汽车空气动力学的论述与研究.docx

精品文档汽车空气动力学的论述与研究组员 ：张尧硕（11223087） 贾流棡（11223071） 刘 贺（11223074） 目录1.国内外汽车发展史21.1国外汽车发展21.2中国汽车发展及现状52.汽车空气动力学概述72.1空气动力学的定义72.2汽车空气动力学的发展72.3空气动力学模拟研究工具风洞82.4空气动力学在节能上的工作原理82.5空气动力学在稳定上的工作原理82.6空气动力学在车身造型上的应用93. 基于空气动力学的车身造型设计和分析94.感想12摘要：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。本文介绍了国内外汽车发展史，论述了汽车空气动力学对于车身的影响，并基于汽车空气动力学设计出了车身并对它进行数值模拟分析。关键字：汽车发展史、空气动力学、风阻系数、升力系数1.国内外汽车发展史1.1国外汽车发展图1-1 卡尔本茨的第一辆汽车卡尔弗里特立奇本茨（Karl Friedrich Benz）1844年 11月4日德国著名的戴姆勒奔驰汽车公司的创始人之一现代汽车工业的先驱者之一人称 “汽车之父 ”、 “汽车鼻祖 ”。汽车在改变我们的生活它在带给我们极大便利的同时的确也带来了一些烦恼。但是生活就是这样对任何生活方式的评价都是相对的没有绝对的好与坏。这是一种观念一种态度更是一种文化。汽车自上个世纪末诞生以来已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时 18公里的速度跑到现在竟然诞生了从速度为零到加速到 100公里 /小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百年汽车发展的速度是如此惊人同时汽车工业也造就了多位巨人他们一手创建了通用、福特、丰田、本田这样一些在各国经济中举足轻重的著名公司。让我们一起来回望这段历史品味其中的辛酸与喜悦体会汽车给我们带来的种种欢乐与梦想 (1)1920-1950哈利厄尔时代德国发明了汽车 ,美国则把这个行业带入了艺术设计的圣殿 ,而哈利厄尔则是有史以来最伟大汽车设计大师 ,对现代汽车的影响不可估量。哈利厄尔进入通用公司 ,1927年设计出凯迪拉克哈利厄尔时代开始。它有圆润的线条,锥形的尾部 ,修长低矮的轮廓。 1928年哈利厄尔在汽车设计中加入了镀铬装饰。三十年代开始 ,他建立的艺术色彩使通用汽车逐渐成为最强大的汽车帝国。 1938年。他 ,设计出世界上第一款概念车别克 Y job。船型车身 ,复杂曲面构建的流线型车身都是此后几十年厂商模仿的对象。 Y job还第一次引入黏土模型技术 ,使汽车外形更加灵活。该技术一直沿用至今。 1947年,凯迪拉克 s用银光闪闪的镀铬装饰和漂亮的尾鳍征服了世人是哈利厄尔降汽车从单纯的交通工具变成了艺术和时尚。 (2)1930-1950流线型与船型车身 20世纪 30年代的大萧条到二战结束的 20年,是汽车设计向现代化转变的重要时期 ,由美国人独占鳌头的汽车设计领域也加入了欧洲人。欧洲在流线型设计方面走在前面。意大利 giusemerosi1913年为 count公司设计的汽车是流线型的最早期作品第一次开始了风洞实验并获得了美国专利。这段时间中 ,欧洲制造商却在工程技术方面取得了长足进步 ,雪铁龙在三十年代就将独立式前悬架和前轮驱动技术大规模应用于轿车 traction为了降低自重 ,它还采用了来自赛车的承载式车身。 19世纪末 ,汽车的最高速度达到了 50km/h,开放式车身向封闭式车身过度。 20年代是美国汽车产业的第一个爆发期 ,为了刺激消费 ,通用汽车在 1924年第一次推出了 年度改款 ,这在现在几乎被所有的大型汽车厂商使用。 (3)1940-1960国民车图1-2 神奇的“甲壳虫”美国在第一次世界大战前就凭借福特的流水线生产模式进入汽车普及时代 ,而汽车在意 ,英,法,德等欧洲国家是二战后才大量进入家庭的 ,并在 6,70年代进入高峰。希特勒在二战前提出的 生产国民大众使用的汽车 思想使二战结束后欧洲车坛诞生了很多实用 ,经典的国民车 ,采用尽可能简单耐用的机械结构 ,而造型只是附属品。大众甲壳虫 ,汽车史上划时代的经典 ,也是历史上生产周期最长的一款车 (即使今天甲壳虫依然是时尚实用的代名词 ,虽然与当时国民车的理念有所背离 ),出自费迪南德。保时捷之手 ,1930年诞生原型车 ,1939年正式开始生产 ,简单耐用 ,便宜省油 ,迅速成为当时世界上最畅销的车。也奠定了大众汽车今后在汽车界的地位。 1948年法国雪铁龙 2CV,1948年英国 minor,1957年意大利 fiat500,1959年英国 mini,都是那个时期国民车的经典 ,也是汽车史上的经典。 (4)1950-1970长尾鳍到短尾，coupe短暂兴起当时典型的美国汽车是火箭式车头 ,飞船式车尾。二战结束后十几年美国汽车爆发式增长是史无前例的 ,更大更好成为格调 ,性能的重要性变得稍逊于外表 ,舒适和款式变为最重要。而长尾鳍这是那个时代美国车的典型特征。后来 ,楔形车身 ,即短尾设计的运动汽车开始普遍。美国经济的强大以及意大利英国为首的欧洲小厂热衷表现美学功底 ,使追求运动气息的年轻人开始追求 coupe车型。阿斯顿马丁 DB2,阿尔法罗密欧 ,玛莎拉蒂 A6和 5000GT等,都是那个时代的经典。 70年代后 ,石油危机爆发 ,人们逐渐失去对 coupe的热情转向经济实用的小型车 ,尤其是日系车。 (5)1970-1990 20世纪 70年代受石油危机影响 ,80年代财政相对困难 ,汽车开始向多样化的实用性发展。来自军用 ,农用 ,远征等领域的设计 ,凭借特别 缺少风格 的怀旧情结和强烈的实用性特点 ,在汽车界掀起波澜并在后来成为时尚。最能体现这种转变的美式吉普逐渐成为 40年代以后美国人文景观的一部分。 1974年,第一辆切诺基诞生 ,成为吉普汽车史上最为成功的系列。但受到石油危机的影响 ,人们开始关注更精巧 ,外观更像轿车的运动多用途车。 1984年新切诺基问世 ,吉普把以前的粗犷越野车变成了一种时尚都市汽车。同时期诞生的路虎揽胜则抓住了高端市场。 80年代开始,MPV诞生 ,1983年 11月克莱斯勒第一款也是全球第一款厢式旅行车 -大捷龙问世 ,与以往面包车不同 ,这种车在为乘客提供更大空间的同时 ,还具有轿车般的安静舒适。 MPV旋风至此从北美延伸至全球。雷则是欧洲第一款 MPV。90年代 ,雪弗兰卢米娜和丰田大霸王也加入阵营。 (6)1990-present分裂的时代 百家争鸣 ,百花齐放 ,现代经济发展迅速 ,人们更加追求个性 ,更加挑剔 ,思想更加多元化 ,这也导致多种风格同时涌现。其中之一经典主义。其中又包含多种层次。一层是设计师本身对于过去经典的缅怀与尊敬 ,另一层是设计师力图在原来的经典车型中赋予自己的色彩 ,还有试图使用经典车型为公司开辟一条新的道路。各自代表分别为大众新甲壳虫 ,mini,和克莱斯勒 PT漫步者。图1-3 现代跑车进入 21世纪后,从现在的汽车设计趋势来看,最后边锋主义还是战胜了流线主义,不管是在内饰还是外部线条都追求极其硬朗的线条。这种线条可以让汽车看起来强劲有力,很安全,但缺点是它迫使汽车变得更长更宽更高。这可以从小车越做越大的状况上体现。但是这对于中大型车和跑车就非常合适,比较经典的如克莱斯勒 300C,兰博基尼 GALLARDO等。未来前景的展望为了占领未来汽车市场如今已有许多公司把各种先进技术和装备如微型电子计算机、无线电通讯、卫星导航等等新技术、新设备和新方法、新材料广泛应用于汽车工业中汽车正在走向自动化和电子化。有了卫星导航系统汽车可接收交通卫星的通信资料确定汽车所在位置从而自动提供最优行车路线并且显示出交通图汽车的雷达系统可以把障碍物的距离和大小告诉给驾驶员这样停车就更容易而语言感知系统可以用图、表和声音告诉驾驶人员汽车的各个部位情况此外还可按 音 行事执行驾驶有关指令等等。1.2中国汽车发展及现状（1）50年代中国轿车呱呱坠地1953年第一汽车制造厂破土动工，这是中国有史以来第一次建设自己的汽车厂1956年我国生产的第一辆汽车下线，毛主席又亲自为其命名解放5月，第一汽车制造厂试制成功东风牌轿车，送往北京向党的八大”献礼，这是中国自制的第一部轿车，6月，北京第一汽车厂附件厂试制成功井冈山牌轿车，同时工厂更名为北京汽车制造厂8月一汽又设计试制成功第一辆红旗牌高级轿车，9月上海汽车配件厂（上海汽车装修厂，后更名为上海汽车厂）试制成功第一辆凤凰牌轿车。在大跃进的年代，这几辆稚嫩的国产轿车确实让全国人民欢欣鼓舞了一阵子。 由于技术的不成熟，第一批轿车并没有真正成为国家领导人的座乘，热情高涨的汽车工人们很快就又投入到产品的改进中。在造出东风车后的4个月，一汽就造出了造型精美、具有民族特色、实用性能较好的高级轿车红旗，这是中国第一部定型轿车，而且这一响亮的轿车品牌曾让一代中国人为之倾倒。1959年第一批红旗72型轿车参加了国庆游行和阅兵，并成为中央部委领导的公务用车。同年，仿制德国1956年出产的奔驰220s的新型凤凰轿车试制成功，并成为中国的又一种定型轿车。由此，揭开了中国轿车工业生产的历史。（2）6070年代光荣与遗憾图1-4 第一辆CA72红旗牌高级轿车1964年，红旗轿车正式被国家制定为礼宾用车。当时中央领导人的专车主要是苏联吉斯100和115型轿车。随着中苏关系的恶化，我国迫切需要替代吉斯的高级轿车，周总理要求一汽尽快生产出三排座的红旗。1965年9月19日，一辆崭新的红旗770型三排座样车开进北京，该车长57米，内饰精美考究，乘坐十分舒适，造型也为全世界所称道，一亮相就受到国家领导人的高度赞赏1965年9月19日，一辆崭新的红旗770型三排座样车开进北京，该车长57米，内饰精美考究，乘坐十分舒适，造型也为全世界所称道，一亮相就受到国家领导人的高度赞赏新中国自力更生制造出的轿车填补了中国工业的空白，让中国自立于世界汽车工业之林，但由于国家不开放，我国的汽车工业与世界隔绝，失去了交流提高的机会，使我国的汽车工业逐渐地被现代化的世界汽车工业抛在后面。另外，当时我国的汽车工业是以载货车为主导的，对轿车缺乏应用的重视，这使得我国的轿车工业技术水平长期处于极为幼稚的状态。 （3）8090年代轿车梦渐圆改革开放后，我国经济迅速发展，对轿车的需求越来越强，我国落后的轿车工业根本无法满足这种需求。一时间，外国轿车洪水般涌入我国。1984年至1987年，我国进口轿车64万辆，耗资266亿元。为了迅速提高中国轿车生产能力和技术水平，我国汽车工业开始走上与国外汽车企业合作、引进消化外国先进技术的发展道路。 80年代中期建立了上海桑塔纳、广州标致两个合资企业引进了夏利、奥迪等车型中外合作以及技术引进都进一步深入，两个新建的合资企业一汽大众和神龙富康1998年以来以中外合作和技术引进为基础的我国轿车工业又迈上了一个新台阶，广州本田、上海通用和一汽大众分别引进了最新的高档车型雅阁、别克和奥迪a6（4）90现在2001年鼓励轿车进入家庭被写进了中国的第十个五年计划中， 按照和世 界贸易组织各缔约国谈判的结果，中国承诺在六年的过渡期中汽车的进口关税要逐年下调。到第六年的时候汽车进口税要降到20%，零部件降到 15%。在中国加入世贸组织的同时，包括奇瑞吉利在内的一些自主 品牌汽车也获得了国家的生产许可。吉利在获得生产许可之后迅速推出了它的第一款产车型，吉利豪情。 这款前面像奔驰，后面像夏利的经济型轿车刚刚一上市就成了众人的焦点，它最吸引的地方就是价格，吉利豪情的价格是五万元，此时奇瑞也向市场推出了它生产的第一款轿车。 2011 年 4 月上海浦东新区，上海新国际博览中心，这又是一次规模空前的汽车展。 一个多月前国内外的各参展商就已经开始为这次车展做准备，在这里依然是蜂拥而至热情高涨的观众。和 以往不同地是越来越多的国际品牌把他们的新车发布仪式选在了中国，这个最大的汽车市场。 就在刚刚过去的一年，曾经让人担扰不已的中国汽车产业再一次用无可争辩的事实向世人展示了中国 汽车业崛起的力量。中国汽车产销量以创纪录的一千八百万辆再次成为世界第一。加长轴距，增加配置， 改变内饰，两厢改三厢，将原来的车型进行中国式的改造，已经是许多汽车厂商取悦中国消费者最直接的手段。中国汽车市场坚挺的表现让所有的跨国企业意识到中国将是他们盈利发展的关键。越来越多的品牌在进行汽车设计时都充分考虑了中国消费者的感受，中国市场的话语权越来越大。 这几乎是每个在北京开车的人都会遇到的场景，在这样的路况上行驶并不是一个令人愉快的经历，几乎一夜之间，进入汽车社会的中国，汽车保有量呈现爆发式增长，使得能源土地环境交通等一系列制约汽车发展的因素开始显现出来。图1-5 北京现代汽车如何在高速的发展中善待环境和能源，兼顾到资源和发展之间的平衡将考验着我们的汽车社会，世界汽车工业在经过了一百年的，从欧洲到美洲再到亚洲的自西向东迁徙之后，又一次成为了世界最 关注的热点只是这一次，中国成为了人们最看好的主角。2.汽车空气动力学概述2.1空气动力学的定义所谓空气动力学，简单地说，就是研究物体在空气或任何流体中所受到的来自四面八方的力，并根据在实验测试中所得到的数据资料来修改物体的外观或形状，使之达到人们所需求的特性。在世界各国注重环保的情况下，一辆车能否顺利的从研究开发到正式生产，它的耗油量是非常关键的而空气这项指标有相当大的影响力。因为当车辆在行驶时，所受的空气阻力和它与空气的相对速度的平方成正比，也就是说车辆的速度愈快，它的空气阻力愈大；汽车若想保持一定的速度，相应的，它的发动机就得多烧些油来增加汽车的动力，使之能与空气阻力相抗衡。因此，若一辆车的外型设计不好，则它的稳定性及经济性都会大打折扣，从而在市场中失去竞争力，因此汽车的空气动力性已成为评价汽车的重要指标之一。现在世界各国对空气动力学的研究、试验发展极快，从本世纪初期的汽车发展到今日汽车的设计已越出方基调的格局而把车身拐角削得更加圆滑。由汽车外形决定的空气阻力系数已降低约58。2.2汽车空气动力学的发展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。此外，空气对汽车的作用还表现在对汽车发动机的冷却，车厢里的通风换气，车身外表面的清洁，气流噪声，车身表面覆盖件的振动，甚至刮水器的性能等方面的影响。自从德国工程师Kd Beml885年发明了世界上第一辆汽车后，德国就在Zep州工厂的航空风洞中进行了一系列有关车身外形的实验研究。后来德国工程师P Jam和他的助手wernperer发现前圆后尖的物体阻力最小，从而找到了解决形状阻力的途径，鱼和鸟的体形正是形状阻力较小的造型。美国的w Elay教授于1934年采用风洞和模型汽车，测量了各种车身的空气阻力系数，这是具有重要历史意义的试验。例如，他提出了“如果头部不是于净利落的圆滑，即使有良好的尾部造型也意义不大。”30年代后期，法国JAndeau对汽车表面压强分布作了详细的研究，提出了压差阻力的概念，同时他也较早地研究了侧风的稳定性。40年代，另一位法国人LR0mmi在诱导阻力方面作了大量的研究工作并提出了许多独到的见解。印年代初，英国人ReswKte在进行了风洞实验之后，找出了轿车外形特征于阻力系数之间的关系，提出了一整套估算气动阻力系数的方法。70年代，Jscib”一Rylski总结了前人的成果，为汽车空气动力学成为一门独立学科奠定了基础。我国是在80年代才较为系统地研究汽车空气动力学。2.3空气动力学模拟研究工具风洞图2-1 风洞风洞是用来制造出汽车所需环境的工具，从而测试出汽车在风中所受到的影响。在设计一辆车时，若想在未定型之前就了解其各种空气动力的数据，最常被采用的方法，就是先制做出此辆车的模型，然后把它放入风洞中，进行各项测试。风洞的种类很多，有封密式回旋型、开放式直流型及各种尺寸大小的风洞，它们都是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，再利用整流板及管孔渐小的特殊设计，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。在封密式回旋型的风洞中，里面的气流可不断的循环，重复使用。各种风洞都有它的优缺点，有的虽可获得较大的风速，但造价较贵；有的虽然价格低廉，但受外界干扰大且噪音较大。2.4空气动力学在节能上的工作原理 汽车的车身的节能性主要取决于它的风阻系数。风阻就是风的阻力。一般车辆在行驶时，所受到的阻力主要来自前方，除非侧面的风速非常大，否则不会对车辆产生太大的影响，而且就算有也只影响车子的行进方向，并不影响车速，通常可借助方向盘来修正，但前方风阻对车辆的影响就不能够修正了。在风洞中，要测试的数据，包括风阻系数Cd及升力系数Co等。当车辆在风洞中进行测试的时候，由风洞中的风速来模拟汽车行驶的车速，用气动力天平测出作用在车辆或模型上的气动力(风阻、升力)和力矩。在测得风阻后，利用空气动力学的有关公式就可算出风阻系数。风阻系数=风阻X 2(空气密度车正投影面积X车速平方)，风阻系数是一个固定值，每辆车都有它的风阻系数，在算出风阻系数后，就可由此数字算出车辆在各种速度中所受到的空气阻力。2.5空气动力学在稳定性上的工作原理汽车的稳定性主要取决于它的升力系数Co。至于升力系数Co值呢?其实跟Cd值差不多，只是把阻力变成升力罢了。车辆在行驶当中，多少都会有些气流从车底穿过，而这气流的密度若是大于从车顶飘过的气流时，驾驶员就会感到车辆发飘难以控制，此时若是有侧风从车旁吹过，车身就很容易产生偏移的现象，如果车子的质量大，轮胎抓地力强的话，则偏移的现象就会减轻，但相应的耗油量就会增加，所以车辆的升力系数太大不是件好事。通常车底的气流密度一般要大于车辆上方的。因为当车辆前进时，气流与车头相互碰撞后，有一部分气流会从车子上方飘过，另一部分则从车底和车侧流过，但由于从车顶飘过的气流需行经较长的路径，因此气流的密度就会降低，而气流进入车底后，有点被压缩的情形产生，所以每辆车都多少有些升力，而升力系数的测试和风阻系数一样，只是把水平力改成垂直力。当测得车辆的上升力后，升力系数的计算就易如反掌了，即升力系数=上升力X 2(空气密度X车正投影面积车速平方)。26空气动力学在车身造型上的应用根据车身造型的发展情况可以看到，空气动力学原理在车身造型设计中的应用已经成为造型构思的为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围，前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用园滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用太曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角不宜超过30度，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，去掉不必要的装饰，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盏住，降低整 图7现代汽车车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数。在80年代初问世的德国奥迪100一型轿车就是最突出的例子，它采用了上述种种措施，其空气阻力系数只有o3，成为当时商业代轿车外形设计的最佳典范。图7是现代汽车。据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右。对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是044和025)的轿车进行比较，88 k“h的时速行驶了100 krn，燃油消耗后者比前者节约了17 L。3. 基于空气动力学的车身造型设计和分析图3-1设计的外观尺寸本设计采用的是某豪华轿车的实车模型，以保证了几何模型的准确性。考虑到计算机硬件条件，分析的模型为l：1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车灯、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。简单建模，模型如图所示，为评价汽车的空气动力性能，引入气动力系数的概念，如升力系数、阻力系数等。其中的p为空气的密度，v为气流相对汽车的速度，L为汽车的特征长度，A为汽车的迎风投影面积包括车身、轮胎、发动 图3-2前视投影机及底盘等零部件的前视投影，如图所示。其中的个参量如下：阻力系数：CD=D1/2v2A升力系数：CL=L1/2v2A从上式可以看出各气动力和力矩均与迎风投影面积A及各气动力系数成正比，在迎风投影面积和自身重力一定的情况下，降低各项气动力系数对汽车的性能和行驶稳定性是非常关键的。在汽车的气动六分力中，气动阻力的构成和影响因素最为复杂，对汽车的行驶性能的影响较为明显，是汽车空气动力学研究的重点。流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若流场中任何一点的流动参数均不随时间变化，则这种流动称为定常流，否则为非定常流。在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的函数，和时间无关。例如在风洞中进行的气动力试验，就是一个定常流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以在流动的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流来处理。连续性方程、运动方程和伯努里方程是流体力学中的基本方程，它们分别表示了流体力学中的三大守恒定律：质量守恒、动量守恒、能量守恒。1连续性方程：1V1A1=2V2A2=C112-1、2截面上的平均密度V1V2-1、2截面上的平均流速A1A21、2截面上的截面积C2-常数2伯努里方程：流体力学中将与流体的质量成正比的力称为质量力或者是体积力。重力场中就称为质量力，当忽略质量力的力项，不可压缩流体作定常流动时，流体流动的速度和压强也存在一定的关系，可用伯努里方程来描述：P+12V2=P0式中：P-流体静压力V-流体流动的速度 P0-总压图3-3方程表明了：当理想不可压缩流体作定常流动并忽略质量力时，在流动过程中总压即静压和动压之和保持不变。同时P也是单位体积流体所具有的压力能，去p矿2是单位体积流体的动能，两项之和为单位体积流体的总机械能，因而上式也表征了：忽略质量力的理想不可压缩流体作定常流动时，在流场中任一点上单位体积流体总机械能为常数，即能量是守恒的。也就是说，在流速高动能大的地方，压力能必然减小，反之，在流速低动能小的地方，压力能必然增大。当汽车在与空气相对速度为v运动时，则车身上的个点压力如下图所示。车身上方的压力一方面虽然会对汽车的前进产生阻力作用，但是同样会加大车身对地的压力，这样使得汽车的抓地力更大，汽车驾驶会更加平稳，更加安全可靠，更易于驾驶。在动力方面，由于车子对地的抓力增大，所以