汽车外流场的数值模拟论文，无图纸

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 随着汽车技术的发展以及道路交通的完善，汽车实用车速大大提高，汽车空气动力学成为汽车行业的重点研究方向之一。本文采用 进行三维外流场的数值建模。 本课题 运用 制出实车的 1:1 三维模型。在建立仿真模型过程中 ,考虑到仿真时间与计算机硬件问题 ,对实车部分细节做出相应的简化。然后利用 件建立有限元模型。本文采用四面体 +三棱柱网格混合方案划分网格 ,并采用密度体包围整个轿 车 ,以对其周围计算区域进行网格加密处理 ,并对轿 车表面面网格做局部细化。选用湍流模型 ,并在其近壁面采用标准壁面函数以提高车身表面流动的模拟精度。最后利用 行模型分析 ,得出车身表面压力分布图和速度矢量图 ,通过分析整车表面速度和压力特性 ,了解气流运动规律和情形。并通过仿真所得结果计算出该轿 车的气动阻力系数与升力系数。根据本文仿真结果并结合轿 车造型可以看出 ,对于轿车 ,由于流线型造型特点 ,其气阻力系数相对较小 ,但是气动升力系数不稳定。而对于轿车这种高速行驶的汽车 ,出于安全与稳定性考虑 ,降低其气动升力比减小气动阻力有着更实际的意义。 关键字 :计算流 体力学 数值模拟 气动阻力 气动升力 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 s of s of in a a of l:l) G. of of In by to to of we of s we Its s be of to we to is a of of it to 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 1 绪 论 . 1 研究背景与意义 . 1 汽车空气动力学的研究方法 . 1 实验研究 . 2 理论分析 . 2 数值计算 . 2 国内外研究现状 . 3 国外空气动力学发展现状 . 3 国内空气动力学发展现状 . 4 本文研究内容 . 5 研究目标 . 5 研究内容 . 5 技术关 键和难点 . 6 2 汽车空气动力学气动特性研究 . 7 空气动力学基本理论 . 7 空气的基本物理属性 . 7 气流运动的基本方程 . 9 粘性流基础 . 10 汽车的气动力与气动力矩 . 12 气动力对汽车性能的影响 . 15 气动力对汽车动力性的影响 . 15 气动力对燃油经济性的影响 . 16 气动力对汽车操纵稳定性的影响 . 17 汽车流场的组成 . 17 3 汽车外流场数值模拟理论基础 . 19 汽车外流场的基本假设 . 19 基本控制方程 . 19 质量守恒方程 (连续性方程 ) . 19 动量守恒方程 . 20 能量守恒方程 . 20 数值离散化方法 . 21 常用数值离散化方法 . 21 湍流模型 . 25 湍流模型的分类 . 25 常用湍流模型 . 25 4 汽车外流场的数值模拟 . 28 几何模型的建立 . 28 计算区域的确定 . 28 格的划分 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 边界条件的确定 . 30 求解器的选择 . 30 收敛性判断 . 30 汽车数值结果模拟与分析 . 31 车身外流场分析 . 31 . 39 总 结 . 40 致 谢 . 41 参 考 文 献 . 42 附 录 A 英文原文 . 43 附 录 B 汉语翻译 . 50 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪 论 研究背景与意义 汽车空气动力学是研究空气流经汽车 时的流动规律及其与汽车相互作用的一门科学。汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一 ,对汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性都有着直接的影响。它是指汽车在流场中受到阻力、升力、侧向力三个气动力及其相应的三个力矩的作用而产生的车身内部及外部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、驾驶室内通风、空气调节等特性。汽车的流场包括内流场和外流场。由于高等级公路的发展 ,汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒适性提出了越来越高的要求 ,特别是由于世界能源危机 ,石油价格上涨 ,使得汽车节能技术受到了前所未有的关注 。对于高速行驶的汽车 ,气动力对其各性能的影响有着至关重要的作用 ,所以良好的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。而改善驾驶室的内流特性 (驾驶室内通风、散热、取暖、除霜等以及发动机冷却系空气动力特性 ),在减小气动阻力的同时 ,降低空气动力噪声 ,则是保障舒适性的前提 随着我国汽车行业高速公路建设的快速发展 ,汽车车速也随之不断提高 ,汽车空气动力学在我国汽车工程技术领域的应用也越来越广泛。我国作为一个人口大国 ,汽车的需求量 ,尤其是商用 /家用轿车的需求更是巨大的。随着中国国内轿车保有量不断上升 ,加之针对 2008年金 融危机而出台的相关政策的影响 ,消费者的消费观念愈加趋于理性 ,他们将目光投向了汽车本身的性能 ,特别是对动力性和经济性的要求越来越高 ,汽车行业竞争也变得越来越激烈。因此 ,汽车的空气动力性将是决定汽车在当今市场的激烈竞争中取胜的重要决胜点。设计具备良好空气动力性能的现代汽车 ,无疑是提高其动力性和经济性的重要首选途径 ,尤其是对于高速行驶的汽车来说 ,良好的空气动力稳定性显得尤为重要。因此 ,改善和提高汽车的空气动力学特性是具有极其重要的现实意义的 。 汽车空气动力学的研究方法 汽车空气动力学目前的研究方法按研究 手段可以分为实验研究、理论分析和数值计算三种 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 实验研究 汽车空气动力学试验主要包括模型风洞试验法、实车风洞试验法和实车道路实验法。实验研究在空气动力学研究中占有十分重要的地位 ,它可以更真实地模拟汽车实际行驶状况 ,并可以提供建立理论模型的依据、检验理论及计算结果的准确性和可靠性。道路试验只有在汽车样车生产出来后才能进行 ,属于汽车空气动力学实验研究后期的一个手段 ,风洞试验则能在汽车设计研发早期开展 ,是汽车开发或已有汽车变型发展过程中内外形设计的重要手段。但是实验方法受限于试验环境、实验手段、设备 和经费等物质条件。特别是风洞试验 ,投入大 ,成本高。此外有些实际问题尚无法在实验中得以解决 ,使得难以得到准确的实验据 。 理论分析 理论分析的特点在于科学的抽象 ,利用数学方法求出理论结果 ,清晰地、普遍地揭示出空气运动、汽车气动力产生机理以及对汽车性能影响的内在规律。首先抽象出合理的简化理论模型 ,并在此基础上根据已总结出的相关的介质性质实验公式 ,结合普遍定律来构建描述其有关介质运动规律的微分方程 ,接着利用数学方法并考虑到相应的初始和边界条件解出方程组。研究人员通过对这个得出的解加以分析 ,就可以揭示出 其所表示各种待观测物理量的变化规律 。 但是理论分析往往容易受到数学工具及求解方法的限制 ,只能建立相对简单的近似模型和经验公式 ,对于研究更复杂的、更符合实际的气流存在很大的局限性 。 数值计算 随着计算机技术的发展和数值分析方法的不断演变 ,求解复杂的偏微分方程组成为可能 ,这些也进一步促进了计算流体力 发展。同时数值分析方法在计算流体力学 ,尤其是汽车空气动力学方面的研究作用和地位也在不断提高 ,现已成为与实验研究和理论分析两类方法并驾齐驱的重要 研究方法。 数值计算的目的是利用计算机技术来求解流动运动方程 ,从而研究分析汽车流场各主要特性以及汽车气动性能。通过计算分析汽车周围的绕流情况 ,并将其结果可视化 ,使得研究人员可以很清晰地看到汽车流场的各种细节 ,进而可以分 析流动的分离、表面压买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 力分布以及受力大小情况等。其优点是能够预测或解决一些理论及实验无法处理的复杂流动问题 ,能取代部分实验环节 ,且省时省工。数值计算的特点是不受流场品质、实验环境、实验器材等因素影响 ,实验参数选择大。但是它要求事前必须充分了解问题的物理特性 ,才能提炼出比较精确的数学方程及相应的初 始、边界条件等 ,而这些又必须依靠实验和理论方法的支撑。 应用 为设计提供科学的依据 ,无论在新产品开发还是在现有产品改进方面 ,都具有提高产品质量、增强自主开发能力的作用。由于具有周期短、成本低、不需实体模型 (实车 )等特点 ,要作用 。 但是不可否认 ,数值模拟方法也存在其一定的缺点 :比如 ,因目前无法完全搞清楚湍流的流态特性 ,对有些问题的求解也还没有普遍适用的数学模型 ,并且数值计算的精度和收敛性也有待改进。如在针对汽车外流场的模拟过程中 ,对于一些特定的、物理机 理比较清楚的区域 ,我们可以用 但是对于那些流动机理仍不是很明确的地方 (如车身的分离绕流部分 ),法求解精度仍有待提高。另外 ,由于断误差、湍流模型等设置因素 ,这就导致数值计算结果与试验结果必然会存在着一定的差异。因此 ,目前 法并不能全面代替风洞试验研究。实际上 ,现在汽车设计行业很多实际问题还是需要依靠相关试验来解决。从某种程度上来说 ,试验结果可以校正 实验研究、理论分析、数值计算这三种 方法各有利弊、相辅相成。实验研究是理论分析和数值计算的基础 ,它可以用来检验理论的正确性和可靠性 ;理论分析能指导实验和数值计算 ,并能将部分实验结果应用到一整类现象问题中去 ,在大量的实验基础上 ,通过归纳总结 ,得出相应规律 ,促进理论的发展 ,并反过来指导实验 ;数值计算则可以弥补另外两者的不足 ,三者相互作用 ,共同促进汽车空气动力学的发展 国内外研究现状 国外空气动力学发展现状 国外一些汽车工业相对比较发达的国家对汽车空气动力学 ,尤其是在传统的试验研究方面已经取得了很大的成就 ,各大汽车公司基本上 都有自己的风洞实验室。迄今为止国际上众多名车都是基于各种严格条件下的风洞试验结果来设计和改型的 ,可以说都是融合了现代空气动力学的成果。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 自 20年代国外将空气动力学应用到汽车上以来 ,先后已出现了很多骄人的成绩。1938年法国人安德里奥设计了气动阻力系数仅为 电”赛车 ,同时在强侧向风条件下也拥有良好的稳定性 ,并以 60年代初期 ,各大汽车公司先后投入巨额资金建造新型的整车风洞实验室。用这种风洞模拟真实汽车在不同行驶条件下的状况 ,除了可以研究汽车承受的气动力之外 ,还可更准确地研究汽车外部或内部细节的空气流场 ,以及发动机的冷却、室内通风、灰尘积垢等等各项性能。其中较为代表的是 达到 轿车 ,采用整体最佳化方法设计开发 ,的推出在当时引起了整个世界汽车行业的轰动 。 计算流体力学 (用于汽车设计始于 80 年代 ,其研究主要以欧美为中心。随着计算机技术的发展和湍流理论研究的不断深入 ,使得将计算流体力学的研究成果应用于汽车设计成为可能 ,并取得了很多重要的研究成果。当时 80年代初 期的研究对象还仅仅是限于车体的基本形状方面 ,随后才逐步发展到如今包括车后视镜、扰流板、发动机仓、复杂底板、车轮等部件的模拟 ,并且加入了有关车辆高速行驶时的横风稳定性和横风过渡特性 ,甚至是两车相遇时瞬态空气动力学特性等方面的模拟。值得一提的是在精度方面 ,研究结果可以把%以内。同时随着 可以说现在汽车空气动力学解析系统的研究已是初具规模 。 国内空气动力学发展现状 我国 的汽车工业发展一直比较落后 ,国内自主研发水平比较低 ,可以说是长期处于引进国外技术的低开发水平状态 ,因此对汽车空气动力学方面的研究投入甚微。国内以往对空气动力学的研究主要是集中在飞机等航天方面的研究 ,而在汽车领域的应用研究则很少 ,相对来说也比较晚。 1981年中国空气动力学研究与发展中心首次进行了两辆轿车和一辆面包车的实车风洞试验研究 ,随后长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京航天航空大学、西安公路交通大学、同济大学通过对航天风洞、建筑风洞的改造 ,先后也开始了轿车、大客车和货车的汽车空气动力学的研究工 作。 2009 年 9月 19日 ,斥资 元建造的中国国内第一个“汽车风洞” 填补了中国国内汽车研发设计领域多个空白。此次风洞的关键技术指标均达到世界领先水平 ,并拥有全部自主知识产权。除支持汽车企业外 ,新启用的上海地面交通工具风洞中心还将为中国高速列车的自主研发和大飞机项目 ,提供不可缺少的关键技术支撑买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 平台。“汽车风洞”将为中国汽车和轨道车辆工业 ,特别是为新能源汽车的自主研发提供重要的基础性服务 ,为中国汽车工业从“中国制造”迈向“中国创造” ,营造了必要条件 。但是进展迅速 ,并且取得了较好的成绩。 长春汽车研究所应用细部最佳化设计方法 ,通过改变曲面斜度、增加扰流板等措施对红旗 最后使其阻力系数 低 升力系数 4%。并通过进一步优化滑底板 ,使得汽车最后产生了负升力。吉林大学的傅立敏教授用实验和数值模拟分析流场横纵向的流动状况 ,研究轿车三维分离流动特性 ,分析了其气流分离及尾涡的形成原因与发展机理。中国气动中心与汽车研究院合作研究车身各部分的速 度矢量及压力分布 ;北京航空航天大学则在软件开发及减阻方面做出了很多成果。 近 10年来 ,汽车空气动力学研究受到极大的重视 ,在降低气动阻力方面取得了很大的进展 ,商品车的平均气动阻力系数已降至 一些先进的气动设计的样车 ,气动阻力己降到 着降阻车的开发 ,车身设计趋于挺拔、大方的棱角造型 ,但对空气动力学有影响的关键部位 ,都采用圆角过渡。并且 ,国内目前己经出现了一些由我国自主开发的应用于汽车的三维流场计算软 件 。 本文研究内容 研究目标 汽车空气动力学仿真是现代车身 设计方法的三大关键技术之一 ,贯穿于新车型从设计到产品性能分析的全过程。本文主要是运用 并运用 通过分析整车表面速度和压力特性 ,了解气流运动规律和情形 ,结合理论分析其各部分结构对外流场的影响及规律 ,并通过进行结构改进 ,达到减小气动阻力和气动升力、提高汽车性能的目的 ,以及进一步来论证 件在汽车工程应用上的可行性 ,并且为此轿 车的开发提供计算机模拟数据。 研究内容 参考以往的研究成果以及国内外发展的现状 ,确定主要研究内容如下 : 1)研究应 用汽车空气动力学及所用软件基础 ; 2)以某轿 车为研究对象用 利用 型 ,进行计算买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 区域的设置、网格划分以及确定边界类型 ; 3)研究影响仿真结果的因数 ,如网格精度、湍流模型及地面条件等 ,通过对比分析 ,选择最适合的方案 ; 4)对模型外部的速度和压力场进行分析 ,得出相应的结论 ,分析该轿 车模型的流场特性、表面压力以及在加装空气动力学附加装置后的速度场和压力场分析 ,通过模拟所得数据计算该车的气动阻力系数与升力系数 ,并总结其结构对气动阻力与升力的影响 ,。 技术关键和难点 课 题涉及到车辆工程相关学科、汽车空气动力学、车身设计等方面的内容 ,其技术关键和难点有以下几点 : l)三维实体模型的建立、模型网格的划分及离散方法和湍流模型的选择 ,以及控制计算精度、计算规模和计算时间的平衡 ; 2)运用 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 2 汽车空气动力学气动特性研究 汽车空气动力学以空气动力学为基本理论来分析汽车周围的流场 ,研究作用在汽车上的气动力和力矩 ,并运用空气动力学研究的成果来改善汽车造型 ,提高 汽车性能 。因此 ,本章主要探讨了空气动力学的基本理论 ,为数值计算提供理论基础。 空气动力学基本理论 空气的基本物理属性 1)空气的连续介质模型 通常我们用自由行程平均值 (气体中所有分子 )l 来表示气体分子的间隙大小。对海平面大气而言 ,在气压为 760柱 ,温度为 15 。C 时 ,每 1有空气分子 ,其平均自由行程 l=103 而 ,从微观上看空气是离散的。这样要研究空气的相关规律将十分困难 ,因为我们不能把微分方程等数学 工具直接用于离散介质中。但空气动力学研究的不是微观的分子运动 ,而是研究空气与其中运动物体的宏观机械运动 ,是大量分子的平均统计行为。所研究对象 (如汽车 )的特征尺寸要远远大于分子的间距 ,因此在空气动力学研究中 ,将实际由分子组成的空气用一种假想的彼此无任何间隙的空气微团来代替 ,这种空气微团被定义为由足够量分子组成并连续充满所占据的空间 ,这就是欧拉建立的连续介质模型。 在这个模型的前提下 ,空气动力学把介质 -(空气 )看成无空隙存在 ,这种假设 ,称为连续性假设。基于此假设 ,可将空气特性的一系列参数 ,如压强、温度、密度、速 度都可看作是连续分布的 ,因为他们可被看成空间坐标和时间的连续可微分函数 ,故在研究中可采用微分方程等数学工具 。 2)空气的粘性和流动性 (1)粘性 粘性是空气所具有的重要属性。但由于空气的粘性不大 ,人们在实际生活中不易觉察到。 假设有一股直匀气流 (气流是直线的 ,速度是均一的 v ),在气体里放置一块无限薄买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 的平板 ,板面与气流速度平行。用细小的测流速的仪器测出板上表面沿法线方向的流速分布、 v=f(n),其结果见图 板空气粘性实验 紧贴壁面那层空气的流速 虽不能真正测得 ,但从物理学上可判定空气是粘附在壁面上的 ,其流速为零 ,称为无滑条件。离薄板表面越远流速越大 ,理论上离板无穷远处的流速才等于 v 。 如果空气没有粘性 ,垂直板面上 各点流速本应和 v 相同。现在各层气流速度有差别 ,说明空气各层之间存在内摩擦力。产生内摩擦力的这种性质称为粘性。 应当强调的是 ,只有流动时才会表现出粘性 ,静止的流体不呈现粘性。粘性的作用表现为阻碍气流内部的相对滑动 ,进而阻碍气流的流动。这种阻碍作用只能延缓相 对滑动过程 ,这是粘性的重要特征。 粘性的大小 ,可用单位面积上的摩擦力 摩擦应力 表示。 1686 年牛顿根据大量实验研究指出 ,流体内任一点的 与该处的速度梯度成正比 ,即 : dv/ (式中 : 由实验确定 ,只与流体种类有关 ,其单位为 2 。 在空气动力学中 ,还常用粘度系数与空气密度的比值来度量空气的粘度 ,称为运动粘度 ,用 即 : V= / (买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 海平面条件 (1个标准大气压 ,兀 = ,空气密度 p=m, v=N.s/ 由于空气的粘性不大 ,在处理许多气流问题时 ,有时往往会忽略粘性作用。忽略其粘性作用的流体称为理想流体。 (2)流动性 气体的流动性是指在空气中运动的物体的通过性。亦即当运动的物体经过时 ,它经过的路线上原来的空气 ,必然会被排挤开去 ,这种被排挤开去的运动 ,称为受扰运动。受扰动的并不仅仅是直接和运动物体相接触的那些空气微团 ,因为扰动会通过空气微团的彼此作用 ,由近及远地传播开去的。扰动这样层层传播开去的传播速度和气体的弹性有关系 ,也就是说与音速有关 ,当扰动不大时 ,这种传播速度就等于音速。当运动物体的速度远小于音速时 ,这时空气的流动性很 好。因为在运动物体还没到达的路径前方 ,空气微团由于受到扰动而开始运动 ,当运动物体到达时 ,空气微团就很容易地让开路了。当运动物体的运动速度超过音速之后 ,扰动传播的速度仍是音速 ,只是运动物体到达时才突然被推开。这时流动性就很差了。当运动速度达到高超音速范围时 ,空气简直就像没有流动性一样、空气微团会像固体粒子那样向运动物体打来。由于汽车的运动速度一般都低于音速 ,因而其空气流动性较好 。 气流运动的基本方程 流体力学中的基本方程为连续性方程和伯努利方程 ,前者表示两过流断面上的流动参数之间的关系 ,后者则表 示能量转换的关系。 1)连续性方程 如图 当流体流经变截面时 ,如果是定常流动 ,则管道的任意截面 1、 2之间的流体质量不变 ,即 : 1 2 2 = (式中 : 1 2两截面的平均密度 ,对于不可压缩流体 ,其密度为常数 ; 1V 2V 两截面的平均流速 ; 2 两截面的截面积 ; 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 体在变截面中的流动 2)伯努利方程 与流体的质量成正比的力被称为质量力。对于不可压缩流体作定常流动 ,当忽略质量力时 ,流体的流动速度和压强也存在一定的关系 ,用伯努利方程描述如下 : 0221 （ 式中 : 若将该方程 用到图 可表示为 : 222211 2121 （ 由式 (在流动过程中 ,对于理想不可压缩流体作定常流动时忽略其质量力 ,其总压不变。同样单位体积流体的动能 ( 2)和流体所具有的压力能 (P)之和保持不变即总机械能不变 ,即能量是守恒的 。由式 (知 ,流速越高、动能越大 ,压力能越小 ;反之亦然。 粘性流基础 1)层流、 湍流和雷诺数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 流体分层流动 ,相邻两层流体间只作相对滑动 ,流层间没有横向混杂 ,这种流动状态叫做层流。当流体流速超过某一数值时 ,流体不再保持分层流动 ,而可能向各个方向运动 ,各个流层将混淆起来 ,并有可能出现涡旋 ,这种流动状态叫湍流。流体作湍流时所消耗的能量比层流多。介于层流与湍流间的流动状态很不稳定 ,称为过渡流动。雷诺通过大量实验和理论分析表明 ,流体运动的状态不仅和速度有关 ,而且还与流体的性质、管径的大小等有关。发现决定流态的是下列组合而成的判据数 ,即雷诺数 : （ 式中 : v m/s; l 又称特征长度 ,m; S。 我们把层流变为湍流的临界雷诺数用 表示 ,称上临界雷诺数 ;由湍流变为层流的临界雷诺数用 Re称 下临界雷诺数 ,且 。因而用雷诺数来判断流动状态时 ,有三种情况 : (l)当 时 ,流动为湍流状态 ; (3)当 1流体绕过物体时在其壁面附近存在有受流体粘性影响很大的薄层 ,称为边界层。 由前述可知 :粘性不可压缩流体流经平板结构的物体时 ,在边界层沿 根据前文所介绍的伯努利方程可知边界层处的压强也不变化。而当物体买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 表面是曲面 ,压强随着边界层沿 x 方向的速度 变化而变化 ,使得边界层也相应改变 ,因此当流体流经曲面时会对边界层内部的流场产生重要的影响。 附面层内同样存在两种流态 ,即 层流附面层和湍流附面层。在层流附面层和湍流附面层之间为过渡附面层 ,如图 相同雷诺数下 ,湍流附面层厚度比层流的大 ,湍流附面层的厚度沿流动方向比层流附面层增加得快。在湍流附面层内 ,紧靠物体表面总是存在着一层极薄的粘性底层。在粘性底层内速度梯度 极大。判别流态的准则仍然是雷诺数 。 图 面层内的不同流态 汽车的气动力与气动力矩 汽车在行驶过程中 ,除了受到来自地面对轮胎的附着力以外 ,还受到其周围气流的气动力作用 ,气流的作用主要产生的是阻力和升力 ,当有侧风存在时 ,由于汽车横摆角 的存在 ,汽车还将受到一个侧向力。这三个气动力的合力在汽车的作用点称为风压中心 (记作 气动力的合力沿汽车坐标系分解为三个力和三个力矩 ,统称为六分力 ,它们决定 了汽车总的气动力矢量。 1)气动阻力 气动阻力对汽车的动力性和燃油经济性有着直接的影响。随着能源问题的日益突出 ,汽车的高速化以及公路运输比重的不断增加 ,减少气动阻力以提高汽车的燃油经济性也变得越来越受关注。在汽车的六个气动分力中 ,气动阻力的构成和影响因素最复杂 ,也是汽车空 气动力学目前研究的重要内容之一。 气动阻力由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和内流阻力 5 部分组成 ,买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 其方向与汽车运动方向相反。 压差阻力 它是气动阻力的主要组成部分。压差阻力是由于空气在运动过程中的粘性在汽车车身前后产生压力差而形成的阻力 ,约占汽车总气动阻力的 50% 摩擦阻力 约占汽车总气动阻力的 6% 诱导阻力 占 汽车总气动阻力的 8% 干涉阻力 槽及缝隙所引 起的气流干涉而导致的阻力 ,约占汽车总气动阻力的 5% 内流阻力 动机、空调以及驾驶室通风气流引起的阻力。这些气流通过气流进出口的压力差或风扇对外部气流加以利用。在流动的过程中这些气流会导致内流阻力造成车辆较大的能量损失 ,约占汽车总气动阻力的 10% 由上可知 ,减小汽车的形状阻力在车身设计时具有非常重要的意义 ,这就要求对车身外形进行“流线形”设计。车身长、宽、高基本 尺寸以及它们的最佳比例关系也直接影响了车辆的空气阻力系数。实践证明 ,车身越长 ,越宽 ,越低 ,空气阻力越小。但是除了对空气动力特性的基本要求 ,还需要进行更全面地考虑包括交通法规、造型和结构上的要求、舒适性、乘坐空间等因素 ,不能单纯地对汽车进行增加长度、增加宽度、减低高度的改进。所以在进行车身设计时要协调相互之间的关系 ,全面综合地对各因素进行分析 ,最终得到最佳的设计效果 。 2)气动升力 气动升力指的是作用在汽车垂直方向上的气动力 ,与汽车的行驶方向垂直。气动升力的大小与来流速度的平方、汽车的迎风面积以及气动升力系数 成正比 ,方向与汽车重力方向相反。它直接影响汽车的操纵稳定性和动力性 ,同时也间接 地影响燃油经济性 。 汽车特别是流线型较好的轿车 ,其外形是接近于有限翼展翼型的钝形体。当空气流经汽车上下表面时 ,空气质点流经上表面的路程比下表面的路程长 ,而流经后的空气质点又须同时在汽车后部汇合 ,因此流经汽车车身上表面的空气质点速度比流经下表面的空气质点速度快。根据伯努利定理可知 ,汽车车身上部会形成低压区 ,而汽车车身下部会形成高压区 ,导致汽车上下部产生压差。这也就是汽车产生气动升力的基本买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 原理。 由于气动升力会降低轮胎的附着力从而影响 汽车的驱动性、操稳性 ,因此 ,在进行车身空气动力造型设计时 ,应尽量减小气动升力值 ,甚至为负值更为理想。 3)气动侧力 严格地说 ,当气流与汽车的纵对称面平行时 ,是不存在气动侧力的。但在汽车实际行驶中 ,气流不会总是与汽车的纵对称面平行 ,当气流与汽车存在横偏角时 ,汽车都会产生气动侧力。 气动侧力是横摆角 引起的结果 ,所以对每一个具体的汽车形状 ,研究气动侧力与横摆角的关系是十分必要的 。气动侧力系数主要是指汽车外形对侧风的敏感性。在汽车造型初期 ,确定汽车的气动侧力系数是非常重 要的。 4)横摆气动力矩 汽车横摆气动力矩与横摆角是成正比关系 ,且流线型越好的车型其横摆气动力矩系数 变化越大。因为从空气动力学的角度来看 ,汽车的流线型都是沿汽车的纵向轴线方向 ,这个方向上的任何偏离都会使气动力的影响迅速增加。而流线型较差的 ,气流的这种侧风敏感性就低得多。 5)纵倾气动力矩 汽车的纵倾气动力矩系数不仅与汽车横摆角 有关 ,而且还与汽车的纵倾角 有关。事实上 ,汽车车身外表各处 ,特别是底部的实际压力分布对纵倾角是非常敏感的。纵倾气动力的大小实际上取决于风压中心的相对位置。因为风压中心的相对位置会随着纵倾角 的改变而漂移 ,尤其是在汽车的底部 ,流线型越好 ,风压中心随纵倾角的变化越大 ,但纵倾角 任何变化都会使得风压中心前移。 6)侧倾气动力矩 汽车的总质量是由悬挂质量和非悬挂质量组成的。悬挂质量是通过悬架与非悬挂质量连接的 ,并且可以与 非悬挂质量产生相对运动。通常汽车车身是悬挂质量 ,底盘是非悬挂质量。当汽车车身上作用有侧向气动力的时候 ,汽车车身就会产生一个侧倾气动力矩 ,这个侧倾力矩会使得汽车车身相对于底盘产生侧倾运动 ,这个侧倾运动不是绕汽车的重心 ,而是绕汽车的侧倾轴。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 气动力对汽车性能的影响 气动力对汽车动力性的影响 汽车动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到的平均行驶速度。汽车动力性的有三大评价指标 ,即最高车速、加速时间和最大爬坡度。 1)气动力对最高车速的影响 汽车最高车速系指 用直接档 (或超速档 )在良好的水平路面上所能达到的最高速度。此时无加速阻力和爬坡阻力 ,故汽车牵引力只需克服气动阻力和滚动阻力。即满足以下关系式 : 21(21)( 221 （ 在其他因素不变的条件下 ,汽车具有最大牵引力 可获得最高车速 ,即 : 21m a xm a x )(21（ 由上式可以看出 ,除了气动阻力 ,汽车的最高车速与气动升 力也密切相关。 在 数值不变的情况下 ,最高车速随着气动阻力系数 减小而升高 ,同样最高车速随着气动升力系数 提高而升高。但气动升力是