扰流板的汽车扰流板的空气动力学原理

如题所述

第1个回答  2016-05-13

尾翼,即汽车扰流板并不是简单的起装饰作用,而是使汽车在高速驰骋时增加它的抓地力和稳定性,特别是使汽车在弯道不易于翻倒,并且可以节省燃油。那么它是如何起这种作用的呢?这就需要我们先来了解一下飞机机翼升力机制的空气动力学原理。
飞机在飞行过程中会受到重力、空气阻力、推力和升力,而机翼的作用就是产生升力,即用来平衡重力而不致使飞机掉下。图2为机翼的侧视图及在高速状态下的气流分布,可见机翼的侧向截面是顶部弯曲而底部相对较平的形状。当机翼在空气中穿过时将气流分隔开来,部分空气从机翼上方流过,另一部分则从其下方流过。空气的流动在日常生活中是看不见的,但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。
日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。流过机翼的气流与河床中的流水类似,由于机翼一般是不对称的上表面比较凸而下表面比较平,流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水,流速较快;而流过机翼下表面的气流正好相反,类似于较宽地方的流水,流速较上表面的气流慢。根据伯努力方程所得的流体力学基本原理,在流体的流动中,压强跟流速有关,流速v大的地方压强p小,流速v小的地方压强p大。
同理,空气流动慢的区域大气压强较大,而流动快的区域大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高。换一句话说,就是大气施加于机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力,且流速越大,这个升力也越大,这也正是为什么飞机起飞需要一个较大的速度的原因,因为这是需要升力大于飞机本身的重力。
汽车侧面视图也类似于机翼,如图3所示,它的侧面截图上下也是不对称的,也是底部较平、顶部弯曲。那么它在高速运动时,车的前部也会把气流分隔开来,一部分从车体的上方流过,另一部分从下方流过,这样也使它处在和机翼一样的情形中,导致车体上、下表面的气流速度不一样,即上方的流速大于下方的流速,从而导致向上的压力大于向下的压力。二者的压力差也会形成一个升力,使汽车在高速运动时受力情况就象一个机翼,受到向上的一个升力,而且根据伯努力方程可得车速越大升力也会越大,这样就会减小汽车的抓地力(即汽车对地面的压力)。在极端情况下,如速度极大的情况下完全有可能使升力大于车体重力,那就会出现车体离地,造成发动机空转的情况,浪费燃油,有时甚至会出现危险,特别是在拐弯处。如果出现这种情况,就会出现汽车做离心运动的情形,造成车辆翻车的事故。
因此,为了避免这种情况的出现,人们想到了为什么不能把一个“反机翼”安装在汽车上(如图4所示),从而形成一个与机翼升力相反的下压力F。这里的所谓反机翼指的是在汽车上装一个倒置的机翼,它的特征是顶部较平,而底部弯曲,使它在高速的气流中上方的气流速度小于下方的气流速度,进而使上方的气压大于下方的气压,形成一个向下的压力,从而可以抵消车体本身运动所产生的升力,这就是尾翼(扰流板)的空气动力学原理。

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