汽車空氣動(dòng)力學(xué)

汽車空氣動(dòng)力學(xué)2021/5/91空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1、汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容:

①汽車行駛中的氣動(dòng)力和力矩,主要研究怎樣使汽車具有較小的氣動(dòng)阻力,以減少油耗,怎樣使汽車具有較小的升力、側(cè)向力和橫擺力矩，以保證良好的穩(wěn)定性；②汽車表面及周圍的流譜和局部流場的研究，以分析作用在汽車上的氣動(dòng)力機(jī)理，有利于改善汽車表面雨水流的路徑，減少塵土堆積、風(fēng)噪聲和面板振顫；③發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)裝置的空氣冷卻問題，目的是減少冷卻通路和散熱器的內(nèi)部空氣阻力，提高冷卻效果；④汽車內(nèi)部的自然通風(fēng)和換氣問題，研究車身進(jìn)出風(fēng)口的合理布置，車內(nèi)進(jìn)出風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)路，使汽車具有良好的通風(fēng)和換氣性能，保證舒適性。2021/5/92轎車空氣動(dòng)力學(xué)研究內(nèi)容2021/5/932.1空氣動(dòng)力學(xué)基本概念

“流場”——空氣動(dòng)力學(xué)中，把流經(jīng)物體的氣流的屬性，如速度v，壓強(qiáng)p，密度等，表示為空間坐標(biāo)(x,y,z)和時(shí)間t的函數(shù),如v=v(x,y,z,t)、p=p(x,y,z,t)、分別稱為速度場，壓強(qiáng)場和密度場，統(tǒng)稱為“流場”。隨時(shí)間變化的流場，稱為“非定常流場”；不隨時(shí)間變化的流場，稱做“定常流場”。

“流線”——為了研究氣流的運(yùn)動(dòng)，在氣流中引人一條假想的曲線，它任何一點(diǎn)切線的方向都與該時(shí)刻氣流質(zhì)點(diǎn)速度向量的方向相同。流線所給出的，是在同一瞬時(shí)，線上各氣流質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的圖形。

“流譜”——在某一瞬時(shí)的流場中，許多流線的集合，可通過流譜來描述氣體流動(dòng)的全貌。2021/5/942.2前提假設(shè)①車速小于360km/h，空氣不受壓縮，即空氣密度不變；②外層空氣（遠(yuǎn)離物體表面）為無粘滯性的理想氣體；③相對運(yùn)動(dòng)等效：把汽車看成靜止的，空氣繞汽車周圍流動(dòng)。2021/5/952.3流體流動(dòng)的連續(xù)性

由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，并且流體又不可壓縮，因而在相同的時(shí)間內(nèi)流過前后兩個(gè)截面的流體質(zhì)量應(yīng)相同，即流速v與截面積A的乘積不變：

v*A=常數(shù)2021/5/962.4伯努利方程式

根據(jù)伯努利原理，氣流靜壓強(qiáng)p與動(dòng)壓強(qiáng)pq之和為常數(shù)。2021/5/972.4附面層

理論上假設(shè)空氣是非粘滯性的，而實(shí)際上空氣具有粘滯性，即當(dāng)其相對于表面運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦作用。與物體表面接觸的氣體將受到該表面的阻滯使相對速度變?yōu)榱?。鄰近該表面的空氣層也被粘滯摩擦力所阻滯，其相對于表面的運(yùn)動(dòng)速度也隨與表面的距離而變化。當(dāng)與表面的距離超過一定數(shù)值時(shí)，空氣粒子的運(yùn)動(dòng)已不受粘滯性的影響，其速度與外部氣流速度相等。因此，圍繞著運(yùn)動(dòng)物體的一個(gè)相對薄的空氣層內(nèi)，氣流速度有著急劇的變化，存在著速度梯度。該氣流層稱為附面層，又稱為邊界層。2021/5/982.5分離現(xiàn)象與渦流

圖所示是物體表面各部位的速度梯度的情況。從a到最大截面d空氣流速逐漸增加，而流過最大截面后，流速又逐漸減少。由于空氣附面層的粘性，e、f、g的流速已不可能與c、b、a的流速對稱，而是更慢，在k處就使得某微層的速度為零，k以下的微層發(fā)生倒流現(xiàn)象，產(chǎn)生渦流。分離和渦流耗費(fèi)能量，使阻力增大。2021/5/99汽車表面的附面層2021/5/910發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗凹處的渦系2021/5/9113、汽車行駛時(shí)受到的氣動(dòng)力和力矩將整個(gè)汽車外表面上壓力合成而得到作用在汽車上的合力，稱為氣動(dòng)力F。合力在汽車上的作用點(diǎn)稱為風(fēng)壓中心，記作C.P。氣動(dòng)力F與氣流速度的平方，迎風(fēng)面積S以及車身形狀系數(shù)ＣＦ成正比，即：式中，迎風(fēng)面積S為汽車正面投影面積，又稱參考面積，ＣＦ與車身形狀有關(guān)。3.1氣動(dòng)力2021/5/912迎風(fēng)面積的定義2021/5/9133、汽車行駛時(shí)受到的氣動(dòng)力和力矩相應(yīng)的阻力系數(shù)Ｃd、側(cè)力系數(shù)Ｃy、升力系數(shù)Ｃz氣動(dòng)力分量：Ｆx氣動(dòng)阻力、Ｆy側(cè)向分力、Ｆz氣動(dòng)升力。2021/5/9143、汽車行駛時(shí)受到的氣動(dòng)力和力矩氣動(dòng)力的三個(gè)分力轉(zhuǎn)化到汽車的質(zhì)心上，則氣動(dòng)力矩如下：縱傾力矩又稱附仰力矩Ｍy橫擺力矩Ｍz側(cè)傾力矩ＭxXc、Ｚc——風(fēng)壓中心到質(zhì)心距離；Ｌ——為特征長度，一般指軸距。3.2氣動(dòng)力矩2021/5/915氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩2021/5/9164、汽車氣動(dòng)阻力的組成汽車的阻力系數(shù)Ｃd可以定義作用在迎風(fēng)面積上的平均壓力Fx/S與基準(zhǔn)動(dòng)壓的比值，是一個(gè)無因次量，與汽車尺寸無關(guān)，僅僅取決于形狀。汽車的氣動(dòng)阻力由五部分組成：1、形狀阻力又稱表面壓差阻力，是由汽車前部的正壓力和車身后部的負(fù)壓力的壓力差而產(chǎn)生的。是氣動(dòng)阻力的主要部分。汽車車身各個(gè)表面的形狀及其交接處的轉(zhuǎn)折方式是影響形狀阻力的主耍因素約占60%；2021/5/917無粘流繞二元圓柱的流動(dòng)2021/5/918粘流繞二元圓柱的流動(dòng)2021/5/919車身表面壓強(qiáng)分布特性2021/5/9204、汽車氣動(dòng)阻力的組成2、摩擦阻力它是由于空氣的粘滯性在車身表面所產(chǎn)生的摩擦力，其數(shù)值取決于車身表面的面積和光滑程度，約占?xì)鈩?dòng)阻力的9％左右。3、誘導(dǎo)阻力它是氣動(dòng)升力所產(chǎn)生的縱向水平分力，一般約占?xì)鈩?dòng)阻力的5％～7％。要減小誘導(dǎo)阻力，就應(yīng)設(shè)法減小升力；2021/5/9214、汽車氣動(dòng)阻力的組成4、干擾阻力又稱附件阻力，是由暴露在汽車外部的各種附件引起氣流相互干擾而形成的阻力。這些附件包括后視鏡、門把手、雨刷、流水槽、前牌照、照明燈、前保險(xiǎn)杠以及天線和裝飾物等。它約占?xì)鈩?dòng)阻力的15％左右；5、內(nèi)部阻力又稱內(nèi)循環(huán)阻力，是由冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)等的氣流和車內(nèi)通風(fēng)氣流而形成的阻力，約占?xì)鈩?dòng)阻力的10～13%。2021/5/922典型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)部的流譜2021/5/9235、汽車的氣動(dòng)升力汽車的氣動(dòng)升力垂直于汽車的運(yùn)動(dòng)方向，即垂直于地面。升力向上為正，向下為負(fù)。氣動(dòng)升力對汽車是有害的，必須盡可能設(shè)法減小。因?yàn)樗鼤?huì)降低輪胎的附著力從而影響汽車的驅(qū)動(dòng)性、操縱性和穩(wěn)定性。2021/5/9246、汽車的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為橫擺運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性：2021/5/925造型上改善空氣動(dòng)力性能的措施基本原則：1、降低高靜壓區(qū)氣體靜壓，升高低靜壓區(qū)的氣體靜壓；2、延緩分離現(xiàn)象；3、負(fù)迎角造型，疏導(dǎo)底部氣流；4、使風(fēng)壓中心位于汽車質(zhì)心之后。2021/5/926造型上改善空氣動(dòng)力性能的措施1、汽車前部使迎面氣流順暢的流過：車頭部前端低矮，后傾圓化，保險(xiǎn)杠位置前伸，端面呈凸字形，拐角圓滑，俯視圖呈半圓形；控制底部氣流量：設(shè)置阻流板；冷卻空氣入口處的優(yōu)化：設(shè)置在正壓區(qū)。2021/5/927造型上改善空氣動(dòng)力性能的措施2、汽車中部前后風(fēng)窗傾角增大；增大風(fēng)窗玻璃法向曲率；前、后柱圓化；風(fēng)窗玻璃表面與周圍平滑，采用粘貼法安裝玻璃；俯視圖中部鼓腰；最大橫截面盡可能后移；側(cè)面平滑2021/5/928造型上改善空氣動(dòng)力性能的措施3、汽車后部縱斷面上采用快背式；水平斷面上向后收縮，減少低壓面積，收縮前先外突，使氣流加速；尾部設(shè)置擾流板；利用出風(fēng)口加速氣流。2021/5/929造型上改善空氣動(dòng)力性能的措施3、汽車底部汽車底板尾部向上翹起一個(gè)角度，以疏導(dǎo)底部氣流，可降低升力系數(shù)；汽車地板應(yīng)向兩側(cè)面略為翹起，使底部氣流流向側(cè)面。2021/5/930實(shí)際應(yīng)用2021/5/931較成功的整體氣動(dòng)造型轎車2021/5/9322021/5/9332021/5/9342021/5/935氣流速度V邊界條件氣流速度為零邊界條件氣流速度為零邊界條件出口壓力p邊界條件氣流速度為零2021/5/936參數(shù)設(shè)置：氣流屬性＼大氣環(huán)境參數(shù)＼迭代參數(shù)等2021/5/9372021/5/9382021/5/9392021/5/940汽車最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程2021/5/941車頭邊角對CD的影響2021/5/942車頭流線型式對CD的影響2021/5/943車頭下緣突起對CD的影響2021/5/944發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗斜度對CD的影響2021/5/945轎車A立柱外形對阻力系數(shù)CD的影響2021/5/946側(cè)壁外鼓尺寸對CD的影響頂蓋上鼓尺寸對CD的影響2021/5/947后風(fēng)窗斜度對CD的影響2021/5/948最佳車尾高度2021/5/949實(shí)例:VW-Passat車后風(fēng)窗斜度后后行李箱蓋的高度對CD的影響2021/5/950后體橫向收縮對CD的影響2021/5/951車身低部高度對CD的影響車身低部縱傾角對CD的影響2021/5/952車身底板縱曲率對CD