汽车空气动力学气动特性研究毕业设计论.doc

目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 目 录.IV 第一章 绪论.1 1.1 研究背景与意义1 1.2 汽车空气动力学的研究方法2 1.2.1 实验研究.3 1.2.2 理论分析.3 1.2.3 数值计算.3 1.3 国内外研究现状4 1.3.1 国外汽车空气动力学发展现状.4 1.3.2 国内汽车空气动力学发展现状.5 1.4 本文研究内容6 1.4.1 研究目标.6 1.4.2 研究内容.6 1.4.3 技术关键和难点.7 1.5 catia软件介绍7 1.5.1 catia软件简介7 1.5.2 catia在汽车领域的应用7 第二章 汽车空气动力学气动特性研究.8 2.1 空气动力学基本理论8 2.1.1 空气的基本物理属性.8 2.1.2 气流运动的基本方程10 2.1.3 粘性流基础11 2.2 汽车的气动力与气动力矩.13 2.3 气动力对汽车性能的影响.16 2.3.1 气动力对汽车动力性的影响16 2.3.2 气动力对燃油经济型的影响18 2.3.3 气动力对汽车操纵稳定性的影响19 2.4 汽车流场的组成.19 2.5 本章小结.20 第三章 汽车外流场数值模拟理论基础22 3.1 汽车外流场的基本假设.22 3.2 基本控制方程.22 3.2.1 质量守恒方程.22 3.2.2 动量守恒方程.23 3.2.3 能量守恒方程.23 3.3 数值离散化方法.24 3.3.1 常用数值离散化方法.24 3.3.2 有限体积法.25 3.4 湍流模型.28 3.4.1 湍流模型的分类.28 3.4.2 常用湍流模型.29 3.5 本章小结.31 第四章 轿跑车外流场数值模拟32 4.1 几何模型的建立.32 4.2 计算区域的确定.32 4.3 网格的划分.32 4.3.1 网格策略.32 4.3.2 计算网格的生成33 4.4 边界条件的设定.35 4.5 求解器的选择.37 4.6 湍流模型及离散格式的选取.37 4.7 收敛性判定.37 4.8 轿跑车数值模拟结果与分析.38 4.8.1 车身外流场分析.38 4.8.2 气动阻力计算及性能分析.43 4.9 本章小结.44 第五章 总结57 5.1 全文总结.57 5.2 展望.57 参考文献.59 致 谢. 1 绪论 1.1 研究背景与意义 随着人们对物质生活的追求和提高，人们对生活品位的追求促使我们这些汽车技 术人员只有去精益求精制造完美汽车才能满足人们的需求。由于高等级公里的发展， 汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒适性提出了更高的要求，特别是由 于世界能源危机，石油价格上涨，使得汽车节能技术收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。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。 空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。风阻系数的大小取决于 汽车的外形。风阻系数愈大,则空气阻力愈大。现在汽车的风阻系数一般在0.3-0.5之 间。所有汽车设计者都在致力于风阻系数的降低,风阻系数越低则意味着汽车燃油越佳,目 前不少国内车型的风阻系数已经低于0.3。 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学CFD的发展。数值分析方法现已成为与实验 研究方法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。 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 研究方面已经取得的很大的成就。计算流体力学取得了很大重要的研究成果。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、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，甚至是两车相撞时瞬态空气动力学特性等方面的模拟， 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。 CFD在汽车设计的应用方面国内虽然起步很晚，但是进展迅速，并且取得了较好的 成绩。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情况，研究轿 车三维分离流动特性，分析了其气流分离和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来很大成果。 1.2 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。 1.2.1 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数据。 1.2.2 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。 1.2.3 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学CFD（Computer Fluid Dynamics）的发展。 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CFD分析指导设计，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，CFD 分析必将在未来虚拟开发技术中发 挥重要作用。 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CFD 方法来得到精度较高的求解；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），CFD 方法求解精度仍有 待提高。另外，由于RANS 代码中本身就包含了基于经验的输入参数、截断误差、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CFD 方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CFD方法和检 验CFD结果是否正确。 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。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国外汽车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。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0.28 “雷电”赛车，同时在强侧向风条件下也拥有良好的稳定性，并以575.3km/h的高车速 创造当时的世界记录。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。其中较为代表的是值达到 D C 0.30“Audi100C3”型轿车，采用整体最佳化方法设计开发，“Audi100C3”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(CFD)应用于汽车设计始于80年代，其研究主要以欧美为心。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 机舱、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，研究结果可以把的误差降到了5%以内。同时随着 x C ANSYS、STAR.CD、FLUENT 以及CFX 等商业软件的广泛应用，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。 1.3.2 国内汽车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测试风洞试验研究，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4.9 亿元建造的中国国内第一个“汽车风洞”上海地面交通 工具风洞中心在同济大学嘉定校区正式落成启用，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。CFD在汽车设计的应用方 面国内虽然起步很晚，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CA774模型进行改型，最后使其阻力系数降低21.1%，升力系数降低 D C L C 54%。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0.35以下，一些先进的气动设计的样 车，气动阻力已降到0.150.20。随着降阻车的开发，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。 1.4 本文研究内容 本设计主要是通过使用建模软件对某型汽车进行建模，并运用 CFD 软件对其流场 进行数值模拟，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况，结合 理论分析其各部分结构对外流场的影响及规律，为此轿车的开发提供计算机模拟数据。 1）研究应用汽车空气动力学及所用软件基础； 2）以某汽车为研究对象用 catia 软件进行三维建模，并生成有限元模型； 3） 对模型外部的速度和压力场进行分析，得出相应的结论，分析该汽车的流场特 性、表面压力，总结其结构对气动阻力与升力的影响。 1.5 catia 软件介绍 1.5.1 catia 软件简介 CATIA 是法国 Dassault System 公司旗下的 CAD/CAE/CAM 一体化的软件，Dassault System 成立于 1981 年，CATIA 是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。 在 70 年代 Dassault Aviation 成为了第一个用户，Dassault Aviation 是世界著 名的航空航天企业，其产品以幻影 2000 和阵风战斗机最为著名。 从 1982 年到 1988 年，CATIA 相继发布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于 1993 年发 布了功能强大的 4 版本，现在的 CATIA 软件分为 V4 版本和 V5 版本两个系列。V4 版本 应用于 UNIX 平台，V5 版本应用于 UNIX 和 Windows 两种平台。 CATIA 如今其在 CAD/CAE/CAM 以及 PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的 承认。 其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由 20 人 发展到 2，000 多人。居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽 车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产 品设计与制造领域，其特有的 DMU 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业 竞争力和生产力的提高。 CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括: 从大型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产 品。在世界上有超过 13,000 的用户选择了 CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大 的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用 户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中 具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用 CATIA 完成了整个波音 777 的电子装配，创 造了业界的一个奇迹，从而也确定了 CATIA 在 CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。 划时代产品 CATIA V5 V5 版本的开发开始于 1994 年，CATIA V5 版本是 IBM 和达索系统公司长期以来在 为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行 系统结构设计的 CATIA V5 版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工 作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程 人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工 程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。新的 V5 版本界面 更加友好，功能也日趋强大，并且开创了 CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。 1）产品及服务 模块化的 CATIA 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外 型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA 产品基于开放式可扩展的 V5 架构。 通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA 解决方案加快企业对市 场的需求的反应。自 1999 年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为 世界上最常用的产品开发系统。 CATIA 系列产品已经在七大领域里成为首要的 3D 设计和模拟解决方案：汽车、航 空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。 2）核心技术 1.CATIA 先进的混合建模技术 设计对象的混合建模：在 CATIA 的设计环境中，无论是实体或是曲面，做到了真 正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目 标，CATIA 提供了变量驱动及后参数化能力。 几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到 CATIA 的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时 间。 2.CATIA 具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性 无论是实体建模还是曲面建模，由于 CATIA 提供了智能化的树结构，用户可方便 快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对 原有方案的更新换代，对于 CATIA 来说，都是非常容易的事。 3.CATIA 所有模块具有全相关性 CATIA 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的各个模块存在着真正的全相 关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元法分析，模具和数控加工的 程序中。 4.并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短 CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已 不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员 便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上 游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷 新。实现真正的并行工程设计环境。 5.CATIA 覆盖了产品开发的整个过程 CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确 可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件 的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械 设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为 用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使 CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质 量及降低费用的目的。 1.5.2 catia软件在汽车领域的应用 CATIA 是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系 统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计 和制造提供了端对端（end to end）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关 键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。 一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车， 各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进 行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽 车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定，如 Renault、Toyota、Karman、Volvo、Chrysler等，足以证明数字化车辆的发展动态。 Scania是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。其卡车年产量超过50，000 辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系 统，已经将卡车零部件减少了一半。现在，Scania公司在整个卡车研制开发过程中， 使用更多的分析仿真，以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA系统是 Scania公司的主要CAD/CAM 系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些 新的设计工具，如发动机和车身底盘部门CATIA系统创成式零部件应力分析的应用，支 持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了进一步 提高产品的性能，Scania公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分析师和检验部 门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使Scania公司更具市场应变能力， 同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品知识。 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。 2.1 空气动力学基本理论 2.1.1 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760mm汞柱，温度为15时，每1内有空气分子2.7 3 mm 个，其平均自由行程l =10mm，因而，从微观上看空气是离散的。这样要研究空气 6 10 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（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 把手浸入水中，抽出时就会有水珠黏附在手上，这表明水有黏性，把手浸入甘油 或蜂蜜中间，附着的就更多，这表明它们的黏性比水大得多。空气的黏性比水的要小。 空气的黏性和温度有关，温度高，空气的黏性大，反之就小。空气的黏性可用其动力 黏度来衡量。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。粘性系数 显著地依赖于温度，但很少随压力发生变化，它 与温度的关系对于液体和气体来说是截然不同的。对于液体来说,随着温度升高，粘性 系数下降；对于气体而言，随着温度升高，粘性系数随之上升。 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 流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。 2.1.2 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2.1所示，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： 1V1A1 = 2V2A2 = C1 （2.1） 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； V1、 V2两截面的平均流速； A1、A2 两截面的截面积； C1常数。 图 2.1 流体在变截面管中的流动 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： + = （2.2）P 2 1 2 V 0 P 式中： P 流体静压力； V 流体流速； 总压。 0 P 若将该方程用到图2.1所示的两个截面上，可表示为： + = + （2.3） 1 P 2 1 2 1 V 2 p 2 2 2 1 V 由式（2.3），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（）和流体所具有的压力能（P）之和保 2 2 2 1 V 持不变即总机械能不变，即能量是守恒的。由上式可知,流速越高、动能越大，压力能 越小；反之亦然。 2.1.3 粘性流基础 1）层流、湍流和雷诺数 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： Re= （2.4） vl 式中： 圆管横截面上流体的平均速度，m/s；v l 圆管直径，又称特征长度，m； 流体的运动粘性系数，/s。 2 m 我们把层流变为湍流的临界雷诺数用ReL 表示，称上临界雷诺数；由湍流变为层流 的临界雷诺数用Re L 表示，称下临界雷诺数，且ReL Re L 。 因而用雷诺数来判断流动状态时，有三种情况： (1)当ReReL时，流动为层流状态； (2)当Re ReL 时，流动为湍流状态； (3)当ReL Re ReL ，流动为不稳定状态，既可能是层流也可能是湍流，任何扰 动都能使之破坏。 在实际应用中，临界雷诺数往往采用Re L ，因为若流动处于过渡状态时，一般也 湍流来考虑。 2）附面层 雷诺数Re=惯性力/粘性力。当雷诺数很大时说明惯性力远远大于粘性力，此时流 体粘性很小，流速很大。在处理这类问题时，为使问题得到简化往往只考虑惯性力而 忽略粘性力的作用。但当流体以较大的雷诺数流经物体时，虽然流体的粘性很小，但 物体的壁面附近的流场出现一个速度变化很快的薄层，使得在壁面法向方向上却存在 很大的速度梯度，表现出很大的粘性剪切力，此粘性力能达到和惯性力具有相同的数 量级，在这种情况下考虑惯性力的同时需要考虑粘性力。当 Re1，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x方向的速度 不发生变化，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 x v 体表面是曲面，压强随着边界层沿x方向的速度的变化而变化，使得边界层也相应改 x v 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2.2所示。在相同雷诺数下，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 2.2 附面层内的不同流态 2.2 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(Center of Pressure)，记作C.P。将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。六分力的大小及关 系见表2.1。 表2.1 气动力和气动力矩及系数 气动力和气动力矩系数 气动阻力 x F 气动阻力系数 Sv F C X D 2 2 1 气动升力 y F 气动升力系数 Sv F C Y L 2 2 1 气动侧力 z F 气动侧力系数 Sv F C Z Z 2 2 1 气动侧倾力矩 x M 气动侧倾力矩系数 Slv M C X q 2 2 1 气动侧倾力矩 Y M 气动侧倾力矩系数 Slv M C Y N 2 2 1 气动侧倾力矩 Z M 气动侧倾力矩系数 Slv M C Z M 2 2 1 表中， 空气密度； 汽车与空气的相对速度，即来流速度； v S汽车的迎风投影面积，也称正面面积； l 汽车的特征长度，如轴距。 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,其 方向与汽车运动方向相反。压差阻力-作用在汽车外形表面上的沿汽车行驶方向的气 动力称为压差阻力，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%-65%。 摩擦阻力-汽车的摩擦阻力是由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身面产生摩 擦而形成的阻力,约占汽车总气动阻力的6%-11%。 诱导阻力-诱导阻力是由车身附着涡诱导而成的。约占汽车总气动阻力的8%- 15%。干涉阻力-干涉阻力即汽车外表面上的各附件和孔眼、凹槽及缝隙所引起的流干 涉而导致的阻力,约占汽车总气动阻力的516。 内流阻力-内流阻力是指由汽车制动器冷却气流、发动机、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%-18%。 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， 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CN 随横摆角变化越大。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。 2.3 气动力对汽车性能的影响 2.3.1 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： （2.5） fSvCGSvCfFGFF LDYX ) 2 1 ( 2 1 )( 22 1 在其他因素不变的条件下，汽车具有最大牵引力时，可获得最高车速，即： MAX F （2.6） 2 1 )( 2 1 max fCCS GfF LD MAX v 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 和G数值不变的情况下，最高车速随着气动阻力系数的减小而升高，同样最高 MAX F D C 车速随着气动升力系数的提高而升高。但气动升力是一个向上的作用力，它的提高 L C 会使得路面与轮胎之间的附着力减小，从而导致汽车实际牵引力减小，这会直接影响 汽车的操纵稳定性及行驶安全性，因此实际中通常不采用提高气动升力系数来提高 L C 最高车速的方法。 2)气动力对加速度的影响 汽车的加速度或加速时间也是衡量汽车动力性能的一个重要指标，对高级轿车、 跑车、赛车而言，尤为如此。 为了分析气动力对汽车加速度的影响，先来看看汽车的功率平衡方程式。由于是 考虑汽车的最大加速度，因而应是在乎直的路面上，汽车行驶阻力所消的功率(kw)为: （2.7） jifWTe PPPPP dt dv g GvfvFGSvC YD 36003600 )( 7200 3 汽车加速度为： （2.8） )( 13600 Wf T e T PPP Gvdt dv fvFG SvC P Gv Y D T e T 23600 13600 3 vfFGfFP Gv YX T e T )( 3600 13600 1 由公式（2.8）可知，汽车的加速性能不仅取决于汽车的传动效率、质量、车速， 还取决于汽车的后备功率。一般来说，气动阻力增加会降低汽车的加速性能，而气动 升力的增加会提高汽车的加速性能。通常我们会通过降低气动阻力来提高车的加速性 能。与最高车速理由相似，不采用提高气动升力来提高汽车加速度的办法。 3) 气动力对最大爬坡度的影响 当达到最大爬坡度时，汽车的加速度dv/dt=0，则汽车牵引力只需克服滚动阻力、 气动阻力和爬坡阻力，即： （2.9）sin 2 1 )cos( 2 GSvCfFGF DY 式中： 为坡度角，通常较小，可认为：cos =1，sin = tan = i，i为爬坡 度： （2.10） 2 1 )( 1 2 max SvCfFGF G i DY 由式（2.10）可知，最大爬坡度不仅与汽车质量、速度、车轮滚动摩擦系数有关， 而且还与气动阻力，气动升力有关。 2.3.2 气动力对燃油经济性的影响 1）气动阻力与燃油经济性 研究汽车的燃油经济性时，其中最简单、最基本的燃油消耗量的计算方法就是汽 车等速百公里油耗。在汽车空气动力学中，通常只考虑等速百公里油耗。即： （2.11） T eWf e T Wf e gFF g FF Wg Q 3672 )( 102 106 . 3 10)( 102 6 5 SvCfSvCG g DL T e22 2 1 2 1 3672 式中：100 km=m； 5 10 5 10 发动机相应工况的有效油耗率； e g 燃油的重度；汽油可取为6.96-7.15 N / L，柴油可取7.9-8.13 N / L。 其中用于气动阻力的燃油消耗量为： （2.12） 2 2 734473443672 vC SgSgvCgF Q D T e T eD T eW 由式（2.12）可知，用于气动阻力的燃油消耗量与气动阻力系数和车速的平方成 正比。综上可知，汽车行驶的速度越高，用于气动阻力的燃油消耗量就越大；而消耗 于克服滚动阻力的燃油消耗量随着车速的增加将大大降低。因此，通过降低气动阻力 系数来改善燃油经济性是十分有效的手段。 2.3.3 气动力对汽车操纵稳定性的影响 汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶 者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而 保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是 决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。汽车的操纵稳定性日益受到重视，成为汽车 的市场竞争力重要表现之一。 本文主要从汽车动力性与经济性角度出发，研究汽车气动造型对气动阻力与气动 升力的影响，故有关汽车操纵稳定性部分将不做详细介绍。 2.4 汽车流场的组成 汽车流场流动状况是非常复杂的，一般分为汽车外流场和内流场。外流场指的是 汽车车身上部、下部以及侧部的气流流场。内流场由两部分组成，一部分是发动机室 内气流的流动场与发动机冷却气流流动场，另一部分是驾驶室内由于通风组成的流场。 1）汽车内流场 汽车的内流场主气流的引入，消耗了气流的动能，从而使气动阻力增大。所以应 控制发动机冷却系流入的冷却风量，在满足要求的前提下，用最小的风量使内部阻力 减少。另外，还要合理设计进风口、出风口的位置及其形状，以便不致使气流产生涡 流，使阻力增加。降低内流阻力的措施还包括合理布置散热器、进风口格栅与进气流 通道的合理匹配、设计合理的通道以及处理好驾驶室内流问题等。 2）汽车的外流场 1汽车的前半部分的气流流动状况 气流自远前方流来，由于碰到了汽车这一钝头体，一部分气体向上经过发动机罩 和顶盖而流向尾部，一部分在汽车的头部被阻滞，速度变为零，形成滞点；另一部分 流向汽车的底部。流向发动机罩的气流，由于前挡风玻璃与发动机罩之间的形状的突 变，加上气体的粘性作用，气流在发动机罩上的某一位置发生分离。此后的气流为层 流，有涡流的产生。当气流继续流动，到挡风玻璃上某一位置，气流再次附着在车身 上流动，继续流向顶盖，流向顶盖的气流是比较均匀的，基本上呈层流流动。 为减少气流阻力，应使气流分离得越晚越好，即分离点与地面的垂直高度超大越 好，这可以避免气流过早地分离，使以后的气流受扰动过大，产生大面积的涡流区。 另外气流的分离线与再附着线越靠近超好，这些都能使气流的阻力降低。现在对汽车 前半部分的气流流动状况已基本清楚，对前半部分气流流动状况的模拟计算的精度已 比较高。 2汽车尾流场 汽车的尾流场是指汽车尾部的气流流动场。由于气流在此处突然失去附着，使此 处的气流流动状况非常复杂，产生大尺度的涡流，这些涡流的产生对汽车的性能影响 很大。它不仅造成汽车尾部的压力降低，增大了压差阻力，还可能使升力增大，影响 汽车的附着性能，而且由于气流的上卷促使泥土上卷，影响车体清洁