第四章小轎車的氣動造型

1、第四章第四章 小轎車的氣動造型小轎車的氣動造型轎車的空氣動力學(xué)問題41 小轎車周圍的流場和壓強分布 引起壓強變化的因素a、 形狀變化 引起各部位的流速變化 壓強變化 速度增大 壓強減小b、 邊界層問題 分離旋渦c、 各部位的氣流相互干擾誘發(fā)旋渦 由于上述因素的影響汽車表面出現(xiàn)較為復(fù)雜的流場和壓強 場如圖41 圖42 一、上表面氣流1、 頭部氣流滯止區(qū) 速度減小 壓強增大 正壓區(qū) 該區(qū)域的大小直接影響壓差阻力。2、 發(fā)動機罩前上緣的負壓區(qū) 來不及折轉(zhuǎn)而分離 壓力保持分離區(qū)邊界的壓力，速度增大 壓強降低。3、 風擋處的氣流分離區(qū) 由于風擋玻璃的阻礙作用，沿流動方向壓強增大速度降低，出現(xiàn)附面層分離的

2、條件。 形成較大的氣流分離區(qū)，是一正壓區(qū)。該區(qū)域中間大兩邊小。該區(qū)域的大小與風擋玻璃的傾斜角度和橫向曲率有關(guān)。 4、 客艙頂部的負壓區(qū) 前緣速度增大壓強降低，均呈現(xiàn)負壓。5、 后體上部 后體的形狀不同，流動機制不同。三種后體的流動機制，如圖427。 二、 汽車底部的氣流1、 汽車底部的氣流如圖43所示2、 汽車附面層 條件底部光滑，觀察者隨同汽車一同運動，則氣流相對汽車運動產(chǎn)生附面層，厚度 混合距離3、 次生地面邊界層 之后汽車底部的空氣被誘導(dǎo)著一起運動，而在近地面處產(chǎn)生和地面的相對速度產(chǎn)生邊界層 。4、次生地面邊界層前的渦流區(qū) 由于地面的影響輪胎的轉(zhuǎn)動在 之前產(chǎn)生一個旋渦區(qū)。 wdmdmgd

3、m5、 流動特點 后部的渦流區(qū)對汽車的阻力和升力有較大的影響，當該區(qū)域增大時，壅塞作用增強, 并且向兩側(cè)的分流量增大，誘導(dǎo)旋渦增強。 故汽車底部的氣流對阻力和升力、穩(wěn)定性有較大的影響。 VpXY三、汽車周圍的渦系 1、 渦系的產(chǎn)生1） 以階梯背為例分析 風擋玻璃前的渦流區(qū)中間大兩邊小；由于風擋玻璃有一定的橫向曲率，便于分離區(qū)的氣流向兩側(cè)分流，加之A柱的影響旋渦增強，由側(cè)面上部向后延伸。見圖415。2） 分流到側(cè)面的氣流，由于側(cè)面平整，速度增大壓強降低，而底部氣流速度降低壓強升高，故由底部上卷，上卷氣流和側(cè)面氣流會合，產(chǎn)生螺旋流，向后延伸。以上兩個螺旋流在尾流會合，如圖442、 對氣動力的影響1

4、） 升力 誘導(dǎo)阻力 如第二章所述 -旋渦強度。 CbUAVY2UbAV 旋渦邊界上的切向速度；汽車寬度；汽車的迎風面積；汽車行駛速度。 XJiJXJiJ42 小轎車氣動阻力的構(gòu)成 將汽車表面上的壓強場和切應(yīng)力場在汽車表面積分并在汽車運動方向上投影，就可以得到氣流作用在汽車上的總阻力。下面將轎車阻力分為車體阻力、隆起物阻力、內(nèi)部氣流阻力進行討論。 一、車體阻力 前車體的壓差阻力后車體的壓差阻力上車體的摩擦阻力下車體的摩擦阻力 （一）前車體的壓差阻力 （二）車頭0.009發(fā)動機罩0風擋（0.035） =0.055 最小值0.015（ （三）后車體的壓差阻力不同的后車體差別較： 階梯背0.14 斜背

5、0.07 （四）上車體摩擦阻力0.025 下車體摩擦阻力0.06-0.02 二、隆起物阻力 （一） 輪子 輪坑 見圖452輪子（平均值）前輪0.037+后輪0.018=0.055輪坑 開口實驗值0.035 兩者之和0.09-0.07 （二） 滴水橫檔阻力0.010(取消)（三） 后視鏡阻力 特點突出在汽車外部，外形好可以 減小阻力，使鏡 面不易污染0.010.05 (四) 側(cè)窗凹進阻力0.010.005 （五）擋泥板阻力 作用：防止塵土飛揚 大小 沒有估計 三、內(nèi)部氣流阻力1、 需要冷卻的設(shè)備：發(fā)動機 制動裝置 客艙 內(nèi)的通風2、 進入形式 風扇強制流動3、 產(chǎn)生阻力的原因摩擦、渦流、漏泄等

6、有利、有弊4、 估算公式 VR-散熱器平均流速 AR-散熱器通道截面積XQ VRR汽車行駛速度散熱器流量散熱器阻力VQXRRXRCXV AQ VV AVVAARRRR12122225、 幾種進氣形式的比較 如圖46所示0.01 0.06XRC四、 小轎車的總阻力及其減小潛力1、 減小量的表示方法設(shè)-現(xiàn)代小轎車各部分的平均阻力系數(shù) -可能實現(xiàn)的最小值 減小量在總阻力中的比例小轎車各部分氣動阻力的減小量 見表41 2、現(xiàn)在生產(chǎn)的轎車阻力系數(shù)不高于0.40一般在0.30左右?？赏_到0.2的水平。 CcX( )CmX( )()(mCCCCxxX部位部位前車體 0.0550.0150.07016后車體

7、 0.1400.0700.07016上車體 0.2500.02500下車體0.0600.0200.0409總車體 0.2800.1000.18041輪與輪坑 0.0900.0700.0205雨水槽 0.01000.0102側(cè)窗凹進 0.0100.0050.0051后視鏡 0.0100.0050.0051內(nèi)部氣流 0.0350.0100.0256總阻力 0.4350.0190.24556)(CCx)(mCxxCxC43 小轎車氣動外形的設(shè)計 內(nèi)容：分析氣動力和外形之間的關(guān)系 一、 影響造型的主要因素1升力 當形狀變化升力的大小、作用點都要發(fā)生變化。 后輪升力增大驅(qū)動力下降 前輪升力增大導(dǎo)向容易失

8、靈這些因素均對穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，影響駕乘人員的安全。2、 側(cè)向力 同上大小和作用點變化將影響橫擺力矩和側(cè)傾力矩從而影響穩(wěn)定性。3、 阻力 和造型的關(guān)系密切，有直接影響 車速 加速度 燃油經(jīng)濟性 同樣情況下增大將消耗更多的燃油。 maxVCXCaX二、車體外形對氣動力的影響 將客艙以前的部位作為前車體，包括車頭、發(fā)動機罩、風擋玻璃1、車頭的形狀圖47是改變矩形體的形狀在風洞中測出的壓強分布變化的情況，由該圖可以看出氣動特性的好壞。變形方式改變圓角。 0，0.1，0.3，0.5由圖知當增大、愈接近流線體，阻力愈小。1）車頭流線型式的影響以百分比表示的氣動阻力系數(shù)的減小量 -變形后的阻力系數(shù)； -原形

9、的阻力系數(shù)r h/r h/CCCCXXXX100%/ XC XC圖4是不同流線體的阻力系數(shù) 由圖知下凸的流線體的阻力系數(shù)最小，車頭愈下沉愈小，效果就愈好。 2）車頭修形的影響 完全的流線型在實際中難以做到，只能在原形的基礎(chǔ)上加以修改，使之向流線型逼近來減小阻力圖49是 7種方案的效果 1原形 2去掉前上緣 63該前傾為直立 104上部剔除一部分 105頭緣后傾 106頭緣后傾上部剔除 107前部后傾增大發(fā)動機罩的斜率 10結(jié)論：轎車頭部修形減小對氣流的阻礙，減小頭部的正壓區(qū)和正壓區(qū)的大小，是行之有效的措施。可使氣動阻力明顯減小再如國產(chǎn)紅旗CA774轎車1:5木質(zhì)模型的試驗結(jié)果原前傾14度改為后

10、傾14度，氣動阻力系數(shù)減小3.8。 ）車頭邊角的影響 汽車頭部修形往往受到諸多限制，如發(fā)動機、保險杠、頭部轉(zhuǎn)向燈等，有些地方還要滿足交通法規(guī)方面的要求?？稍谄囋位静蛔兊幕A(chǔ)上，對頭部邊角進行圓化處理也可獲得好的效果。圖410即為修園邊角的影響圖410a 當時 由0.43降為0.40下降7。原因是有利于氣流向上折轉(zhuǎn)、正壓區(qū)減小、壓差阻力減小。圖410b 為修園側(cè)邊角的影響當由0上升到0.085時變化明顯、即正壓區(qū)減小。一個實例 圖411為一車頭變形的例子。）保險杠對氣動性能的影響 保險杠是突出在汽車最前部對汽車起保護作用的部件，由于其位置的特殊，對汽車的氣動性能有很大的影響。保險杠的橫截面

11、形狀保險杠的形狀應(yīng)使前部阻滯區(qū)小，有利于氣流向上下分流，圖412表示了矩形保險杠和三角形保險杠的差別矩形：阻滯區(qū)大、升力、阻力都大。三角形：阻滯區(qū)小、升力、阻力都小。保險杠的俯視形狀保險杠的俯視形狀應(yīng)當使氣流易于向兩側(cè)分流，以減小頭部氣流的阻滯區(qū)。減小正壓。圖413為三種造型對氣流的影響情況，第一種氣流分離嚴重、第二種氣流平順、第三種效果最好，但造型不美。保險杠的位置和車體之間的距離前伸時保險杠處的分離流對車頭起著一種屏蔽作用，使氣流沿屏蔽區(qū)的邊界流動，使頭部正壓區(qū)減小、發(fā)動機罩前緣處的分離區(qū)減小，故可減小升力和阻力。圖414減小1.5%、減小2.8%。保險杠與車體之間的間隙間隙的存在使氣流橫

12、穿間隙，產(chǎn)生附加摩擦、誘發(fā)氣流分離、增加流向底部的氣流，能量消耗增大，使阻力和升力增大。若封閉起來，可避免上述弊病，改善氣動性能、改善發(fā)動機的冷卻效率。 、發(fā)動機罩和風擋玻璃的影響 1）在氣流順發(fā)動機罩向上流動時，由于氣流受到風擋玻璃的影響，產(chǎn)生逆壓強梯度，故產(chǎn)生附面層分離。分離線為S，附著線為R，分離區(qū)的特點：中間大、兩邊小，這一區(qū)域為正壓區(qū)，是氣動阻力的主要來源，如圖415所示。 2） 影響該部分氣動阻力的幾個因素a、 發(fā)動機罩的傾斜 實踐表明 ， 變?yōu)樨撝?，故在一定的范圍?nèi)增大發(fā)動機罩的傾角，氣動阻力和升力都減小。 Y1X1PFPFsinFPFcosFX2PFFsinXX21Y2圖416表明0度5度時，氣動阻力系數(shù)由0.460.42。進一步增大效果不明顯 b、 風擋玻璃由圖4-17知當風擋玻璃傾角增大時，分離區(qū)