流体力学在汽车外形上的应用.doc

流体力学在汽车外型上的应用
土木建筑学院
建筑环境与设备工程10-1
仇德运
学号：201001020805
摘要：本文从生活中汽车的流线型外形谈起，从流体力学角度分析了汽车流线型车身产生的原理，介绍了与之相关的伯努利定律的应用，说明流体力学与人们生活密切相关。
关键词：汽车 流线型 流体力学 伯努利定律
正文：生活中我们看到各式各样的汽车，包括在汽车拉力赛或者F1赛事中出现的赛车，虽然样式都不相同，但都有一个共同的特点，那就是车身像鸟儿或鱼儿一样呈流线型。为什么汽车要做成这种形状，而不是球形，矩形或其他的形状呢？用流体力学可以完全解开这个谜。
一 流线型的产生
我们可以做这样一个实验，准备各种形状的空塑料瓶，头朝下放入水中然后松手，看哪种能跳的更高，结论是外形阻力小的瓶子会跳得更高。流线形是受到抵抗小的形状，其理由是抑制了剥离。
为什么会产生剥离？如图所示，可以考虑缩小的流动和扩大的流动这两种情况。缩小的流动是随着向下游的行进，流动变得越来越窄。越往下游，流动通路的断面积越小，流速则越大，根据伯努利定律，压强是下降的。因为高压向低压的流动是自然的流动，所以缩小的流动也就是安定的。
相反，扩大的流动是随着向下游的行进，流动变得扩展开来，越往下游，流动通路的断面积越大，流速则越小，压强上升.从低压向高压的流动与自然的流动方式是相反的，因此也就是不安定的流动。

一般来说，从高压向低压的流动是自然的，因此，在扩大的流动时，受某种诱发因素的影响，会很容易产生逆流。如图所示，急剧扩大的流动和阶梯状扩大的流动，都是因为使流动急剧扩大，所以在固体表面产生了逆流。在扩大的部分，产生的逆流在循环着，这就是流动的剥离。像这样，在流动扩大的地方，因为压强的上升易导致剥离的产生，所以设计时必须要注意。一旦产生了剥离，阻力则急剧增加，能量的损失也就加大。因此为了减小阻力，原则就是要避免流动的急剧的扩大。
二 流线型的形状
根据以上所述，让我们来考虑一下流线形应该是什么样子才对。

在流线形的前半部分，流路面积减小，呈缩小的流动。因为不易产生剥离，所以物体的宽度变化稍微急剧一些也不要紧。但是，如果前端过于尖锐，当前端相对于流动的方向改变时，前端的流体无法急剧弯转，则会产生剥离。为了防止这种情况的产生，前端通常为圆形。
在流线形的后半部分，因为流路面积扩大，呈扩大的流动，为了避免急剧的扩大和折角等引起剥离的因素，通常流路的断面积都是渐开的，也就是物体的宽度渐渐地变小，最后变得尖锐。
三 流线型的应用
1减小阻力
从汽车外形的演变，我们可以看出流体力学对汽车的影响。 随着汽车速度的增加，汽车外形不仅要考虑机械工程学、人机工程学和美观，并且越来越多的考虑空气动力学，以减小阻力。降低风阻和提高下压力有两个主要的办法，减少迎风面积和采用流线形状。流线型则可以减少空气流经车身时产生的涡流，从而减少阻力。
2 增加附着力
从汽车的外形设计，需要考虑保持行车稳定所需要的下压力，特别是在高速场合里。可以通过流线形来改变空气于车体上部和地盘下部的气流流速来控制下压力。赛车需要高速拐弯以及急加速时，需要增加轮胎对地面确实的附着力，防止打滑。车体底部的中间部分向下突起，使之与路面的间距变窄，而车体的前后部与地面的距离较大。这样，流体在通过狭窄的部分时，流速加快，此处的压力就会下降，使车体被吸向路面，增加附着力，从而防止打滑，使高速行驶变为可能。
四 结束语
生活中的点点滴滴都包含了科学，包含了流体力学的知识，只要我们细心观察，勤于思考，可以发现很多有趣的实例，可以帮助我们更好的学习流体力学。