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汽车空气动力学 1 空气动力学基础 1 汽车空气动力学研究的主要内容 汽车行驶中的气动力和力矩 主要研究怎样使汽车具有较小的气动阻力 以减少油耗 怎样使汽车具有较小的升力 侧向力和横摆力矩 以保证良好的稳定性 汽车表面及周围的流谱和局部流场的研究 以分析作用在汽车上的气动力机理 有利于改善汽车表面雨水流的路径 减少尘土堆积 风噪声和面板振颤 发动机和制动装置的空气冷却问题 目的是减少冷却通路和散热器的内部空气阻力 提高冷却效果 汽车内部的自然通风和换气问题 研究车身进出风口的合理布置 车内进出风量 风速 风路 使汽车具有良好的通风和换气性能 保证舒适性 2 轿车空气动力学研究内容 3 2 1空气动力学基本概念 流场 空气动力学中 把流经物体的气流的属性 如速度v 压强p 密度等 表示为空间坐标 x y z 和时间t的函数 如v v x y z t p p x y z t 分别称为速度场 压强场和密度场 统称为 流场 随时间变化的流场 称为 非定常流场 不随时间变化的流场 称做 定常流场 流线 为了研究气流的运动 在气流中引人一条假想的曲线 它任何一点切线的方向都与该时刻气流质点速度向量的方向相同 流线所给出的 是在同一瞬时 线上各气流质点运动方向的图形 流谱 在某一瞬时的流场中 许多流线的集合 可通过流谱来描述气体流动的全貌 4 2 2前提假设 车速小于360km h 空气不受压缩 即空气密度不变 外层空气 远离物体表面 为无粘滞性的理想气体 相对运动等效 把汽车看成静止的 空气绕汽车周围流动 5 2 3流体流动的连续性 由于流体流动的连续性 并且流体又不可压缩 因而在相同的时间内流过前后两个截面的流体质量应相同 即流速v与截面积A的乘积不变 v A 常数 6 2 4伯努利方程式 根据伯努利原理 气流静压强p与动压强pq之和为常数 7 2 4附面层 理论上假设空气是非粘滞性的 而实际上空气具有粘滞性 即当其相对于表面运动时会产生内摩擦作用 与物体表面接触的气体将受到该表面的阻滞使相对速度变为零 邻近该表面的空气层也被粘滞摩擦力所阻滞 其相对于表面的运动速度也随与表面的距离而变化 当与表面的距离超过一定数值时 空气粒子的运动已不受粘滞性的影响 其速度与外部气流速度相等 因此 围绕着运动物体的一个相对薄的空气层内 气流速度有着急剧的变化 存在着速度梯度 该气流层称为附面层 又称为边界层 8 2 5分离现象与涡流 图所示是物体表面各部位的速度梯度的情况 从a到最大截面d空气流速逐渐增加 而流过最大截面后 流速又逐渐减少 由于空气附面层的粘性 e f g的流速已不可能与c b a的流速对称 而是更慢 在k处就使得某微层的速度为零 k以下的微层发生倒流现象 产生涡流 分离和涡流耗费能量 使阻力增大 9 汽车表面的附面层 10 发动机罩与前风窗凹处的涡系 11 3 汽车行驶时受到的气动力和力矩 将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力 称为气动力F 合力在汽车上的作用点称为风压中心 记作C P 气动力F与气流速度的平方 迎风面积S以及车身形状系数 成正比 即 式中 迎风面积S为汽车正面投影面积 又称参考面积 与车身形状有关 3 1气动力 12 迎风面积的定义 13 3 汽车行驶时受到的气动力和力矩 相应的阻力系数 d 侧力系数 y 升力系数 z 气动力分量 x气动阻力 y侧向分力 z气动升力 14 3 汽车行驶时受到的气动力和力矩 气动力的三个分力转化到汽车的质心上 则气动力矩如下 纵倾力矩又称附仰力矩 y 横摆力矩 z 侧倾力矩 x Xc c 风压中心到质心距离 为特征长度 一般指轴距 3 2气动力矩 15 气动力和气动力矩 16 4 汽车气动阻力的组成 汽车的阻力系数 d可以定义作用在迎风面积上的平均压力Fx S与基准动压的比值 是一个无因次量 与汽车尺寸无关 仅仅取决于形状 汽车的气动阻力由五部分组成 1 形状阻力又称表面压差阻力 是由汽车前部的正压力和车身后部的负压力的压力差而产生的 是气动阻力的主要部分 汽车车身各个表面的形状及其交接处的转折方式是影响形状阻力的主耍因素约占60 17 无粘流绕二元圆柱的流动 18 粘流绕二元圆柱的流动 19 车身表面压强分布特性 20 4 汽车气动阻力的组成 2 摩擦阻力它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力 其数值取决于车身表面的面积和光滑程度 约占气动阻力的9 左右 3 诱导阻力它是气动升力所产生的纵向水平分力 一般约占气动阻力的5 7 要减小诱导阻力 就应设法减小升力 21 4 汽车气动阻力的组成 4 干扰阻力又称附件阻力 是由暴露在汽车外部的各种附件引起气流相互干扰而形成的阻力 这些附件包括后视镜 门把手 雨刷 流水槽 前牌照 照明灯 前保险杠以及天线和装饰物等 它约占气动阻力的15 左右 5 内部阻力又称内循环阻力 是由冷却发动机等的气流和车内通风气流而形成的阻力 约占气动阻力的10 13 22 典型轿车发动机室内部的流谱 23 5 汽车的气动升力 汽车的气动升力垂直于汽车的运动方向 即垂直于地面 升力向上为正 向下为负 气动升力对汽车是有害的 必须尽可能设法减小 因为它会降低轮胎的附着力从而影响汽车的驱动性 操纵性和稳定性 24 6 汽车的空气动力稳定性 主要表现为横摆运动的稳定性 25 造型上改善空气动力性能的措施 基本原则 1 降低高静压区气体静压 升高低静压区的气体静压 2 延缓分离现象 3 负迎角造型 疏导底部气流 4 使风压中心位于汽车质心之后 26 造型上改善空气动力性能的措施 1 汽车前部使迎面气流顺畅的流过 车头部前端低矮 后倾圆化 保险杠位置前伸 端面呈凸字形 拐角圆滑 俯视图呈半圆形 控制底部气流量 设置阻流板 冷却空气入口处的优化 设置在正压区 27 造型上改善空气动力性能的措施 2 汽车中部前后风窗倾角增大 增大风窗玻璃法向曲率 前 后柱圆化 风窗玻璃表面与周围平滑 采用粘贴法安装玻璃 俯视图中部鼓腰 最大横截面尽可能后移 侧面平滑 28 造型上改善空气动力性能的措施 3 汽车后部纵断面上采用快背式 水平断面上向后收缩 减少低压面积 收缩前先外突 使气流加速 尾部设置扰流板 利用出风口加速气流 29 造型上改善空气动力性能的措施 3 汽车底部汽车底板尾部向上翘起一个角度 以疏导底部气流 可降低升力系数 汽车地板应向两侧面略为翘起 使底部气流流向侧面 30 实际应用 31 较成功的整体气动造型轿车 32 33 34 35 36 参数设置 气流属性 大气环境参数 迭代参数等 37 38 39 40 汽车最优化设计过程 41 车头边角对CD的影响 42 车头流线型式对CD的影响 43 车头下缘突起对CD的影响 44 发动机罩与前风窗斜度对CD的影响 45 轿车A立柱外形对阻力系数CD的影响 46 侧壁外鼓尺寸对CD的影响 顶盖上鼓尺寸对CD的影响 47 后风窗斜度对CD的影响 48 最佳车尾高度 49 实例 VW Passat车后风窗斜度后后行李箱盖的高度对CD的影响 50 后体横向收缩对CD的影响 51 车身低部高度对CD的影响 车身低部纵倾角对