汽车动力学之空气动力学

1、汽车空气动力学,重 庆 大 学 汽 车 系,汽车动力学,前 言,汽车空气动力学,汽车受到的外力 路面作用力：驱动力，路面阻力 空气动力,重力,路面作用力,路面作用力,空气动力,对动力性的影响 影响高速时的加速性能; 影响最高车速。 对燃油经济性的影响 例：对于CdA=0.8m2的轿车， v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力； v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力。 轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差达30%，燃油消耗相差达12%以上。 对安全性的影响 高速时的加速性能影响行车的安全； 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性； 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。 对汽车外形演变的

2、影响 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形； 空气动力学影响着人们的审美观。,前 言,空气动力学对汽车性能的影响,汽车空气动力学研究内容 研究汽车运动时，空气对汽车的作用。 包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。,前 言,1.空气动力学基础知识,1.1 连续性方程和伯努利方程 连续性方程 对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即 1V1A1= 2V2A2 = =常数 对于不可压缩流体（1= 2 = =常数），有 V1A1= V2A2 = =常数 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。 汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不

3、变。,汽车空气动力学,伯努利方程(Bernoullis Law) 对于不可压缩流体，有： mgz+mp/+mV2/2=常数 流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。 气体的重力很小，若忽略气体的重力势能，则 p/+V2/2=常数 或 p+V2/2=常数 静压力与“动压力”之和为一常数。 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。 流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。,1.空气动力学基础知识节,文丘里效应(Venture Effect)： 流体经过狭窄通道时压力减小的现象。,吹纸条:,热水淋浴器:,球浮气流：,发动机化油器喉管,1.空气动力学基础知识节,1.2 空气的粘滞性和气流

4、分离现象,达朗贝尔悖论(dAlemberts Paradox) 对于上下对称，左右对称的物体，在气流中所受流体作用的合力应为零。 这显然不符合客观现实情况。,第一章 空气动力学基础知识,在无粘性气流中，所受合力为零。,在粘性气流中，所受合力不为零。,附面层(Boundary Layer),由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。 附面层随流程的增加而增厚。 附面层的流态由层流转捩为紊流。,1.空气动力学基础知识节,顺压梯度和逆压梯度,顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速，压力） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速，压力） 轿车的横截面积分布和气

5、流压力梯度,1.空气动力学基础知识节,气流分离现象(Flow Separation),当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。 在物面法向速度梯度为零( =0 )时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。,1.空气动力学基础知识节,尾流区 在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。 尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。,压差阻力(Pressure Drag ) 在物

6、体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 影响气流分离的因素 压力梯度 只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 流态 紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。 影响流态的因素：雷诺数；物体表面状态。,1.空气动力学基础知识节,减小压差阻力的措施 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。 增大紊流度 增大物面的粗糙度。 分离是产生在附面层 流体没有粘度，就没有附面层。 没有附面层，就不会产生

7、气流分离现象。 汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李舱前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”( bubble)）。,1.空气动力学基础知识节,1.3 压力系数,定义 常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。 压力系数定义： ； 可整理为：,。处，是驻点。 表示方法 矢量法 坐标法,1.空气动力学基础知识节,2.汽车空气动力与空气动力矩,空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为： 空气阻力(Drag)、空气升力(Lift)、空气侧向力(Side Force)。 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(Rollin

8、g Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横摆力矩(Yow Moment) MZ。 空气动力的表达式 空气阻力与气流速度的平方V2、汽车迎风面积、空气密度成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式： 式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与 车速有关。 空气升力、空气侧向力表示为,汽车空气动力学,2. 汽车空气动力与空气动力矩,空气动力矩的表达式 俯仰力矩 令 则 一般取汽车的轴距作为特征长度l 。 类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为,3.空气阻力,3.1 空气阻力的分类 形状阻力(Form Drag)

9、干扰阻力(Interference Drag) 内部阻力(Internal Flow Drag) 诱导阻力(Induced Drag) 摩擦阻力(Skin Friction) 前四种为压力阻力。,汽车空气动力学,CD总值：0.45 A形状阻力(CD=0.262)； B干扰阻力(CD=0.064)； C内部阻力(CD=0.053)； D诱导阻力(CD=0.031)； E摩擦阻力(CD=0.040)。,3.空气阻力,3.2 形状阻力,形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。 前风窗对空气阻力的影响 前风窗对气流的影响 减小前风窗处空气阻力的措施 增大风窗与发动机罩间的夹角； 风窗横向弯曲

10、。,车身后背对空气阻力的影响,几种典型的车身后背型式 直背式(Fast back)：后背倾角20； 舱背式(Hatch back)：后背倾角2050； 方背式(Square back)：后背倾角50； 折背式(Notch back)。,3.空气阻力,后背倾角与空气阻力 后背倾角越大，气流的逆压梯度越大。 分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小； 分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。 有一空气阻力最小的最佳后背倾角。 后背长度越大，空气阻力越小。,3.空气阻力,车身后背形状与空气阻力 截尾式 两厢式与三厢式 行李箱高度,3.空气阻力,3.3 诱导阻力(Induced Drag),在侧面

11、由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。 洗流不易分离。,3.空气阻力,气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大； 后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。 气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。 分离点前移，气流在后背的流程减小。 后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。 诱导阻力：随后背倾角增大，诱导阻力增大；随分离点前移，增大速度减缓，进而减小，直至至消失； 形状阻力：随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大；分离点前移至后背顶端时，不再增大。,3.空气阻力,车身后背上减小诱导阻力的措施,选择

12、适当的后背倾角 后背后缘处为尖锐棱角 形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。 设扰流器 减小诱导阻力，同时减小空气升力。,3.空气阻力,3.4 干扰阻力,干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。 车外小物件产生的干扰阻力 气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。,3.空气阻力,车身表面凸起物对气流影响,凸起物可能引起气流分离。 凸起物使附面层加厚，气流容易分离。,3.空气阻力,车身表面凹槽产生的干扰阻力,门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。 凹槽的方向有垂直于和

13、平行于气流方向两种典型状况。,3.空气阻力,车轮旋转对气流的影响,马格纳斯效应(Magnus Effect)：在流体中运动的物体由于自身旋转而改变运动方向的现象。 路面上滚动的车轮受到一升力作用。 车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。,3.空气阻力,轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。 在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。 轮胎宽度有一空气阻力最小的值。,3.空气阻力,3.5 内部阻力,流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。,内部气流 发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。

14、通风气流：流量约为冷却气流的1/10左右。 制动器冷却气流,理想的发动机空气冷却系统 气流通道为密封的直管道； 散热器面积大，进入的气流速度低； 全部气流都流经散热器； 通道面积变化缓和，无涡流产生； 流经散热器的气流为紊流； 可根据散热要求调节气流流量。,3.空气阻力,4.空气升力,4.1 空气升力 翼型的迎角越大，空气升力越大。 汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。 不同外形的汽车，其“迎角”不同，空气升力系数也不同。,汽车空气动力学,4.2 地面效应,地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。 当距离h 较大时，随h 减小，气流加速，压力减小； 当距离h 较小时 ，附面层的

15、影响随h 减小而突出。随h 减小，气流减速，压力增大。,4. 空气升力,地效飞行器,天鹅号地效飞行器,信天翁4型地效飞行器,苏联KM地效飞行器,4. 空气升力,4.3 汽车外形与空气升力,汽车前端高度 汽车前端高度影响流入底部的气流量。 进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小； 另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。,4. 空气升力,底部的前后遮挡的影响,底部气流的侧向流动 减小了底部压力； 加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。,4. 空气升力,后背倾角对空气升力的影响 前风窗下部分离区对空气升力的影响 行李厢上的分离区对空气升力的影响,4. 空气升力,5.侧向气流和空气

16、动力稳定性,5.1 侧向气流对空气动力特性系数的影响 气流侧偏角与空气动力特性系数 各种汽车的空气动力特性 系数随侧偏角的变化而变化的 规律是不同的。多数汽车的空 气动力特性系数是随气流侧偏 角的增加而增大。,汽车空气动力学,侧偏角,5.2 汽车空气动力稳定性,汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。,5.侧向气流和空气动力稳定性,气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。,气压中心在质心之前：,气压中心在质心之后：,车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力稳定性越好。,5.侧向气流和空气动力稳定性,6.汽车空气动力学装置,6.1 前阻风板（Air

17、 Dam) 阻风板的作用： 减少进入底部的空气量。 阻风板后形成局部高压区。 前阻风板的优化 不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。,汽车空气动力学,阻风板示例,6.汽车空气动力学装置,6.2 后扰流器（Spoiler） 后扰流器的作用 在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力； 使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力； 使分离提前，可增大形状阻力； 有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。 后扰流器的优化 在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。 不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最佳值。,6.汽车空气动力学装置,后扰流器形式,6.汽车空气动力学装置,6.汽车空气

18、动力学装置,6.汽车空气动力学装置,6.3 导流罩（Air Deflector/Air Shield ） 导流罩的作用 避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。,6.汽车空气动力学装置,货车的后导流罩,6.汽车空气动力学装置,6.4 底板（Body Pan） 底板的作用 使汽车底面平整光滑，以减小空气阻力和空气升力。 降低车外噪声。,6.汽车空气动力学装置,6.5 裙边（Side Fairing) 裙边的作用 使前后轮之间的车身侧面下部平整，减少车轮与气流的相互作用，以降低空气阻力。 阻碍底部气流从侧面流出。减小侧面涡流强度；可能增大底部压力。,6.汽车空气动力学装置,货车的裙边

19、,6.汽车空气动力学装置,6.6 垂直尾翼 垂直尾翼的作用 使气压中心后移，改善空气动力稳定性。 增大空气侧向力。,6.汽车空气动力学装置,6.7 车轮整流罩(Wheel Cover) 车轮整流罩的作用 减小车轮转动引起的干扰阻力； 减小翼子板开口引起的干扰阻力。,6.汽车空气动力学装置,6.8 车轮导流板 车轮导流板的作用 减小车轮引起的空气阻力。,6.汽车空气动力学装置,6.9 负升力翼（Negative-lift Wing） 负升力翼的作用 产生向下的空气升力，提高附着力。 例：总质量750kg，附着系数1.4，转弯半径200m， 无负升力装置，最大车速190km/h，向心加速度1.4g

20、； 负升力为车重的36%，最大车速222km/h ，向心加速度1.94g； 负升力为车重的106%，最大车速270km/h ，向心加速度2.88g。,6.汽车空气动力学装置,6.汽车空气动力学装置,6.10 轮辐盖（Hub Cap） 轮辐盖的作用 防止气流进入车轮，减小轮辐对气流的干扰,从而减小干扰阻力。 制动器散热效果差。,6.汽车空气动力学装置,6.11 轮毂罩（Rim Shield） 轮毂罩的作用 引导制动器冷却气流，减小空气阻力，产生负升力。,6.汽车空气动力学装置,涡流发生器的作用 产生涡流，使气流中的能量传递到附面层内，推迟气流分离的产生，减小空气阻力。,第五章 汽车空气动力学装置

21、,Mitsubishi LANCER EVOLUTION,6.12 涡流发生器 (Vortex Generator),汽车的楔形造型趋势,楔形 前低后高，后端垂直截断。 楔形造型的空气动力学特点 前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小； 发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小； 后端上缘的尖棱，使诱导阻力较小； 前低后高，“翼形”迎角小，使空气升力小； 侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。,汽车空气动力学,车身形体的演变,6.1 汽车风洞 风洞是产生人工气流的装置。 风洞类型 按尺寸大小分为： 整车风洞、模型风洞； 按气流是否循环分为： 直流式风洞(开式风

22、洞)、回流式风洞(闭式风洞)。 按气流速度分为： 低速风洞、高速风洞(亚音速、跨音速、超音速、高超音速)。,6.汽车风洞试验,汽车空气动力学,风洞结构 稳定段 由蜂窝器、阻尼网构成。其作用是衰减涡流，提高气流品质。 收缩段 是一截面积逐渐缩小的通道。其作用是使气流加速。 试验段 是试件、测试装置安放区。有开式试验段和闭式试验段两种类型。 扩散段 是一截面积逐渐扩大的通道。其作用是使气流减速，以减小流动的能耗。 风扇及整流装置 风扇使空气流动。整流装置将旋转气流导直。 对于回流式风洞，还有冷却装置、换气装置、拐角导直片等。,6.汽车风洞试验,风洞的应用,6.汽车风洞试验,6.2 汽车风洞试验,空气动力及空气动力矩试验 测量汽车受到的空气动力及空气动力矩，得到动力系数及动力矩系数。 压力分布试验 测定汽车表面压力分布，得到表面的压力系数。 流动显示试验 观察气流流动状态，显示汽车周围气流流谱。 烟流法 飘带法 油膜法 升华法,6.汽车风洞试验,烟流法 层流附面层，烟流的轮廓清晰； 层流转捩为紊流时