高速車輛車頭改進(jìn)的空氣動力學(xué)特性研究

花超

摘要：隨著出行人們出行需求的逐漸增多，汽車數(shù)量也在逐漸的增加，致使車輛在進(jìn)行不斷革新。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)的方法也被逐漸的應(yīng)用在汽車空氣動力學(xué)上。空氣力學(xué)的特性在一定程度上影響了汽車的性能以及使用，并且車輛車頭的形狀以及車頭的結(jié)構(gòu)都會對車輛的速度以及性能產(chǎn)生一定的影響，所以要對車輛的車頭進(jìn)行改進(jìn)，這樣才能使高速車輛的行駛速度更快，進(jìn)而緩解日益緊張的交通壓力。

關(guān)鍵詞：高速車輛車頭改進(jìn) 空氣動力學(xué)特性 研究

—、本文研究的意義

本文將對汽車的車頭部分進(jìn)行改造，并且要嘗試對車頭的造型進(jìn)行不斷的模擬，進(jìn)而觀察汽車外面的外流場以及車身表面的壓力情況，并對比得出的結(jié)果，然后再分析產(chǎn)生這種情況的原因，進(jìn)而能夠設(shè)計出更好的車頭造型，使車輛的速度得到更好的提高，這就是本文研究的重要意義。

二、汽車空氣動力學(xué)的相關(guān)介紹

汽車空氣動力學(xué)就是對汽車外空氣流經(jīng)的規(guī)律進(jìn)行研究，并且對汽車之間的相互作用進(jìn)行研究。汽車在行駛的過程中會受到各方面力的作用。除了汽車在行駛時來自地面的摩擦力之外，還有汽車行駛時周圍氣流對汽車的速度也會造成一定的影響。汽車在行駛中的摩擦力大小會受到汽車的重量、汽車滾動的阻力以及汽車重點的位置影響。影響汽車速度的氣動力主要是由汽車的行駛速度、汽車自身的外形以及風(fēng)向角決定的。

三、汽車空氣動力學(xué)的發(fā)展歷程

空氣動力學(xué)簡單的說就是探究空氣或者別的氣體的運動，同時研究氣體和物體之間產(chǎn)生相互影響的科學(xué)，最初的發(fā)展是為了解決航空航天行業(yè)的問題。到后來。此科學(xué)慢慢的應(yīng)用到汽車行業(yè)。人們才意識到汽車行業(yè)應(yīng)用的空氣動力學(xué)和航空航天領(lǐng)域不太一樣，這是由于汽車本身的形狀存在局限性。汽車行業(yè)中空氣動力學(xué)的發(fā)展歷程主要由以下幾個階段：

1.基本形狀造型階段。其發(fā)展的初級階段，人們采用了水流或者氣流的外形在汽車行業(yè)中應(yīng)用，如船尾形等。采用了這種外形之后，汽車的阻力系統(tǒng)確實是改變了不少，但是還是缺乏進(jìn)一步的實踐研究，不知道氣流經(jīng)過后會發(fā)生相應(yīng)的改變。因此船尾形的汽車外形應(yīng)用存在一定的缺陷。

2.流線型階段。最初的階段經(jīng)歷了漫長的改革后，汽車空氣動力學(xué)才迎來了新的突破。要想讓汽車獲得最小的阻力，需要使用流線型來構(gòu)成車身的前半部分，同時還可以將車尾的分離去除來減少汽車的阻力。汽車前身的流線型和車尾的流場是相互作用的。此階段人們對氣流的阻力和開車穩(wěn)定性的方面有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，解決側(cè)風(fēng)對汽車的影響，同時解決了開車過程中如果遇到短暫強風(fēng)的影響等。

3.汽車的細(xì)節(jié)優(yōu)化階段。從上個階段開始，汽車的外形基本已經(jīng)定型，但隨著汽車行業(yè)的發(fā)展。在原先外形的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化，此階段在原有的外形上進(jìn)行形體細(xì)節(jié)部位的優(yōu)化，比如圓角設(shè)計、曲面設(shè)計等，進(jìn)一步降低汽車的阻力，同時對氣流的分離進(jìn)行控制。

4.汽車外形的整體優(yōu)化階段。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車空氣動力學(xué)進(jìn)入到整體優(yōu)化階段，此階段，人們對汽車?yán)@流的特點有了進(jìn)一步的認(rèn)識。其整體優(yōu)化的中心思想就是先確定一個外形。此外形需要達(dá)到理想的低阻力，然后在解析汽車每個細(xì)節(jié)時，要嚴(yán)格要求外形的光順性，達(dá)到氣流經(jīng)過汽車外形時不會出現(xiàn)分離的現(xiàn)象。

汽車動力學(xué)的發(fā)展歷程可以從汽車外形來表現(xiàn)出來。在這個漫長的過程當(dāng)中，汽車的阻力系數(shù)從最初的0.9降到了0.45。這是通過幾代科學(xué)家努力的成果。在一定程度上代表了汽車動力學(xué)的研究成果。美國的實驗室已經(jīng)研制出可以將阻力系數(shù)降到0.1以下，但是這只是在實驗室中實現(xiàn)的，要想發(fā)展在社會當(dāng)中，還存在一定的困難。

四、不同的車頭外形對車身外流場的影響

車頭的外形不同會對相應(yīng)的外流暢造成不同的影響。其車頭的外形一般情況下有以下幾種形狀，其中包括：圓弧曲面的車頭、車頭的上緣凸起、大曲面的車頭。經(jīng)過不同車頭的分析得出：第一，汽車發(fā)動機的機罩和車身擋風(fēng)玻璃的弧面設(shè)計。在一定程度上，能夠改變氣流流動的狀況，從而降低阻力系統(tǒng)。第二，車頭的曲面弧度設(shè)計的越好，則車頭引導(dǎo)的氣流在車身上流動越順暢，進(jìn)而減低了車頭頂部的阻力。在一定程度上改變了阻力系數(shù)。第三。如果想要車頭受壓力情況不同，那么就需要改變車頭迎風(fēng)面的外形，但是有時候一味的增大車頭的受壓力，會增加車頭的阻力系數(shù)，因此，需要找到一個平衡點，讓二者達(dá)到最佳狀態(tài)。第四，如果想要阻力系統(tǒng)降到最低。那么可以選擇單凸弧面形狀的車頭。但是這種車頭的缺點就是隨著汽車速度的增大，車頭會往上升，這樣就會造成車輛的安全性、穩(wěn)定性的降低。

五、高速車輛的外場流情況

眾所周知，汽車的速度越快，其阻力越大，穩(wěn)定性越差，要想解決汽車的速度問題，就要降低阻力系數(shù)。同時增加穩(wěn)定性。經(jīng)過分析表明。適當(dāng)?shù)母淖兤嚨妆P的形狀可以實現(xiàn)以上要求。底盤的形狀可以改變氣流的出流，增加了汽車底部的負(fù)壓力，從而降低汽車高速運動中上升的系數(shù)，這種方法相對于改變車頭來說。其效果更加顯著。但是還需要考慮一定要求。就是觀察汽車尾氣流的大小，如果出現(xiàn)比較大的氣流時，那么車身底部的壓力會變得更大。從而阻力系數(shù)也會變大。

六、結(jié)束語

綜上所述，本文通過對汽車車頭改進(jìn)研究存在的意義為切入點，進(jìn)而介紹了研究中涉及到的空氣動力學(xué)，對空氣動力學(xué)在汽車行業(yè)的發(fā)展歷程進(jìn)行分析。從而研究出汽車是如何一步步滿足其最佳性能要求的。主要是從汽車的外形、減少阻力系數(shù)、安全穩(wěn)定性來進(jìn)行研究。此研究受到各國汽車公司的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。我相信對汽車行業(yè)的研究會使汽車各方面的能力得到提高，希望通過本文的介紹能夠幫助到汽車行業(yè)的研究人員。