空气动力学与汽车造型

.空气动力学在汽车造型上的应用班级：T713-8 学号：20070130820 姓名：兰瑞锋导语：空气动力学与汽车空气动力学空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。长期以来，空气动力学成果的应用多侧重在航空和气象领域，特别是在航空领域的这门学科取得了巨大进展，给汽车或路面车辆的空气动力学研究提供了借鉴。然而进一步的深入研究表明，汽车或车辆的空气动力学问题从理论到实践两方面与航空等问题有本质的区别，汽车空气动力学已逐渐发展为空气动力学的一个重要分支。汽车作为在地面上行驶的一种交通工具，在人类社会的生活中起着非常重要的作用。随着社会的进步，高速公路迅速发展，并构成了网络系统，不仅使汽车的行驶速度加快，而且使车流密集程度提高。这种高密度、高速度的运输方式，使汽车与道路及空气之间的相互作用变得更加复杂，作用在汽车上的空气动力特性对汽车的燃料经济性、操纵稳定性及安全舒适性等，都有直接的影响。实践表明，由于汽车空气动力特性引发的性能问题，仅凭结构设计是无法解决的，只有在汽车设计过程中进行空气动力试验研究，才能更好地满足汽车的性能指标。因此，汽车设计人员与空气动力研究人员的紧密结合是保证汽车研究发展成功的重要途径。, s( v5第一部分：汽车空气动力学的发展汽车空气动力学的发展 . C2 : 2 x- v 世界上第一辆自备动力车辆问世至今，已有一百多年的历史。由于早期汽车的行驶速度非常低，不存在空气动力特性问题。随着机械结构的逐步完善和动力系统性能的提高，汽车的行驶速度有了明显的增加，置于气流中的乘员出现了不舒适和不安全感，于是出现了外形为封闭厢型的汽车造型，空气动力的作用开始被注意。1920年，德国首先将流线型概念引入到汽车设计中，对减小空气阻力的可能性进行探索，在策佩林（Zeppelie）工厂的风洞中对汽车空气动力特性进行了系统的试验研究，取得了良好的应用效果。随后，又着手进行汽车空气动力特性对其行驶稳定性影响的系统研究。 20世纪60年代初，美国从汽车功能发展的观点出发，对汽车外形发展及其空气动力特性之间的复杂的内在联系和影响进行了系统研究，使汽车设计的局部优化获得成功。20世纪90年代，小轿车的气动阻力系数已接近0.30，载货汽车的气动阻力系数在0.60左右，这就充分体现了汽车空气动力学研究发展的实际成就。4 20世纪末，汽车空气动力学的研究已经发展到风洞试验、道路试验和数值计算的有机结合，做到了预测、评估和验证的统一，将成熟的经验和理论应用于新车型的开发实践，使汽车更新换代的周期大大缩短，而且汽车性能的提高更加靠近了拥有者的理想需求。 中国于20世纪60年代开始汽车空气动力学试验工作。20世纪80年代，随着中国国民经济的高速发展，为了解决交通运输的落后现状和“瓶颈”效应，非常重视高速公路系统的建设和汽车工业的规模发展。汽车空气动力学研究工作得到了长足的进步。# |) Q/ b1 U6 W 21世纪，保护生态环境是我们的基本国策，汽车工业界在不断致力于提高汽车综合性能的同时，还努力探索开辟新的汽车空气动力学研究内容。第二部分：汽车空气动力学的研究目的及方法汽车空气动力学的研究目的旨在减少气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及降低对环境的污染程度。不仅要研究在自然环境中行驶汽车的外部流动及其对汽车性能的影响，而且还要研究汽车内部流动及其对环境的影响。汽车空气动力学的研究内容可以归纳为四个方面：研究作用在汽车上的空气动力和力矩及其对汽车性能的影响；研究汽车各个部位的局部流场及其对汽车性能和周围环境的影响；研究汽车发动机冷却系统空气动力特性及其对冷却效率的影响；研究汽车内部环境和气候条件及其对车体内舒适性的影响。汽车空气动力学的研究方法有风洞试验、道路试验和数值计算三种。目前主要依靠风洞试验的手段研究汽车的空气动力特性。汽车风洞试验可以在航空风洞中进行模型试验或实车试验。通常，汽车工业发达的国家都建造专用的汽车风洞进行实车试验，对汽车设计起到重要的作用。道路试验是对汽车的品质和性能进行综合考核，道路试验一般在专用跑道上进行，试验条件比较苛刻。近年来，随着计算空气动力学的发展，已在汽车设计中应用数值计算方法进行汽车空气动力外形设计和性能计算。第三部分：空气动力学在汽车造型上的应用% 一辆轿车的气动效率是由其阻力系数(Cd)所决定的。而阻力系数与面积无关，它仅仅是反映出物体的形状对于气动阻力的影响。理论上来讲，一个圆形的平板的阻力系数为1.0，但是如果考虑到其边缘周围的湍流效应，它的阻力系数将会变为1.2左右。气动效率最高的形状是水滴，它的阻力系数只有0.05。不过，我们不可能制造出一辆水滴形状的轿车。一辆典型的轿车的阻力系数大致为0.30。阻力的大小是与阻力系数(也叫牵引系数、风阻系数)、正面接触面积和车速的平方成比例的。你会发现一辆时速120英里的轿车所遇到的阻力是一辆时速60英里的轿车的四倍。你还可以发现阻力对于最高时速的影响。如果我们不改变一辆轿车的形状，而将其最高时速从180英里提高到的 200英里的话，我们需要将其最大输出功率从390马力提升到535马力。如果我们宁愿把时间和资金花在风洞的研究上，只要将其阻力系数从0.36降低到0.29就能够达到同样的效果。 在20世纪60年代，赛车工程师们开始认真对待空气动力学。他们发现如果他们将轿车后背的斜度减小到20度或更小的话，气流就会非常平稳地流过车顶线，从而大大减小了阻力。他们将这种设计命名为“斜背式车身”。这种关注的结果是很多赛车都增加了一个比较夸张的长长的尾翼，并把后背的高度降低了。对于一辆三厢式轿车，气流会直接从车顶线的尾部离开轿车。而后挡风玻璃的突然下降会在周围的区域形成低压，这就吸引了一些气流重新流入该区域进行补充，并因此形成了湍流。而湍流总是会损害到阻力系数。然而，这依然比可能出现在三厢式车身和斜背式车身之间的一些情况要好。如果后挡风玻璃的斜度为3035度的话，气流就会变得非常不稳定，而这将很损害到高速行驶时车辆的稳定性。在过去，轿车厂商对此知之甚少，所以生产了很多类似的轿车。 另一个重要的空气动力学因素是升力。由于轿车顶部的气流移动的距离要长于轿车底部的气流，所以前者的速度会比后者快。根据柏努利(瑞士物理学家)原理，速度差会在上层表面产生一个净负压，我们将其称为“升力”。 像阻力一样，升力也是与面积(不过是表面积而不是正面面积)、车速的平方和升力系数(Cl)成比例的，而升力系数是由形状决定的。在高速行驶时，升力可能会被提升到一个足够高的程度，从而让轿车变得很不稳定。升力对于车尾的影响更为重要，这一点很好理解，因为后挡风玻璃的周围存在一个低压。如果升力没有被充分抵消，后轮就很容易发生滑移，这对于一辆以时速160英里飞驰的轿车是很危险的。 就这个方面来讲，斜背式车身是非常不利的，因为它与气流接触的表面积非常大。看起来良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同时拥有它们。不过，由于过去我们对空气动力学进行了更多的研究，所以我们还是发现了一些办法，可以解决同时拥有两者的问题。在20世纪60年代早期，的工程师们发现通过在轿车的尾部增加一个气翼(我们简单地将其称为“尾翼”)，可以大幅度减小升力甚至产生一个完全向下的压力。同时，阻力只是略微有所增加。 尾翼的作用是引导大部分的气流直接离开车顶而不发生回流，这就会使升力减小。(如果我们加大尾翼的角度，甚至可能产生一千公斤向下的压力。) 当然，依然会有一小部分气流会回流到背部并从尾翼下的车尾处离开。这就避免了在非斜背式轿车上出现的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空气沿这个路线流动，所以它们对于升力的影响可以轻松地被尾翼消除。 第一辆安装尾翼的轿车是1962年产的246SP长距离赛车。仅仅一年以后，250GTO道路用车就加入了这一行列，安装了一个小型的鸭尾式尾翼，这当然是第一辆安装尾翼的道路用车。然而，尾翼并没有因此就流行开来，直到1972年发布了其911 RS 2.7情况才有了转机，该车巨大的鸭尾式尾翼将高速行驶时的升力减小了75%。仅仅一年以后，RS 3.0就开始使用一个鲸尾式尾翼，这种尾翼可以将升力完全消除掉，它也因此成为了此后所有911轿车的标志。 新款996 Carrera为我们提供了一些有用的数据： 前面的升力（时速 157 英里） 后面的升力（时速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打开尾翼 5 公斤 14 公斤 扰流器是改变车身下面气流的空气动力学装备。我们将安装在前保险杠底部边缘的扰流器称为“下颚扰流器”或者“气坝”，而将安装在车身两侧底部边缘的扰流器称为“侧裙”。要了解扰流器的原理，我们必须先谈谈车身下面的气流。车身下面的气流总不是我们希望存在的。在轿车车身的下面有很多暴露在外的组件，比如发动机、变速箱、传动轴、差速器等。这些设备会阻碍气流，不仅仅造成增大阻力的湍流，还会因使气流慢下来而增大升力。扰流器通过促进空气从车身两侧离开达到减小车身下面气流的目的，其结果是减小了因车身下面的气流造成的阻力和升力。一般来说，扰流器安装的位置越低，能达到的效果就越好。因此你会发现长距离赛车的扰流器几乎是擦着地面的。当然，道路轿车不可能做到这样。 我们还有一种减小车身下面气流影响的办法，那就是用一个光滑的底板将轿车的下面全部覆盖，就像这一辆F355一样。这可以避免湍流和升力。 对于赛车工程师们来说，尾翼可能是对付升力的好办法，但距离他们真正想要的效果还很遥远。典型的一级方程式赛车转弯时的加速度大约是4g，这需要巨大的向下的压力保持轮胎紧贴赛道的地面。当然，安装一个角度很大的巨大尾翼可以满足这种需求，不过同时也会损害到阻力系数。在20世纪70年代，考林查普曼(又一次)发明了一种全新的概念，在提供向下的压力的时候并不会改变阻力的大小，这种概念就是“地面效应”。他在自己的72赛车的底部安装了一个空气通道。通道在前面的部分相对狭窄，但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部几乎是触地的，所以通道和地面实质上形成了一个封闭的管道。当赛车飞驰时，空气从车头进入，然后线性扩散到车尾。显然，接近车尾处的气压会降低，从而产生了向下的压力。 与尾翼相比，地面效应的优势太多明显，所以很快一级方程式赛车就禁止使用地面效应了。1978年，Brabham车队的戈登默里又尝试使用扩散通道之外的其他方式，他使用了一个大功率的风扇在接近车尾的地方产生向下的压力。当然，这种创新又一次在一级方程式赛车中被禁止了。地面效应对于道路用车来说不太合适，因为它要求车身底部特别贴近地面才能形成一个封闭的管道。对于赛车来说，这没有任何问题。但是道路用车需要留出高很多的离地间隙以适应不同的起伏路面、爬坡和下坡路面等。这种较高的离地间隙会大大减小地面效应的效力。McLaren F1道路用车沿用了Brabham车队的技巧，该车使用两台电扇来产创造地面效应，不过说实话，没有哪位试车者对它产生的向下的压力发表过赞美之词。Dauer 962号称是“道路用车”，不过它实际上是一辆获准在道路上驾驶的962长距离赛车，该车就安装有赛车