空气时,会使周围的空气发生位移,同时该物体会受到重力和阻力的影响,因此阻力会由固体穿过流质(比如空气或水)的过程中产生。
当物体加速时,其速度和阻力同时增加,速度越快,阻力越大,也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强,而且是以成倍的速率增长,最终阻力将与重量相等达到一个平衡点,此时物体将无法继续加速。
车在市区等一些低俗行驶的环境时,基本上的马力用在了对抗地心引力,在高速公路等高速行驶环境下,更大的是对方风阻。把空气想象成薄层的话,当气流经过车身时保持流线状态,说明空气阻力对车身的影响较小。
一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流,从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似水滴的圆滑造型,头部圆滑而尾部尖细。理论上,这种水滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
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在研究车辆的空气动力学时,工程师不仅会研究车体表面的空气流通情况,同时还需考虑车底气流的通过状况。简单的说,越规整的车底,其车底的空气阻力和升力也会越小。这也就是为什么大家看到很多赛车和豪华车的车底都是一整块平面(也起到一定的保护作用),否则可能会造成翻车等事故。
其中最常见的就是发动机盖导流槽、翼子板导流板、前后下包围、侧裙板等这些设计,说它们能简单有效地引导气流,减小空气阻力。
要说空气动力套件还要从车辆的空气动力学讲起,当汽车行驶时,汽车周围的空气流动会对车辆产生各种各样的影响,空气能对汽车产生阻力、消耗能量、影响行驶稳定性;但另一方面,车辆的发动机、刹车等主要部件冷却又需要空气。除此之外包括气流的噪声,车身外表面的清洁,各种覆盖件的震动,甚至还有雨刷性能都会受到空气气流的影响。
空气动力学是力学的一个分支,它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。 空气动力学的发展简史 最早对空气动力学的研究,可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期,荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力;1726年,牛顿应用力学原理和演绎方法得出:在空气中运动的物体所受的力,正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。 1755年,数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分,得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶,法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,后称为纳维-斯托克斯方程。 到19世纪末,经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来,随着航空事业的迅速发展,空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。 航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年,英国的兰彻斯特首先提出无限翼展机翼或翼型产生举力的环量理论,和有限翼展机翼产生举力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。 约在1901~1910年间,库塔和儒科夫斯基分别独立地提出了翼型的环量和举力理论,并给出举力理论的数学形式,建立了二维机翼理论。1904年,德国的普朗特发表了著名的低速流动的边界层理论。该理论指出在不同的流动区域中控制方程可有不同的简化形式。 边界层理论极大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化,给出它的数学结果,从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。但它不能适用于失速、后掠和小展弦比的情况。1946年美国的琼期提出了小展弦比机翼理论,利用这一理论和边界层理论,可以足够精确地求出机冀上的压力分布和表面摩擦阻力。 近代航空和喷气技术的迅速发展使飞行速度迅猛提高。在高速运动的情况下,必须把流体力学和热力学这两门学科结合起来,才能正确认识和解决高速空气动力学中的问题。1887~1896年间,奥地利科学家马赫在研究弹丸运动扰动的传播时指出:在小于或大于声速的不同流动中,弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。 在高速流动中,流动速度与当地声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年,德国空气动力学家阿克莱特首先把这个无量纲参数与马赫的名字联系起来,十年后,马赫数这个特征参数在气体动力学中广泛引用。 小扰动在超声速流中传播会叠加起来形成有限量的突跃——激波。在许多实际超声速流动中也存在着激波。气流通过激波流场,参量发生突跃,熵增加而总能量保持不变。 英国科学家兰金在1870年、法国科学家许贡纽在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式,为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。对于薄冀小扰动问题,阿克莱特在1925年提出了二维线化机冀理论,以后又相应地出现了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论圆满地解决了流动中小扰动的影响问题。 在飞行速度或流动速度接近声速时,飞行器的气动性能发生急剧变化,阻力突增,升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化,这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障,但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后,由于跨声速巡航飞行、机动飞行,以及发展高效率喷气发动机的要求,跨声速流动的研究更加受到重视,并有很大的发展。 远程导弹和人造卫星的研制推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初,确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初,高超声速流动数值计算也有了迅速的发展。通过研究这些现象和规律,发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论等。 由于在高温条件下全引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射,需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。 空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究,包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论、实验方法、测试技术的发展。世界上第一个风洞是英国的韦纳姆在1871年建成的。到今天适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多,风洞实验的内容极为广泛。 20世纪70年代以来,激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展,极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平,促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。 除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外,60年代以来,由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展,出现了工业空气动力学等分支学科。 空气动力学的研究内容 通常所说的空气动力学研究内容是飞机,导弹等飞行器在名种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律,飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律,气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲,空气动力学可有两种分类法: 首先,根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度,空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中,气体介质可视为不可压缩的,对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动,须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。 其次,根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性,空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。 除了上述分类以外,空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。 在低速空气动力学中,介质密度变化很小,可视为常数,使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、举力线理论、举力面理论和低速边界层理论等;对于亚声速流动,无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程,研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法,普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法,在粘性流动方面有可压缩边界层理论;对于超声速流动,无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。 在超声速流动中,基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特-迈耶尔流动、锥型流,等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分,流动变化复杂,流动的控制方程为非线性混合型偏微分方程,从理论上求解困难较大。 高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量,在高超声速流动中,真实气体效应和激波与边界层相互干扰问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。 工业空气动力学主要研究在大气边界层中,风同各种结构物和人类活动间的相互作用,以及大气边界层内风的特性、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和风能利用,以及低层大气的流动特性和各种颗粒物在大气中的扩散规律,特别是端流扩散的规律,等等。 空气动力学的研究方法 空气动力学的研究,分理论和实验两个方面。理论和实验研究两者彼此密切结合,相辅相成。理论研究所依据的一般原理有:运动学方面,遵循质量守恒定律;动力学方面,遵循牛顿第二定律;能量转换和传递方面,遵循能量守恒定律;热力学方面,遵循热力学第一和第二定律;介质属性方面,遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律,等等。 实验研究则是借助实验设备或装置,观察和记录各种流动现象,测量气流同物体的相互作用,发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子计算机的迅速发展,数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用,高速电子计算机在实验研究中的作用也日益增大。因此,理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近代空气动力学研究的主要特征。 空气动力学研究的过程一般是:通过实验和观察,对流动现象和机理进行分析,提出合理的力学模型,根据上述几个方面的物理定律,提出描述流动的基本方程和定解条件;然后根据实验结果,再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围,并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。 20世纪70年代以来,空气动力学发展较为活跃的领域是湍流、边界层过渡、激波与边界层相互干扰、跨声速流动、涡旋和分离流动、多相流、数值计算和实验测试技术等等。此外,工业空气动力学、环境空气动力学,以及考虑有物理化学变化的气体动力学也有很大的发展。 阻抗是指车载扬声器输入信号的电压与电流的比值,其单位为欧姆(Ω)。通俗的说阻抗也就是车载扬声器对电流所呈现出的阻力,阻抗并不等于就是电阻,而是包括电阻和电抗,即包括电阻和电感、电容产生的感抗和容抗三个部分,是这三者在向量上的总和。 在相同电压下,阻抗越高电流越小,阻抗越低电流越大。在功放与输出功率相同的情况下,低阻抗的车载扬声器可以获得较大的输出功率,但是阻抗太低了又会造成欠阻尼和低音劣化等现象。通常,车载扬声器的阻抗越低,便越难于推动。阻抗并不是一个常数值,而是随着播放的音乐的频率而不断变化起伏,可能在某频率高到十几欧姆或二十几欧姆,也可能在某频率低到一欧姆或以下,一般以其谐振频率下共振峰之间所呈现的最低阻抗值来作为其标称值。目前,大部分车载扬声器的阻抗是在2-8欧姆。我国国家标准规定的音箱阻抗优选值有4Ω、8Ω、16Ω(国际标准推荐值为8Ω)。 在选购车载扬声器时,也一定要注意与车载功放的阻抗匹配问题,也就是其阻抗要在车载功放的负载阻抗范围之内,只有这样车载功放才能安全工作并提供最理想的功率输出。 F1中空气动力学的最基本原理和公式 推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T(忽略摩擦阻力)。由于受到风轮的影响,上游自由风速V0逐渐减小,在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0,随着向叶轮的推进,压力逐渐增加,通过叶轮后,压力降低了ΔP,然后有又逐渐增加到P0(当速度为U1时)。 根据伯努力方程 H=1/2(ρv2)+P…………(1) ρ—空气密度 H—总压 根据公式(1), ρV02/2+P0=ρu2/2+p1 ρu12/2+P0=ρu2/2+p2 P1-p2=ΔP 由上式可得 ΔP=ρ(V02- u12)/2………(2) 运用动量方程,可得作用在风轮上的推力为: T=m(V1-V2) 式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量 所以: T=ρSu(V0-u1) 所以: 压力差ΔP=T/S=ρu(V0-u1) 由(2)和(3)式可得:u=1/2[(V0-u1)] ……………………(4) 由(4)式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值,因此,如果我们用下式来表示u。 u=(1-a)*V0 (5) a 称为轴向诱导因子,则u1可表示为: u1=(1-2a)*V0 (6) 功率P和推力T可分别表示为: T=ΔP*A (7) P=ΔP*u*A (8) 根据方程(2),(3)和(6)可得: P=2ρa(1-a) 2 * V03A (9) T=2ρa(1-a) V02A (10) 通过定义功率和推力系数: CP=4a(1-a)2 (11) CT=4a(1-a) (12) 方程(9)和(10)可写成如下形式: P=0.5ρV03 A CP (13) T=0.5ρV03 A CT (14) 对方程(11)求极值 ∂Cp/∂a=4(3a2-4a+1)=0 (15) 求得 a=(2±1)/3=1或1/3 根据公式(6)a〈0.5 所以a=1/3时,Cp有极大值 (Cp)max=16/27≌0.59 (16) 当a=1/3时,Cp值最大。 2.尾涡的旋转 1. 中的公式推导是基于以下假设:力矩保持线性,没有旋转个发生。 然而,叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的,根据牛顿第二定律,尾涡也在旋转,并且其旋转方向和叶轮相反。 U1=2ωrab (17) ω: 叶轮角速度 b: 切向诱导因子 作用在环素dr上的力矩为:dQ=mutr =(ρu*2πrdr)utr =2πr2ρu*utdr (18) m----- 通过环素的质量流 相应的功率为: dp= *dQ (19) 用a,b和方程(18)可以写出 dp=4πr3Ρv0ω2(1-a)bdr (20) 叶轮吸收中的总功率为: P=4π(V0/λ2R2) ρ∫0R(1-a)btr3dr (21) 尖速比 =V0/ωr (22) 空气动力学基础 由于受到风轮的影响,上游自由风速V0逐渐减小,在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0,随着向叶轮的推进,压力逐渐增加,通过叶轮后,压力降低了ΔP,然后有又逐渐增加到P0(当速度为U1时)。 根据伯努力方程 H=1/2(ρv2)+P…………(1) ρ—空气密度 H—总压 根据公式(1), ρV02/2+P0=ρu2/2+p1 ρu12/2+P0=ρu2/2+p2 P1-p2=ΔP 由上式可得 ΔP=ρ(V02- u12)/2………(2) 运用动量方程,可得作用在风轮上的推力为: T=m(V1-V2) 式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量 所以: T=ρSu(V0-u1) 所以: 压力差ΔP=T/S=ρu(V0-u1) 由(2)和(3)式可得:u=1/2[(V0-u1)] ……………………(4) 由(4)式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值,因此,如果我们用下式来表示u。 u=(1-a)*V0 (5) a 称为轴向诱导因子,则u1可表示为: u1=(1-2a)*V0 (6) 功率P和推力T可分别表示为: T=ΔP*A (7) P=ΔP*u*A (8) 根据方程(2),(3)和(6)可得: P=2ρa(1-a) 2 * V03A (9) T=2ρa(1-a) V02A (10) 通过定义功率和推力系数: CP=4a(1-a)2 (11) CT=4a(1-a) (12) 方程(9)和(10)可写成如下形式: P=0.5ρV03 A CP (13) T=0.5ρV03 A CT (14) 对方程(11)求极值 ∂Cp/∂a=4(3a2-4a+1)=0 (15) 求得 a=(2±1)/3=1或1/3 根据公式(6)a〈0.5 所以a=1/3时,Cp有极大值 (Cp)max=16/27≌0.59 (16) 当a=1/3时,Cp值最大。 2.尾涡的旋转 1. 中的公式推导是基于以下假设:力矩保持线性,没有旋转个发生。 然而,叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的,根据牛顿第二定律,尾涡也在旋转,并且其旋转方向和叶轮相反。 U1=2ωrab (17) ω: 叶轮角速度 b: 切向诱导因子 作用在环素dr上的力矩为:dQ=mutr =(ρu*2πrdr)utr =2πr2ρu*utdr (18) m----- 通过环素的质量流 相应的功率为: dp= *dQ (19) 用a,b和方程(18)可以写出 dp=4πr3Ρv0ω2(1-a)bdr (20) 叶轮吸收中的总功率为: P=4π(V0/λ2R2) ρ∫0R(1-a)btr3dr (21) 尖速比 =V0/ωr (22) 诱导因子分别给V0和ωr一个诱导速度,并且产生一个相对速度W,因为假设的是无摩擦流动,诱导速度必定垂直于W,a和b并不是独立的,有以下关系: 〔bωr〕/[aV0]=[V0(1-a)]/[ ωr(1+b)] (23) λ(r)=V0/ωr (24) 由以上两式可得: a(1-a) λ2(r)=b(1+b) (25) 对于小的尖速比λ(r)来说,叶片转速相对风速来说较大,这时切向诱导系数b几乎可以忽略,轴向诱导系数几乎达到了0.333,对于大的尖速比λ(r),尾涡的影响较大,最大功率输出时,a减小到0.25。 理想的高速风机(无摩擦)其风能利用系数可达到贝兹极限(Cp=0.593),然而低速风力机如多叶片风机由于尾涡的影响其理论Cp值不会超过0.30。 扰流翼板在F1上的应用来得太猛了一些。一开始,扰流翼板还只是前后车身上的小小的凸起。但仅仅过了几个星期,工程师们就已经开始在车身上装置巨大的、突出车身许多的前翼和尾翼了。可惜的是,那个年代科技的发展还无法让工程师计算出翼板究竟给赛车带来多大的影响,而且翼板普遍装配得不够结实,高速下很容易折断,而这种情况一旦发生将会非常危险。 1969年,F1赛车设计得像火鸡的腿一样,扰流翼板的层数不断增多,高度不断提升,悲剧看来在所难免。西班牙巴塞罗那Montjuich赛道上两次严重的事故,使CSI(国际汽联主管赛事部门)得不痛下决心禁止F1赛车车身上出现任何扰流翼板。在那次事故中,两辆莲花赛车的尾翼先后脱落,险些造成重大人员伤亡。 扰流翼板本来应该全面禁止,但是一系列争执之后CSI做出了让步。扰流翼板没有完全取消,但是,对其非常严格限制,限制的内容包括尺寸、布置位置、强度以及连接等等。 表面的扰流翼板被限制了,赛车设计师开始想其他的办法来对抗,随后抽气机组件、地面效应组件开始出现,下压力还会继续提升,空气、设计师和FIA的游戏没有终止,悲剧也许也没有终结。
空气动力学
空气动力学是力学的一个分支,它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
空气动力学的发展简史
最早对空气动力学的研究,可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期,荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力;1726年,牛顿应用力学原理和演绎方法得出:在空气中运动的物体所受的力,正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。
1755年,数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分,得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶,法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,后称为纳维-斯托克斯方程。
到19世纪末,经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来,随着航空事业的迅速发展,空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。
航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年,英国的兰彻斯特首先提出无限翼展机翼或翼型产生举力的环量理论,和有限翼展机翼产生举力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。
约在1901~1910年间,库塔和儒科夫斯基分别独立地提出了翼型的环量和举力理论,并给出举力理论的数学形式,建立了二维机翼理论。1904年,德国的普朗特发表了著名的低速流动的边界层理论。该理论指出在不同的流动区域中控制方程可有不同的简化形式。
边界层理论极大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化,给出它的数学结果,从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。但它不能适用于失速、后掠和小展弦比的情况。1946年美国的琼期提出了小展弦比机翼理论,利用这一理论和边界层理论,可以足够精确地求出机冀上的压力分布和表面摩擦阻力。
近代航空和喷气技术的迅速发展使飞行速度迅猛提高。在高速运动的情况下,必须把流体力学和热力学这两门学科结合起来,才能正确认识和解决高速空气动力学中的问题。1887~1896年间,奥地利科学家马赫在研究弹丸运动扰动的传播时指出:在小于或大于声速的不同流动中,弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。
在高速流动中,流动速度与当地声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年,德国空气动力学家阿克莱特首先把这个无量纲参数与马赫的名字联系起来,十年后,马赫数这个特征参数在气体动力学中广泛引用。
小扰动在超声速流中传播会叠加起来形成有限量的突跃——激波。在许多实际超声速流动中也存在着激波。气流通过激波流场,参量发生突跃,熵增加而总能量保持不变。
英国科学家兰金在1870年、法国科学家许贡纽在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式,为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。对于薄冀小扰动问题,阿克莱特在1925年提出了二维线化机冀理论,以后又相应地出现了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论圆满地解决了流动中小扰动的影响问题。
在飞行速度或流动速度接近声速时,飞行器的气动性能发生急剧变化,阻力突增,升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化,这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障,但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后,由于跨声速巡航飞行、机动飞行,以及发展高效率喷气发动机的要求,跨声速流动的研究更加受到重视,并有很大的发展。
远程导弹和人造卫星的研制推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初,确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初,高超声速流动数值计算也有了迅速的发展。通过研究这些现象和规律,发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论等。
由于在高温条件下全引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射,需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。
空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究,包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论、实验方法、测试技术的发展。世界上第一个风洞是英国的韦纳姆在1871年建成的。到今天适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多,风洞实验的内容极为广泛。
20世纪70年代以来,激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展,极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平,促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。
除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外,60年代以来,由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展,出现了工业空气动力学等分支学科。
空气动力学的研究内容
通常所说的空气动力学研究内容是飞机,导弹等飞行器在名种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律,飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律,气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲,空气动力学可有两种分类法:
首先,根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度,空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中,气体介质可视为不可压缩的,对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动,须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。
其次,根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性,空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。
除了上述分类以外,空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。
在低速空气动力学中,介质密度变化很小,可视为常数,使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、举力线理论、举力面理论和低速边界层理论等;对于亚声速流动,无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程,研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法,普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法,在粘性流动方面有可压缩边界层理论;对于超声速流动,无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。
在超声速流动中,基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特-迈耶尔流动、锥型流,等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分,流动变化复杂,流动的控制方程为非线性混合型偏微分方程,从理论上求解困难较大。
高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量,在高超声速流动中,真实气体效应和激波与边界层相互干扰问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。
工业空气动力学主要研究在大气边界层中,风同各种结构物和人类活动间的相互作用,以及大气边界层内风的特性、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和风能利用,以及低层大气的流动特性和各种颗粒物在大气中的扩散规律,特别是端流扩散的规律,等等。
空气动力学的研究方法
空气动力学的研究,分理论和实验两个方面。理论和实验研究两者彼此密切结合,相辅相成。理论研究所依据的一般原理有:运动学方面,遵循质量守恒定律;动力学方面,遵循牛顿第二定律;能量转换和传递方面,遵循能量守恒定律;热力学方面,遵循热力学第一和第二定律;介质属性方面,遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律,等等。
实验研究则是借助实验设备或装置,观察和记录各种流动现象,测量气流同物体的相互作用,发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子计算机的迅速发展,数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用,高速电子计算机在实验研究中的作用也日益增大。因此,理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近代空气动力学研究的主要特征。
空气动力学研究的过程一般是:通过实验和观察,对流动现象和机理进行分析,提出合理的力学模型,根据上述几个方面的物理定律,提出描述流动的基本方程和定解条件;然后根据实验结果,再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围,并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。
20世纪70年代以来,空气动力学发展较为活跃的领域是湍流、边界层过渡、激波与边界层相互干扰、跨声速流动、涡旋和分离流动、多相流、数值计算和实验测试技术等等。此外,工业空气动力学、环境空气动力学,以及考虑有物理化学变化的气体动力学也有很大的发展。
当汽车高速运动时空气的作用就很可观了,如果设计的不好就可能发飘。于是就有了尾冀来增加下压力。下压力过大又会造成动力浪费。
其实没那么复杂,空气动力学理论基础都是参考鸟或鱼得来的。
汽车的要求一般就是两项,一个是减阻,另一个就是要增加下压力,当然重型车就没必要了,主要是说轻型车。
减阻方面,一般都是流线型,就是比较圆滑的形状,气流就顺着边过去了。现在的高铁是非常明显的,都是子弹头形状,实验中的能超过每小时500公里,比赛车还快的多。
而增加下压力,要看车重,很重的车就没必要了,轻的车,就考虑让车身下方的气流稍微绕过一些圆弧,这样气流速度增加,降低压强,就能把车压下来一些,和飞机正好相反;有些简单的就弄个尾翼,但尾翼是要增加阻力的,因为它是一个斜面,吹到上面的气流会有一部分力的分量向下。
有没有违反空气动力学的虫子?
没有违反空气动力学的虫子,你提到的那篇文章可能是篇浅科普文章,其作者对空气动力学了解的不是很多。一般来说,比空气重的物体在空气中飞翔所需要的升力可以有三种方式提供,第一种最简单,就是像火箭那样,向下喷出高速燃气用反作用力平衡地球引力,这种方法最耗能;第二种方式就像飞机,用固定的机翼...
为了获得对空气动力学的新见解,科学家们将目光转向纸飞机
一组科学家研究发现,使用纸飞机进行的一系列实验揭示了新的空气动力学效应。它的发现增强了人们对飞行稳定性的理解,并可能启发新型飞行机器人和小型无人机相关设计。纽约大学柯朗数学科学研究所副教授、该研究的作者Leif Ristroph解释说:“这项研究的起因,是对‘什么是好的纸飞机’问题的简单好奇,特别...
流体艺术大师:奥迪的空气动力学
伊斯兰负责奥迪公司的空气动力学及空气声学开发,他深知空气动力学必须与整车设计和内饰设计相互协调,因此对于e-tron GT来说它必须最终是一款拥有相当实用性的四门电动跑车,而不是一颗正在落下的水滴。 首先要了解的是:这个风阻系数值到底意味着什么?“风阻系数值表示了物体的空气动力学质量,也就是物体在飞行时的损耗...
钢铁侠飞行时的稳定性从空气动力学上来说可以实现么?
不能,钢铁侠最高时速是八马赫也就是音速的8被,稍稍一动就偏离了学科分类 通常所说的空气动力学研究内容是飞机、导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律,飞行器所受的举力和阻力等及其变化规律,气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。
常用标点符号的用法
“今天好热啊!──你什么时候去上海?”张强对刚刚进门的小王说。 3.用于声音延长的拟声词后面。 “呜──”火车开动了。 4.用于事项列举分承的各项之前。 根据研究对象的不同,环境物理学分为以下五个分支学科:──环境声学;──环境光学;──环境热学;──环境电磁学;──环境空气动力学。 省略号⑤ …… ...
空气动力学基础知识储备
空气动力学应用之汽车空气套件改装升级的基础知识储备 加个尾翼、加个前唇或者换个包围,这些对改装玩家来说,都是一件十分平常的事,不讨论其能够增加多少下压力、怎样进行扰流云云,光是加装\/改装空力套件后车辆颜值的提高,这笔钱就花得值了。但是,当我们到汽配城或者改装店中选购空力套件时,问题就来了:同一个...
问个空气动力学原理在实际中的应用问题
这是个比较专业的空气动力学问题,在空气中运动的物体所受到的空气阻力一般分为三个部分,1、摩擦阻力,2、压差阻力,3、激波阻力。摩擦阻力是指气流分子流过物体表面时与物体摩擦所产生的阻力,其大小与物体表面面积和表面粗糙程度成正比,压差阻力是指气流流过物体表面时,在物体前方和后方形成的压力差...
投掷纸飞机之前通常要哈一口气,这一口气到底有什么用?
小的时候大家都有玩过纸飞机吧,每次飞机在飞出去之前都要哈一口气,那个时候傻傻的,看别人都这么做,所以自己也跟着这么做,飞之前都要哈一下再飞。那么这个到底是有什么科学的依据吗?一起来看看吧。1,从物理的角度来说,这个跟空气动力学有关。因为纸飞机的机头比较小,可以减少空气的阻力,但是...
旅行者一号每秒17公里,是最快人造物吗?
首先第一点我们制造任何宇宙航空的飞行器或者飞机等等一些东西,我们都要运用到空气动力学说,毕竟空气动力学它涉及到的方面有很多关于制造飞机等等问题上,它都有很好的讲述了一些方法和理论。而旅行者1号它正是把空气动力学的一个阻碍降到了最低来保持它高速度,同时对待外界的阻力能够降到最低。可以说...
大家说说F1与飞机哪个对空气动力学的要求更
飞机对空气动力学的要求更复杂,F1对空气动力学的要求更精细。
泊侍甘油: 从19世纪末到20世纪初期,汽车设计师把主要精力都用在了汽车的机械工程学的发展... 因为赛车首先考虑流体力学(空气动力学)等问题对汽车的影响,车身可以完全按楔...
永清县18779003174: 空气动力学对于汽车到底有多重要? - ?
泊侍甘油: 当汽车高速运动时空气的作用就很可观了,如果设计的不好就可能发飘.于是就有了尾冀来增加下压力.下压力过大又会造成动力浪费.前者主要研究空气运动以及空气与物体相对运动时相互作用的规律,主要是飞行器这方面的 后者主要研究研究与热力学现象有关的气体的运动规律及其与相对运动物体之间的相互作用
永清县18779003174: 空气动力学对车子的影响是什么? - ?
泊侍甘油: 然一级方程式赛车是一种高速汽车,但在机械概念上却较接近喷射机,而非家庭房车.它们巨大的双翼不但具用商业广告牌的作用,同时还可以产生至关重要的「下压力」.这种空气动力会使流经汽车上方的气流将车身向下压,使车子紧贴在车...
永清县18779003174: 汽车的原理是什么??
泊侍甘油: 从空气动力学方面说汽车的动力原理是这样子的: 一辆汽车在行使时,会对相对静止的空气造成不可避免的冲击,空气会因此向四周流动,而蹿入车底的气流便会被暂时困于车底的各个机械部件之中,空气会被行使中的汽车拉动,所以当一辆汽车飞驰而过之后,地上的纸张和树叶会被卷起.此外,车底的气流会对车头和引擎舱内产生一股浮升力,削弱车轮对地面的下压力,影响汽车的操控表现. 另外,汽车的燃料在燃烧推动机械运转时已经消耗了一大部分动力,而当汽车高速行使时,一部分动力也会被用做克服空气的阻力.所以,空气动力学对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操控性,同时也是降低油耗的一个窍门. 希望这些对你有点参考意义!
永清县18779003174: 所谓的“空气动力汽车”是怎么一回事 - ?
泊侍甘油: 空气动力学在科学的范畴里是一门艰深的度量科学,一辆汽车在行使时,会对相对静止的空气造成不可避免的冲击,空气会因此向四周流动,而蹿入车底的气流便会被暂时困于车底的各个机械部件之中,空气会被行使中的汽车拉动,所以当一辆汽车飞驰而过之后,地上的纸张和树叶会被卷起.此外,车底的气流会对车头和引擎舱内产生一股浮升力,削弱车轮对地面的下压力,影响汽车的操控表现. 另外,汽车的燃料在燃烧推动机械运转时已经消耗了一大部分动力,而当汽车高速粻矗纲匪蕺睹告色梗姬行使时,一部分动力也会被用做克服空气的阻力.所以,空气动力学对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操控性,同时也是降低油耗的一个窍门.
永清县18779003174: 空气动力汽车原理 - ?
泊侍甘油: 主要是采取混合动力驱动方式,空气动力装置可将怠速时浪费的空转能量和刹车时浪费的动能回收,转化成压缩空气,贮存在蓄能器中,以此减少发动机起步产生的高排放.
永清县18779003174: 何为空气动力学车??
泊侍甘油: 说白就是汽车的风阻系数,风阻系数越低油耗也低, 风阻系数Cd是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个标准.风阻系数越小,说明它受空气阻力影响越小,反之亦然,因此说风阻系数越小越好.一般来讲,流线性越强的汽车,其风阻系数越小.
永清县18779003174: 汽车马力动力跟发动机的什么有关? - ?
泊侍甘油: 首先,发动机功率(马力)的大小和发动机的排量、进气压力、转速等很多东西有关.最直接的就是功率的定义,发动机功率为发动机单位时间内输出的功,我们知道,四冲程发动机每转两圈,就会循环做功一次.因此,单位时间内做的功=每...
永清县18779003174: F1空气动力学的解释与作用?
泊侍甘油: 空气动力学可以说是赛车的灵魂,而且空气动力学不是我们普通人就能解释的清楚的.只能简单的说一说. 过弯时的离心力是由摩擦力产生的,摩擦力的原理是,压力越大摩擦力就越大,空气动力学就是对赛车产生一个下压力,让赛车更加快速、而且稳定的过弯.想要压力更大,翼片的角度就要调大.对于一场比赛来说,赛道不是全部由弯道组成的,它还有很多的直道.翼片的角度大了,就会产生空气的阻力,而且车速增快,下压力也会增大,摩擦力也加大了.所以赛车工程师就要来确定到底怎么设置空气动力学,怎么才能达到一个理想的状态. 你经常可以看到如果一辆车前定风翼受到损害的话,是很难过弯的.因为没有了下压力,轮胎很难再产生很大的摩擦力,所以只能缓慢过弯,快了就冲出去了.
永清县18779003174: 空气动力学与车身构造的影响 - ?
泊侍甘油: 空气动力学简介空气动力学是流体力学的一个分支,是研究空气或其他气体的运动规律,空气或其他气体与飞行器或其他物体发生相对运动时的相互作用和伴随发生的物理化学变化的学科.它是在流体力学基础上随航空航天技术的发展而形成...