流体力学与汽车1.ppt

流体力学 CFD 与汽车 组员 李菁菁李统娟徐小阳吴盼盼朱芹 主要内容 流体力学简介流体力学与汽车的发展史流体力学在汽车领域的应用流体力学对汽车造型的影响流体力学在汽车空调系统中的应用 流体力学简介 流体力学是力学的一个分支 它主要研究流体本身的静止状态和运动状态 以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律 流体力学中研究得最多的流体是水和空气 流体 液体和气体流体特征 具有流动性没有固定的形状流体力学是研究流体的宏观运动规律的学科 流体力学与汽车的发展史 汽车发明于19世纪末 当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击 因此早期的汽车后部是陡峭的 称为箱型车 阻力系数 CD 很大 约为0 8 实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流 称为形状阻力 20世纪30年代起 人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状 出现甲壳虫型 阻力系数降至0 6 20世纪50 60年代改进为船型 阻力系数为0 45 80年代经过风洞实验系统研究后 又改进为鱼型 阻力系数为0 3 以后进一步改进为楔型 阻力系数为0 2 90年代后 科研人员研制开发的未来型汽车 阻力系数仅为0 137 汽车运行时 车尾的气流实际上是对车的速度有极大影响的 汽车尾部越是陡 则气流越是在尾后上升的厉害 则造成的阻碍越大 尽管对于这个阻力系数的概念不是很明白 但是通过前后的对比 很明白可以知道0 8对0 137 阻碍将近是原来的六分之一还少一些 流体力学在汽车领域的应用 CFD在汽车领域的应用主要有 汽车造型性能研究 空调汽车车内气流组织分析 风窗玻璃除霜性能研究 发动机舱热环境分析 发动机燃烧过程及进排气歧管气流模拟 发动机冷却系统模拟 制动器散热分析及液力变矩器 油泵和燃料电池内部流场等的模拟 流体力学对汽车造型的影响 汽车车身造型的演变从19世纪末到20世纪初期 汽车设计师把主要精力都用在了汽车的外形结构的发展和革新上 到了20世纪前半期 汽车的基本构造已经全部发明出来后 汽车设计者们开始着手从汽车外部造型上进行改进 汽车车身形式在发展过程中主要经历了马车型汽车 箱型汽车 甲壳虫型汽车 船型汽车 鱼型汽车 楔形汽车 马车型汽车和箱型汽车最早出现的汽车 其车身造型基本上沿用了马车的形式 因此称为 无马的马车 它装饰讲究 而且是封闭式的 可防风 雨和灰尘 并提高了安全度 1908年福特推出T型车时 车身由原来的敞开式改为封闭式 其舒适性 安全性都有很大提高 美国福特汽车公司在1915年生产出一种不同于马车型的汽车 其外形特点很像一只大箱子 并装有门和窗 人们称这类车为 箱型汽车 甲壳虫型汽车1934年 流体力学研究中心的雷依教授 采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力 这是具有历史意义的试验 同年 美国的克莱斯勒公司首先采用了流线型的车身外形设计 而且波尔舍与德国汽车协会开始对样车进行重点测试 用最苛刻的条件 进行16万千米的试车 证明这种轿车是技术上的惊人之作 1937年 德国设计天才费尔南德 保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车 充分利用了流体力学的知识 甲壳虫不但能在地上爬行 也能在空中飞行 其形体阻力很小 保时捷博士最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处 使 大众 汽车成为当时流线型汽车的代表作 从20世纪30年代流线型汽车开始普及到40年代末的20年间 是甲壳虫型汽车的 黄金时代 船型汽车1945年 福特汽车公司重点进行新车型的开发 经过几年的努力 终于在1949年推出了具有历史意义的新型V8型福特汽车 因为这种汽车的车身造型颇像一只小船 所以人们称它为 船型汽车 福特V8型汽车的成功之处不仅仅在于它在外形设计上有所突破 而且它还首先将人体工程学的理论引入到汽车的整体设计上 取得了令人较为满意的结果 现在 福特公司的那种具有行李箱的四门四窗的轿车 已被全世界确认为轿车的标准形式 鱼型汽车1952年 美国通用汽车公司的别克牌轿车开创了鱼型汽车的时代 鱼型汽车的背部和地面所成的角度比较小 尾部较长 围绕车身的气流也就较为平顺些 车身侧面的形状阻力较小 所以涡流阻力也相对较小 但也同时存在着一些致命的弱点 一是由于鱼型车的后窗玻璃倾斜得过于厉害 导致强度有所下降 产生了结构上的缺陷 二是当汽车高速行驶时汽车的升力较大 鉴于鱼型汽车的缺点 设计师在鱼型汽车的尾部安上了一个上翘的 鸭尾巴 以此来克服一部分空气的升力 这便是 鱼型鸭尾式 车型 楔形汽车针对 鱼型鸭尾式 车型较大的升力 设计师最终找到了一种新车型 楔形 这种车型就是将车身整体向前下方倾斜 车身后部像刀切一样平直 这种造型能有效地克服升力 楔形造型主要在赛车上得到广泛应用 因为赛车首先考虑流体力学 空气动力学 等问题对汽车的影响 车身可以完全按楔形制造 而把乘坐的舒适性作为次要问题考虑 如20世纪80年代的意大利法拉利跑车 就是典型的楔形造型 流体力学在汽车空调系统中的应用 层流 紊流和雷诺实验雷诺实验层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混 只存在粘性引起的摩擦阻力 紊流则有大小不等的涡流动荡于各流层之间 除了粘性阻力 还存在着由于质点掺混 互相碰撞所造成的惯性阻力 因此 紊流阻力比层流阻力大得多 k 三维紊流模型模拟了内置式空调客车车室的气流组织 与顶置式空调的气流组织对比发现 内置式空调温度 速度分布更均匀 车室内的气流组织更为合理 内置式空调车室中央大部分区域温度分布比顶置式空调均匀 温差基本上小于1 内置式空调车室内只存在较小的滞流区 而顶置式空调局部区域空气流速差别较大 在车内形成涡流区 对温度分布产生不利的影响 由空气流动的能量方程 伯努利方程 现象表明 截面大的地方流速小 压力大 截面小的地方流速大 压力小 上海交通大学根据轻型客车的车内空气流动特点 将空调风道系统纳入计算区域 对车内流场和温度场分布进行了三维数值模拟 数值模拟结果认为 客车风道内风量分配主要由风道内的静压分布决定 适当加大风道截面积有利于风量分配 并可避免采用变截面收缩风道而增加的工艺难度 美国Visteon公司采用CFD技术模拟了汽车风窗玻璃除霜性能 到目前为止 该公司的工程人员借助FLUENT软件并利用其非结构化网格生成功能与并行计算的优势 达到了改善汽