汽車空氣動(dòng)力學(xué)課件

1、席鄉(xiāng)空老動(dòng)力學(xué)the vehicle aerodynamics2009.03.301空龜動(dòng)力學(xué)基乙出1.1宅動(dòng)力和力矩1.2空宅動(dòng)力學(xué)基本理論 1.3車身表面的壓力分布1.4車身整體優(yōu)化色型概況出11老動(dòng)力知力鉅汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究空氣流經(jīng)汽車時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及 其與汽車相互作用的一門科學(xué)。氣動(dòng)力由車輛行駛速度、車身外形和風(fēng)向角決定。作 用于運(yùn)動(dòng)汽車上的氣動(dòng)力和力矩，分為相互垂直的三 個(gè)分力和三個(gè)繞軸的力矩?？諝庾枇χ钙囍本€行駛時(shí)氣動(dòng)力作用在行駛方向上 的分力。分為壓力阻力（形狀、干擾、內(nèi)循環(huán)、誘導(dǎo) 阻力）和摩擦阻力兩部分?？諝庾枇ο禂?shù)：fd/aCd = 5Pa U721-1乞動(dòng)力和力鉅近地面流

2、線形車身毛動(dòng)六分力合成氣流相對(duì)速度,v=(V/4-V；Vx 一一縱向氣流相對(duì)速度；vy一一側(cè)向氣流相對(duì)速度(側(cè)風(fēng)速度)：0 橫擺角,P =arctg(vy/Vx);F.車身縱向氣動(dòng)阻力A車身止投影面積或最大橫截面積;F,一一車可側(cè)向氣動(dòng)阻力；Fz 一一車身垂直方向氣動(dòng)阻力;M,一一側(cè)傾力矩；1占一一縱傾力矩：圖1.1 SAE空氣動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)糸Wz橫擺力矩； a 軸距:M 1.2空乞動(dòng)力學(xué)墓本理探1.2.1理想流體和不可壓縮流體理想流體：假想的不具有粘性的流體，當(dāng)空毛繞楊體流 動(dòng)時(shí)，若速度不太大，溫度變化很小時(shí)，可戲理為理 想流體；不可壓縮流體：壓強(qiáng)和溫度變化不丸時(shí)可處理為不可壓 縮流體；不可壓縮

3、的流體密度設(shè)為帝數(shù)。M 1.2空乞動(dòng)力學(xué)墓本理探1.2.2定常流流體力學(xué)中把充滿流動(dòng)流體的空間叫做流場(chǎng)，若 流場(chǎng)中任何一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)均不隨時(shí)間變化，則這種 流動(dòng)稱為定帝流，否則為非定帝流。在定常流的流場(chǎng)中，流動(dòng)參數(shù)只是空間坐標(biāo)的因 數(shù)，和肘間無關(guān)。例如在風(fēng)洞中進(jìn)行的毛動(dòng)力試驗(yàn)，就是一個(gè)定常 流的流場(chǎng)。由于定帝流參數(shù)與時(shí)問無關(guān)，所以在流動(dòng) 的數(shù)值模擬和試驗(yàn)中一般將有關(guān)的問題簡化為定帝流 來處理。弘12空老動(dòng)力學(xué)基本理総1.2.3流體的基本方程連續(xù)性方程：式中:P、Q1、2截面上的平均密度%.嶺一X 2截面上的平均流速 4、Aj1、2截面上的截面積 q-常數(shù)出12空乞動(dòng)力學(xué)皋本理総爸務(wù)利方程：宀

4、Po式中：P流體靜壓力卩一流體流動(dòng)的速度p0 一總壓出12空老動(dòng)力學(xué)基本理総1-2.4邊界層及其分雷現(xiàn)象番諾數(shù)=慣性力/粘性力當(dāng)番諾數(shù)極低（Re1）,慣性力影響可以忽略，粘性力支紀(jì)整個(gè)流場(chǎng)，此肘阻力糸數(shù)值較大； 當(dāng)在中等雷諾數(shù)肘（103Re5x10），在流動(dòng)分富之前的邊界層, 流動(dòng)己經(jīng)轉(zhuǎn)化成湍流； 當(dāng)番諾數(shù)很大肘血祁），阻力糸數(shù)則是個(gè)txA. Morelli教授為首的課 題組在滓入研克的基礎(chǔ)上首先 獲得一個(gè)比例為1:2的基本形 體，如圖1.8所示，其為阻力 糸 夕卜浚侈數(shù)僵儀擬改雯基礎(chǔ)模型車頭外形，并對(duì)其外流場(chǎng) I ”I Orra I小呻 1444*!*Inx g 利tMi-a3 VO1 t1

5、 U.I11 U.HKXHt 5Jw4O圖2.4車頭上緣使用大圓弧過渡的車身模型外流場(chǎng)速度分布圖（20134個(gè)節(jié)點(diǎn)）Cd =03050II MenW3XUa.OB。么5 0S*-0 0OXO!5A、5 5*H &工”oi M02I gnzi aat*oi o 心 ”80Q0g圖2.5使用鈍圓弧進(jìn)氣而外形的車身模型外流場(chǎng)速度分布圖*2.4鄉(xiāng)坯夕卜彩的鄉(xiāng)身夕卜流侈數(shù)俺權(quán)擬Cd=O0葉1 5X t*X.gY 皿“MSHZ veu-iSU-14恢X0X圖25抬高車頭底部前緣的車身模型外流場(chǎng)氣流速度分布圖圖2.6車頭上緣凸頭模型CD =0.287圖27擋風(fēng)玻璃和車頂交界而使用大過渡弧度的車身模型的外流場(chǎng)

6、速度分布圖血24鄉(xiāng)先夕卜彩的鄉(xiāng)身夕卜燧侈數(shù)俺儀擬結(jié)論：使用良好的孤度曲面可以吟低車頭的逆風(fēng)阻力、減少壓差阻力,改善汽車表面的毛流流動(dòng),減少摩擦阻力。試唸結(jié)果JI突出了丸孤過度對(duì)流場(chǎng)的改善作用。所以車頭使用單一曲面應(yīng)可以減少因表面 突變帶來的宅流阻滯，使宅流流動(dòng)JL為順暢3湖囪大學(xué)3.1菱形新概念車宅動(dòng)特性 3.2車輛橫擺角與阻力糸教關(guān)糸 3.3車輛外流場(chǎng)教值仿真研克出31菱軫紙騷念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕為了提高乘用車輛行駛的安全性、乘 坐舒迨性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱方便性、外 形美觀性，湖南丸學(xué)鐘志華教授等2004年 提出了一種類菱形車，該車輪糸按照菱形 布置，前后各一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，車中部為兩個(gè) 從動(dòng)輪這種結(jié)構(gòu)。

7、出31菱軫紙輙念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕2005年湖南大學(xué)車輛工程專業(yè)吳軍博士淪 丈汽車外流場(chǎng)湍流模型與菱形新概念車宅動(dòng) 特性的研兗內(nèi)家為：看次對(duì)菱形新概念車車體通過建立低雷諾 數(shù)非線性渦粘性湍流模型(全應(yīng)力輸運(yùn)湍流模 型 WST (whole stress transport turbulence model；)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過深入分析新概 念車車身的低阻宅動(dòng)特性及其與典型汽車之間 的差異，運(yùn)用了多種分析方法來揭示新概念車 擁有低阻性能的原因。3.1菱砂新樓含鄉(xiāng)老動(dòng)赭傕3.1.1庵洞試驗(yàn)圖3.1概念車模型風(fēng)洞 試驗(yàn)圖3.2典型車輛模型 風(fēng)洞試驗(yàn)出3.1菱軫紙騷念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕側(cè)滑角（度060-0450 40

8、035030 025函0知015D100050D0OD5-010-0 50-0*3-0 40-034-0 30-oia-020-0 10-010-0如0 00 -ooa-010-0 Ifl- 力系敎Cd升力系戴Cl 一一（R仰力矩系校CmbI10I10一一阻力系敖一 一升力喲_一 3W 力拒 5 _._朗城融 俯仰方矩融側(cè)滑角（度）圖3.3典型汽車（左）與新概念汽車（右）氣動(dòng)力力矩和來流速度、側(cè)偏角的關(guān)系出31菱軫紙騷念f乞動(dòng)赭傕咲只田0246 B 1012 14 1B 18 2022242826 30 32測(cè)點(diǎn)圖3.4典型汽車（左）和新概念汽車（右）壓力系數(shù)與不同側(cè)偏角的關(guān)系圖3.5后擾流板

9、對(duì)壓力系數(shù)的影響出31菱夠新檜念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕新概念車后擾流板 的作用在于或壞了在車 后部即將形成的強(qiáng)大的 尾渦，玫使高速毛流彼 滯緩，使汽車的尾流結(jié) 構(gòu)由大的炎渦變成了由 一些不規(guī)則的小漩渦構(gòu) 成的湍流，強(qiáng)丸的尾渦 減弱了，湍流損夾也隨 之減少，從而降低了壓 差阻力。生31菱夠新檜念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕3.1.2數(shù)值模擬新概念車模型外流 場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格單 元總數(shù)為230萬個(gè)體積 單元，典型汽車模型外 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格 單元總數(shù)為260萬個(gè)體圖3.6網(wǎng)格劃分兀J O出31菱軫紙輙念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕新概念汽車與典型汽車阻力糸數(shù)對(duì)比表3.1新概念汽車數(shù)值模擬阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比（V = 30m/s beta=

10、O 無擾流板系數(shù)計(jì)算值0.2710.345試驗(yàn)值0.2780.360相對(duì)誤差2.52%4.17%表3.2典型汽車數(shù)值模擬阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比（V = 30m/s beta=0 無擾流板）系數(shù)計(jì)算值試驗(yàn)值相對(duì)誤差阻力系數(shù)Cd0,30303122.88%升力系數(shù)G0.4170.43544%出3.1菱移新級(jí)念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比結(jié)果1.0O.B060 40200-0 2-04-D6-0 8-10-1.20246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 I I ” I ” I Ir 1 r I I Ir ir Ir t024 B 010 12 14 16

11、18 20 22 24 26 28 30M點(diǎn)圖3.7表而壓力分布計(jì)算值和仿真值結(jié)果對(duì)比3.1菱衫新樓含鄉(xiāng)老動(dòng)赭傕3.1.3外流場(chǎng)性能數(shù)值仿真 前部和尾部流態(tài)仿真左圖圖3.8車輛后部速度對(duì)稱面流線形態(tài)右圖圖3.9車輛 前部速度對(duì)稱而 流線形態(tài)出31菱軫紙騷念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕結(jié)果分析：根據(jù)車身尾部縱對(duì)稱面上的毛流流態(tài)分析，新概 念車由于沒有朗顯的湍流現(xiàn)象，能夠逹免尾部的泥土 上揚(yáng)現(xiàn)象；而在典型車尾部縱對(duì)稱面上有朗顯的兩股湍流， 尤其是由車身底部上溯的湍流，它將導(dǎo)玫汽車行駛過 后卷起地面灰塵和積水，分布到車尾整個(gè)滯區(qū)，并部 分附著到車身后部。出31菱軫紙輙念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕3.1.4汽車模型尾部不同距靂橫向截面

12、上的速度矢量圖3.10汽車尾部不同橫截而取值示意圖章截而速度笑蚤孑瘙圖章截而速度笑蚤孑瘙圖圖3.14截而4圖3.15截而5圖3.16截而6章截而速度笑蚤孑瘙圖圖3.17第7、8、9、10截面出31菱軫紙騷念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕新概念車尾部僅有一對(duì)渦炎，其原因是由于新概念車優(yōu)良的毛動(dòng)遵型，弱化了汽車側(cè)面與車頂部來流匯聚成炎渦的能力，同時(shí)尾部中間的車 輪對(duì)*底部毛流上行也起到了阻礙作用；直到側(cè)面來流與車身底部來流交匯之后形成一對(duì)炎渦， 而此時(shí)其湍動(dòng)能己經(jīng)減少許多，農(nóng)觀上減小了渦 流攜帶的能量。出31菱軫紙輙念鄉(xiāng)乞動(dòng)赭傕3.1.5汽車模型尾部不同距離橫向截面上的湍動(dòng)能 汽車尾部不同伐置橫截面的速度矢量只能說朗渦 炎在橫向的強(qiáng)度、分布和方向，而渦炎賣際上是全方 的 圖3.18第一截而湍流動(dòng)能謠烷動(dòng)能分布由以上湍動(dòng)能分布圖可以看到典型車和新概念 車尾部不同住置的湍動(dòng)能強(qiáng)度的分布。在同樣的住置處典型車相對(duì)于新概念車有Jt A 的湍動(dòng)能分布，其楊理意義也就是在典型車尾部損 失了燙多的湍流能量，所以新概念車相對(duì)典型車的 阻力較小，這在兩種車型的阻力糸數(shù)上得到了朗顯 的體現(xiàn)。新統(tǒng)含孑凰侖筱J鳳阻務(wù)紘車身前部由于毛流阻滯產(chǎn)生壓向車身后部的合力，而車身后 部由于宅流速度吟低而使壓力回升，產(chǎn)生