基于空气动力学的车身造型设计

1、武汉理工大学硕士学位论文基于空气动力学的车身造型设计姓名：孔斌申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：钟绍华20080501武汉理工大学硕士学位论文摘 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。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

2、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l：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

3、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。关键词：空气动力学，车身设计流程，车身造型设计，数值模拟武汉理工大学硕士学位论文AbstractWith the development of highway,rise of fuel oilpriceas well aSpromulgationofeven more strict laws and regulations，the requestondynamicchara

4、cteristics，fueleconomy,driving stabilityand comfort isincreasing，whichresult in the research onautomotive aerodynamics has becomeallimportant partoftechniquein automotiveindustryUsing computationalFluid Dynamics(CFD)methods to carry ontheforecast to itS performance，can save large amounts of money an

5、d reduce the cycle ofnew vehicle development，compares to the wind tunnel testIn this kind of situation,a car-body model design method based on aerodynamicsanalysisispresent in this paperFirstlythe thesis elaborated includes the construction of geometric and physicalmodels，selection of turbulence mod

6、el，definitionof boundary conditionsThe scale ofmodel is 1：2The model issimplified：neglecting externalheaves such as the rearviewmirror and wiper；no considering the effect of the wheels；simplifying the underbody,nosimulatingthe realunderbody geometry shapeInorder to save thecomputationalexpense，half

7、of themodel is chosen along thelongitudinal symmetry planeUsingthe FLUENTanalyzedthe modelthedescriptionofpressurefield andcar-bodysurfacepressuredistribution map are obtained and thedragcoefficien werecalculated，thenthe outer flow field of sedan had been simulatedwellTheaerodynamic characteristics

8、were obtmned，whilethecomparisonand the analysis tothe model under different boundary condition and under the different turbulencemodel had carried on，which had made some beneficial attempts for the numericalsimulation practical application11le car-body design method based on aerodynamics iS also dis

9、cussed in detail inthe article，as well as its two technicalroute，positively exploresthe method ofaerodynamics applicationoncar-body model，whichhad Present a newwayforcar-body designIn the conclusionthe numerical simulationof the automobileaerodynamicscharacteristic could assist the automobile design

10、er,after the design completed initially,analysesits flow field characteristic，put forward improvement opinion for designproposal，after the design completed initially,strivesfor achieve theperfectcombineof the esthetics and the aerodynamicsKey words：Aerodynamics，Body design procedure，car-bodymodeldes

11、ign，Numerical simulationn独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 日期砧f关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(

12、保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生签名：武汉理：【大学硕+学位论文第1章绪论11课题研究背景111汽车空气动力学的发展概况汽车依据其外形和功能用途可分为三类：乘用汽车(轿车)、商用汽车(货车及客车)和赛车(高性能汽车)。轿车的演变，反映了汽车空气动力学的发展过程。1111汽车空气动力学的发展历史自从第一辆汽车问世，至今已有一百年的历史。在汽车发明后的最初十几年，由于大多数局限于解决机械问题，且车速很低，所以空气动力学方面的问题并没有提到议事日程上来。把空气动力学的概念与研究成果引入汽车设计中，形成独特的汽车空气动力学学科，是从上世纪20年代开始的。当时空气动力学在航空航天领域内得到了飞身发

13、展，很多航空领域的空气动力学研究成果被尝试移植到汽车领域。汽车德国人EJaray提出了“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”和“只有消除汽车尾部气流分离，才能降低阻力”等论点大大推动了汽车空气动力的发展。他通过风洞试验提出了所谓的“合成型车身概念(又称“J”型车)。如图11所示。图11 “J"型车1930年美国Chrysler公司开始从事有关汽车空气动力学研究工作，并于1934年推出“气流"牌(Air Flow)汽车。武汉理工大学硕士学位论文1933年美国人WELay在密西根大学进行了可更换的各种车头和车尾组成的积木式汽车模型的风洞试验，较详细地分析了车身前后主要参数

14、对气动阻力的影响和前后流场的相互作用。图12给出了几十年来轿车的气动阻力系数统计数据变化规律图。从图中可以看出，正是由于多年来汽车空气动力学的研究成果，使得汽车的气动阻力系数不断地降低。图中出现了气动阻力系数回升时期，这主要是因为当时，以美国车为代表的轿车更多地追求豪华与乘坐舒适性，以牺牲气动阻力为代价。后来发生的石油危机，才使得人们重新重视燃油经济性，而积极开发外形紧凑，气动阻力系数小的汽车。气动阻力系数图12气动阻力系数变化规律图最初汽车空气动力学只注意降低空气阻力，随着车速的提高，人们注意到气动升力及侧风稳定性问题。近期汽车空气动力学的发展又开始注意了驾驶室内流、发动机冷却、空气动力噪声

15、及消除车身上泥土附着等问题，并且国内有些汽车厂家已经把汽车内流场概念引入到产品开发过程中。汽车空气动力学的研究工作虽然早已开始，但直到上世纪70年代以后，这方面的研究才得以真正高速发展起来。以英国人AJScibor Ryst虹和德国人WHHucho为代表的一批科学工作者，在总结前任的研究成果基础上结合各自的研究工作，为使汽车空气动力学成为一门独立的研究学科奠定了坚实的基础【11。298765432OOOOOOOO武汉理工大学硕士学位论文汽车空气动力学的发展历史表明，汽车空气动力学是伴随着道路状况的改善和使用要求的提高而引起汽车造型的变化而发展起来的，可以说汽车造型变化的历史就是空气动力学的发展

16、史。1112汽车空气动力学的四个发展阶段汽车空气动力学是一门工程应用科学或所谓的经验科学大量的汽车空气动力学方面的重要结论来自对工程试验数据的分析和推理，其发展过程主要经过下列四个阶段。1基本形状化造型阶段汽车空气动力学发展的第一阶段是从20世纪初期开始的，人们从外形上注意了空气动力特性，把它总结为基本形状化造型阶段。基本形是人们直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上，采用了鱼雷形、船尾形、汽艇形等水滴形汽车外形。早期的汽车外形在考虑了流线形化后，相对于马车来说，其气动力阻力系数明显改善了，但当时的一个通病是没有认识到气流流经这种旋转体时已经不再对称，与单纯的水滴形的流场不同。早期汽车造型实

17、用性不强并且难以为人们审美接受，因而没有获得广泛应用。2流线形化造型阶段在这一阶段人们开始用空气动力学的观点指导汽车造型。1911年Riedle对汽车的行驶阻力所作的分析，是人们对汽车空气动力学认识的基础。随着Prandel和Ei腩l进一步揭示了气动阻力的本质，空气动力学也越来越多的应用于汽车设计中。在这个时期，杰瑞(Jaray)理论对早期汽车空气动力学的发展作出了贡献。他使得后人认识到了地面效应。汽车外形已不是简单的水滴形。这期间，人们力图降低气动阻力，并获得了可观的进展。1939年出现了实际“半车身"设计的汽车，并开始注意到驾驶室内通风、发动机冷却及侧风稳定性等方面的问题。3车身

18、细部优化阶段进入20世纪70年代，汽车空气动力学进入了最优化阶段。1974年由德国的WHHucho等几人提出了车身细部优化概念。这一概念的提出是基于“造型服务于性能"的设计思想。即以满足性能、人机工程学、工艺、美学造型各方面的要求而初步确定的车身造型基础上，为达到减小气动阻力和提高行驶稳定武汉理工大学硕士学位论文性的目的，而进行的车身局部修型和加装空气动力学的附加装置。White根据1967年在MIRA(英国汽车工程学会)对l：l模型和汽车风洞试验的结果，选择了对几个车身周围影响关键的车身参数，对每个参数给予空气动力特性的影响程度进行打分，流动性能好的部位得分低，有可能扰动气流的车身

19、细部，如A柱的大翻边得分就高，分值与阻力系数有关，如公式(11)：LCD2aB(1·1)t=l式中Cn气动阻力系数；见一各个部分的得分值；r系数；Ir项数。虽然这种分级方法对于区分当今汽车的阻力并不适用，但指出了车身各个部分对阻力的定性影响，可用来指导汽车造型设计，是有实际意义的。在这个阶段汽车空气动力学设计的原则是首先进行外形设计，然后对形体细部如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等逐步或同时进行修改，控制以防止气流的分离现象发生，以降低阻力，称为“细部优化法。但细部最优化方法有其局限性。研究表明对于Cn>045的汽车，应用此法可以取得明显的效果；但对Cn<O40的车，用

20、此方法再降低阻力就困难了。4汽车造型的整体优化阶段随着钝体分离流空气动力学基础研究不断发展及风洞试验技术的发展，人们对汽车绕流特性有了充分认识，汽车空气动力学进入了汽车造型的整体优化阶段。汽车整体优化设计的方法是采用具有极低气动阻力系数的优秀空气动力学设计的原型，在不改变其整体流场的条件下，使其逐步形成具有低气动阻力系数的实车。整体优化的原则是首先确定一个符合总布置要求的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格保证形体光顺性，使气流不从汽车表面分离，称之为形体最优化【2】。1113汽车空气动力学的研究方法汽车空气动力学的研究方法是多样的，可分为理论、数值计算和试验三种。4武汉理

21、工大学硕十学位论文研究的目的是利用已有空气动力学知识进行汽车造型，通过各种实际或模拟的试验手段，验证和改进各种改型措施。同时，这些试验又不断提示出各种气动现象，通过对试验数据的收集整理，进行分析和推理，得出大量的重要结论，反过来又推动汽车空气动力学的研究发展13J。(1)理论研究方法理论研究方法通过抓住所分析问题的主要影响因素，抽象出合理的简化理论模型，并根据总结出来的相关物理定律和有关介质性质的试验公式来建立描述介质运动规律的积分或微分方程。然后利用各种数学工具及相应的初始、边界条件解出方程组，通过对解分析来揭示各种物理量的变化规律，包括将它与实验或观察资料对照，确定解的准确度和适用范围。(

22、2)数值计算研究方法由于数学发展水平的局限，理论研究只能建立较为简单的近似模型，无法完全满足研究更复杂更符合实际的气流的要求。于是近年来出现了依托快速电子计算机进行有效数值计算的方法CFD，其中包括有限元法、有限差分法等，它属于汽车计算机辅助空气动力学CAA的设计范畴，并已成为与理论分析和实验并列或具有同等重要性的研究方法。其优点是能够用来预测或解决一些理论及实验无法处理的复杂流动问题，取代部分实验环节，省时省工。但它要求事前对问题的物理特性有足够的理解，提炼出较精确的数学方程及相应的初始、边界条件等。但这些都离不开试验和理论方法的支持，并且数值方法通常无法直接反映同类问题中有普遍指导意义的结

23、论或规律。(3)试验研究方法试验研究方法在空气动力学研究中占有重要地位，如风洞试验法、道路试验法。它使人们能在与所研究问题相同或相近条件下进行观测，提供建立运动规律及理论模型的依据，检验理论或计算结果的准确性、可靠性和适用范围，其作用是不可替代的。但试验方法受限于试验手段、设备和经费等物质条件，甚至有些问题尚无法在实验室中进行研究。总之，理论、数值计算和试验三种方法相互促进，彼此影响，取长补短从而推动汽车空气动力学的不断发展。112汽车空气动力学的发展趋势长期以来，空气动力学成果的应用多局限于航空领域，在该领域内，这门武汉理工大学硕士学位论文学科取得了巨大进展。航空空气动力学积累的经验促进了汽

24、车空气动力学的发展，但汽车空气动力学从理论到应用两个方面都与航空动力学等问题有着本质区别。汽车空气动力学属于低速空气动力学范畴，但汽车与低速飞机等自由飞行体不同，它是在地面上运动的，因此航空低速空气动力学的许多研究思路、方法和结论都不可直接套用。虽然空气动力学是为汽车产品设计服务的，但笔者认为以空气动力学为主导的车身开发准则是汽车造型的发展趋势。汽车空气动力学的发展趋势可以归纳成下列几个方面【4】：(1)气动造型与美学造型完美结合(2)强调车身整体曲面光顺平滑(3)以低阻形体开发的整体气动造型与低车身高度(4)空气动力学附加装置与整体造型协调融合(5)车身表面无附件化(6)充分利用后出风口格栅

25、及发动机排放改善后尾流状况(7)楔形造型基础上的具有最佳弯曲线的贝壳型113汽车造型设计的特点及要求汽车造型设计是汽车设计过程中的一个重要组成部分。它是指汽车总布置和车身总布置基本确定之后进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，它包括外形设计和室内造型设计。汽车造型设计不是那种附属的简单美化工作，而使独特的综合创作。因为汽车不仅是现代化的工业产品，而且是一件精致的艺术品，是科学技术与艺术技巧高度融合的结晶。汽车的造型既包含结构、性能、工艺等科学技术因素，也包含艺术因素和社会因素，需要加以综合分析，权衡各种因素的作用和影响。汽车造型设计的要求即是实现艺术与技术的紧密结合，使美学融于科学技术之中

26、。为此，造型设计应满足下列要求【5】：(1)科学与艺术的结合采用新技术、新工艺、新材料，使汽车具有先进的物质功能，同时使造型设计效果得以更充分、更完美的展现，自觉地把握住造型设计与美学形式在艺术规律上的共性和个性，使开发的汽车产品具有符合时代审美要求的精神功能。6武汉理工大学硕士学位论文(2)良好的空气动力学性能汽车具有良好的空气动力学外形，可以减小空气阻力，这不仅能改善汽车的动力性、提高汽车的燃料经济性，而且也能提高汽车的操纵稳定性，保证行车安全。(3)符合人机工程学造型设计的首要任务是满足乘员生理上和心理上的要求，必须按照人机工程学的原理满足乘坐空间、操作空间、上下车方便性及环保等一系列舒

27、适性方面的要求。(4)创新性创新是造型设计的灵魂。造型设计者要善于从生活中去“捕捉艺术形象，激发灵感，或参照仿生学，通过抽象、概括而创造出新的形态。(5)经济性造型功能设计要根据汽车的使用对象、用途和级别等对汽车的形状和装饰予以权衡，降低材料与能源的消耗，提高工艺性，以降低成本。只有达到物美价廉，才能保证汽车的市场竞争力。114汽车造型设计的制约因素车身造型设计的目的是使汽车能尽量完满地体现它的物质功能和精神功能，充分满足人们在实用和审美两方面的需求。造型款式不仅是评价汽车产品好坏的重要指标，还和汽车性能、质量、价格等方面有密切的相关性。因此车身造型设计决定着生产企业的品牌形象及推向市场的成功

28、。车身造型的确定主要受机械制造水平、人机工程、空气动力特性、材料性能等要素的制约和限制。由于先进制造技术为车身造型提供了广阔的空间，因此现代车身造型设计在很大程度上受汽车空气动力学和造型美学两大因素发展水平的影响。在不断追求气动优化的同时追求个性化、多样化，实现功能技术与形式美的协调统一。此外，现代计算机辅助设计和人工智能技术等的发展，将继续对汽车造型设计方法产生深刻的影响。这样将空气动力学的特点与车身造型相互关照，用空气动力学的知识去指导造型设计。在这同时，注意到车身造型不是一个简单技术工程，要体现车身造型的文化性。造型也是评价车身设计的重要指标之一。目前车身设计的趋势就是在不断追求气动优化

29、的同时追求个性化、多样化、实现技术、性能与造型7武汉理T大学硕士学位论文的协调统一。近年来空气动力学对车身造型的影响越来越重要，同时，人们在实践中又认识到了以下三个问题：(1)注意空气动力学在汽车上的应用，但应该避免同类汽车造型越来越相像的弊病。(2)既要使汽车有很好的空气动力特性，又要使每个车型具有强烈的独特风格。(3)在不改变汽车正面投影面积的前提下，不断降低自重。为了考虑汽车舒适性，正面投影面积不能减小，可是由于气动阻力与汽车正面投影面积成正比，正面投影面积却不能过大，要用正面投影面来限制汽车的外形尺寸。汽车的舒适性需要足够的车内空间，而要得到宽敞的空间就要增加汽车外形的尺寸，尤其是横截

30、面，尺寸的增加势必增加汽车的迎风面积，直接影响汽车的风阻系数。在汽车的速度较低的情况下影响不大，如早期的汽车造型基本上是箱式的，汽车的外型主要根据内部的需要来设计。车速在每小时30kmh以下时，消耗在路面阻力上的功率大于克服风阻所消耗的功率。大于该速度，消耗在风阻上的功率就急剧增加。速度在70kmh左右的速度，克服风阻所消耗的功率就会超过克服路面阻力所消耗的功率。如果速度超过100kmh，绝大部分的功率就消耗在克服风阻上了，可见车身造型对于汽车行驶阻力的影响十分巨大。如果为了减少阻力采纳流线型车身造型，其车身纵截面与飞机机翼的形状相似，高速运动时会产生很大升力，对行驶稳定性产生负面作用。这就产

31、生了两对矛盾，即气动性能与汽车舒适、安全性的矛盾。12本课题研究的现实意义背景和主要内容121本课题研究的现实意义汽车工业在带动其它各行各业的发展中，已日益显示出其作为重要支柱产业的作用。国外已经在汽车空气动力学的研究上投入了大量资金和人力，而我国汽车空气动力学的研究工作仍处于起步阶段。随着生产力不断发展，汽车行驶速度大大提高，国内汽车界也普遍认识到汽车的空气动力性能的重要性。如果仅从空气动力学的角度设计车身外形就会使得其趋于一致化，如奔驰8武汉理1=大学硕士学位论文benz240与奥迪Audil00是由不同的优秀设计师独立完成的，他们在侧视外形上非常相似。正如上节中所述的应该避免同类汽车造型

32、越来越相像的弊病。因此如何在建立赋有个性的造型新颖，具有强烈视觉冲击力，体现时代感并符合人机关系操作习惯的同时，又能满足最小气动阻力和最佳升力的汽车造型设计方法是今后设计师面前的重要课题。由此可见，设计空气动力性能良好的汽车，是提高其动力性和经济性的重要途径，对于高速汽车来说，其空气动力稳定性又是高速、安全行驶的前提。因此如何提高和改善汽车的空气动力学特性具有重要的意义。图13给出了空气动力特性对汽车各种影响的对应关系。图13 空气动力特性对汽车的影响本课题的意义在于从工业设计的实际工作需求，将汽车空气动力学和汽车车身造型设计两方面更好的整合在一起，从而提出基于空气动力学的车身造型方法。这种设

33、计方法有以下四点现实意义【6】：(1)将车身造型设计的空气动力性能指标作为车身设计的出发点，改变了原有的设计流程，提供了更多的车身理想造型。(2)通过计算流体力学CFD的优化其气动阻力和气动升力等动力性指标，提高了燃油的经济性能，以及行使时的安全性能。(3)汽车空气动力学与车身造型设计流程完全结合加快了汽车设计周期，9武汉理t大学硕士学位论文减少了设计成本。(4)基于空气动力学的车身造型设计也是虚拟制造技术在汽车工业设计上的一次具体应用，是汽车辅助空气动力学CAA和计算机汽车辅助造型CAS的一次在汽车工业上的综合应用，对于建立一个智能化的汽车计算机辅助系统ICAS有现实意义。122本课题研究的

34、主要内容本课题的主要研究内容为班下几点：(1)叙述了汽车车身外流场绕流特性。(2)对现有轿车车身进行凡何、物理建模，进行计算域的网格划分，在选定的湍流模型和边界条件的基础上对模型应用FLUENT软件进行三维外流场数值模拟，褥出气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、速度流线图、尾流场的湍流特性图以及尾部横截面上的速度分布图并根据结果分析该车的空气动力学特性。对予车身外流场的数值模拟过程中，其难点在于建立基予空气动力学骑车身几何、物理模型。(3)锌对汽车外流场的特点，选用不阐的边界条件及湍流模型，对结果进行比较，会得出一些比较有益的结论。(4>分析研究现有车身造型设计的空气动力特性，叙述

35、基于空气动力学的车身造型这样一种车身设计方法，以及其两条技术路线。轿车气动造型的两条技术路线：局部优化和整体优化，而本文所述的基于空气动力学的车身造型设计就是要以空气动力学为基础，从一个空气动力特性最佳的理想基本形体开始，并结合车身局部细节设计、空气导流区的形状改进及车身结构设计，逐步修正，达到产品车的车身外形设计的过程。这是一种侧重考虑空气动力特性的车身设计方法。(5>建立简单车身模型，并进行二维模型数值模拟，由此可看出局部优化的实际效果。10武汉理工大学硕士学位论文第2章汽车空气动力学理论概述21汽车空气动力学概述211气动力和力矩汽车行驶时除了受到来自地面的力外，还受到其周围气流的

36、气动力和力矩作用。气流的作用主要是产生升力L和阻力D，当有侧风存在时，汽车的绕流是一个不对称的流场，来流速度匕和汽车对称平面之间有横摆角卢，由于横摆角的存在，在汽车上还作用一个侧向力s。三个气动力的合力在汽车的作用点称为风压中心(Center ofAir Pressure)，记作CP。将汽车空气动力坐标系的原点取为车辆纵向对称面与地面的交线上，前后轴中线的交点处，将气动力的合力在坐标系上分解为三个力和三个力矩，如图2-1所示。三个力和三个力矩的统称为六分力，他们主要由行驶速度、车身外形和横摆角决定17】。图2-1汽车行驶时受到的力和力矩图2-1中各参数的物理意义是：k合成气流相对速度，k=：i

37、习：囊知。武汉理：1=大学硕士学位论文一横摆角，fl=arctg(vsvF)；D一车身纵向气动阻力(x轴方向)；S一车身侧向气动阻力(y轴方向)；卜车身垂直方向气动阻力(z轴方向)；PM一纵倾力矩(绕Y轴)；RM侧倾力矩(绕x轴)；YM一横摆力矩(绕z轴)；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。各系数规定见表21。气动力系数是一个无量纲数，它代表气动力与气流能量之比。其中的p为空气的密度，叱为气流相对汽车的速度，L为汽车的特征长度，a为轴距，A为汽车的迎风投影面积，包括车身、轮胎、发动机及底盘等零部件的前视投影。表21 气动力和力矩及其系数力和力矩 系 数横摆

38、角p=o。时车身纵向作用的气动阻力D阻芝肌昙麦：A垂直方向的气动升力L升力互肌A昙麦：4垂直于车身对称面(x，y)的侧向力S侧向力系数G一三麦：彳绕x轴的侧倾力矩RM懒撅羞绕Y轴的纵倾力矩PM一翕绕Z轴的横摆力矩YM一荔从表中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12武汉理工大学硕士学位论文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。2111气动阻力气动阻力D是与汽车运动方向相反的空气力。由上一节中我们知道

39、1D=去肌2 cD彳，气动阻力D取决于迎风投影面积A和气动阻力系数CD，通常二迎风投影面积取决于汽车的外形尺寸，这是由设计需要(车身布置图)决定的，因此减小气动阻力主要还是通过减小气动阻力系数。汽车气动阻力可看成由三大部分迭加而成，它们分别是摩擦阻力，形状阻力和诱导阻力。类似地，气动阻力系数CD也可表示为摩擦C所、形状气和诱导C压，阻力系数这三个子项之和：cD。+(2·1)摩擦阻力是可以直接归因于边界层粘性作用的那一部分，其大小由粘滞摩擦力的积分l rrlJds给出。一诱导阻力是升力的水平分力，它的计算基于无粘流。形状阻力可以定义为既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力，它主要

40、与边界层流态和脱体尾涡的出现等因素有关。形状阻力和诱导阻力都是由气动正应力所致，它们的和称为压差阻力并由积分I rNDds给出。形阻主要取决于汽车车身前方阻止气流前进的压力与车身尾部的压力差。气动阻力构成中，85为压差阻力，其余15为摩擦阻力。压差阻力的91来自车身后部，9来自车身前端。2112气动升力及纵倾力矩由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生纵倾力矩。由于升力而产生绕Y轴的纵倾力矩。在侧风作用下的高速汽车，车身前部可能有较大的局部升力，汽车进风口武汉理工大学硕十学位论文处的冷却气流会使流过车身的气流发生明显的变化，导致对升力的影响。作用在汽车上的空气，

41、有35-40在车身上部流过，1015在下面流过，25在侧面流过，所以减小车身上下的压力差，使大量气流流经侧面，可以减小升力。使底板下部流线型化，压低发动机罩前端，减缓前风窗倾角，都可以减小前端升力。作用于汽车上的升力将减小轮胎对地面的升力，使轮胎附着力和侧偏刚度降低，影响汽车的操纵稳定性。212车身表面的压力分布图22所示为某国产轿车的车身表面压力分布图。q表示：印箩式中p一车身表面压力，N；风一大气压力，N。车身表面的压力系数用(22)图22车身表面压力分布图车身表面的压力分布与车内、外的污秽，驾驶室的采暖通风，空调系统，发动机冷却效果，风噪声等，都有密切的关系。通常可根据车身表面的压力分布

42、状况确定出与驾驶室通风及发动机冷却相关的气流的进、出口的位置，并推算其通风量，以改善通风和冷却性能，以改善通风和冷却性能。一般宜在前水箱面罩和发动机罩附近开空调气流入口。流线形好的车，后柱、顶盖后端的负压高；流线形差的车，由于气流分离点前移，后风窗的负压也很高。压力系数14武汉理工大学硕士学位论文取决于车身细部形状。下列数据可作为设计气流进、出口位置时的参考：后柱处C。=一1O一03后窗下部C。=一0301顶盖后端C，=一06一O3底板下部C。=一01"-'01车身上下部门的压力差会使泥土上卷，这可通过提高车身上部的压力来防1E。22汽车空气动力学基本理论221理想流体和不可

43、压缩流体流体是液体和气体的统称。流体在剪切力作用下发生连续变形，或者说流体在静止时不能承受任何剪切力，即流体具有流动性。从宏观的角度考虑，流体有流动性、压缩性、粘性、热传导性和液体的表面张力等性质。某种流体在某一具体流动情况下，某上述诸性质中往往只有几项起主要作用。流体就是可以流动的物质，他和自然界的所有物质一样是由分子构成。而由于分子之间的吸引和不规则运动，流体在流动状态下呈现出粘性，实际上所有的流体都具有粘性。但是在很多情况下粘性对流体的影响不大，可以忽略，为了使问题变得简单起见而不考虑流体的粘性，这种假想不具有粘性的流体我们称之为理想流体【8J，例如水和空气绕物体流动时，若速度不太大，温

44、度变化很小时，可以作为理想流体处理。另外，由于流体由分子构成，分子和分子之间有缝隙存在，故他们又是可压缩的。当压强和温度变化时，它们的体积也要发生变化，密度也随之变化。而这种变化势必使问题变得复杂，所以许多情况下，当压强和温度变化不大时，往往忽略其变化，作为不可压缩的流体来处理，不可压缩的流体密度设为常数。例如研究低速汽车的空气动力特性时，气体的压缩性不起主要作用，因而假设空气为不可压缩流体所引起的误差甚小。武汉理工大学硕士学位论文222定常流和非定常流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

45、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。223空气的简化力学模型客观上存在的实际空气流体，物质结构和物理性质非常复杂，如果全面考虑它的所有因素，很难提出力学关系，需要对其简化。首先可将研究气体视为“连续介质，这样在分析气体时就只考虑外力作用下的宏观运动，并且能够运用数学分析的连续函数工具。由于分子之间的吸引和不规则运动，气体在流动状态下呈现出粘性，所有的气体都具有粘性。因此流层之间由于速度差产生了切应力，其大小如下式：f：口坐 (23) f=口 LZ

46、3;j，咖式(23)表明，切应力r与速度梯度孕成正比。比例常数称为动力粘口聍度，是一个由试验决定的常数，它只与流体的类别及温度有关。I-在流体问题中，惯性力总是与粘性力并存的，y=竺，这个比值y称为运动p粘度。对于低速汽车的流体计算模型，我们可以不考虑粘性作用，由于绕流速度及温度变化均不大，我们又可以把空气简化为不可压缩流体。224流体的基本方程式连续性方程、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。16武汉理工大学硕十学位论文2241连续性方程如图23所示，当流体在变截面中流动时，截面12之间的流涕质量不变，即：p,V,

47、42岛K42 CI如果是定常流，则管道的任意(24)式中：岛、岛一1、2截面上的平均密度VII、K一1、2截面上的平均流速4、41、2截面上的截面积Cl一常数若流体是不可压缩的则届=岛=常数，式(2-4)可以表示为：巧42圪4。C2(2·5)式中：C一常数2242伯努里方程2图23流体在变截面管中的流动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+寺pV2=风(2-6)二式中：P一流体静压力17武汉理丁大学硕士学位论文y一流体流动的速度岛一总

48、压若将该方程用到图23所示的两个截面上，可表示为：A+丢pK2：岛+i1，pV22(27)式中P为流体的静压力，i1 p矿2为流体的动压力，方程(26)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Z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。225边界层及其分离现象当立体粘性很小

49、流速很大时，惯性力比粘性力大得多，这是雷诺数橙牲士R白=兰并很大，处理这类问题时往往忽略粘性力而只考虑惯性力，使问题袖任刀得到简化。但当流体以较大的雷诺数流经物体时，在物体的壁面附近产生一个速度变化很快的薄层，并沿壁面的法线方向很快达到来流速度的数量级，在这种情况下，虽然流体的粘性很小，在壁面法向方向上却存在很大的速度梯度，从而表现出很大的粘性剪切力，并和惯性力具有相同的数量级，因此必须同时考虑粘性力和惯性力。在Re>>1的情况下，流体绕物体时，在物体壁面附近，受流体粘性影响显著的薄层，成为边界层。由前述可知，当粘性不可压缩流体过平板时，在边界层的边界上沿X方向的速度vI不发生变化

50、，由伯努里方程可知其压强也不变化。但当粘性流体流经曲面物体时，边界层上沿X方向的速度V要发生变化，故压强也是变化的，边界层也随着变化，这将对边界层内部的流动产生重要的影响。18武汉理J大学硕十学位论文图24边界层分离示意图图2_4所示的是边界层的分离现象，气流经过曲面最高点M之前，流体绕过驻点之后流动速度将逐渐增加，根掘伯努里方程，压强逐渐下降，这一过程是一个降压加速的过程，在M点速度达到、r嘣，而压强降为k，在M点之后，开始减速增压，速度不断降低，压强不断增加，使这一过程为减速增压过程。由于出现这一流动机制，就决定了边界层有发生分离的可能。这一现象，在表面形状很复杂的轿车外围流场中非常常见，

51、形成了轿车空气动力特性的主要特点。23汽车车身外流场特性231汽车外流场绕流特性汽车绕流分为两类：一类是汽车的外部绕流，包括汽车表面所有的气流，如图2-5：另一类是汽车的内部绕流，即通过诸如发动机、排气系统、冷却系统、空调系统以及驾驶室内的气流。本文只涉及到外部绕流方面。(L图2-5汽车车身外流场绕流二一、爰专武汉理工大学硕+学位论文汽车周围的外部绕流特点是：地面附近的一部分空气必须从车身底部和路面之间强制通过，气流的流线在汽车的后面并不终止，而是形成涡流，从而产生阻力：一部分空气从车身发动机盖、天窗、后备箱覆盖件流过，还有一部分从车身的两车身侧面流向车尾。在汽车表面，气流与汽车表面没有相对滑

52、动，当气流在车身尾部发生分离时，边界层便扩展了，这时，气流的粘性起作用。在离开车的某一距离，自由流和地面之间不存在速度差异，所以，对于地面坐标系来说，地面就是具有衡定速度的气流边界，在这个边界上，没有边界层，这是风洞中模拟道路汽车周围气流的重要条件。汽车的形状和雷诺数影响着汽车的粘性流特性。对于汽车，雷诺数是表征汽车周围粘性流特性的无量纲系数，即Ret=型>104(28)l，式中，Ret是车速叱、流体的运动粘度l，和汽车的特征长度，的函数。如果不同的物体有不同的特征长度，、气流速度圪和流体特征y，根据公式(2-8)，物体呈几何相似、具有相同的Ret数，这时称物体周围的气流流场称“动力学相

53、似"。动力学相似是模型风洞试验的基础。232伯努里方程的应用伯努里方程可应用于汽车车身外流场上。如图2-6所示为汽车的二维流场，可以看作是汽车三维流场的简化，也可看成是汽车中心断面处气流的定性图解。图中汽车前端静压和总压相等，达到流场中的压力最大值。汽车周围所有流线都是从自由流开始，静压为儿，流速为圪，根据公式(26)，总压力为风=几+圭p圪2(29)武汉理T大学硕士学位论文图2-6汽车的二维流场图中画出的流线中，共有三个滞点：前端、发动机罩与前风窗的交点以及尾部边缘。应用公式(26)和公式(29)得出' 'P+去py2=风+去p圪2(2-9)Z Z用图示法画出外形图

54、上的压力分布，应用公式(22)得到G2雾斗(争(210)在流场中的滞点处，V=O，由公式(210)导出此处C。=1；在汽车的下表面，压力高于自由流压力，C。>O，在离地间隙小时，甚至要产生抽吸；在发动机罩和风窗之间，压力较高，G>0；驾驶室的上部有很高的负压，C，<O，但因尾部出现一个陡增的压力，显示了真实粘性流与非粘性流之间的差异。图2-6所示的压力分布表明：汽车的下部较上部的压力高很多，形成很大的压差，因而产生了一个向上的升力作用在汽车上。因此，选择合适的冷却与通风的空气进、出口的位置可以提高汽车行驶的稳定性。进气口可以设置在靠2l武汉理：丁=大学硕士学位论文近正高压区。24汽车空气动力学数值理论数值模拟即计算流体力学CFD成为汽车空气动力学设计的一个基本工具。试验研究和理论研究的发展，为流动模型的简化提供了更多的依据和方法。同试验方法相比，数值计算方法具有可预见研究，不受条件限制，信息丰富，成本低，周期短等特剧纠。在车身造型设计初期，数值模拟可以与计算机辅助造型设计交叉进行，对汽车空气动力特性进行预测、分析和优化，为汽车选型和造型提供依据。数值模拟可在较广泛的流动范围内研究汽车空气动力学问题，不受湍流、风速、风向、气温、气压等物理参数的影响以及马赫数、