（流体力学专业论文）卡车外流及发动机舱内流计算与散热研究.pdf

西北工业人学硕 : 学位论文 摘要 国外对于汽车空气动力学的研究起步很早， 而我国国内最近几年也对汽车空 气动力学的重视程度也越来越高。 本文结合与东风汽车有限公司合作的“ 关于东 风d 3 1 0 型汽车外流场流动特性和发动机舱内流场及散热特性”课题，针对载重 汽车的外部流场和发动机舱内流动情况， 采用计算空气动力学数值模拟方法， 利 用f l u e n t商用软件， 探索模拟载重汽车外部绕流、 发动机舱内部流动的方法: 在对载重汽车内一外部流动数值模拟的基础上， 研究通过理论分析、 实验数据和 工程方法相结合的技术途径解决发动机舱散热问题的工程方法。 并提出了一些改 善流场的意见和建议。本论文的主要内容有以下几个方面: 1 )回顾了国内外汽车空气动力学的发展历史，查阅了大量的资料，通过具 体的数据来了解汽车空气动力学对于汽车的性能、 外观、 环保以及能源等方面的 重要性和实用性，研究分析了国内外汽车气动力与流场计算方法。 2 ) 针刘汽车空气动力学周围绕流流场以 及发动机舱内流场的流动特性，选 择不可压缩雷诺平均的 r a n s 方程作为控制方程，采用了有限体积法对方程进行 空间的离散，然后通过5 工 m p l e 方法进行迭代求解，计算过程中所采用的湍流模 犁是一 方程约束的s - a 湍流模型。所采用的网格生成软件是f l u e n t 的前置处理 器 g a m b 工 t作为网格生成工具。计算软件选用的是 f l u e n t计算软件，同时利用 f l u e n t 进行后置处理。 3 ) 通过轿车标模对本论文的计算方法进行了验证。 对东风 d 3 1 0 型载重卡车 的外部流场进行了数值模拟， 并得出了该车型外部流场的流动特性以及阻力系数 等参数，并与国外的试验数据进行了对照，结果合理。 4 )针 一 对载重汽车发动机舱内部流动情况，采用外部流动与发动机舱内部流 动祸合求解方法，计算了发动机舱内部流场特性，计算结果合理。 5 )在对发动机舱内部流动数值模拟的基础上，通过理论分析、实验数据和 _ _ 程方法相结合的方法，计算了发动机舱散热特性，与实验结果吻合较好。 6 )根据本文和国内外研究结果，分析研究了载重汽车的外部流动对汽车阻 力、升力、气动噪声等方面的影响，并针对这些问题，探讨了一些控制方法。 关键词:载重汽车，发动机舱，内 一 外流场祸合计算，散热性能 西北工业大学硕士学位论文 abs tract o n a c c o u n t o f e n e r g y s o u r c e c r i s i s a n d i m p r o v e m e n t o f m o t o r c a r s s p e e d , s in c e l a s t c e n t u r y p e o p l e a r e p a y in g m o r e a n d m o r e e m p h a s i s o n t h e a p p ly i n g o f a e r o d y n a m i c s t o a u t o m o b i l e w o r k . i t w a s r e s e a r c h e d e a r ly o v e r s e a s , b u t r e c e n t y e a r s t h e d o m e s t i c r e s e a r c h a l s o h a s m a d e g r e a t p r o g r e s s . t h i s p a p e r a n a l y s e s t h e t r u c k s o u t e r fl o w f i e l d , i t s fl o w i n g c i r c s i n s i d e t h e e n g i n e c a b i n a n d i t s s c a tt e r i n g h e a t t r a i t a n d c o n n e c t e d w i t h t h e s u b j e c t c o o p e r a t e d w i t h d o n g f e n g a u t o m o b i l e s c o r p o r a t i o n l t d ., w h i c h n a m e d t h e a n a l y s i s o f a d o n g f e n g d 3 1 0 l o r r y s o u t e r fl o w , t h e fl o w i n g a n a l y s i s i n s i d e t h e e n g in e s a n d s c a t t e r in g h e a t c h a r a c t e r . f u r th e r m o r e o n t h e b a s i s o f a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o f l o r ry s c h a r a c t e r o f t h e fl o w f i e l d in t h is p a p e r i n t r o d u c e s t h e b a s i c t h e o ry , t h e m e t h o d s o f r e q u e s t n u m e r i c a l m e t h o d , t h e g r i d s y s t e m , t h e c h o i c e o f t u r b u l e n c e m o d e l a n d t h e i n t r o d u c t i o n o f c f d s o ft w a r e . a n d a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s r e s u l t t h i s p a p e r in t r o d u c e s c a rr i o n s c h a r a c t e r s o f a n d s c a t t e r i n g h e a t in e n g in e a n d t h e c h a r a c t e r o f fl o w i n g f i e l d a l l a r o u n d o n w h i c h t h e a u t h o r p u t s f o r w a r d s o m e i m p r o v e m e n t s t e p s . t h e c o n t e n t o f t h i s p a p e r a s f o l l o w s : 1 .b e c a u s e o f t h e i m p r o v e m e n t o f a u t o m o b i l e s s p e e d a n d t h e c r i s i s o f e n e r g y s o u r c e i n d u c t t h e a e r o d y n a m i c s . i n t r o d u c i n g t h e a e r o d y n a m i c e f f e c t o n m o t o r c a r s v a r i o u s c a p a b i l i t y . 2 .t h e c o n t r o l e q u a t i o n i s t h r e e - d i m e n s i o n a l u n c o m p r e s s a b l e b a n s e q u a t io n , a p p l i e s c o n t r o l v o l u m e t o d i s p e r s e it i n s p a t i a l a n d r e q u e s t i t s a n s w e r it e r a t i v e ly b y s i mp l e m e t h o d . a n d a d o p t g a mb i t s o ft w a r e t o b u i l d t h e s t r u c t u r e - u n s t r u c t u r e a d m i x t u r e g r i d , f l u e n t s o ft w a r e t o d i s p o s e i t s d a t a 3 .a r it h m e t i c v a l i d a t in g b y t h e c a r s o u t e r fl o w fi e l d n u m e r i c a l 西北t业大学硕士学位论文 s i m u l a t i o n . t h e v a l i d a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t t h e s u r f a c e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n a d a p t s t o t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t a p p r o p r i a t e l y , w h i c h v a l id a t e s t h a t t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f t h i s p a p e r i s f e a s i b l e . t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n , fl o w c h a r a c t e r i s t i c s a n d a e r o d y n a m i c d r a g o f t h e c a rr i o n a r e o b t a i n e d . t h e r e s u l t s h a v e s h o w n w i t h g o o d p r e c i s i o n o n s m a l l g r i d s a m o u n t . f i n a l l y , t h e w a y s t o d e c r e a s e a e r o d y n a m i c d r a g a r e i n d i c a t e d . t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t a d a p t s t o t h e d i s t r i b u t i n g r u l e o f g r e a t t y p e o f f r e i g h t a u t o m o b i l e s , a n d t h e c a l c u l a t i o n o f t h e d r a g i s s m a l l e r t h a n t h e s i mi l a r v e h i c l e o v e r s e a s ,t h i s i s i n c l u d e d . t y p e u s e d i n t h e c l a s s i c a l w i n d t u n n e l e x p e r i m e n t o n l y b e c a u s e t h e t h e c a r g o b o x o f t h i s c a rr i o n i s n o t 4 . t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o n t h e fl o w i n g f i e l d o f e n g i n e c a b i n i s i n u s e o f i n n e r - o u t e r c o u p l i n g c a l c u l a t i o n m e t h o d .t h e c o m p u t i n g g r i d o f t h e c a b i n i n e n g i n e a n d t h e o u t e r fl o w i n g f i e l d i s e s t a b l i s h e d . d u r i n g t h e c o u r s e , m e d i a t h e o r y , p o r o u s j u m p b o u n d a ry c o n d i t i o n w e r e i n t r o d u c e d t o s i m u l a t e t h e r a d i a t o r s d r a u g h t c o n d i t i o n , m e a n w h i l e f a n s c a p a b i l i t y w a s u s e d i n c a l c u l a t i n g c o u r s e . t h e m e t h o d o f c a l c u l a t i n g t h e e n g i n e c a b i n s s c a t t e r i n g h e a t c h a r a c t e r i s c o n v e r s i o n o f a i r m a s s a n d h e a t fl u x . o n b a s e o f t h e r e l a t i o n o f t h e c o n v e r s i o n o f fl u x a n d h e a t , a n d t h e o u t c o m e t e s t e d b y t h e r e s e a r c h a n d e x p l o i t a t i o n c e n t e r f o r c o m m e r c i a l c a rr io n o f d o n g f e n g a u t o m o b i l e s c o r p o r a t i o n l t d . a a d i s p o s e o n fl o w i n g a i r m a s s a n d fl o w i n g h e a t i s m a d e d , a n d t h e h e a t c a r r ie d b y r a d i a t o r i s e d u c e d . t h i s p a p e r a d o p t s t h e c o n v e r s i o n r e l a t i o n o f h e a t a n d t e m p e r a t u r e t o d i s p o s e t h e c o o l i n g i m p a c t . t h e q u a n t it y o f h e a t c a r r i e d b y r a d i a t o r r e fl e c t s t h e d e c r e a s e o f w a t e r i n i t , t h u s c o n c l u d e t h e c o o l i n g w a t e r t e m p e r a t u r e f a l l i n g . t h i s p a p e r u s e s t w o t y p e s fl u x o f c o o l in g w a t e r : 1 7 5 l / m i n a n d 2 8 0 l / m i n t o e d u c e t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f c o o l in g w a t e r i n i i i 西北工业大学硕士学位论文 t h e m o u t h o f r a d i a t o r s f a l l i n g i 1 0 c a n d 8 0 c r e s p e c t i v e l y . 5 . c o n n e c t i n g w i t h t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t o f t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e c h a r a c t e r s o f c a rr i o n s fl o w i n g f i e l d a n d i t s e f f e c t o n m o t o r c a r s i s s i m p ly a n a l y z e d w h e n i t i s m o v i n g . k e y w o r d s : c a rr i o n , e n g i n e c a b i n , c o m p u t a t i o n o f e n g i n e c a b i n s i n n e r - o u t fl o w , r a d i a t e h e a t c a p a b i l i t y i v 西北工业大学硕_ l 学位论文 第一章 绪论 1 . 1 问题的引入 进入2 1 世纪以后，汽车正在走入寻常百姓家中，在未来的几十年内，中国 的汽车工业将迎来一个飞跃性的发展。 汽车工业将对我国国民经济发展和人民生 活产生深远影响，我国汽车工业产业政策明确提出:到 2 0 1 0 年为使我国汽车工 业真正成为国民经济的支柱产业， 并带动其它相关产业迅速发展， 必须在本世纪 打下坚实的基础。 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 科学川。 汽车空气动力学描述汽车运动过程中， 车体表面及其内 部的 绕流特 性; 研究以空气阻力为主的包括升力， 侧向力在内的气动力及其绕坐标轴系力矩 对汽车车体作用的空气动力特性。 空气动力特性是汽车的重要性能， 是决定汽车 节能、 安全、 舒适及排放性能指标的动力特性、 经济性和操纵稳定性的重要因素， 对 一 汽车气动噪声、 泥土与灰尘的附着与上卷、 发动机冷却、 车箱及驾驶室内通风 ， 。 空气调节、刮水器上浮等性能产生直接影响。 高等级公路的发展、 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， 使改善汽车的经 济性成为汽车技术发展的重要课题。良好的汽车空气动力特性设计， 是提高汽车 动力性、 安全性和经济性的重要途径， 空气动力稳定性是汽车高速、 安全行驶的 前提。而车体表面及其内部绕流特性的改善则是良 好空气动力特性设计的基础。 车体的外部绕流特性决定汽车的空气动力特性， 影响汽车的动力性、 安全性、 经 济性和舒适性。 改善发动机舱内的流动特性， 通过发动机冷却系统冷却性能的提 高和减阻对提高动力性和经济性作出贡献; 改善车箱内部和驾驶室通风及空调特 性将为乘员提供舒适的环境。 汽车空气动力特性对动力性的影响 汽车的动力性主要体现在最高车速、 加速时间和最大爬坡度三项指标上， 下 面将就这三项主要指标与空气动力特性的 关系进行分析。 、气动阻力与最大车速关系 西北工业大学硕_ l 学位论文 第一章 绪论 1 . 1 问题的引入 进入2 1 世纪以后，汽车正在走入寻常百姓家中，在未来的几十年内，中国 的汽车工业将迎来一个飞跃性的发展。 汽车工业将对我国国民经济发展和人民生 活产生深远影响，我国汽车工业产业政策明确提出:到 2 0 1 0 年为使我国汽车工 业真正成为国民经济的支柱产业， 并带动其它相关产业迅速发展， 必须在本世纪 打下坚实的基础。 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 科学川。 汽车空气动力学描述汽车运动过程中， 车体表面及其内 部的 绕流特 性; 研究以空气阻力为主的包括升力， 侧向力在内的气动力及其绕坐标轴系力矩 对汽车车体作用的空气动力特性。 空气动力特性是汽车的重要性能， 是决定汽车 节能、 安全、 舒适及排放性能指标的动力特性、 经济性和操纵稳定性的重要因素， 对 一 汽车气动噪声、 泥土与灰尘的附着与上卷、 发动机冷却、 车箱及驾驶室内通风 ， 。 空气调节、刮水器上浮等性能产生直接影响。 高等级公路的发展、 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， 使改善汽车的经 济性成为汽车技术发展的重要课题。良好的汽车空气动力特性设计， 是提高汽车 动力性、 安全性和经济性的重要途径， 空气动力稳定性是汽车高速、 安全行驶的 前提。而车体表面及其内部绕流特性的改善则是良 好空气动力特性设计的基础。 车体的外部绕流特性决定汽车的空气动力特性， 影响汽车的动力性、 安全性、 经 济性和舒适性。 改善发动机舱内的流动特性， 通过发动机冷却系统冷却性能的提 高和减阻对提高动力性和经济性作出贡献; 改善车箱内部和驾驶室通风及空调特 性将为乘员提供舒适的环境。 汽车空气动力特性对动力性的影响 汽车的动力性主要体现在最高车速、 加速时间和最大爬坡度三项指标上， 下 面将就这三项主要指标与空气动力特性的 关系进行分析。 、气动阻力与最大车速关系 西北工业火学硕士学位论文 在水平路面上等速行驶的汽车， 驱动力全部用来克服滚动摩擦阻力和气动阻 力。 假设汽车前后车轮的滚动摩擦阻力相同、 汽车的重力和气动升力均匀地分布 在四 个车轮 上， 汽车的最大车 速v m 可 表示为 2 l 1-， 刁|!|1|j fa x 一 g f 含 p a (c d - 2 c , f ( 1 一 1 ) 日 式中 认” 仔 、 兀二 6 一 一最高车速; 一 最大驱动力; 汽车重量; 滚动阻力系数; 一 空气密度; a一 汽车正面投影面积; c d一 汽车气动阻力系数; c : 一 汽车气动升力系数; 可见， 在最大驭动力时， 在一定的车重以及其它因素不变的情况下， 最高车速取 决于气动阻力系数和气动升力系数。 减小气动阻力系数和提高气动升力系数均可 以提高车速， 但， 提高气动升力将降低汽车的操纵性和稳定性， 这对高速行驶汽 车的安全是十分危险的， 特别是对小型汽车， 通常需要减小升力、 甚至提供负升 力来增强汽车的的稳定性和操纵性， 因此， 不能用增大气动升力系数来提高车速， 只能通过降低气动阻力提高最大车速。 二、气动阻力与加速度的关系 汽车的加速度表示为: 3 6 0 0 q , g f + 县 p c , a v a 艺 ( 1 一2 ) 朔一dt 一一 dy一dt 其中 发动机推力随时间的变化率 西北工业大学硕士学位论文 v a 一 车速 ,7 r 一 发 动 机 传 动 系 统效 率 山( 1 -2 ) 可知， 汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能，同时还与汽车 的气动阻力系数成反比关系， 即、 减小汽车的气动阻力， 就可以增加汽车的加速 度” ， 。 1 . 1 . 2汽车空气动力特性对经济性的影响 、气动阻力占总阻力的比例 行驶中的汽车的总阻力t 可表达为 ， ， t二 f x e + f , ( 1 一3 ) 其中 、 、 二 合 p va c 一气 动 阻 “ ; f ,t = 2 ( g ,- - l r )f ,. + 2 (g , - l , ) f x一总 的 滚 动 摩 擦 阻 力 ( r , / t一 作用在前后轴上的汽车重力分配值; 乙 乙 : 一 作用在前后轴上的 气动升力; f 卜 、f 。 一 前后轮胎的滚动摩擦阻力系数。 姿彬屯 的卯阶锄胡 田滋、三心 504 0 理哲勺刀 蔑 : 区厂厂巨口口 反厂巨巨巨 尸 =- =)7 f1， 力 巨巨 叹 二i 二巨 巨巨区巨巨巨 巨匕队厂_! _ 二 庄 巨巨口曰目 i 9 i! 1 : 1 f 7口 几巨叮 巨巨口口 / r 准卜 ， 力的1 97i * .- z犷 洲 / / 巨户 口 口 尸. 声 声 产尸/ t 速 v ; ( l m 今) i ! 透v ( k m , 10 图1 - 1气动阻力占总阻力的比例 图1 - 2消耗于气动阻力的功率 图1 -1 给出 根据不同车型统计结果得到的气动阻力占总阻力的比 例。图中 表明， 随车速增加，气动阻力所占比例增加，大约在车速为8 0 k m / h 时气动阻力 西北工业大学硕士学位论文 v a 一 车速 ,7 r 一 发 动 机 传 动 系 统效 率 山( 1 -2 ) 可知， 汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能，同时还与汽车 的气动阻力系数成反比关系， 即、 减小汽车的气动阻力， 就可以增加汽车的加速 度” ， 。 1 . 1 . 2汽车空气动力特性对经济性的影响 、气动阻力占总阻力的比例 行驶中的汽车的总阻力t 可表达为 ， ， t二 f x e + f , ( 1 一3 ) 其中 、 、 二 合 p va c 一气 动 阻 “ ; f ,t = 2 ( g ,- - l r )f ,. + 2 (g , - l , ) f x一总 的 滚 动 摩 擦 阻 力 ( r , / t一 作用在前后轴上的汽车重力分配值; 乙 乙 : 一 作用在前后轴上的 气动升力; f 卜 、f 。 一 前后轮胎的滚动摩擦阻力系数。 姿彬屯 的卯阶锄胡 田滋、三心 504 0 理哲勺刀 蔑 : 区厂厂巨口口 反厂巨巨巨 尸 =- =)7 f1， 力 巨巨 叹 二i 二巨 巨巨区巨巨巨 巨匕队厂_! _ 二 庄 巨巨口曰目 i 9 i! 1 : 1 f 7口 几巨叮 巨巨口口 / r 准卜 ， 力的1 97i * .- z犷 洲 / / 巨户 口 口 尸. 声 声 产尸/ t 速 v ; ( l m 今) i ! 透v ( k m , 10 图1 - 1气动阻力占总阻力的比例 图1 - 2消耗于气动阻力的功率 图1 -1 给出 根据不同车型统计结果得到的气动阻力占总阻力的比 例。图中 表明， 随车速增加，气动阻力所占比例增加，大约在车速为8 0 k m / h 时气动阻力 西北工业大学硕士学位论文 与滚动阻力几乎相等，当车速为1 5 0 k m / h 时， 气动阻力己 相当于滚动阻力的2 - 3 倍。可见，对高速汽车而言，降低气动阻力的重要性。 二、消耗于气动阻力的功率 汽车的气动阻力由发动机产生的牵引力克服， 车速越高、 气动阻力越大、 所 需的功率就越大，用于克服气动阻力的功率占到发动机总功率中的很大一部分， 因此气动阻力直接影响到所需的功率，这一点可用燃料消耗量来表示。 消耗于气动阻力的功率为 n = 告 c l)p v 1 一4 ) 77 s 可见，消耗于气动阻力的功率与速度的三次方和气动阻力系数成正比，图1 -2 为消耗于气动阻力的功率，随车速增加，功率消耗增加，与图1 一i 给出气 动阻力随车速的变化一致。 三、气动阻力与燃油消耗量 份瑞冲 导又1 二 奋 板冷 夸 怂月. i 颐塞 雍 1 tw! h o曰曰 口卜 译 侧 翻 巨口巨i 魔 魏二 ; 锵 s . 口 硬m 矫叙 夏 . . 一溪 婆m k i e 纽 苏弓 . .留级次月. . - 公岛二 匕 巴、 凡、 .: 习 . . .; f = 康贯 巨 0 2 0 4 0 6 0 8 0 i u o 燃料消耗绷切o o k m )各阻力所占的比io l / 0 空气阻力 滚动限力 加速限力 和爬坡限力 .圈口 图1 - 3各种车辆每 1 0 0 k m 的燃料消耗量 图1 -3 为各种车辆的每1 0 0 k m 的燃料消耗量。小型客车用于克服气动阻力 的燃油消耗量为5 0 %左右，比 例最大，其次是普通货车，占3 2 %左右，因此， 西北工业大学硕_ 1: 学位论文 降低气动阻力对减少油耗、 提高汽车的经济性效果十分显著。 例如， 轿车气动阻 力从0 . 4 2 降低到0 . 3 0 ， 在混合循环时， 燃料经济性可改善9 %左右， 以1 5 0 k m / h 高 速行驶时，燃料经济性竟能改善2 5 %左右。 研究表明，加前阻风板、蓬和整流罩等空气动力学附加装置，可使 c a 1 4 1 载重卡车耗油降低2 -4 l / l 0 0 k m ，照此推算， 一辆c a 1 4 1 载重卡车年省油量可以 在1 6 0 0 - 3 5 0 0 l 左右， 节 油量相当 可观1 4 1 据有关资料统计，国产汽车通过空气动力特性改进，油耗降低的效果为 3 ， : 大型载货汽车、 载重拖挂车，当空气阻力系数降低3 0 ，并以8 0 k m / h 的速度行 驶时，可以降低油耗 1 2 -1 3 %;当气动阻力系数降低 2 0 %时，可降低油耗 7 % -9 %;当空气阻力系数降低 1 0 %时，可降低油耗3 %- 5 %0 我国汽车研制在气动力研究方面投入较少， 气动阻力均偏大， 降低气动阻力 万面大有潜力。 据相关统计资料显示， 通过空气动力特性改进， 红旗c a 7 7 4 轿车 气动阻力系数可从 0 . 4 2 降低到0 . 2 5 ，首都 6 3 0 、红星6 2 1 、 沈阳6 2 2 3 小公共汽 车气动阻力系数可从 0 . 6 2 , 0 . 4 8 1 , 0 . 7 7 分别降低到0 . 4 4 , 0 . 4 0 , 0 . 4 4 0 3 汽车空气动力学特性对操纵性和稳定性的影响 、升力与俯仰力矩对操纵性和稳定性的影响 升力和俯仰力矩都将减小汽车的附着力， 使转向轮失去转向力， 使驱动轮失 去牵引力，影响汽车的操纵性和稳定性。 质量轻的汽车， 特别是重心靠后的汽车， 对车体前部的升力特别敏感。 这对 高速行驶中的汽车非常危险， 即、 当车体前部有升力使汽车上浮时， 升力又随着 车速的增加而继续增加， 使汽车前轮失去附着力导致汽车失去控制。 升力和俯仰 力矩对高速行驶的汽车的操纵性和稳定性影响很大， 对于轿车的影响就更大， 对 于 轿 车 来 说 ， 如 果 在 设 计 阶 段 没 有 充 分 考 虑 升 力 问 题 ， 升 力 在 强 风 时 可 以 达 到 几 百 甚 至几千牛顿 ” ， 。 这一附 加的力使前轮负荷减轻， 从而破坏汽车的操纵性: 减 少后轮负荷， 使驱动力减小。 产生的升力与侧向力的合力具有二次曲线增加趋势， 对侧风稳定性的影响很大。 为了提高车辆高速行驶的直进性和侧风稳定性， 应减小升力。 升力减小可以 防止汽车的摆头，并由于增大了附着力而使稳定性提高。 西北工业大学硕_ 1: 学位论文 降低气动阻力对减少油耗、 提高汽车的经济性效果十分显著。 例如， 轿车气动阻 力从0 . 4 2 降低到0 . 3 0 ， 在混合循环时， 燃料经济性可改善9 %左右， 以1 5 0 k m / h 高 速行驶时，燃料经济性竟能改善2 5 %左右。 研究表明，加前阻风板、蓬和整流罩等空气动力学附加装置，可使 c a 1 4 1 载重卡车耗油降低2 -4 l / l 0 0 k m ，照此推算， 一辆c a 1 4 1 载重卡车年省油量可以 在1 6 0 0 - 3 5 0 0 l 左右， 节 油量相当 可观1 4 1 据有关资料统计，国产汽车通过空气动力特性改进，油耗降低的效果为 3 ， : 大型载货汽车、 载重拖挂车，当空气阻力系数降低3 0 ，并以8 0 k m / h 的速度行 驶时，可以降低油耗 1 2 -1 3 %;当气动阻力系数降低 2 0 %时，可降低油耗 7 % -9 %;当空气阻力系数降低 1 0 %时，可降低油耗3 %- 5 %0 我国汽车研制在气动力研究方面投入较少， 气动阻力均偏大， 降低气动阻力 万面大有潜力。 据相关统计资料显示， 通过空气动力特性改进， 红旗c a 7 7 4 轿车 气动阻力系数可从 0 . 4 2 降低到0 . 2 5 ，首都 6 3 0 、红星6 2 1 、 沈阳6 2 2 3 小公共汽 车气动阻力系数可从 0 . 6 2 , 0 . 4 8 1 , 0 . 7 7 分别降低到0 . 4 4 , 0 . 4 0 , 0 . 4 4 0 3 汽车空气动力学特性对操纵性和稳定性的影响 、升力与俯仰力矩对操纵性和稳定性的影响 升力和俯仰力矩都将减小汽车的附着力， 使转向轮失去转向力， 使驱动轮失 去牵引力，影响汽车的操纵性和稳定性。 质量轻的汽车， 特别是重心靠后的汽车， 对车体前部的升力特别敏感。 这对 高速行驶中的汽车非常危险， 即、 当车体前部有升力使汽车上浮时， 升力又随着 车速的增加而继续增加， 使汽车前轮失去附着力导致汽车失去控制。 升力和俯仰 力矩对高速行驶的汽车的操纵性和稳定性影响很大， 对于轿车的影响就更大， 对 于 轿 车 来 说 ， 如 果 在 设 计 阶 段 没 有 充 分 考 虑 升 力 问 题 ， 升 力 在 强 风 时 可 以 达 到 几 百 甚 至几千牛顿 ” ， 。 这一附 加的力使前轮负荷减轻， 从而破坏汽车的操纵性: 减 少后轮负荷， 使驱动力减小。 产生的升力与侧向力的合力具有二次曲线增加趋势， 对侧风稳定性的影响很大。 为了提高车辆高速行驶的直进性和侧风稳定性， 应减小升力。 升力减小可以 防止汽车的摆头，并由于增大了附着力而使稳定性提高。 西北工业大学硕士学位论文 、侧向力及横摆力矩对操纵性和稳定性的影响 当汽车受到非迎面风时，气流的合成相对速度与车身x 轴成 日角， 使车身 在y 轴方向受到了侧向力s 。如果侧向力的作用点与汽车重心有一个距离 ( 其值 随车身形状和横摆角而变化) ，即产生了绕 z 轴的回转横摆力矩 n 。如果侧向力 的 合力通过重心，车辆将保持直线行驶，但相对原 行驶方向 会偏移某个角度 丁 ， ， 如果侧向力的合力作用在重心以 前时， 车辆将顺着风向转向， 并且产生横摆力矩， 使车辆超风的方向摆动， 造成稳定性恶化。 为提高车的方向稳定性， 不仅要减少 侧向力，而且应使侧向力的作用点移向车身后方。 、钡 1 倾力矩对操纵性和稳定性的影响 由于来自车身侧面及其周围气流的影响， 产生了绕x 轴的侧向力矩。 这个力 矩通过悬挂系统至车架以及前后轮， 引起车轮负载的变化。 对应于力矩回转的方 向， 使一个车轮负载增加， 另外一个车轮负载减小， 从而就改变了汽车的转向特 性 综上所述， 在激烈的市场竞争中， 汽车所面临的首要问题是汽车空气动力特 性的挑战，因为只有空气动力特性好的汽车， 刁 能保障其具有好的动力性、 经济 性、操纵稳定性和舒适性，只有最佳气动外形的汽车造型才有生命力，可以说， 汽车空气动力特性是决定汽车在市场竞争中能否取胜的重要性能之一。 2 国内外研究现状 2 . 1 汽车空气动力学发展的历史阶段 汽车依据其外形和 用 途可分为 三类 。 ， : 轿车、 商用汽车 ( 客车和货车) 和 赛车。 轿车的演变反映了汽车空气动力学的发展过程。 从第一辆汽车问世，至今已 经有两百多年的历史” ” 。由 于人们的不断创造 和改进， 汽车从只有车架和车轮等简单的行驶系统， 逐步的具备了较完善的传动 机构和制动机构， 并装上了发动机， 终于发展到现在的结构复杂而精密的现代汽 车。 汽车的雏形继承了马车的形状， 其设计只能先解决机械问题，由于这些汽车 的速度很低， 所以还不存在空气动力特性方面的问题， 把空气动力学的概念和研 西北工业大学硕士学位论文 、侧向力及横摆力矩对操纵性和稳定性的影响 当汽车受到非迎面风时，气流的合成相对速度与车身x 轴成 日角， 使车身 在y 轴方向受到了侧向力s 。如果侧向力的作用点与汽车重心有一个距离 ( 其值 随车身形状和横摆角而变化) ，即产生了绕 z 轴的回转横摆力矩 n 。如果侧向力 的 合力通过重心，车辆将保持直线行驶，但相对原 行驶方向 会偏移某个角度 丁 ， ， 如果侧向力的合力作用在重心以 前时， 车辆将顺着风向转向， 并且产生横摆力矩， 使车辆超风的方向摆动， 造成稳定性恶化。 为提高车的方向稳定性， 不仅要减少 侧向力，而且应使侧向力的作用点移向车身后方。 、钡 1 倾力矩对操纵性和稳定性的影响 由于来自车身侧面及其周围气流的影响， 产生了绕x 轴的侧向力矩。 这个力 矩通过悬挂系统至车架以及前后轮， 引起车轮负载的变化。 对应于力矩回转的方 向， 使一个车轮负载增加， 另外一个车轮负载减小， 从而就改变了汽车的转向特 性 综上所述， 在激烈的市场竞争中， 汽车所面临的首要问题是汽车空气动力特 性的挑战，因为只有空气动力特性好的汽车， 刁 能保障其具有好的动力性、 经济 性、操纵稳定性和舒适性，只有最佳气动外形的汽车造型才有生命力，可以说， 汽车空气动力特性是决定汽车在市场竞争中能否取胜的重要性能之一。 2 国内外研究现状 2 . 1 汽车空气动力学发展的历史阶段 汽车依据其外形和 用 途可分为 三类 。 ， : 轿车、 商用汽车 ( 客车和货车) 和 赛车。 轿车的演变反映了汽车空气动力学的发展过程。 从第一辆汽车问世，至今已 经有两百多年的历史” ” 。由 于人们的不断创造 和改进， 汽车从只有车架和车轮等简单的行驶系统， 逐步的具备了较完善的传动 机构和制动机构， 并装上了发动机， 终于发展到现在的结构复杂而精密的现代汽 车。 汽车的雏形继承了马车的形状， 其设计只能先解决机械问题，由于这些汽车 的速度很低， 所以还不存在空气动力特性方面的问题， 把空气动力学的概念和研 西北工业大学硕士学位论文 、侧向力及横摆力矩对操纵性和稳定性的影响 当汽车受到非迎面风时，气流的合成相对速度与车身x 轴成 日角， 使车身 在y 轴方向受到了侧向力s 。如果侧向力的作用点与汽车重心有一个距离 ( 其值 随车身形状和横摆角而变化) ，即产生了绕 z 轴的回转横摆力矩 n 。如果侧向力 的 合力通过重心，车辆将保持直线行驶，但相对原 行驶方向 会偏移某个角度 丁 ， ， 如果侧向力的合力作用在重心以 前时， 车辆将顺着风向转向， 并且产生横摆力矩， 使车辆超风的方向摆动， 造成稳定性恶化。 为提高车的方向稳定性， 不仅要减少 侧向力，而且应使侧向力的作用点移向车身后方。 、钡 1 倾力矩对操纵性和稳定性的影响 由于来自车身侧面及其周围气流的影响， 产生了绕x 轴的侧向力矩。 这个力 矩通过悬挂系统至车架以及前后轮， 引起车轮负载的变化。 对应于力矩回转的方 向， 使一个车轮负载增加， 另外一个车轮负载减小， 从而就改变了汽车的转向特 性 综上所述， 在激烈的市场竞争中， 汽车所面临的首要问题是汽车空气动力特 性的挑战，因为只有空气动力特性好的汽车， 刁 能保障其具有好的动力性、 经济 性、操纵稳定性和舒适性，只有最佳气动外形的汽车造型才有生命力，可以说， 汽车空气动力特性是决定汽车在市场竞争中能否取胜的重要性能之一。 2 国内外研究现状 2 . 1 汽车空气动力学发展的历史阶段 汽车依据其外形和 用 途可分为 三类 。 ， : 轿车、 商用汽车 ( 客车和货车) 和 赛车。 轿车的演变反映了汽车空气动力学的发展过程。 从第一辆汽车问世，至今已 经有两百多年的历史” ” 。由 于人们的不断创造 和改进， 汽车从只有车架和车轮等简单的行驶系统， 逐步的具备了较完善的传动 机构和制动机构， 并装上了发动机， 终于发展到现在的结构复杂而精密的现代汽 车。 汽车的雏形继承了马车的形状， 其设计只能先解决机械问题，由于这些汽车 的速度很低， 所以还不存在空气动力特性方面的问题， 把空气动力学的概念和研 西北工业大学硕士学位论文 究引入到汽车设计当中是从上世纪 2 0年代开始的。在第一辆汽车发明后约 2 5 年， 人们开始对汽车的空气动力特性有了一定的认识， 最初只是注意到汽车的气 动阻力，之后，随着汽车车速的提高，人们注意到气动升力及侧风稳定性问题。 近期汽车空气动力学的发展又注意了驾驶室内流、 发动机舱散热、 气动噪声以及 消除车身泥土附着等问题t iz 7 汽车空气动力学的发展历史表明， 汽车空气动力学是伴随着道路状况的变化 和使用要求的提高而引起汽车造型的变化而发展起来的， 可以说 汽车造型变化的 历史就是汽车空气动力学发展的历史。 汽车空气动力学经历了如图1 - 4 所示的四个发展历程。 特祖 _年代 乍型 从 . 卞 形 1 e i91u931 0复 玉 三 5蒸嘿黔熏鬓, o i ii 钦龙n s o r . 8 0 川1 部 f k 化 i 9 7愁 ， o o r o oit . - 11 k lt-fit l:t v 休 i 9 . 1 匕 1 9 8 3 创丝糙或鳖舞 奥迪i 加1 d福特臂拉 图1 - 4汽车空气动力学的四个发展阶段 西北工业大学硕士学位论文 汽车空气动力学是一门工程应用科学， 大量的汽车空气动力学方面的结论来 自 对工程试验数据的分析和推理。 能源危机和高速公路的发展是推动空气动力学 发展的重要因素。由于市场的激烈竞争以及人们对汽车舒适性、安全性的要求， 促使汽车制造商在寻求最佳气动外形设计的同时， 寻求更为人们所接受的完美造 型。 汽车在设计过程中， 人们通过大量的风洞试验， 不断的改进汽车设计， 而风 洞试验又不断的揭示各种气动现象，推动汽车空气动力学研究的发展。 、墓本形状造型阶段 汽车空气动力学发展的第一阶段从2 a 世纪初开始，这一时期，人们