基于马格努斯效应提高高速运载车辆的抓地力

王梁锐，魏芳波，马得草

基于马格努斯效应提高高速运载车辆的抓地力

王梁锐，魏芳波，马得草

（汉江师范学院 物理与电子工程学院，湖北 十堰 442000）

汽车高速行驶过程中，其流线型外壳产生的气动升力削弱汽车抓地力，引起安全系数降低．设计了一种依靠自身旋转的主动马格努斯效应装置，优化了汽车在高速行驶状态下的气动升力安全系数．基于Ansys软件对该装置加装的前后进行了有限元分析，获得气流分布及其变化的有关数据．研究结果表明，优化后的整车安全系数明显提高，并且降低了行车能耗．

马格努斯效应；气动升力；有限元分析；行车安全系数

1 气动升力对高速运动物体的影响

在日常生活中车辆为尽可能减少风阻，常将车壳设计为流线型，其外壳与机翼有许多相似的特点，因此在车辆运动时会受到伯努利效应的影响，由此效应形成的力向上，使得运动车辆“变轻”，如部分车型高速“发飘”，驾驶员失去路面感，甚至严重时车辆失控，进而导致交通事故[1]．导致车辆抓地力、稳定性降低，尤其在高速运动下尤为明显，此种情形的出现是由于载具的外壳往往设计为上表面空气绕行距离长，下表面绕行距离短，为低速下固定翼机翼模型（见图1）．由图1可见，此种机翼设计上表面A微曲，下表面B稍平，气流从左至右绕行机翼时，流量与横截面速度关系为

产生的压强差导致上下表面空气压力不等，导致机翼受力整体向上[2]．

图1 固定翼机翼模型

根据大量行车数据测试统计表明，在行驶到120 km/h的阶段时，汽车会出现严重的漂移现象．根据安全管理网统计，近10年全国交通事故类型中，城市交通事故类型所导致的死亡人数同比增长4.8%，其中超速行驶为事故发生的主要原因之一．因此，降低汽车高速运动下的安全隐患具有十分重要的意义．现阶段对载具气动升力的解决方法主要集中于载具加装翼型，如尾翼、侧翼等[3-6]，此类解决方法由于对整体车壳外形进行了大幅度的改装，导致在改善汽车气动升力特征时增加了较大行驶阻力，从而增加了能耗．可通过设计的动态载具来适应多形态车辆的需求，利用马格努斯流体效应来优化标准化道路行车领域的气动升力的影响．

2 装置设计及有限元模拟分析

2.1 设计理念

高速旋转的球在空中飞行时，其轨道会弯曲的现象为马格努斯效应．如足球的“香蕉球”，排球的侧旋球，篮球投篮时的后旋球以及棒球的旋转球等[7]．德国物理学家Heinrich Magnus解释了这种效应：将旋转的圆柱体或球体放入粘性流体中，由于运动体自身旋转而扰动周身气流产生环流并与运动体相互作用，以致顺运动体旋转方向的气流流速加快，逆运动体旋转方向气流流速减慢．进而导致运动体各表面流体密度出现较大差异而产生的压力差使得运动体偏转，飞行路径的曲线所偏转的方向和偏转力的方向相同[8]，后人为纪念Magnus的巨大贡献称这种效应为马格努斯效应．

由于马格努斯效应能通过运动体的旋转改变运动体周身气流的密度，故在载具表面附加旋转带装置，便可通过马格努斯效应改善载具周身气流密度，以此减弱伯努利效应的影响．值得注意的是，高速运行汽车表面的气流密度并非处处相等．气流在外壳上表面的反斜面，由于气体宏观所表现的弹性作用，将导致空腔效应以及涡旋，此处的气流速度相较于迎风面将有很大的增幅．故在安装旋转带装置时，需在反斜面处分块并设以较高的转速（见图2，此处的旋转带标记并不代表实际大小，为尽可能减少安装旋转带所新增的风阻面，对旋转带大小与尽可能扁平并紧贴汽车表面）．

图2 旋转带布置位置设想

2.2 装置设计介绍

装置外壳表面见图3，装置厚度较小，对汽车原始流线型外表影响较小，传送带内部有高转速（A）、低转速（B）2组转动轮组，分别带动对应的传送带区块旋转，其前后有导流斜面使装置自身导致的气流阻力较小．在装置工作时，旋转带上表面的转动方向会与风向相反，由于旋转带表面粗糙与空气粘度相互作用，旋转带表面的空气流速会降低，使汽车上表面空气压强增大，从而使得向下的马格努斯力增大．其中A区域为较高转速区，对外壳前端较强气流进行主动马格努斯效应降速；B区域为较慢转速区域，对后端较弱气流进行整流．安装时将装置的A，B区域对应载具的A，B区域安装，即可达到主动马格努斯效应降速．

装置供电由汽车自身提供，装置自身集成的微型计算机会通过汽车自身的车轮转速来自动调控装置运行速率，以高效符合车辆运行环境．

图3 装置外形设计及其原理（速度）

2.3 有限元分析

根据市面上多数车辆的尺寸制作了二维模型，其各项具体参数见表1．

表1 二维汽车模型各项参数

在Ansys的Meshing中网格绘制的各项参数见表2．

表2 Meshing各项参数

在计算设置中选择了k-omega（2 eqn）的粘性模型，模型各项常数见表3．

表3 粘性模型常数

使用k-omega（2 eqn）中的SST为粘性模型，车壳摩擦系数为0.2，使空气流体以36.52 m/s的速度从左至右通入，得出汽车运动时周身气流场（见图4）.

从图4可以看出，气流速度在反斜面要高于上表面其它处，这与局部区域空气速度会阶梯式变化的分析吻合．

车外壳局部速度矢图见图5．在分析过气流场后，本设计只需在图中对速度有明显阶梯性变化的部分，布置旋转带即可抑制大部分气动升力，这一分析与图5中的结果十分吻合．

图4 运动汽车周身气流场（速度）

图5 车外壳局部速度矢图

设定图2中A区域为wall1，B区域为wall2，C区域为wall3．并设定旋转带的摩擦系数为0.8，其中wall1与wall3的旋转速度为逆时针20 m/s，wall2的旋转速度为逆时针30 m/s，同各参数计算得到添加旋转带后的气流场见图6．

图6 添加旋转带后的气流场

由此可以得到汽车外壳表面空气最大流速从9.489e+01 m/s降至9.140e+01 m/s.

对车壳上表面主要气流扰动位置对比安装装置前后气流速度随车壳从前至后的速度变化见图7．

图7 区域一表面空气速率及压强前后变化

表4 加装装置前后各区域压强改变

由表4可以看出，相较于未安装旋转带的车辆，安装此装置后整体车壳压力对抑制整体车身的气动升力起到了可观的正向作用．

2.4 装置误差分析

为了简化实验模型，本文所用模型简化了车轮在行进过程中路面与车辆悬挂系统相互作用的振动，对汽车车壳表面流经的气流总持续处于混沌状态，故本装置在现实运作中的效率需进一步优化．此外由于本模型不涉及路面，车身以及车身下表面所引起的地面效应能同样对车体整体的受力效果造成一定影响[10]．

在不同地区、不同天气的行车状况下，由于环境等因素，空气将不能看做是理想气体，还要考虑许多复杂的条件影响，如空气粘度、密度、温度以及车壳长期磨损所导致的摩擦因素的上升等．

3 结语

在汽车外壳加装旋转带后，将汽车局部改装为主动型马格努斯装置，对高速运行汽车所形成的气动升力起到了一定程度的抑制效果，且旋转带会导致空气阻力和马格努斯力的变化．

通过有限元分析软件建立的动力学模型，以及流体力学的基本原理，宏观上能够较好地减弱气动升力对汽车的影响．通过有限元分析计算效率评价实验表明，该装置效果能有效改善气动升力特性，使气动升力约降低22.38%，能满足汽车安全性需求．

[1] 石佳琦．气动升力对车辆行驶气动稳定性影响及优化研究[D]．株洲：湖南工业大学，2020．

[2] 罗立江，梁玉娟，罗典，等．飞机机翼升力的实验研究[J]．河池学院学报，2019，39（5）：73-77．

[3] 王瑞东，倪章松，张军，等．高速列车串列升力翼翼型优化设计[J/OL]．空气动力学学报，（2021-11-18）[2021-11-20]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1192.tk.20211117.1001.004.html．

[4] 邓召文，余伟，余思家，等．赛车空气动力学套件设计与气动特性研究[J]．机械设计，2021，38（8）：72-79．

[5] 朱仕卓，王毓，程实，等．一级方程式赛车尾流的气动结构仿真分析与发展[J]．时代汽车，2019（12）：125-130．

[6] 刘旺，侯路飞，顾君杰，等．尾翼对汽车气动性能的影响[J]．汽车工程师，2020（6）：56-57．

[7] 潘慧炬．马格努斯效应的力学模型[J]．浙江体育科学，1995（3）：16-19．

[8] 杨虎强．足球任意球直接破门得分的力学原理分析[J]．体育研究与教育，2018，33（5）：94-96．

[9] SCHNEIDER R，LEWERENTZ L，LÜSKOW K，et al．Statistical analysis of table-tennis ball trajectories[J]．Applied Sciences，2018，8（12）：2595.

[10] 潘小卫，谷正气，何忆斌，等．F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究[J]．汽车工程，2009，31（3）：274-277．

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

国家级大学生创新创业训练计划项目（202110518012）；湖北省自然科学基金项目（2019CFB777）

王梁锐（2001-），男，湖北武汉人，在读本科生．E-mail：1269972966@qq.com

魏芳波（1977-），男，湖北十堰人，副教授，硕士，从事图学研究．E-mail：331270069@qq.com