第四章-汽车外形设计与空气动力学

第五章—汽车造型与空气动力学西华大学汽车与交通学院如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。1.空气动力学基础知识附面层(boundarylayer)

由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。附面层随流程的增加而增厚。附面层的流态由层流转换为紊流。1.空气动力学基础知识节1.2空气的粘滞性和气流分离现象顺压梯度和逆压梯度顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓）

逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）轿车的横截面积分布和气流压力梯度1.空气动力学基础知识节气流分离现象(flowseparation) 当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。 在物面法向速度梯度为零(

=0)时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。ePYeY=01.空气动力学基础知识节尾流区

在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。 尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。压差阻力(pressuredrag)

在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。影响气流分离的因素压力梯度

只有在逆压梯度条件下才会产生分离。逆压梯度越大，越易分离。流态

紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。1.空气动力学基础知识节减小形状阻力的措施降低逆压梯度

减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。增大紊流度

增大物面的粗糙度。

分离是产生在附面层流体没有粘度，就没有附面层。没有附面层，就不会产生气流分离现象。汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”(

bubble)）。

1.空气动力学基础知识节1.3压力系数定义 常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。 压力系数定义：；可整理为：CP=P－P∞ρV2/2∞CP=1－(

)2V∞V ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。表示方法矢量法

坐标法1.空气动力学基础知识节2.汽车空气动力与空气动力矩空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为： 空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(SideForce)Ｓ。将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(RollingMoment)

MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、横摆力矩(YowMoment)MZ。空气动力的表达式 空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式： 式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与 流速有关。 空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为汽车空气动力学空气动力矩的表达式 俯仰力矩 令 则 一般取汽车的轴距作为特征长度l。 类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为2.

汽车空气动力与空气动力矩3.空气阻力3.1空气阻力的分类形状阻力(FormDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)内部阻力(InternalFlowDrag)诱导阻力(InducedDrag)摩擦阻力(SkinFriction)前四种为压力阻力。汽车空气动力学Cd总值：0.45A—形状阻力(Cd=0.262)；B—干扰阻力(Cd=0.064)；C—内部阻力(Cd=0.053)；D—诱导阻力(Cd=0.031)；E—摩擦阻力(Cd=0.040)。3.空气阻力3.2形状阻力形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。前风窗对空气阻力的影响前风窗对气流的影响减小前风窗处空气阻力的措施增大风窗与发动机罩间的夹角；风窗横向弯曲。3.3诱导阻力(induceddrag)

在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。

洗流不易分离。3.空气阻力气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大； 后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。 分离点前移，气流在后背的流程减小。后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。 随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，最终减小，至消失； 随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背顶端时，不再增大。3.空气阻力3.4干扰阻力

干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。

车外小物件产生的干扰阻力

气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。3.空气阻力车身表面凸起物对气流影响凸起物可能引起气流分离。凸起物使附面层加厚，气流容易分离。3.空气阻力车身表面凹槽产生的干扰阻力门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。3.空气阻力车轮旋转对气流的影响车轮旋转旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中马格纳斯效应(Magnuseffect)：在流体中运动的旋转圆柱受到力作用而影响它的行进路线的一种现象。路面上滚动的车轮受到一升力作用。车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。3.空气阻力轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。3.空气阻力3.5内部阻力流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。

内部气流发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。通风气流：流量约为冷却气流的1/10左右。制动器冷却气流理想的发动机空气冷却系统气流通道为密封的直管道；散热器面积大，进入的气流速度低；全部气流都流经散热器；通道面积变化缓和，无涡流产生；流经散热器的气流为紊流；可根据散热要求调节气流流量。3.空气阻力4.空气升力4.1空气升力翼型的迎角越大，空气升力越大。汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。不同外形的汽车，其“迎角”不同，空气升力系数也不同。汽车空气动力学4.2地面效应地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。当距离h较大时，随h减小，气流加速，压力减小；当距离h较小时，附面层的影响随h减小而突出。随h减小，气流减速，压力增大。4.空气升力5.侧向气流和空气动力稳定性5.1侧向气流对空气动力特性系数的影响气流侧偏角与空气动力特性系数

各种汽车的空气动力特性系数随侧偏角的变化而变化的规律是不同的。多数汽车的空气动力特性系数是随气流侧偏角的增加而增大。汽车空气动力学侧偏角5.2汽车空气动力稳定性

汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。5.侧向气流和空气动力稳定性气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。气压中心在质心之前：气压中心在质心之后： 车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力稳定性越好。形心形心5.侧向气流和空气动力稳定性发动机盖应向前下倾风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。

调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。越野车很难做到风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。在保险杠下面，应安装合适的扰流板。增加前阻风板（airdam)阻风板的作用：减少进入底部的空气量。阻风板后形成局部高压区。前阻风板的优化不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。汽车空气动力学

形状位置不同时，对Cx和Cy的影响不同，图中所示（巴西产）为安装扰流器后的特性曲线，由图知B40获得最小的阻力值Cx下降3%Cyf下降21%,K120获得最小的阻力值Cyf下降50％。由图还可以看出，速度愈高升力下降愈明显。阻风板示例6.汽车空气动力学装置凸起唇有些车型不单独设置扰流器，设置如图4－51所示的凸起唇，这种凸起唇起着扰流器的作用。

水平投影应为腰鼓形。后端稍稍收缩，前端呈半圆形。货车顶盖优化避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。6.汽车空气动力学装置货车的后导流罩6.汽车空气动力学装置面与面交接处的棱角应为圆柱状。过渡不理想面与面交接处的棱角应为圆柱状。尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。减少凸起物，形成平滑表面，如门把手改为凹式结构，刮水器改为内藏式，车身侧面的窗玻璃与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面平滑。翼子板应与轮胎相平。轮子和轮坑的影响

（1）车轮处气流流动的复杂性

前部气流受阻向两侧分流，并产生分离；由于空气的粘性作用，在车轮带动下旋转，被带入空腔加速，在前部向两侧喷出，加剧分离，这种流动的复杂性对气动特性有重要影响。(2)改进措施a、

增加h──进入轮腔的深度，当h增大时，由于轮罩的屏蔽作用减小。如图4－53所示：h时屏蔽作用增强，进入轮坑的气流量减小，在前面喷出时对侧面气流的干扰减轻，故下降。b、气流导板如图4－54所示，安装这种导板后，可以对气流起疏导作用，使气流平顺减小分离的可能性。气动阻力下降。3/8模型的试验结果表明气动阻力系数下降5％。

前轮前导板后轮前导板后轮后导板前轮前导板后轮前导板后轮后导板c、轮罩为了减轻轮子转动对气流的干扰，安装如图4－55所示的轮罩，有的车在侧面加金属盖板将侧面屏蔽起来，也可起到屏蔽作用，对于前轮，为了灵活转向在盖板周围设有特殊橡胶，可不妨碍转向。这种盖板或轮罩可使下降9％。

车轮整流罩(Wheelcover)车轮整流罩的作用减小车轮转动引起的干扰阻力；减小翼子板开口引起的干扰阻力。制动器散热效果差。6.汽车空气动力学装置整个车身应向前倾1°～2°。2）整车车身后背对空气阻力的影响几种典型的车身后背型式直背式(Fastback)：后背倾角＜20°；舱背式(Hatchback)：后背倾角20°～50°；方背式(Squareback)：后背倾角＞50°；折背式(Notchback)。3.空气阻力最好采用方背式或快背式。若用阶背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。后扰流器（spoiler）

后扰流器的作用在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力；使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力；使分离提前，可增大形状阻力；有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。后扰流器的优化在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最佳值。6.汽车空气动力学装置后面应采用鸭尾式结构。后扰流器形式6.汽车空气动力学装置有些汽车为了获得更小的后轮升力，装有大型后部扰流器。

6.汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置垂直尾翼垂直尾翼的作用使气压中心后移，改善空气动力稳定性。增大空气侧向力。6.汽车空气动力学装置6.9负升力翼负升力翼的作用产生向下的空气升力，提高附着力。

例：总质量750kg，附着系数1.4，转弯半径200m，无负升力装置，最大车速190km/h，向心加速度1.4g；负升力为车重的36%，最大车速222km/h，向心加速度1.94g；负升力为车重的106%，最大车速270km/h，向心加速度2.88g。6.汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置

底部粗糙度不同时，离地间隙的影响不同，底部气流的流动情况受粗糙度的影响较大进而和地面效应的关系业不同。a、

轿车可以看成翼展较短的机翼，由前述知，在一定的范围内Y正比于，故。b、

另一方面增大，迎风面积增大，破坏了原有的气动特性，故气动阻力增大。。当取负值时，后端底部上翘，底部向尾流开放，尾流负压影响底部，使底部后端涡流区减小，气流通畅，阻力下降，p下降、升力下降、故。中弧线：沿汽车纵轴各截面中点的连线。弯度：中弧线相对前后缘点的相对距离当有一定的纵向曲率时，当达到一定数值时，达到最小值，f进一步减小时，会出现前部阻力增大、后部分离的情况，所以。当汽车底部有一定的纵向曲率时，上下表面趋于对称减小了上表面的速度差和压强差，另一方面当一定的纵向曲率时，后部上翘，向尾流开放，使尾流的负压影响底部，使底部涡流区减小、气流通畅，故阻力升力减小。

底部侧挡风板对于某些车型，汽车底部向两侧分流量太大，增强了侧面的螺旋流强度，增大，同时加剧了侧面的污染。为此安装侧挡风板，限制过多的气流向两侧分流可以获得好的效果。图4－57示出了其高度对的影响：曲线较平坦，斜率较大。原因只是诱导成分和该旋涡关系密切，其