空气动力汽车模型制作方法视频_空气动力汽车模型制作方法

2024-10-13 05:07:46

1.怎么用纸来折飞机

2.超久滑翔机折法4步骤

3.空气动力学:空气动力学原理

4.什么是空气动力学？

5.空气动力学是指什么

6.谁能帮我写个《汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化》的论文

怎么用纸来折飞机

空气动力汽车模型制作方法视频_空气动力汽车模型制作方法

用纸来折飞机方法如下：

1、长方形折纸一张，将长方形纸张对折出一条长线。

2、展开后向里对折，翻到背面再折一下三角形。

3、折好后将两个边角分别斜着折出一样的小三角。

4、稍后将两个斜三角中间的小三角向上折。

5、最后将纸张整体两边向里折，折好后对折即可制作完成。

相关拓展：

纸飞机（学名：自主动力空气动力学物理模型）是一种用纸做成的玩具飞机。只要是纸做的飞机，都可以叫纸飞机。折纸飞机它是航空类折纸手工中的最常见形式，属于折纸手工的一个分支，也属于纸飞机的一种。由于它是最容易掌握的一种折纸类型，所以深受初学者乃至高手的喜爱。

发展史：用纸制作玩具被认为起源于2000年前的中国，那时风筝是一种流行的娱乐项目。但与纸飞机相比并不相同。最早能追溯到年代的纸飞机是西方在1909年制作的。

然而，现在最为人们所接受的制作方法是由约翰·K·诺斯罗普（洛克希德公司的创始人之一）在1930年所制作的。诺斯罗普用纸飞机来做模拟测试来发现真实飞机的飞行机理。

2017年10月，宁波举行的“第11届宁波市纸折飞机大奖赛暨第七届中国·宁波纸折飞机挑战赛，其中“打破‘留空时间’和‘直线距离’两个项目全国纪录的选手毛科炜以48.2米的“直线距离”破了这10年以来的纸飞机直线距离最远纪录，拿到了等值14000元的奖品奖金。

2022年4月16日，由申武俊（韩国）、金圭泰（韩国）和齐志安（马来西亚）三人组成的队伍“Shin Kim Chee队”（又名“新泡菜”队）打破了纸飞机飞行距离的纪录——77.134米。

超久滑翔机折法4步骤

超久滑翔机折法4步骤如下：

工具/原料：正方形纸。

方法/步骤：

1、首先将正方形折纸沿中线对折。

2、然后把底边往中间折。

3、接着把折好的三角形往里面折。

4、然后两侧往中间折成一个梯形的形状。

5、接着把顶角往外折。

6、然后再次沿中线对折。

7、接着两侧往中间折。

8、这样一个滑翔机都做好了。

纸飞机（学名：自主动力空气动力学物理模型）

是一种用纸做成的玩具飞机。只要是纸做的飞机，都可以叫纸飞机。折纸飞机它是航空类折纸手工中的最常见形式，属于折纸手工的一个分支，也属于纸飞机的一种。由于它是最容易掌握的一种折纸类型，所以深受初学者乃至高手的喜爱。

手工制作对孩子的好处

1、手工制作可以丰富孩子的童年生活：现在很多的宝宝都处于强大的压力之下，每天的生活都被安排的慢慢的，他们原本的快乐时光变少了，这样很不利于宝宝的健康成长。但是手工制作，不仅可以让宝宝学习到东西，还可以丰富他们的生活，让他们的童年充满欢乐。

2、手工制作可以培养孩子的自信心：宝宝独立完成一件手工制作品是需要手脑齐用的，在这个过程中孩子也会遇到很多的问题，如果能坚持做完，也是一种毅力的表现，无论宝宝的手工制作完成品是什么样的，都应该给予表扬和肯定，让孩子建立自信心。

空气动力学:空气动力学原理

所有通过大气层的飞行器，都要利用风洞实验和理论计算来确定它们的空气动力外形和空气动力特性。实验工作者努力发展从亚跨声速到高超声速范围的风洞实验设备，并利用新的观测、显示、信息处理手段，揭示空气的流动现象，为飞行器设计师提供更多、更精确的气动力数据。理论工作者根据空气动力学的原理和各种理论，努力把实验揭示出的空气流动形态概括成数学模型，依靠数学分析的方法，研究空气流动现象中各种物理量之间的关系和变化，及其对飞行器性能的影响，把握规律，趋利避害，创造出飞行器新的设计思想、设计概念和设计方法。计算工作者则在已建立的数学模型指引下，利用当代最先进的电子计算机，致力于发展新的算法和软件，模拟更复杂的飞行器外形。正是亚声速、跨声速和超声速空气动力学的发展，才使得后掠翼、小展弦比细长翼和三角翼气动布局在飞机设计中成功地应用，促使了第一代超声速战斗机和旅客机的诞生。1954年问世的F102蜂腰形超声速战斗机就是其中第一代战斗机的代表。

随着电子计算机的迅速发展，利用空气动力学经典的欧拉方程和考虑到介质的黏性建立起来的纳维斯托克斯方程，可以进行飞行器比较复杂流动的计算。现在已经进入对整个机身的空气动力特性进行整体计算的阶段。在近代力学奠基人普朗特、卡门等著名学者的带动下，空气动力学的理论和实验基础日臻完善，于是诞生了对航空工程发展起到先导作用的许多新的设计思想，如非线性升力技术、边条翼布局，将机翼与机身作为一个整体设计的翼身融合技术，以及飞机与推进系统的一体化设计概念等，加上在气动布局上精细的设计计算和风洞实验分析，使得具有高升力特性和良好操纵性、稳定性的第三代战斗机应运而生。著名的美国F－15、F-16和苏联的苏－27、米-29，就是其中的代表。

1991年海湾战争中多国部队运用的“空、地一体战”体系的核心是空中优势，说明发展飞机技术对未来战争的胜败至关重要。经过近20年来在超声速巡航、过失速机动、隐身外形(即采用技术措施有效地减小雷达的反射和红外辐射，使飞机不易被敌方发现)的气动布局等综合研究的基础上，美国又率先推出21世纪的战斗机F-22。

同时，国际民航事业一直在持续并高速发展着。从20世纪50年代喷气客机问世以来，全世界民航客运年平均增长12％左右，约为同期经济增长的2倍。目前正在进行的民用飞机的层流控制技术和细长体布局研究，将为新一代亚声速干线飞机、第二代超声速旅客机提供可选用外形。

智斗阻力

如果在地面用火箭发射人造卫星，考虑到空气阻力及其它因素，火箭的末速度一定要大于7.9千米／秒才行。之所以说难于一步登天，就是说要达到这个速度可不容易!人类为了达到宇宙速度，经历了一段漫长的道路。张弓射箭，自古便有，但箭速一般只能达到107米／秒。一次大战期间，德国制造的“巴黎大炮”，创造了10倍弓箭速度，即1070米／秒的炮弹出口速度记录。二次大战中，德国的V-2导弹虽然达到1525米／秒的速度，但这一速度仅仅是宇宙速度的20％。有人也许会因此而想到现代飞机。飞得最快的飞机，速度可达到每小时3500多千米，大约只有第一宇宙速度的1／8。而且，飞机的发动机燃料燃烧必须要从大气中获得氧气。能支持飞机飞行的大气层高度只能到30多千米，因为再高，空气会更加稀薄。30千米高空，大气密度只有海平面的1.5％，而到100千米高空，则只有海平面的百万分之一了。要想靠飞机飞出地球，只好望空兴叹了。

火箭理论的先驱、俄国著名科学家齐奥尔科夫斯基，最先把火箭理论和宇宙航行的思想建立在科学的基础上。在不考虑空气动力和地球引力的前提下，他推导出了著名的齐氏公式，根据这个公式，要提高火箭最后达到的推进速度，有两个途径：一是提高发动机燃气的喷出速度，二是火箭携带的推进剂耗尽之后，火箭本身的结构质量要特别的轻。前者同推进剂的效率和发动机的性能有关，后者则要受到结构材料和工艺技术水平的限制。但无论如何，迄今为止，一枚单级火箭最大限度只能加速到4千米～7千米／秒，达不到宇宙速度。这是因为火箭达到停火点速度之前，一直靠发动机工作来加速，发动机所产生的能量，既要使火箭加速，又要消耗一部分能量用于火箭背着的那部分推进剂。

齐奥尔科夫斯基非常巧妙地利用多级火箭的办法来解决这个问题，多级火箭像赛跑“接力”一样一级一级加速。目前的运载火箭一般是三级，起飞时，先将第一级发动机点火，其推力使火箭产生一个加速度，徐徐升空。到了一定高度，第一级火箭燃料烧完后自动脱落，紧接着第二级立即起动，火箭继续加速。依此类推，每一级火箭都不断地提高速度和高度，使得末级火箭的飞行速度达到宇宙速度和预定高度，将卫星或飞船送入太空轨道。

当然，经过多级火箭加速得到的火箭推进速度还不是火箭实际飞行的速度，因为还没有考虑到运载火箭在飞行中由于地球引力和空气阻力所造成的速度损失。事实上，运载火箭在飞行中一部分推力与沿推力反方向的地球引力分量互相抵消，对加速没有什么贡献，这就是所谓速度的重力损失。另一方面，运载火箭上升段要穿越稠密的大气层，才能把卫星送入二三百千米以上的高空轨道。在空气密度比较稠密的近地空间，随着速度的加大，所受到的空气阻力也急剧增加。但飞行高度越高，由于空气变得越稀薄，空气对火箭造成的阻力也会迅速下降。所以，火箭设计师根据空气动力学原理，让运载火箭慢慢地垂直爬升，以较低的速度穿越稠密大气的下层，以较快的速度飞出大气的上层，让大约占总速度2／3的速度在大气层以外的高空由火箭加速产生。一般而言，三级火箭的第一级都在60千米以上高空关闭发动机后脱落，让第二级火箭在极稀薄的大气层飞行。第三级飞行高度更接近于真空带，目的是把空气阻力引起的速度损失减少到最低程度。

爱你真不易

火箭从发射到发动机关闭这一段飞行全靠火箭发动机提供动力来加速，这一段叫做火箭飞行的上升段。论速度，火箭从待发状态的零速起飞，越飞越快，飞越了亚声速、跨声速、超声速到高超声速。不同的速度和环境，空气动力学问题不尽相同。对于空气，要说爱你真不易――这些问题如不逐一解决，火箭就不可能冲到九霄云外。

卫星或其他航天器，部安装在运载火箭的头部。火箭穿越稠密大气层时，由于迎面气流的猛烈冲击和剧烈摩擦，不仅阻力增大而且使火箭头部温度急剧升高。为了减小阻力，保护卫星设备，就要为火箭的头部包上一个流线型、耐高温、抗烧蚀的外罩，叫做整流罩。在大约120千米的高空，空气已非常稀薄，整流罩的作用已经完成，又得把它抛掉，以便减轻火箭的质量。为了有利于加速，火箭必须及时扔掉已经工作完毕的火箭级，减轻负重。火箭从发射到上升这个阶段，比较突出的难题是分离的气动设计，如整流罩的分离、火箭头体的分离、各级火箭燃料燃尽后的级间分离等。继续飞行级火箭和脱落抛弃的火箭在一定的飞行姿态角度下受到发动机推力、惯性力、外界气动力、分离力和重力等因素的作用而产生复杂的运动，级与级之间的重心又会发生变化。这部需要理论计算和实验分析相结合，预先模拟显示各级火箭所受的力和力矩、发动机噪声、发动机喷流和绕过火箭的空气流的相互作用、火箭级与级之间的相互干扰、火箭的稳定性、每级火箭在发动机熄火点的速度与剩余质量。空间飞行的特点是速度高、路途远，哪怕出现一点点的疏忽和纰漏，都将会造成失之毫厘、谬以千里的后果。

多级火箭一般是由头部、柱段、裙部、倒裙部和稳定翼等气动部件构成复杂的组合体。各段的外形和尺寸必须经过最佳的气动设计，保证火箭有足够大的升力和稳定性。运载火箭形式多样，级数各别。为增加推力，它可采用并联式发动机，像我国长征二号E运载火箭，就沿主发动机四周等间隔捆绑了4个助推器。火箭在上升段飞行速度变化很大，从亚、跨声速到超声速、高超声速，越飞得高空气越稀薄。在不同的飞行速度范围，空气与火箭相互作用情况也不尽相同，如在跨声速、低超声速时，可能出现压力脉动和结构振荡(即所谓跨声速抖振)，压力脉动会形成气动噪声环境，直接影响火箭结构疲劳寿命和舱内仪器的正常工作。这部是火箭设计师必须认真对待的问题。

火箭设计师要认真对待的另外一个问题是地面风作用于火箭上的风载荷对火箭飞行的影响。火箭在发射前竖立在发射架上，承受着地面风场中风的作用，而风向、风速又总是在变化的。由于组成火箭的柱段、裙段粗细不一，段间常有拐点，外形也不是旋转对称的，如局部安装天线、电缆管和稳定翼等，加上火箭比较细长，在风载荷作用下，火箭可能发生变形和风激振动。运载火箭气动力学问题很多，技术比较复杂，难度也比较大。不把运载火箭的各种空气动力学问题从理论上和实验上研究清楚，火箭就上不了天。像法国的“阿里亚娜”火箭，光是实验研究，就选了10多种火箭外形，在12座风洞中进行，历时4年之久。

载人航天飞行器的设计更离不开空气动力学这个先行官。

人们常见到的载人航天飞行器有两种不同的外形，那就是航天飞机与飞船。它们都是飞行轨道具有穿越大气层的上升段、在大气层外飞行的轨道飞行段以及再入大气层的再人、返回段的飞行器。

航天飞机的外形像飞机，由机身、机翼、尾翼和一些控制舵面，如副翼、襟翼、水平舵、垂直舵和控制姿态的发动机组构成。飞船是无翼的大钝头旋成体，虽然也有局部的不对称凸起物，但总的气动外形比较简单。在飞离地球的上升段，飞船被整流罩包裹住，人们看不到它的外貌。

航天飞机返回地面时，依靠翼的舵面及姿态控制发动机产生的空气动力，操纵飞行轨道返回。而飞船返回时，返回舱大钝头要转向迎风面，依靠大气阻力减速，利用姿态控制发动机控制飞行姿态与飞行轨迹。在接近10千米高度，飞行速度已低于声速，从飞船上释放一组降落伞，进一步减速，以达到安全降落地面的目的。由此可以看出，飞行力学、空气动力学、空气热动力学等决定了航天器的飞行规律与飞行轨迹。

(下)

什么是空气动力学？

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

　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

空气动力学是指什么

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的一门学科。

空气动力学的研究内容根据空气与物体的相对速度是否小于约100米／秒(即时速360公里/小时，注，也有根据时速400公里为界来划分的)，可分为低速空气动力学和高速空气动力学，前者主要研究不可压缩流动，后者研究可压缩流动。F1赛车的研究的内容便属于前者。此外，根据是否忽略粘性，还可分为理想空气动力学和粘性空气动力学。

F1空气动力学研究的目的与核心手段

在F1中，空气动力学研究的核心目的是在保证赛车获得足够下压力的情况下拥有最小的空气阻力，以提高赛车的速度和高速行驶的稳定性，所有为空气动力学服务的部件被称为空气动力学套件。

据专家统计，目前F1车队在空气动力学上的花费已占到其整个车队年度预算的15%，是仅次于发动机研发的第二大支出项目。在这一笔巨大花费中，其中相当部分投资于风洞建造和测试。风洞 (Wind Tunnel)是一个大型隧道或管道，在管道的中间，安装有一台巨型电扇，它可产生强劲的力流，经格栅等装置整理减少涡流后送入实验段，吹动放置在其中的实验模型。

现代风洞的主要作用是将赛车模型放在内部的钢铁传送带上模拟赛车在路面上的各种情况。在风洞试验中，巨大碳纤维风扇极限转速可以达到600转/分，驱动引擎的峰值功率更可达到让人咋舌的4000匹马力。如此强大的动力可以在30秒内将静止的空气加速到300公里/小时，此时托起赛车模型的传送带则模拟赛车在比赛中的各种路况和车身姿态，最大限度保证模拟的真实性和有效性。通过对采集到的数据进行综合分析，可以准确地检测到赛车在路面上受到各种因素干扰时的状况。这种模拟可以将赛车空气动力学部件的精度提高30%。如今，领先的F1车队都不惜巨资(一代化的F1风洞造价高达4500万美元以上)，建设自己专属的风洞，以便及时和准确地研究赛车的气动效果，改进赛车的气动套件，获得克敌制胜的杀手锏。

F1空气动力学研究最核心的三个方面

在空气动力学实验中，工程师们最关注的主要是三个方面的内容：下压力、阻力和灵敏性(敏感度)。巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限，但是在理想状态下，下压力的增加不应当带来赛车阻力的增加，但是不可避免的却会牺牲赛车的部分极速。赛车的空气动力学灵敏性(敏感度)则是指赛车的状态性能对于空气动力学环境改变时自身变化的强弱，例如由不平整的赛道路面带来的赛车翼片以及底盘和路面距离之间的频繁变化时，赛车性能所受到的干预强弱。

F1空气动力学逆流而上

每个赛季，国际汽联都会对空气动力学规则做出修改。2004年，赛车的尾翼被减至两片，2005年，前翼高度抬高5厘米，首次限制扩散器高度；2006年，FIA又要求前轮轴心之后330毫米以内，参考面30毫米以上的区域不得安装任何空气动力学套件。虽然FIA不断为技术发展设置障碍，但是F1赛车速度的提高从来就没有停止过，这正是空气动力学的研究价值。

回答者：忧郁王子ADAM - 高级经理七级 1-3 10:21

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谁能帮我写个《汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化》的论文

[摘要]本文中研究了凹坑型非光滑车身表面的减阻特性．首先探讨了凹坑单元体矩形、菱形、等差等不同排列方式的减阻效果，选取了减阻效果较好的矩形排列方式；然后以单元体直径D、横向间距W和纵向间距L为设计变量，以气动阻力最小为目标，采用拉丁方试验设计方法进行优化；接着利用CFD仿真得到各样本点的响应值，并据此建立Kriging近似模型；最后在验证了近似模型的可信度基础上，以近似模型进行全局优化：结果表明：凹坑单元体矩形排列最大可达7. 62%的减阻效果。

关键词：汽车；凹坑型非光滑表面；减阻；CFD仿真；Kriging模型；优化

Analysis and Optimization on the Drag Reduction Characteristics of Car with Pit-type Non-smooth Surface

[Abstract]Drag reduction characteristic of pit-type non-smooth car body surface is studied in this paper. Firstly the drag reduction effects of rectangle, thombus and equal-different pit arrangement are investigated, and the rectangular arrangement with better drag reduction effect is chosen. Then an optimization by the design of experiment with Latin Hypercube scheme is performed with the diameter and longitudinal and transverse spacing of pit as design variables and minimizing drag as objective. Next, the responses of different sample points are obtained by CFD simulation, and based on which a Kriging metamodel is built. Finally after the confidence of metamodel is verified a global optimization with the metamodel is conducted. The results show that a maximum drag reduction effect up t0 7.62% can be achieved with rectangular pit arrangement.

Keywords: car; pit-type non-smooth surface; drag reduction; CFD simulation; Kriging model; optimization

前言

日前汽车空气动力学的气动阻力特性优化主要通过车身的流线形化和局部改进等方法来实现，由于这些方法研究日益成熟，降低阻力的空间越来越小，汽车减阻进入一个瓶颈期。近年来，基于工程仿生学理论的凹坑型非光滑表面结构的减阻研究迅速发展。其中最典型的应用便是高尔夫凹坑球面。高尔夫球在飞行过程中由于凹坑的存在使空气形成的边界层紧贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多往后走一些，延迟了边界层与球体的分离，减小了尾流区，减少了前后的压差阻力，从而使凹坑型球面的高尔夫球比光滑球面的高尔夫球飞得更远。

受其启发，本文中将凹坑型非光滑表面运用在汽车表面上，并通过CFD数值仿真，研究其减阻效果。首先研究了凹坑单元体不同排列方式对汽车减阻效果的影响；然后以减阻效果最佳的排列方式为基础，选取相关设计变量，运用拉丁方试验设计方法选出样本点；接着建立了Kriging近似模型-3-；最后通过多岛遗传算法对近似模型进行全局寻优。

1 原车模型CFD计算与试验验证

1.1计算模型的建立

采用UG软件建立了某轿车1:1的实车模型。对模型进行了适当的简化，忽略了门把手、雨刮器、雨水槽等，同时对底盘进行了平整化处理，从而提高了分析效率。轿车模型的长×宽×高分别为5 088×2 036x1 497( mm)，整车模型如图1所示。

1.2建立计算网格及求解

整车计算域为一围绕车身的长方体，人口距模型前端3倍车长，出口距模型后端7倍车长，总高度为5倍车高，总宽度为7倍车宽。采用ANSYS ICEM CFD软件生成非结构化的四面体网格，在车身要凹坑非光滑处理的表面上进行网格加密，以便更加准确地获取所需的流场信息，同时在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格作为附面层，以消除壁面函数的影响。为避免网格差异对仿真结果的影响，在仿真过程中，保持棋型相同部分的网格尺寸不变。每次模拟生成的整车总网格数约为360多万。

边界条件的设置如下：计算域入口设置为速度人口边界，速度为40m/s，计算域出口为压力出口边界，车身表面设置为无滑移壁面边界条件，计算域地板设置为移动壁面边界条件，计算域上表面及左右侧面均为滑移壁面边界条件。选用Relizable k-ε湍流模型，采用二阶迎风格式进行离散求解，计算域温度为常温进行CFD稳态仿真计算。

1.3风洞试验验证

通过风洞试验来验证边界条件和湍流模型设置的准确性。试验模型根据CAD模型通过数控加工中心加工成1：3的模型，从而保证了试验用物理模型与数值仿真用CAD模型的一致性。在湖南大学风工程试验研究中心HD-2风洞中进行测力试验，用六分力浮框式测力天平测量模型的气动力。试验风速为40 m/s，启动地面附面层抽吸装置，消除了由

于风洞试验引起的地面边界层的影响。轿车模型风洞试验如图2所示。

通过风洞试验测得模型的风阻系数CD，并将CFD仿真结果与试验进行对比，如表1所示。风阻系数的相对误差为3. 86%，在工程允许误差5%以内，从而验证了数值仿真的可靠性。

2 非光滑处理区域的选定与单元体尺寸的估算

非光滑处理区域应该选在能较好控制尾流区的表面，以减小湍能损失和压差阻力，而车身顶盖是对尾流区域影响最大的表面，故本文中主要研究对车身顶盖进行凹坑非光滑处理后的减阻效果，凹坑非光滑区域如图3所示。

有关研究表明，无论是气流分离所引起的压差阻力还是由于气体的黏性作用而引起的摩擦阻力，它们总是和边界层及其厚度有关。仿生非光滑减阻方法的实现途径就是通过对边界层的控制来减少湍流猝发强度，减小湍动能的损失。可见，非光滑结构的选择应该和边界层有关，非光滑单元体的尺寸高度或深度应该小于车身表面到对数律区之间的距离。目前国际上关于凹坑减阻的研究仍然较少，没有形成理论体系。因此，在研究初期凹坑型单元体尺寸主要是根据边界层的厚度来确定。

平板层流边界层的厚度计算公式为

3 凹坑结构尺寸设计与排列方式

3.1 凹坑结构尺寸设计

在进行凹坑型单元体排列时主要考虑单元体的尺寸：直径D、横向间距W、纵向间距L和凹坑深度S，见图4。为了设计与排列方便，取深度S为直径D的一半。根据计算模型最大边界层厚度、车身顶盖的尺寸、汽车行驶速度和凹坑单元体之间防干涉的要求，给定D、W、L和S的取值范围分别为[10，40]、[60，160]、[60，160]和[5，20]，单位为mm。

3.2 凹坑单元体排列方式的影响

根据大量的仿生学实验可知，例如土壤动物蜣螂在土中运动自如一方面得益于其体表的非光滑单元体凹坑形状，另一方面得益于其凹坑单元体的排列方式。为此在研究凹坑型非光滑车身表面的减阻性能时，要考虑其排列方式的影响。本文中选取了常见的3种排列方式：矩形排列、菱形排列和等差排列，如图5所示。

本文中选取D= 15mm，形=120mm．￡=120mm．对这3种排列方式进行CFD仿真，其结果见表2。

由表2可知，3种凹坑型单元体排列方式中矩形排到减阻效果最佳，降阻率达2. 13%。

4 凹坑型非光滑表面优化设计

4.1 优化流程与设计变量的选取

根据3种排列方式的CFD仿真结果知，矩形排列方式减阻效果最佳，故以矩形排列凹坑型非光滑表面作为优化对象。整个分析与优化过程如下：(1)确定设计变量，使用拉丁方设计方法选取样本点；(2)通过CFD仿真得出各样本点的响应值，并以样本点和响应值构建近似模型；(3)选取3组新的样本点验证近似模型的精度，若不精确则须重新选取样本点；(4)在验证近似模型可信度的基础E，利用优化算法在满足约束条件的区域内实现全局寻优，得到最优解，最后再回代到仿真模型中校核计算，如图6所示。

以D、W和L为设计变量，寻求最优的组合，以达到最大的减阻效果，即求得最小CD值。

4.2试验设计，

根据设计变量的取值范围，采用拉丁方抽样方法。选取20组样本点进行CFD模拟计算，得到20组响应值。各设计变量对CD值的影响关系如图7所示，D等表示单个设计变量对CD的影响，D-W等表示两个变量对CD交互影响，D?0?5等表示设计变量平方对CD的影响。

从图7可见，对CD影响最大的设计变量是L，D次之，W影响最小。D与形之间的交互效应最为明显，L和D次之，形和￡之间的交互效应最小。虽然W对气动阻力的影响较小，但是W与其他参数之间交互效应对CD的影响不能忽视。

4.3近似模型的建立

近似模型是指在不降低计算精度情况下构造的一个计算量小、计算周期短，但计算结果与数值分析或物理实验结果相近的数学模型；用于代替计算代价高昂的仿真分析软件，大幅提高分析效率，同时剔除仿真软件的“计算噪声”。用于构建近似模型的方法主要有：响应面模型、Kriging模型、径向基神经网络模型和泰勒级数模型等。

与其他模型相比，Kriging模型构建的近似面可以覆盖所有的样本点，近似面质量很高，因此采用Kriging模型构建近似模型。

为r检验所建立的近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意3个实验点进行CFD仿真，并与近似模型的计算结果进行对比，如表3所示。

由表3可知，验证点的CFD值与近似模型值相差均在2%以内，这表明所建立的近似模型可以很好地描述设计变量与响应值之间的关系，可信度较高，可取代直接的CFD计算。

4.4优化结果与分析

多岛遗传算法(multiple island genetic algorithm，MIGA)建立在传统遗传算法基础上。它小同于传统遗传算法的特点是：每个种群的个体被分成几个子群，这些子群称为“岛”：传统遗传算法的所有操作，例如：选择、交叉、变异分别在每个岛上进行，每个岛上选定的个体定期地迁移到另外岛上，然后继续进行传统遗传算法操作。迁移过程由迁移间隔和迁移率这两个参数进行控制。迁移间隔表示每次迁移的代数，迁移率决定在一次迁移过程中每个岛上迁移的个体数量的百分比。多岛遗传算法中的迁移操作保持了优化解的多样性，提高了包含全局最优解的机会。

本文中采用多岛遗传算法对所建立的近似模型进行寻优，初始种群个数为50，岛数为10，迭代代数为100，最终得出近似模型最优解为D= 40mm，W=100mm，L=69mm。对得到的最优解进行CFD仿真，相对误差为0. 80%。

对车身表面进行凹坑型非光滑处理后，最大的降阻率可达7. 62 ％，其具体数值见表4。

图8和图9分别给出了原车与优化后的汽车尾部压力云图和速度流线图。

对比图8和图9可以看出，优化后汽车尾部的负压区域明显减小，正压区显著增大，进而减小了前后压差阻力，同时改善了尾部的涡流，减小了车辆的气动阻力，降低了汽车的燃油消耗。

5结论

(1)在车身表面进行凹坑型非光滑处理具有良好的减阻效果，能有效降低汽车的气动阻力，进而降低油耗，提高燃油经济性。

(2)凹坑型非光滑表面的减阻特性与凹坑单元体的排列方式有关，其中矩形排列方式减阻效果较佳。选取矩形排列时凹坑单元体直径、横向间距和纵向间距作为设计变量进行试验设计，建立近似模型，并采用多岛遗传算法进行优化，优化后最大降阻率可达7. 62%。

(3)试验设计、近似模型和优化算法相结合的方法，能为车身凹坑型非光滑表面减阻的研究和优化提供一定的工程指导。

参考文献

[1]谷正气．汽车空气动力学[M]．北京：人民交通出版社，2005.

[2] 韩志武，许小侠，任露泉，凹坑形非光滑表面微观摩擦磨损试验回归分析[J]．摩擦学学报，2005，25(6)：578-582．

[3] 容江磊，谷正气，杨易，等，基于Kriging模型的跑车尾翼断面形状的启动优化[J]．中国机械工程，2010，22(2)：243 -247.