汽车空气动力学绪论

汽车空气动力学绪论,主讲人：王金湘Email：wangjx,新华网乌鲁木齐2007年月日电（记者赵春晖）日凌晨时分左右，从乌鲁木齐驶往阿克苏的次列车遭遇特大沙尘暴，节车厢被狂风推翻。一位救援人员告诉记者，目前已发现人死亡，受伤人员至少上百人,2020/5/20,东南大学机械工程学院,2,2020/5/20,东南大学机械工程学院,3,2020/5/20,东南大学机械工程学院,4,2020/5/20,东南大学机械工程学院,美国塔科马（Tacoma）悬索桥大桥被风吹垮发生于美国太平洋时间1940年11月7日上午11时。11月7日上午10点，风速增加到每小时64公里，大桥开始歪扭、翻腾，桥基被拖得歪来歪去，左右摆动达45度，最后，随着震耳欲聋的巨响，一头栽进了海峡。原因：气流的卡门涡街,5,什么是空气动力学？空气动力学是力学的一个分支；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；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,2020/5/20,东南大学机械工程学院,6,空气动力学航空航天,2020/5/20,东南大学机械工程学院,7,汽车空气动力学,大众“1升”小车：百公里油耗0.83L,2020/5/20,东南大学机械工程学院,8,列车空气动力学,2020/5/20,东南大学机械工程学院,9,建筑空气动力学,2020/5/20,东南大学机械工程学院,10,空气动力学与体育运动等,荷兰终极防风雨伞，可抵挡十级强风，“永不反骨”,2020/5/20,东南大学机械工程学院,11,第一章汽车空气动力学绪论,1.1汽车空气动力学的重要性1.1.1汽车空气动力学的作用及重要性1.1.2汽车空气动力学的研究内容1.1.3汽车空气动力学的研究方法1.2汽车空气动力学的发展1.2.1汽车空气动力学发展的历史阶段1.2.2汽车空气动力学的发展趋势,2020/5/20,东南大学机械工程学院,12,汽车空气动力学的作用及其重要性,汽车空气动力学的定义：是研究空气与汽车相对运动时的现象、作用规律以及气动力对汽车各性能影响的一门科学,2020/5/20,东南大学机械工程学院,13,汽车空气动力特性：汽车受空气阻力升力侧向力俯仰力矩侧倾横摆力矩侧风稳定性泥水和灰尘的附着和上卷气动噪声特性,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车空气动力学的作用及其重要性,动力性、燃油经济性,操稳、安全性能,舒适性能,14,汽车空气动力特性对动力性的影响：水平路面上等速行驶汽车的最大车速气动阻力对加速度的影响水平路面的加速度：,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车的加速能力首先取决于发动机的加速特性，还与空气阻力系数、滚阻和空气升力系数相关,汽车空气动力学的作用及其重要性,15,汽车空气动力特性对燃油经济性的影响：消耗于气动阻力的功率为由式可见消耗于气动阻力的功率与速度的三次方正比，与气动阻力系数成正比,2020/5/20,东南大学机械工程学院,气动阻力占总阻力的比值,汽车空气动力学的作用及其重要性,16,汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响：升力和气动俯仰力矩对操纵稳定性的影响升力和俯仰力矩都会使前轴附着力降低（发飘），随着车速的增大，升力和俯仰力矩增大，可能会使前轴失去附着力，而使车辆失去控制问题：升力是怎样产生的？,2020/5/20,东南大学机械工程学院,CG,汽车空气动力学的作用及其重要性,17,2020/5/20,东南大学机械工程学院,侧倾中心,汽车空气动力学的作用及其重要性,汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响：侧向力和横摆力矩对操纵稳定性的影响当侧风侧向力作用点与质心间存在距离，产生横摆力矩。的作用点在CG前时将产生顺着风的方向的横摆力矩，使得稳定性产生恶化为提高车辆稳定性，侧向风的作用点应在CG之后侧倾力矩对操稳的影响引起车轮负荷产生变化从而改变转向特性,18,汽车空气动力学的重要性：在确定汽车外形初步方案阶段对汽车的空气动力学特性进行评估在汽车造型设计和样式设计时应当综合考虑美学造型、人机工程学原理和气动造型只有最佳气动外形的造型才有生命力，才能使设计出来的汽车在市场竞争中取胜！,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车空气动力学的作用及其重要性,19,理论分析和数值计算理论分析揭示空气运动、汽车气动力产生机理以及对汽车性能产生的影响采用计算流体力学（ComputerFluidDynamics,CFD）方法，可以模拟一些试验无法处理的复杂流动问题和现象，可以部分替代试验环节，与试验研究相辅相成。,2020/5/20,东南大学机械工程学院,CFD仿真图,汽车空气动力学的研究方法,20,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车空气动力学的研究内容,研究的主要内容：气动力及其对汽车性能的影响汽车流场与表面压强优化气动造型发动机和制动器的冷却特性通风采暖和制冷,21,汽车空气动力学和航空空气动力学相比的特点：不是细长流线型，而是“钝性体”长宽比为24汽车不离开地面，始终受气动特性的地面效应始终在亚音速内汽车四周的气流分离和涡流多，远比翼型复杂汽车要求升力和阻力都小只通过操纵车轮来实现运动稳定控制汽车的气动干扰自动恢复稳定的能力差，需要驾驶动作修正,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车空气动力学的研究特点,22,汽车空气动力学的历史沿革,世界上第一辆以内燃机为动力的汽车：,2020/5/20,东南大学机械工程学院,戴姆勒（GottliebDaimler）和卡尔奔驰（KarlBenz）1886年由于车速很低在随后的十几年里没有考虑汽车道路行驶过程中的空气阻力问题,23,汽车空气动力学的历史沿革,最早的空气动力学汽车炮弹形车：,2020/5/20,东南大学机械工程学院,卡米勒詹那兹（CamilleJenatzy）1899年,比利时,24,汽车空气动力学的历史沿革,J型车合成型车身：保尔贾瑞（1921）：“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”“只有消除汽车尾部气流分离，才能降低阻力”保尔贾瑞和克兰普瑞合作进行的风洞试验提出了J型车,2020/5/20,东南大学机械工程学院,阿德勒特伦普（AdlerTrumpf）车型，1934,设计者：EKleyer从J型概念的提出到第二次大战结束这一时期被称为“J型车时代”,Lange车型，模型的CD0.16,J型车,25,汽车空气动力学的历史沿革,美国Chrysler公司1934年推出“气流”牌汽车“首次推出的大量生产的流线型实用车”将发动机罩，前翼子板和大灯连成整体,2020/5/20,东南大学机械工程学院,1936chryslerairflow4door,26,汽车空气动力学的历史沿革,1933年美国人雷伊（W.E.Lay）在密歇根大学进行可更换各种头部和尾部组成的积木式汽车模型的风洞试验对不同的车头和车尾的组合进行较系统的风洞试验用于分析车身前后参数对气动阻力的影响和前后流场的相互作用结论：,2020/5/20,东南大学机械工程学院,汽车头部要求顺滑，否则良好的尾部造型无意义陡的前风窗会使气动阻力明显增加钝的尾部和长的逐渐变小的尾部相比，气动阻力增加不大,不足：该积木式汽车模型的两侧是平面，没有考虑实际的两侧参数,27,汽车空气动力学的历史沿革,1934年德国人卡姆（W.Kamm）在斯图加特（Stuttgart）进行汽车稳定性和直线行驶能力的影响的研究，表明：J型车的长而尖的尾部使得汽车在高速是的横风稳定性差，短尾造型（K型）的汽车和长而尖尾部造型的车相比，空气阻力相差不大，但高速横风稳定性较好,2020/5/20,东南大学机械工程学院,第一辆K型车造型EverlingCar（19381940）,28,汽车空气动力学的历史沿革,法国人安德尼奥（Andreau）较早地研究了压强分布和稳定性：1936年在标致的底盘上装一个带尾翼的流线型车身,具有较好的侧风稳定型1938年指导设计了“雷电”赛车，创造速度的世界记录,2020/5/20,东南大学机械工程学院,1936年标致（Peugeot）概念车CD=0.28,1938标致“雷电”赛车575.3Km/h,29,汽车空气动力学的历史沿革,20世纪60年代英国怀特（R.G.S.White）等人在MIRA风洞实验室进行实车风洞试验将汽车外形对气动阻力的影响分为9个部分，找到了一套估计气动阻力系数的方法20世纪70年代以后，汽车空气动力学称为一门独立的学科，真正得到了飞速发展，其主要原因是：研究表面车速70Km/h，气动力对汽车性能的影响占主要因素，而高速公路的发展，车速远大于70Km/h世界能源危机促使制造商重视汽车的节能，而降低气动阻力可以大大降低油耗购买者越来越重视汽车高速下的动力学性能,2020/5/20,东南大学机械工程学院,30,汽车空气动力学的历史沿革,国内在汽车空气动力学研究：1981年我国进行了首次汽车空气动力学的风洞实车试验随后长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京航空航天大学和同济大学等通过对航空、建筑风洞的改造进行汽车风洞试验2009年9月19日，国内第一个“汽车风洞”上海地面交通工具风洞中心在同济大学嘉定校区落成启用。,2020/5/20,东南大学机械工程学院,31,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,1895年世界上第一次汽车竞赛巴黎到波尔多往返1200公里速度赛1899年在巴黎附近的世界汽车竞赛，卡米勒詹那兹创下了105.8Km/h的记录两个电动机驱动，1452.8Kg,2020/5/20,东南大学机械工程学院,竞赛冠军车设计这为Panhard和Levassor，平均速度为24Km/h,Onthe29thofApril1899theLaJamaisContente,32,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,1904法国人路易里高利驾驶哥布朗布瑞利在比利时的奥斯坦德创下了166.6Km/h的记录外形没有流线型设计车重976Kg，15.1L，4缸发动机1926年帕里托马斯驾驶26.9L，294KW的飞机发动机，车重1952Kg的“巴布斯”在南威尔士的彭丁海岸，257.2Km/h的世界记录,2020/5/20,东南大学机械工程学院,特点：车身光顺散热器较低复杂的前悬架车身低,33,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,1927英国人亨利西格雷夫驾驶“阳光1000HP”在德托纳海岸创下了327.9Km/h的记录。车重3632Kg，两台324KW、48个气门、22.5L的船用发动机车身较为流线型化1935年马尔科姆坎贝尔驾驶他改装的“蓝鸟”在美国犹他州的邦那维尔海滩，484.5km/h发动机功率1690kW空气制动装置,2020/5/20,东南大学机械工程学院,HenrySegraveinhis1000hp,34,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,1947英国人约翰科布在邦维尔盐滩驾驶由里德雷尔顿设计的汽车将记录提高到634.26Km/h拉长水滴型车身功率1837KW车重3269Kg1965美国人格雷格布兰德洛夫驾驶“音速一号”966.4km/hJ79飞机发动机喷气式驱动6810kg的推力,2020/5/20,东南大学机械工程学院,35,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,1970美国“反作用联盟”设计的“蓝色火焰”在美国犹他州的邦那维尔海滩1016.1km/h340kg火箭发动机9979kg推力1997年安迪格林驾驶“突击超音速汽车”在内华达州黑岩沙漠试验场1227.3km/h两台战斗机发动机16.5m，10t,2020/5/20,东南大学机械工程学院,36,汽车空气动力学的发展阶段速度追求,2005年3月美国埃德萨德尔和凯斯扎恩西“北美之鹰号”在飞机跑道上进行测试1336km/h17m长2.2m宽6123kg681L燃料每分钟功率38776kW,2020/5/20,东南大学机械工程学院,37,汽车空气动力学发展的三个时期,基本型时期（BasicShapePeriod）原始型阶段在汽车问世后的十多年间。汽车设计者们更多的精力在于底盘构造，零件及发动机的研制沿用马车造型进行改造，没有形成完整的车身概念：外露的零部件很多，联系松散。处于对自然流线型朴素的直观了解，做了一些大胆尝试，如炮弹车身，船型车身等,2020/5/20,东南大学机械工程学院,Onthe29thofApril1899theLaJamaisContente法国人K.Gart制造的电动汽车，炮弹车身但由于地面的存在，在车身周围的气流不再对称传动系统、驾驶员和车轮外露,德国人霍奇A.Horch1912年研制的船尾车气流在前端和翼子板处分离后不能在附着从空气动力学的角度来看这种船尾造型无意义,38,汽车空气动力学发展的三个时期,基本型时期（BasicShapePeriod）基本型阶段完整车身考虑（遮风挡雨和舒适性）1913年的里科蒂（C.Ricotti）设计的“飞艇型”汽车；1912年伦普勒（E.Rumpler）设计的“泪滴车”（Teadropcars）完整车身考虑，但是不能更深入考虑汽车空气动力学的问题,2020/5/20,东南大学机械工程学院,传动系统车轮外露没有考虑地面对气流的影响,两个大小不同的平卧的泪滴形体的叠加发动机后置，正面投影面积2.57m2,CD=0.28顶部气流很不理想，如图中的风洞试验,39,汽车空气动力学发展的三个时期,流线型时期（StreamlinePeriod）长尾流线型阶段自1911年的冯卡门（F.Karman）发现空气中运动物体后面存在涡流，寻求最低风阻的流线型体是流体力学的经典问题1922年流线型车（StreamlineCars）和组合型（CombinationForms）的概念。克兰普通过风洞试验证明接近地面的半个机翼（半流线体HalfBody）接近地面时气动阻力更小；并且揭示当物体接近地面时，其外流场会发生显著变化车身流线型的大量研究：,2020/5/20,东南大学机械工程学院,1923年Bugatti的GrandPrix赛车二维机翼气流理论设计,1927年克拉维奥（Clarvera）依据水滴型设计的aerodynamicscar,40,汽车空气动力学发展的三个时期,流线型时期（StreamlinePeriod）长尾流线型阶段,2020/5/20,东南大学机械工程学院,1936年瑞典绅宝（SAAB）公司生产的Type92是在J型车造型的基础上的代表作（实用车型）,41,汽车空气动力学发展的三个时期,流线型时期（StreamlinePeriod）1938年普朗特（LudwigPrandtl）在哥丁根的风洞实验室进行了所谓“半车身”汽车的风洞试验，表明底部光滑的半车身模型的风阻系数为0.15,2020/5/20,东南大学机械工程学院,长尾型车的缺点：过分狭长的尾部对减小气动阻力无益狭长尾部增加了汽车的横风不稳定性,42,汽车空气动力学发展的三个时期,流线型时期（StreamlinePeriod）短尾流线型阶段1934年卡姆的K型（短尾造型）车和雷伊的L短尾造型J型车和K型车的基础上的一些实用车型：代表人物有普朗特，朗格、雪勒、汉逊等特点：整体车身、较流畅、灯脚踏板和备胎灯隐入车身,2020/5/20,东南大学机械工程学院,三种典型尾部造型,短尾造型汽车,43,汽车空气动力学发展的三个时期,流线型时期（StreamlinePeriod）20世纪50、60年代，各汽车公司投入大量财力和人力建造风洞实验室以开发新车型。已经开始考虑除气动阻力外的气动升力、气动侧力、气动力矩对汽车性能的影响开始考虑发动机和制动器冷却以及刮水器浮动等,2020/5/20,东南大学机械工程学院,1953宾利大陆,1957阿尔法,BAT7,流线型时期的总特点：避免了早期假流线型的束缚，不在拘泥于表现上的流线型，而是更加全面深入地实现流线型减小气动阻力不在是唯一的目标,44,汽车空气动力学发展的三个时期,最优化时期（OptimizationPerio）细部最优化1974年由德国的胡乔（W.H.Hucho）、Jansen和Emmelnann提出了著名的细部最优化概念满足性能、人机工程学、工艺学。美学造型以及安全法规等方面的要求来初步确定的车身造型要求达到减小气动阻力和提高行驶稳定型的目的进行车身局部修型加装空气动力学的附加装置,2020/5/20,东南大学机械工程学院,BAT7,1981VWScirocco1CD由原来的0.5降至0.41,VWGolf1,CD由原来的0.48降至0.32,45,汽车空气动力学发展的三个时期,最优化时期（OptimizationPerio）细部最优化细部最优化的局限性：对CD0.45的汽车，该方法可取得明显效果，但不容易使CD0.35同时就每一个局部要进行多次修改对某一处的改动基本确定后，当改动另一处时，两处的综合不一定最优细部优化常常费工费时，相对盲目,2020/5/20,东南大学机械工程学院,BAT7,46,汽车空气动力学发展的三个时期,最优化时期（OptimizationPerio）整体最优化基本思路从设计伊始就十分重视汽车外形的整体气动功能从一个总尺寸和体积与所需的汽车基本类似的理想低阻形体出发，从总体的角度逐渐向实用车型逼近，以满足性能、人机工程学、工艺学、美学造型以及安全法规要求。整体最优化又称为形体最优化（ShapeOptimization）,2020/5/20,BAT7,东南大学机械工程学院,47,汽车空气动力学发展的三个时期,形体最优化（ShapeOptimization）原则首先设计一个符合总布置要求的理想的低阻形体在其发展成实用车型的每一步设计中，都严格地保证形体的光顺性，使气流不从汽车表面分离,2020/5/20,东南大学机械工程学院,BAT7,汽车外形设计的不同阶段,48,汽车空气动力学发展的三个时期,整体最优化技术的典型例子,2020/5/20,东南大学机械工程学院,BAT7,Audi100C3轿车。1982年，Audi100以仅仅0.30的风阻系数创下了轿车空气动力学的世界纪录,1984年Audi100型荣获全球年度最佳轿车,红旗造型很像audi100的经典造型吗？,49,汽车空气动力学发展的三个时期,如今的概念车、赛车,2020/5/20,东南大学机械工程学院,BAT7,大众“1L车”0.