除了发动机功率和传动比外，空气阻力是确定车辆最高车速和燃油消耗的影响因素。升力和俯仰力矩影响车辆动力学，考察非稳态流动条件，如侧风时，侧向力、侧倾力矩和横摆力矩具有特殊的作用。
16.3 空气动力和力矩的产生
16. 3.1 车辆周围的气流
车辆行驶时，周围的空气会围绕车身分离。因此，加速和减速发生在周围气流中。通过在车辆前部引入烟，可以看出这些分离，如图 16.3 所示。所谓的流线变成可见的，与车辆的形状对应，是弯曲的。在流线压缩的区域，气流加速；在流线变宽的区域，气流减速。如果考虑无摩擦流，气流中的物体关系可以由Bernouli（伯努利）方程描述[I]:
由这个方程可以导出简单而重要的关系。其清晰地说明气流包含的能量以压力功和动能（速度） 的形式储备。在两种能量形式之间，能够发生交换。高的流速导致气流低压力，反之亦然。考虑图 16.3 中绕车辆的流动，当流动加速时（流线压缩），压力减小；在流动减速时（流线变宽），产生正的压力梯度，这种能量变化导致车辆外表面的压力分布。客货两用车辆的情况，如图 16.4 所示。
通过积分车辆表面的压力，可以确定力和力矩。在附加流的情况下，压力分布由气流加速和减速产生。在车辆后部区域，气流急剧分离，产生高的正的压力梯度，如图 16.3 中变宽的流线所示。这些正压力梯度的结果，是在车辆后部流动分离和形成分离的气泡。在流动中，这种所谓的尾流以气流中明显的涡流为特征。涡流是高能量的流动形式， 不仅包含旋转能量， 而且包含摩擦损失， 其通常导致低压力区域。式(16.8)的Bernoulli方程不再适千描述其物理状态， 这种类型的流动需要通过所谓Navier - Stokes（纳维－斯托克斯）方程描述[I -4] 。
由于高动能和摩擦损失， 涡流中的压力较低。此外， 涡流在其周围引起高流速， 最终导致低压区域。因此， 车辆后部涡流的起源和形式很大程度上影响动态力和力矩。在车辆后部可以观察到两种类型的涡流， 如图16.5所示。
第一种类型的涡流在车辆后部锐边产生， 垂直于流动方向， 如行李舱盖的边缘。这种类型的涡流绕平行于分离线的轴旋转， 形成车辆尾迹。为了区别， 这种类型的涡流称为环形涡流。第二种类型的涡流在倾斜千流动方向的边产生， 沿着这些边分离并开始形成管状U形涡流，存在流动方向的旋转轴。其沿着流动方向在轴向继续侧倾，不局限于车辆的尾迹存在。这些涡流在车辆后部成对出现，在车辆尾迹中引起所谓的向下运动。高流动率在向下运动中占主导，导致低压。
纵向涡流产生非常低压的区域，因此对气动阻力和升力有很大影响。在任何类型车辆中，都可以发现两种类型涡流：纵向涡流和环形涡流。然而，取决于车辆的形状，这些类型的一种或其他种更普遍。特殊涡流类型的强度，由后部形状确定，将在下面的章节解释。
16.3.2 不同后部形状的阻力和升力
在空气动力学术语中，要区别三种后部形状一直背式、斜背式、快背式。
每种后部形状与一种涡流的特性相联系[1,5 -7], 下面的说明将阐明这些内容。
图16.6给出了直背式后部的流动，后部分离边或多或少地垂直流动方向，形成环形涡流构成车辆尾迹，因此低压在尾迹中占主导。由于几何形状，与其他后部形状相比，直背式车辆的尾迹大。即与相对大的接触面结合，低压导致较大的阻力。车辆后部流动类型也影响升力，尤其是在后轴。典型的这种后部流动模式呈现出负升力或者在后轴至少是非常低升力的趋势。
图16.7给出了斜背式后部的流动，其主要有与直背式车辆后部同样的分离类型，形成环形涡流垂直于分离边。然而，流动在C柱开始部分分离，见第26 章。纵向涡流慢移过去，向内旋转，在尾迹中产生向下运动。因此，与直背式相比，斜背式有后部升力的趋势。整体上，在尾迹中环形涡流的影响占主导。由于斜背式的尾迹相对小于直背式，因此其有相对较小的阻力。
图16.8给出了快背式后部的流动，流动在C柱的倾斜边处分离，开始形成向内旋转的纵向涡流，控制着分离模式。它们在车辆后部产生强大的向下运动，而且继续向下侧倾，在车辆后一定距离还没有消散。纵向涡流产生了低压区域，与其他两种后部形状相比，其将高的阻力和高的升力耦合联系在一起。
无论是环形涡流还是纵向涡流在车辆尾迹中占优，都主要受后部形状的倾斜角影响。纵向涡流在倾斜边形成，如C柱，这说明这种类型的涡流在快背形状中特别占优的原因。在文献［1]中，详细调查和研究了这种现象。其中，改变车辆后部的倾斜角以便观察其对升力和阻力的影响。图16.9给出图解的结果，倾斜角约30°时，纵向涡流达到最大。车辆尾迹有显著向下运动的作用，由向内旋转的纵向涡流引起，阻力和升力在这个区域显著增加。
图中的约 30°的倾斜角，是在理想化的基础车身上确定的。后部设计中的详细元素，如表面的半径和几何锥形，部分消除了上面描述的影响，以至于这个临界角在一定范围内散布【1,5】
引证的例子旨在说明，在一定的窗口内阻力和升力已经由车辆基本形状确定。具有倾斜分离边的后部形状，尤其是快背式，易于形成消耗高能量的纵向涡流。即使较不显著，这些从斜背式后部分离的纵向涡流也应当引起注意。后部形状展示的后升力，取决于纵向涡流的程度。在直背式车辆中， 后部分离通过形成的环形涡流控制， 这种类型的后部流动模式具有负后升力或至少非常低的后升力的趋势。
无论后部形状产生正或负的后升力， 都反映了车辆后的涡流旋转方向。斜背式和快背式有正后升力的趋势，换言之， 车辆的下部比车辆顶部作用有较高的压力。因此， 后部压力从底到上平衡。由后部观察， 涡流向内旋转。对于直背式，其影响正相反。
16.3.3 诱导阻力（涡流阻力）
来源：机械工业出版社出版
作者：李杰教授领衔翻译
