汽车空气动力学.doc

精品文档随着高速公路的发展，燃油价格的上涨以及越发严格法规的颁布，对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和舒适性提出了越来越高的要求，这使得汽车空气动力学的研究成为汽车行业的重点研究方向之一。采用计算流体力学方法对其性能进行预测，相比风洞试验可以节约资金，缩短新车型开发周期。 面对这种形势，本文针对车身设计提出了一种通过空气动力学性能分析来确定造型的工业设计方法，并对汽车三维外流场进行了数值模拟。 本文首先阐述了轿车外流场数值模拟的整个过程，包括几何、物理模型的建立、湍流模型的选取、边界条件的添加等。所分析的模型选择某豪华轿车1:2实车模型，对实车模型作了如下简化：忽略车身外部突起物如后视镜、刮雨器等部分；没有考虑车轮影响；对车身底部做了简化，没有模拟车底真实的几何形状。为了节省计算耗费，只取实车模型沿纵向对称面的一半。 利用FLUENT进行模型分析，得出车身表面压力分布图、压力场的流态显示，并计算了相应的阻力系数，从而较好地模拟了轿车的外流场，确定了车身空气动力学特性，并对模型在不同的边界条件下和不同的湍流模型下进行了比较和分析，为数值模拟的实用化做了一些有益的尝试。 本文还详细论述了基于空气动力学的车身造型设计方法，以及其两条技术路线，积极探索空气动力学在车身造型中的具体应用，为车身设计提供了新的思路。 最后得出结论，汽车空气动力特性的数值模拟可以辅助汽车设计师，在设计初步完成之后，对其进行流场的数值模拟，对设计提出改进意见，争取达到美学与空气动力性完美结合的程度。 汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。自从世界上有了第一辆汽车以后，德国就在航空风洞中进行了车身外形实验研究。后来德国人贾莱克兰柏勒提出前圆后尖的水滴状最小空气阻力造型设计方案，从而找到了解决形状阻力的途径。美国人WElay于1934年用风洞测量了各种车身模型的空气阻力系数。法国人JAndreau则提出了汽车表面压差阻力的概念，并研究了侧风稳定性。2O世纪40年代，另一位法国人LRomani对诱导阻力进行了研究。6O年代初，英国人white通过风洞实验提出了估算空气阻力系数的方法。到7O年代，汽车空气动力学才真正成为一门独立学科。我国是在8O年代才较为系统地研究汽车空气动力学的。目前世界上许多公司都在汽车空气动力学研究方面进行探索与竞争， 并且大都实力雄厚、各有建树。美国几乎各大汽车公司都有自己的飞机制造子公司。通用有休斯飞机公司，克莱斯勒有湾流公司。苏联的伏尔加有一个27m的风洞，最高风速1 20kmh。法国雷诺已经开展了计算机空气动力学的研究。西德大众最近也购得CDCgo00型计算机，其目的之一可能就是汽车空气动力学的摸拟。现在世界上计算空气动力学一流水平当属美国NASA。NASA在飞行器计算空气动力学方面拥有一流的学术、研究和应用水平,并且在不断更新其巨型机。许多高超音速空气动力试验无法进行，就用计算机进行摸拟。我国汽车工业由于近年来开始生产轿车才开始了汽车空气动力学的研究。当前的主要任务应该是抓住太好时机， 建立起我国自已的汽车空气动力学研究，试验、设计的综合系统， 争取国家及有关高等院校科研单位的支持，建立相应的开放实验室，争取第一流的专家及广泛的国际交流。开放实验室主要进行汽车空气动力学的计算机摸拟、外形的空气动力学优化设计及相关的并行软、硬件，计算数学的研究。其中轿车的空气动力学摸拟与优化必将太大加快新车型的开发速度， 以提高产品在世界市场的竞争力，并为我国产品参与世界市场竞争创造一个开放的高水乎研究环境。在空气动力学的研究、应用的世界范围的角逐中， 不断提高水平、提高素质。汽车空气动力学的研究现状空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长，且存在堵塞效应、地面效应与车轮旋转效应模拟等问题。仅采用风洞试验和路面测试技术研究汽车空气动力学，已不能满足更快速度开发出更经济、安全、舒适的汽车的需要。随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要性不断增加，应用范围不断扩大。下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。 一、汽车空气动力学研究的国内外发展情况国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。此学科在近3O年中得到了较大发展。7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。国内在这方面的研究起步较晚，尽管也开过专题性的学术会议，但总体上说还处于起步阶段。从有关学术刊物上看到，有关汽车空气动力学方面的论文很少，也还没有见到国内学者编著有关汽车动力学方面的学术著作或教科书。也就是说，国内还没有有效地进行汽车空气动力学的研究。但是，鉴于这项课题研究的经济效益和社会效益，以及我国经济发展的中长期战略，都迫切地需要将这个课题的研究提到议事日程上来。就国内目前的情况看，无论从人力还是设备上都完全具备研究的条件与实力，关键是要引起国内学者对此项研究的重视以及有关部门的组织与必要的投资，从而有远见地对汽车空气动力学进行先期研究，以适应今后十年乃至更长期国民经济发展的需要，为国家创造较大的经济效益。二、汽车空气动力学的研究方法(1)基础理论研究空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。9(2)风洞试验风洞是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，再利用整流板及管孔渐小的设计，把吸进的空气加以整流和加速，使之达到所需的风速，然后再送入风洞的试验段中。在设计和改进汽车时，作出相应的模型或实物，并放入风洞进行空气动力学测试。国内外大型汽车制造公司不惜耗费巨资建造汽车试验风洞，美国通用汽车公司研制出4 500 kW、叶片直径131 m的世界上最大的风洞装置。风洞或实车道路空气动力学特性试验包括：通过表面丝带法和网格丝带法测试车身表面流态；通过烟度发生器实施烟流法测试汽车车身周围流态；通过荧光添加剂喷雾法和水流模拟法进行流动模拟试验，以及用高速摄影法对雨水和灰尘流动特性进行印证；通过肥皂泡法、丝带法和烟流法，对发动机室和驾驶室内的气流流态进行试验印证；通过滑石粉法和泥土重量分析法印证泥垢附着状态等。9三、改善汽车空气动力学性能的措施汽车具有良好的空气动力学性能，有利于提高汽车的动力性和燃油经济性、改善汽车的操纵性和行驶稳定性进而提高汽车的安全性、改善汽车的乘坐舒适性。随着汽车设计、制造技术的进步和对汽车性能的要求越来越高，汽车空气动力学性能已成为汽车车身设计中必须考虑的重要因素。车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多，如车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小和格栅形状等。车头边角主要是指车头上缘边角和横向两侧边角。对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区；车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区，圆角与阻力的关系rb=0045(r为车头横向边角倒圆角半径，b为车宽)时，即可保持空气流动的连续；整体弧面车头产生的气动阻力比车头边角倒圆产生的气动阻力小；车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。但气动阻力系数不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化，车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。增加下缘凸起唇，气动阻力变小，减小的程度与唇的位置有关。发动机罩与前风窗的设计可以改变再附着点的位置，从而影响汽车的气动特性。发动机罩的纵向曲率越小(目前采用的纵向曲率大多为002 m )，气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩具有适当的斜度(与水平面的夹角)对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步加大，则降阻效果不明显。风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则将导致视觉失真、刮雨器刮扫效果变差；前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力；前风窗玻璃的斜度(与垂直面的夹角)小于30时，降阻效果不明显，但过大的斜度，将使视觉效果和舒适性降低；前风窗斜度等于48时，发动机罩与前风窗凹处会出现明显的压力降，因而造型设计时应避免出现这个角度；前风挡玻璃的倾斜角度(与垂直面的夹角)增大，气动升力系数略有增加。发动机罩与前风窗的夹角及结合部位的细部结构对气流也有重要影响。汽车前端形状对汽车的空气动力学性能具有重要影响。前端凸且高，不仅会产生较大的气动阻力，而且还将在车头上部形成较大的局部负升力区。具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当，将导致较大的气动阻力、较严重的气动噪声和侧窗污染，因此，应设计成圆滑过渡的外形。英国White于1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，具有重大实际指导作用。轿车侧壁略外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；外鼓系数(外鼓尺寸与跨度之比)应避免处于002004。顶盖有适当的上扰系数(上鼓尺寸与跨度之比)，有利于减小气动阻力、综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度和强度等方面因素，顶盖的上扰系数应在006以下。对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由093增至117，会较大程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。 车身尾部造型中影响气动阻力的因素主要有后风窗的斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度及尾部横向收缩。后风窗斜度对气动阻力的影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30时，阻力系数最大；斜度小于30时，阻力系数较小。后挡风玻璃倾斜角一般以控制在25之内为宜；后风窗与车顶的夹角为2832时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。典型的尾部造型有斜背式、阶背式和方(平)背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切地断言尾部造型式样的优劣，但从理论上说，小斜背(角度小于30)具有较小的气动阻力系数。流线型车尾的汽车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小，此高度需要根据具体车型及结构要求而定。后车体横向收缩可以减小截面面积，一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数增加。收缩程度因具体车型而定。车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。长尾车可能产生较大的横摆力矩，而切尾的快背式汽车的横摆力矩并不大，可以通过加尾翼减小横摆力矩，改善汽车的操纵稳定性。一般随车身底部离地高度的增加，气动阻力系数有所减小，但高度过小，将增加气动升力，影响操纵稳定性及制动性；另外，确定离地高度时，还要考虑汽车的通过性与汽车重心高度。车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角，将底板做成前低后高的形状有利于减小气动升力。车身底板适度的纵向曲率(用弯度线与直线的最大高度差与直线长度之比为弯度来描述)可以降低平均压力，相应地减小气动升力；适度的车身底板横向曲率可以减小气动阻力，但太大，可能引起底部横向气流与侧面气流相干扰。合适的后部离去角，也可能减小空气阻力。扰流器通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动阻力和气动升力的目的。前扰流器(车底前部)的适当高度、位置和大小对减小气动阻力和气动升力至关重要。目前，大多将前保险杠位置下移并加装车头下缘凸起唇，以起到前扰流器的作用。后扰流器(车尾上部)的形状、尺寸和安装位置对减小气动阻力及气动升力也非常重要，但后扰流器对气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。有的把天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部；在赛车上设计前、后负升力翼，以抵消部分升力，从而改善汽车转向轮的附着性能。车身主体与车轮之间存在很大的相互干涉。hDO75时，气动阻力系数回升。适度加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。不同形状的车轮辐板及车轮辐板上开孔面积的布置方式对气动性能有很大影响，在总开孔面积相同的情况下，适当增加开孔数有利于改善气动性能。改善汽车空气动力学性能，除了优化汽车造型之外，人们也在寻求其他方法。虽然低阻汽车的动力性和经济性得以提高，但任何事物都有两面性。Kamm认为，对于流线型汽车，随着横摆角的变化，阻力系数有很大变化，即低阻汽车的侧风稳定性差。汽车设计中必须综合各方面因素，权衡利弊，才能设计出高性能的汽车。6四、空气动力学的研究前沿 随着我国汽车保有量的显著增加和高速公路的发展，超车现象经常出现。汽车高速超车时，车身周围的空气流场之间将会产生强烈的气动干扰，严重影响汽车的气动特性、操纵稳定性和行驶安全性。目前，对单辆汽车外流场的研究较多，而对汽车超车过程外流场的研究较少，对车辆队列行驶、会车及超车等复数车辆行驶状态气动特性的研究更少，并且国外大多从风洞试验的角度对此进行研究，国内已有学者对超车和会车情况进行了初步研究，但尚未见有关队列行驶情况的报道，因此研究高速时汽车超车过程的气动特性具有十分重要的意义。6数值仿真的兴起促进了汽车空气动力学研究的发展，改变了汽车空气动力学性能设计与分析评价的状况，大量的数值仿真研究结果已有效地应用于汽车设计，同时也促进了数值仿真研究的发展。从计算方法看，面元法只限用于特定性质的流场，分区法可计算机和计算技术的发展，Euler法比RANS法计算量小的优点已不很明显，因此Euler法在汽车工程中应用较少，RANS法在数值仿真中应用的主要难点在用于汽车设计早期阶段的空气动力学分析，提供有益的方向性指导。 随着于分离流动、湍流模型和阿格系统的优化。LES法仅处在研究阶段，要具体应用于数值仿真的工程实际还较困难。大量文献中所谓的DNS实际上并不是真正直接数值模拟，其大尺度和小尺度涡团分别是通过耗散效应、数值粘性来模拟的，当然这些工作为将来真正应用DNS法积累了有益的经验。数值仿真应用的主要目的是为了提供影响汽车空气动力学性能的流动特性和现象的详细信息，增加对流动特性的了解，为汽车设计提供方向性的指导。从目前的发展状况看，仅采用计算流体力学的商业软件是不能够很好地模拟汽车外部流场。尽管我国在汽车空气动力学试验和理论研究方面起步较晚，但数值仿真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水平提供了新的契机，因此，为提高我国汽车自主开发的能力，积极开展汽车空气动力学数值仿真的理论和方法的研究具有重要的学术意义和工程价值。 汽车空气动力学数值仿真研究领域方兴未艾，研究主要应在