汽車空氣動(dòng)力學(xué)的一些基本概念

1、汽 車 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 第一部分 汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究行駛的汽車與其周圍空氣之間相互作用及其對(duì)汽車性能影響的科學(xué)。汽車行駛過程與空氣產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力不僅影響汽車的行駛狀態(tài)，同時(shí)影響汽車性能的發(fā)揮，體現(xiàn)在以下眾多方面：通過汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究來改善汽車外形降低汽車氣動(dòng)阻力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果，不僅可以改善汽車的動(dòng)力性，還可以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性；汽車在高速行駛中，來自空氣的反作用力會(huì)對(duì)汽車產(chǎn)生很大的影響，包括因空氣動(dòng)力作用而引起的汽車穩(wěn)定性和操作性問題，而良好的汽車穩(wěn)定性和操作性對(duì)于其保證汽車安全行駛有著重要的意義；通過空氣動(dòng)力學(xué)途徑來

2、改善側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性以及提高制動(dòng)器制動(dòng)效能為汽車高速行駛提供安全保障；在以人為本的今天，改善汽車內(nèi)部通風(fēng)、取暖、除霜和空調(diào)氣流等特性，減少塵土污染和降低氣動(dòng)噪聲，是乘坐舒適性的基本保證。總的歸納，汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括外觀（污染、水、鏡面、雨刷器）、行駛性能（耗油量、排放物、最大車速、加速性能）、冷卻（發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓空氣、廢氣、輔助設(shè)備、機(jī)油、變速箱、制動(dòng)器、冷凝器）、舒適性（通風(fēng)、暖風(fēng)、空調(diào)、風(fēng)噪、轟鳴）、行駛方向穩(wěn)定性（直線行駛穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向自回正能力、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性）、作用于部件的力（車門、艙蓋/箱蓋、覆蓋件、車頂載荷）等。1、車身外觀上，以汽車塵土污染為例。汽車周圍的流場(chǎng)會(huì)卷起路面或者環(huán)境中的塵

3、土，這些塵土可能會(huì)附著在車身上，可能對(duì)能見度、汽車美觀等造成不好的影響，比如兩廂車的后擋風(fēng)玻璃上一般設(shè)有雨刷；在雨雪等惡劣天氣，雨水與泥土的混合會(huì)對(duì)汽車外表造成更加嚴(yán)重的污染。塵土或其他污染物可能附著在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車身底部，影響汽車關(guān)鍵總成或者零部件的性能，甚至產(chǎn)生腐蝕，因此合理地利用空氣流來除塵很有必要。大多數(shù)情況下，汽車頭部存在較大的滯區(qū)，一般會(huì)在這個(gè)位置設(shè)置進(jìn)氣柵，為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管、散熱器等提供空氣，與此同時(shí)汽車前方的塵土、雨水等也會(huì)進(jìn)入格柵，進(jìn)氣歧管通過空氣濾清器來過濾掉塵土，但其它進(jìn)入的空氣將會(huì)附著在發(fā)動(dòng)機(jī)艙其余部件和總成上，當(dāng)塵土積累到一定程度時(shí)，可能會(huì)影響到其散熱等功能；此外車頭前

4、方的車燈也受塵土污染比較嚴(yán)重，可能導(dǎo)致車燈無法提供足夠的光線照明。汽車側(cè)面后視鏡附著的雨水、塵土?xí)苯佑绊憘?cè)后方的視野，可以通過改變汽車后視鏡的外形特征，減小空氣尾流對(duì)側(cè)窗的污染。商用車駕駛室的側(cè)面也容易收到塵土的污染，通常在駕駛室前端與側(cè)面過渡的區(qū)域，設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置，既有利于引導(dǎo)較高流速的氣流在一定程度上帶走泥土污染，又可以減小此處的流動(dòng)分離現(xiàn)象，從而減小氣動(dòng)阻力。 導(dǎo)流裝置2、行駛性能，以耗油量為例。 據(jù)有關(guān)研究，當(dāng)汽車行駛速度超過100km/h時(shí)，80%左右動(dòng)力輸出被空氣阻力所消耗，這充分說明合理的空氣動(dòng)力學(xué)外形對(duì)汽車的節(jié)能有重要意義，當(dāng)采用較低的空氣阻力系數(shù)外形時(shí)，一方面可以使汽車在高速

5、行駛時(shí)大大減少燃料消耗；另一方面較低的空氣阻力系數(shù)還可以使汽車在裝用功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)同樣能達(dá)到令人滿意的效果，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)功率變小后其尺寸也相應(yīng)減小，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)各總成尺寸縮小和整車輕量化，又進(jìn)一步導(dǎo)致懸架、輪胎等部件尺寸縮小，從而大大提高了汽車綜合技術(shù)性能，可見較低的氣動(dòng)阻力系數(shù)帶來的好處是顯而易見的。自汽車工業(yè)誕生以來，車身造型經(jīng)歷了馬車型、箱型、甲殼蟲型、船型、魚型、楔型等， 從汽車出現(xiàn)之初氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd=0.8，到經(jīng)歷數(shù)百年的發(fā)展，汽車空氣阻力系數(shù)已經(jīng)下降到0.3左右，甚至部分超前設(shè)計(jì)的跑車、概念車等的阻力系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.14左右，極大地節(jié)約了燃油消耗，然而人類在追求更加極致的低阻力

6、汽車造型的腳步永不會(huì)止步，未來的汽車車身造型將會(huì)在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新上有更加深刻的表達(dá)。3、冷卻，以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析為例。車身前端的主要部件是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括散熱器、冷卻風(fēng)扇和水泵，冷卻系統(tǒng)用來保證發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)的溫度不超過設(shè)計(jì)的上限溫度，從功能上講，要求冷卻系統(tǒng)造價(jià)低，質(zhì)量輕，能耗小，氣動(dòng)阻力小且可靠，因此充分利用空氣流來帶走發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量對(duì)冷卻系統(tǒng)而言意義很大。汽車在怠速狀態(tài)下和行駛狀態(tài)下的氣流分布有很大不同。怠速狀態(tài)下，外界氣流從散熱格柵各個(gè)角度流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，而在行駛狀態(tài)下，氣流更容易從保險(xiǎn)杠下方流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流一般由發(fā)動(dòng)機(jī)艙下方排出，有時(shí)也由上方排出，如

7、圖所示，冷卻風(fēng)迂回撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件，使發(fā)動(dòng)機(jī)受到力的作用，與地面平行的力成為內(nèi)流阻力的一部分，與地面垂直的力成為升力的一部分，而且冷卻風(fēng)排出以后，與車身周圍的氣流相互干涉，也會(huì)產(chǎn)生阻力，這表明冷卻風(fēng)也會(huì)引起氣動(dòng)阻力的增加，而在冷卻風(fēng)的流出方向上如果風(fēng)向下排出則升力增加，風(fēng)向上排出則升力減小。4、舒適性，以通風(fēng)和風(fēng)噪為例。為了保證乘員的舒適性，車內(nèi)必須保持一定的溫度、濕度以及空氣的新鮮程度。增大車內(nèi)的風(fēng)速，會(huì)讓人感覺到?jīng)鏊?，人?m/s的風(fēng)速下會(huì)感覺到溫度下降1 ,當(dāng)環(huán)境溫度低于皮膚溫度時(shí)，如果增加室內(nèi)的溫度，應(yīng)同時(shí)增加氣流速度，這樣才會(huì)使人有舒適感，但風(fēng)也不宜過大，因?yàn)轱L(fēng)會(huì)使人局部過渡散熱而

8、感到難受，并且對(duì)于頭部、喉部、眼睛等敏感部位不應(yīng)吹風(fēng)，舒適的氣流溫度分布應(yīng)該是頭涼足熱。汽車在行駛過程中由于周圍空氣的流動(dòng)而產(chǎn)生的噪音稱為氣動(dòng)噪聲。當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)，車身與周圍的空氣發(fā)生相互作用，在汽車表面形成一個(gè)邊界層，并且產(chǎn)生強(qiáng)大的分離流、渦流以及湍流，流動(dòng)中的渦流和湍流相互作用，從而在車身表面產(chǎn)生強(qiáng)大的脈動(dòng)壓力場(chǎng)，而汽車表面脈動(dòng)壓力場(chǎng)是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的來源，車外噪聲透過車身外裝附件、開啟門窗、凹凸臺(tái)階、狹縫等傳入車內(nèi)引起人體不適。從空氣動(dòng)力學(xué)角度，控制流動(dòng)是降低氣動(dòng)噪聲的主要思路，比如避免周期性的二維分離流動(dòng)可以在收音機(jī)天線上纏繞螺線，天窗前緣設(shè)計(jì)導(dǎo)流板均可以降低風(fēng)噪；還可以對(duì)三維流動(dòng)分

9、離采取干預(yù)措施，比如在轎車的外后視鏡上采用凹槽、凸緣以影響后視鏡尾流。 后視鏡上的氣流槽5、改善汽車行駛阻力的裝置對(duì)于貨車這樣由于自身結(jié)構(gòu)原因，將不可避免地有不利于改善氣動(dòng)特性機(jī)制，僅靠對(duì)自身的外形的進(jìn)行優(yōu)化已難以解決問題，而在特定部位增加一定的氣動(dòng)附件可獲得滿意結(jié)果。貨車常采用的空氣動(dòng)力附件有導(dǎo)流罩、導(dǎo)流片、間隙密封板、側(cè)裙板和穩(wěn)渦裝置等。導(dǎo)流罩是安裝在貨車駕駛室頂蓋上方的整流裝置，主要是為了改善迎面撞在拖車前圍上的氣流特性以減小阻力。其減阻機(jī)理是，駕駛室與箱體之間存在高度差時(shí)，通過導(dǎo)流罩來控制氣流的分離，在箱體和駕駛室之間形成一個(gè)屏蔽區(qū)，引導(dǎo)氣流平順地流向箱體，而不至于直接沖擊箱體，使得箱

10、體前的正壓區(qū)變成負(fù)壓區(qū)，從而減小貨車氣動(dòng)阻力。 導(dǎo)流罩廂式貨車駕駛室與箱體之間通常有間隙存在，當(dāng)貨車在側(cè)風(fēng)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，會(huì)有氣流橫穿該間隙，使前面迎風(fēng)面積增大，正壓區(qū)增大，后部尾渦區(qū)增大，氣動(dòng)阻力增大因此需要在間隙處增加密封罩，就可以防止這種橫向穿流而起到減阻作用。此外當(dāng)汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境中行駛時(shí)，有部分氣流橫穿底部，沖刷到底部粗糙物和粗糙表面，使得氣動(dòng)特性惡化，為改善這種情況，減小阻力，一般在貨箱底部?jī)蓚?cè)增加側(cè)裙板。 側(cè)裙板總的來說，汽車在行駛過程中，周圍的空氣流場(chǎng)很復(fù)雜，其對(duì)汽車的各個(gè)性能指標(biāo)影響很大，總的歸納如下： 燃料經(jīng)濟(jì)性 氣動(dòng)力 動(dòng)力性能 操縱穩(wěn)定性 換氣性能空氣的流動(dòng) 壓力分布 冷卻

11、性能 風(fēng)噪 刮水器上浮 流速分布 灰塵、泥土上卷 雨水流淌路徑第二部分 氣動(dòng)造型基本技術(shù)路線汽車氣動(dòng)造型的初期，人們的注意力多側(cè)重于氣動(dòng)阻力的研究，隨著車速的提高，特別是人們對(duì)汽車高速氣動(dòng)性能的日益重視，氣動(dòng)造型已經(jīng)不再僅僅局限于降低風(fēng)阻，而是在低風(fēng)阻的前提下，更加強(qiáng)調(diào)氣動(dòng)力作用下的直線行駛穩(wěn)定性、高速操縱穩(wěn)定性和抗側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。目前汽車氣動(dòng)造型的技術(shù)路線主要包括：從基本流線型衍生演變；對(duì)出現(xiàn)擾流的區(qū)域圓角化，完善出現(xiàn)擾流的區(qū)域局部?jī)?yōu)化；整車氣動(dòng)性能優(yōu)化；運(yùn)用仿生學(xué)手段造型等。1、從基本流線型衍生演變?cè)煨蛶熗ㄟ^初期簡(jiǎn)單的線條勾勒，逐步衍生演變，繪制與新創(chuàng)意相符的汽車輪廓，這依賴設(shè)計(jì)師豐富的想象能

12、力和繪圖功底。2、氣動(dòng)造型局部最優(yōu)化該路線以滿足功能、工藝學(xué)、美學(xué)、人體工程學(xué)為前提，初步定出車身基本造型在基本造型的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車車身進(jìn)行局部修飾和增加空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置，如改變圓角半徑、曲面弧度、斜度和增加擾流器等，從而控制甚至阻止氣流發(fā)生分離，以減少氣動(dòng)阻力和提高行駛穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了“造型服務(wù)于性能”的設(shè)計(jì)目的，70年代的VW-Scirocco I和60年代我國(guó)的紅旗CA774均采用這種方法，并取得較好的成效。有工程師指出，要增強(qiáng)一輛車的空氣動(dòng)力性能并減少其風(fēng)阻系數(shù)需要在各個(gè)細(xì)節(jié)上做出改善，甚至每個(gè)細(xì)節(jié)部位僅僅改進(jìn)千分之一，那么其合力也是非?？捎^的。因而工程師們利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不斷地在汽車

13、各個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試，比如行李艙蓋調(diào)高一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩條紋改變一些等等，以求達(dá)到局部最優(yōu)的造型。但是，對(duì)于Cd > 0.45的汽車，該方法能取得明顯的效果，如果要想使汽車的Cd值降到0.4以下，則必須做出相當(dāng)大努力，甚至需要尋找更加高級(jí)的技術(shù)。3、氣動(dòng)造型的整體最優(yōu)化該路線是以某種具有低風(fēng)阻和高氣動(dòng)穩(wěn)定性的“流線型”基體為出發(fā)點(diǎn)，再根據(jù)人體工程學(xué)、制造工藝、美學(xué)、安全法規(guī)以及整車布置等要求逐步走向?qū)嵱没囆?，即體現(xiàn)“性能服務(wù)于造型”的設(shè)計(jì)思想，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，從一開始就確定一個(gè)比較理想且符合總布置要求的低阻型體，在其發(fā)展成實(shí)用化車的過程里都嚴(yán)格保證形體的光順性，使氣流不從汽車表面分離。80年

14、代開發(fā)的奧迪100 C3型轎車就是這一技術(shù)路線的產(chǎn)品。第一步是按照總布置要求制成具有階梯背式造型風(fēng)格，并且具有比較理想的流線體特征，例如具有極其光順的曲面、圓滑的車頭、大弧度風(fēng)窗等，其氣動(dòng)阻力Cd值為0.18；第二步是將基本形體轉(zhuǎn)變?yōu)榛酒囃庑?，所有與空氣動(dòng)力學(xué)的細(xì)部，如車底部件、冷卻系統(tǒng)氣流、保險(xiǎn)杠、連接點(diǎn)和細(xì)縫等，都要進(jìn)行細(xì)部最佳化處理，當(dāng)然阻力系數(shù)也增加到0.24,；第三步是將基本汽車外形精制成式樣模型，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師參與大量細(xì)節(jié)工作，使模型車基本接近產(chǎn)品車，Cd值也進(jìn)一步增加到0.29；第四步將基本模型試制成產(chǎn)品車，Cd值比式樣模型略高點(diǎn)，為0.3，這在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)不錯(cuò)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

15、效果，引起了世界汽車界的轟動(dòng)。4、運(yùn)用仿生學(xué)手段造型設(shè)計(jì)師從自然界的生物體態(tài)上尋找靈感，將其注入汽車造型的思路當(dāng)中，往往能獲取出乎意料的設(shè)計(jì)效果。從最開始1933年德國(guó)的波爾舍博士設(shè)計(jì)了一種類似甲殼蟲外形的汽車造型時(shí)，最大限度地發(fā)揮了甲殼蟲外形的長(zhǎng)處，并且成功推向市場(chǎng)受到好評(píng)（盡管后來在空氣動(dòng)力學(xué)層面上證明甲殼蟲造型的空氣阻力系數(shù)并不?。?。此后船型、魚型、楔型等汽車造型都是設(shè)計(jì)者們從自然界事物里找尋靈感，突破傳統(tǒng)思維，創(chuàng)造經(jīng)典?，F(xiàn)代汽車造型，尤其是跑車、概念車等超前衛(wèi)的汽車作品更加如此。比如寶馬前大燈的仿鷹眼的造型，堪稱經(jīng)典中的經(jīng)典。鷹的眼神給人以犀利、專注和炯炯有神的感覺，寶馬取材于鷹眼的大

16、燈設(shè)計(jì)，傳達(dá)和凸顯寶馬品牌的精髓：豪華、勇猛、凜然不可侵犯的王者之氣，無疑會(huì)為整個(gè)車身增添更多的運(yùn)動(dòng)和力量感，一個(gè)眼神，就征服了一切！再比如瑪莎拉蒂的前臉設(shè)計(jì)，仿真鯰魚的大嘴流線型外形，獨(dú)特的進(jìn)氣格柵顯示出與眾不同，扁而長(zhǎng)的前臉給人精致而小巧的感覺，豪華貴族的氣息躍然而出，讓人愛不釋手，同時(shí)扁小修長(zhǎng)的車身曲線帶給人無限的動(dòng)感。再如豐田雷凌同樣也是仿鷹眼的造型，但與寶馬犀利感覺不同的是，雷凌盡顯白頭鷹的強(qiáng)悍之風(fēng)，其前臉大燈設(shè)計(jì)棱角分明，靜中有動(dòng)，緊盯獵物，不怒自威，展示出超強(qiáng)的氣質(zhì)與型動(dòng)美學(xué)，極具辨識(shí)度，令人印象深刻。第三部分 小結(jié)汽車產(chǎn)品的美學(xué)特征一是由以其內(nèi)在的理性形式所呈現(xiàn)的技術(shù)美或科技美，技術(shù)美包括性能美、結(jié)構(gòu)美、工藝美、材質(zhì)美、尺度美、舒適美等；二是產(chǎn)品以其外在的感性形式所呈現(xiàn)的形式美或藝術(shù)美，因?yàn)槠囎鳛橐环N滿足人們物質(zhì)和精神上的需求產(chǎn)品，其造型必須遵循形式美學(xué)法則的普遍形式，形式美包括：形態(tài)美、比例美、色彩美、和諧美等。汽車空氣動(dòng)力學(xué)在某上意義上來說，不僅僅是一門簡(jiǎn)單的流體計(jì)算力學(xué)，更多的還有美學(xué)藝術(shù)等層面的考究。汽車作為一種大眾消費(fèi)品，它除了在技術(shù)層面上要滿足有低阻力、穩(wěn)定性等看不見的性能外，對(duì)于消費(fèi)者來說，看得見的更多的是車身外在造型、顏色、