空气动力学系统

概念定义

空气动力学系统是围绕物体与空气相互作用建立的设计、分析及控制技术体系。在汽车领域，它研究车辆运动时周围空气的流动及其产生的力和流场变化；在世界一级方程式锦标赛中，该系统是赛车技术体系的一部分，与动力系统、能量回收系统一同受到赛事技术规则约束。

空气动力学属于流体力学与气体动力学的分支，研究接近真实流体的流动问题，涉及空气的黏性、可压缩性和三维运动等特征。其控制方程通常属于非线性偏微分方程，许多实际问题难以直接求得解析解。

工作原理

空气动力学分析通常把气体视为连续介质，即密度、压力、温度和速度等性质可在空间中的点上定义并连续变化。当气体极为稀薄时，这种连续性假设不再适用。

流场求解以质量、动量和能量守恒为基础。质量守恒描述气体在流动过程中的连续关系；动量守恒可由牛顿第二定律推导；能量守恒处理机械能，以及存在黏性影响时机械能与热能之间的关系。物体表面附近会形成边界层，空气黏性和摩擦主要在这一薄层内发挥作用，离开表面后影响迅速减弱。普朗特于1904年提出边界层概念，使研究人员能够分别处理近壁黏性流动与外部近似无黏流动。

技术构成

空气动力学系统的理论部分包括连续介质模型、守恒定律、边界层及流动状态分析。流动可表现为层流或紊流；紊流具有随机变化、快速压力波动和速度变化等特征。按流速与音速的关系，流场可分为亚音速、跨音速、超音速和极音速。马赫数小于0.3时，气体可压缩性通常可以忽略，可按不可压缩流处理；跨音速流动可能出现激波和膨胀波，超音速流动中的压力扰动无法向上游传播。

技术分析主要结合实验与数值计算。早期计算能力有限时，所需流场数据多通过实验取得。随着计算机技术发展，计算流体力学可利用数值方法求解空气动力学方程，模拟压力、速度等流场数据，并替代部分实验工作。实验与计算均用于识别复杂流动现象和验证设计结果。

应用场景

汽车及其他交通工具的设计涉及空气动力学。赛车领域通过技术规则管理相关系统，车辆空气动力学设计属于受约束的技术项目。空气动力学还用于航空航天、大型建筑物风载荷、城市微气候、环境中的大气流动，以及引擎设计涉及的热流和内部流动研究。

技术特点

空气动力学模型将车辆周围的空气运动转化为可计算和可通过实验观察的流场问题。真实流动同时受到黏性、可压缩性、三维运动、边界层和紊流等因素影响，计算方程复杂。数值模拟可减少部分实验需求，实验则用于取得数据和检验计算结果。