基于馬格努斯效應(yīng)提高高速運(yùn)載車輛的抓地力

王梁銳，魏芳波，馬得草

基于馬格努斯效應(yīng)提高高速運(yùn)載車輛的抓地力

王梁銳，魏芳波，馬得草

（漢江師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

汽車高速行駛過(guò)程中，其流線型外殼產(chǎn)生的氣動(dòng)升力削弱汽車抓地力，引起安全系數(shù)降低．設(shè)計(jì)了一種依靠自身旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)馬格努斯效應(yīng)裝置，優(yōu)化了汽車在高速行駛狀態(tài)下的氣動(dòng)升力安全系數(shù)．基于Ansys軟件對(duì)該裝置加裝的前后進(jìn)行了有限元分析，獲得氣流分布及其變化的有關(guān)數(shù)據(jù)．研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的整車安全系數(shù)明顯提高，并且降低了行車能耗．

馬格努斯效應(yīng)；氣動(dòng)升力；有限元分析；行車安全系數(shù)

1 氣動(dòng)升力對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的影響

在日常生活中車輛為盡可能減少風(fēng)阻，常將車殼設(shè)計(jì)為流線型，其外殼與機(jī)翼有許多相似的特點(diǎn)，因此在車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到伯努利效應(yīng)的影響，由此效應(yīng)形成的力向上，使得運(yùn)動(dòng)車輛“變輕”，如部分車型高速“發(fā)飄”，駕駛員失去路面感，甚至嚴(yán)重時(shí)車輛失控，進(jìn)而導(dǎo)致交通事故[1]．導(dǎo)致車輛抓地力、穩(wěn)定性降低，尤其在高速運(yùn)動(dòng)下尤為明顯，此種情形的出現(xiàn)是由于載具的外殼往往設(shè)計(jì)為上表面空氣繞行距離長(zhǎng)，下表面繞行距離短，為低速下固定翼機(jī)翼模型（見(jiàn)圖1）．由圖1可見(jiàn)，此種機(jī)翼設(shè)計(jì)上表面A微曲，下表面B稍平，氣流從左至右繞行機(jī)翼時(shí)，流量與橫截面速度關(guān)系為

產(chǎn)生的壓強(qiáng)差導(dǎo)致上下表面空氣壓力不等，導(dǎo)致機(jī)翼受力整體向上[2]．

圖1 固定翼機(jī)翼模型

根據(jù)大量行車數(shù)據(jù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)表明，在行駛到120 km/h的階段時(shí)，汽車會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象．根據(jù)安全管理網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，近10年全國(guó)交通事故類型中，城市交通事故類型所導(dǎo)致的死亡人數(shù)同比增長(zhǎng)4.8%，其中超速行駛為事故發(fā)生的主要原因之一．因此，降低汽車高速運(yùn)動(dòng)下的安全隱患具有十分重要的意義．現(xiàn)階段對(duì)載具氣動(dòng)升力的解決方法主要集中于載具加裝翼型，如尾翼、側(cè)翼等[3-6]，此類解決方法由于對(duì)整體車殼外形進(jìn)行了大幅度的改裝，導(dǎo)致在改善汽車氣動(dòng)升力特征時(shí)增加了較大行駛阻力，從而增加了能耗．可通過(guò)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)載具來(lái)適應(yīng)多形態(tài)車輛的需求，利用馬格努斯流體效應(yīng)來(lái)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化道路行車領(lǐng)域的氣動(dòng)升力的影響．

2 裝置設(shè)計(jì)及有限元模擬分析

2.1 設(shè)計(jì)理念

高速旋轉(zhuǎn)的球在空中飛行時(shí)，其軌道會(huì)彎曲的現(xiàn)象為馬格努斯效應(yīng)．如足球的“香蕉球”，排球的側(cè)旋球，籃球投籃時(shí)的后旋球以及棒球的旋轉(zhuǎn)球等[7]．德國(guó)物理學(xué)家Heinrich Magnus解釋了這種效應(yīng)：將旋轉(zhuǎn)的圓柱體或球體放入粘性流體中，由于運(yùn)動(dòng)體自身旋轉(zhuǎn)而擾動(dòng)周身氣流產(chǎn)生環(huán)流并與運(yùn)動(dòng)體相互作用，以致順運(yùn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)方向的氣流流速加快，逆運(yùn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)方向氣流流速減慢．進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)體各表面流體密度出現(xiàn)較大差異而產(chǎn)生的壓力差使得運(yùn)動(dòng)體偏轉(zhuǎn)，飛行路徑的曲線所偏轉(zhuǎn)的方向和偏轉(zhuǎn)力的方向相同[8]，后人為紀(jì)念Magnus的巨大貢獻(xiàn)稱這種效應(yīng)為馬格努斯效應(yīng)．

由于馬格努斯效應(yīng)能通過(guò)運(yùn)動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)改變運(yùn)動(dòng)體周身氣流的密度，故在載具表面附加旋轉(zhuǎn)帶裝置，便可通過(guò)馬格努斯效應(yīng)改善載具周身氣流密度，以此減弱伯努利效應(yīng)的影響．值得注意的是，高速運(yùn)行汽車表面的氣流密度并非處處相等．氣流在外殼上表面的反斜面，由于氣體宏觀所表現(xiàn)的彈性作用，將導(dǎo)致空腔效應(yīng)以及渦旋，此處的氣流速度相較于迎風(fēng)面將有很大的增幅．故在安裝旋轉(zhuǎn)帶裝置時(shí)，需在反斜面處分塊并設(shè)以較高的轉(zhuǎn)速（見(jiàn)圖2，此處的旋轉(zhuǎn)帶標(biāo)記并不代表實(shí)際大小，為盡可能減少安裝旋轉(zhuǎn)帶所新增的風(fēng)阻面，對(duì)旋轉(zhuǎn)帶大小與盡可能扁平并緊貼汽車表面）．

圖2 旋轉(zhuǎn)帶布置位置設(shè)想

2.2 裝置設(shè)計(jì)介紹

裝置外殼表面見(jiàn)圖3，裝置厚度較小，對(duì)汽車原始流線型外表影響較小，傳送帶內(nèi)部有高轉(zhuǎn)速（A）、低轉(zhuǎn)速（B）2組轉(zhuǎn)動(dòng)輪組，分別帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的傳送帶區(qū)塊旋轉(zhuǎn)，其前后有導(dǎo)流斜面使裝置自身導(dǎo)致的氣流阻力較?。谘b置工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)帶上表面的轉(zhuǎn)動(dòng)方向會(huì)與風(fēng)向相反，由于旋轉(zhuǎn)帶表面粗糙與空氣粘度相互作用，旋轉(zhuǎn)帶表面的空氣流速會(huì)降低，使汽車上表面空氣壓強(qiáng)增大，從而使得向下的馬格努斯力增大．其中A區(qū)域?yàn)檩^高轉(zhuǎn)速區(qū)，對(duì)外殼前端較強(qiáng)氣流進(jìn)行主動(dòng)馬格努斯效應(yīng)降速；B區(qū)域?yàn)檩^慢轉(zhuǎn)速區(qū)域，對(duì)后端較弱氣流進(jìn)行整流．安裝時(shí)將裝置的A，B區(qū)域?qū)?yīng)載具的A，B區(qū)域安裝，即可達(dá)到主動(dòng)馬格努斯效應(yīng)降速．

裝置供電由汽車自身提供，裝置自身集成的微型計(jì)算機(jī)會(huì)通過(guò)汽車自身的車輪轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)調(diào)控裝置運(yùn)行速率，以高效符合車輛運(yùn)行環(huán)境．

圖3 裝置外形設(shè)計(jì)及其原理（速度）

2.3 有限元分析

根據(jù)市面上多數(shù)車輛的尺寸制作了二維模型，其各項(xiàng)具體參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 二維汽車模型各項(xiàng)參數(shù)

在Ansys的Meshing中網(wǎng)格繪制的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2．

表2 Meshing各項(xiàng)參數(shù)

在計(jì)算設(shè)置中選擇了k-omega（2 eqn）的粘性模型，模型各項(xiàng)常數(shù)見(jiàn)表3．

表3 粘性模型常數(shù)

使用k-omega（2 eqn）中的SST為粘性模型，車殼摩擦系數(shù)為0.2，使空氣流體以36.52 m/s的速度從左至右通入，得出汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)周身氣流場(chǎng)（見(jiàn)圖4）.

從圖4可以看出，氣流速度在反斜面要高于上表面其它處，這與局部區(qū)域空氣速度會(huì)階梯式變化的分析吻合．

車外殼局部速度矢圖見(jiàn)圖5．在分析過(guò)氣流場(chǎng)后，本設(shè)計(jì)只需在圖中對(duì)速度有明顯階梯性變化的部分，布置旋轉(zhuǎn)帶即可抑制大部分氣動(dòng)升力，這一分析與圖5中的結(jié)果十分吻合．

圖4 運(yùn)動(dòng)汽車周身氣流場(chǎng)（速度）

圖5 車外殼局部速度矢圖

設(shè)定圖2中A區(qū)域?yàn)閣all1，B區(qū)域?yàn)閣all2，C區(qū)域?yàn)閣all3．并設(shè)定旋轉(zhuǎn)帶的摩擦系數(shù)為0.8，其中wall1與wall3的旋轉(zhuǎn)速度為逆時(shí)針20 m/s，wall2的旋轉(zhuǎn)速度為逆時(shí)針30 m/s，同各參數(shù)計(jì)算得到添加旋轉(zhuǎn)帶后的氣流場(chǎng)見(jiàn)圖6．

圖6 添加旋轉(zhuǎn)帶后的氣流場(chǎng)

由此可以得到汽車外殼表面空氣最大流速?gòu)?.489e+01 m/s降至9.140e+01 m/s.

對(duì)車殼上表面主要?dú)饬鲾_動(dòng)位置對(duì)比安裝裝置前后氣流速度隨車殼從前至后的速度變化見(jiàn)圖7．

圖7 區(qū)域一表面空氣速率及壓強(qiáng)前后變化

表4 加裝裝置前后各區(qū)域壓強(qiáng)改變

由表4可以看出，相較于未安裝旋轉(zhuǎn)帶的車輛，安裝此裝置后整體車殼壓力對(duì)抑制整體車身的氣動(dòng)升力起到了可觀的正向作用．

2.4 裝置誤差分析

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，本文所用模型?jiǎn)化了車輪在行進(jìn)過(guò)程中路面與車輛懸掛系統(tǒng)相互作用的振動(dòng)，對(duì)汽車車殼表面流經(jīng)的氣流總持續(xù)處于混沌狀態(tài)，故本裝置在現(xiàn)實(shí)運(yùn)作中的效率需進(jìn)一步優(yōu)化．此外由于本模型不涉及路面，車身以及車身下表面所引起的地面效應(yīng)能同樣對(duì)車體整體的受力效果造成一定影響[10]．

在不同地區(qū)、不同天氣的行車狀況下，由于環(huán)境等因素，空氣將不能看做是理想氣體，還要考慮許多復(fù)雜的條件影響，如空氣粘度、密度、溫度以及車殼長(zhǎng)期磨損所導(dǎo)致的摩擦因素的上升等．

3 結(jié)語(yǔ)

在汽車外殼加裝旋轉(zhuǎn)帶后，將汽車局部改裝為主動(dòng)型馬格努斯裝置，對(duì)高速運(yùn)行汽車所形成的氣動(dòng)升力起到了一定程度的抑制效果，且旋轉(zhuǎn)帶會(huì)導(dǎo)致空氣阻力和馬格努斯力的變化．

通過(guò)有限元分析軟件建立的動(dòng)力學(xué)模型，以及流體力學(xué)的基本原理，宏觀上能夠較好地減弱氣動(dòng)升力對(duì)汽車的影響．通過(guò)有限元分析計(jì)算效率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置效果能有效改善氣動(dòng)升力特性，使氣動(dòng)升力約降低22.38%，能滿足汽車安全性需求．

[1] 石佳琦．氣動(dòng)升力對(duì)車輛行駛氣動(dòng)穩(wěn)定性影響及優(yōu)化研究[D]．株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2020．

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Improving the traction of high-speed vehicle based on Magnus effect

WANG Liangrui，WEI Fangbo，MA Decao

（School of Physics and Electronic Engineering，Hanjiang Normal University，Shiyan 442000，China）

During high-speed driving，the aerodynamic lift generated by its streamlined shell weakens the car′s traction and leads to the reduction of safety factor．An active Magnus effect device relying on its own rotation is designed to optimize the safety factor of aerodynamic lift under the condition of high-speed driving．Based on Ansys software，the finite element analysis is carried out before and after the installation of automobile devices，and the air distribution and change data are obtained．The results show that the safety factor of the optimized vehicle is improved obviously，and the energy consumption is reduced．

Magnus effect；aerodynamic lift；finite element analysis；driving safety factor

O354

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.007

1007-9831（2022）02-0036-06

2021-11-25

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110518012）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019CFB777）

王梁銳（2001-），男，湖北武漢人，在讀本科生．E-mail：1269972966@qq.com

魏芳波（1977-），男，湖北十堰人，副教授，碩士，從事圖學(xué)研究．E-mail：331270069@qq.com