汽车空气动力学1(含流体力学基础)

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1、汽车空气动力学2009.03.30the vehicle aerodynamics 汽车空气动力学1 空气动力学基础2 车头基本尺寸对车身外流场影响的数 值模拟3 湖南大学菱形新概念车气动特性研究4 F1赛车空气动力学5 高性能计算机对车辆不稳定气流的仿真1 空气动力学基础1.1 气动力和力矩 1.2 空气动力学基本理论 1.3 车身表面的压力分布 1.4 车身整体优化造型概况1.1 气动力和力矩汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及 其与汽车相互作用的一门科学。气动力由车辆行驶速度、车身外形和风向角决定。作 用于运动汽车上的气动力和力矩，分为相互垂直的三 个分力和三个绕轴的力矩。空气

2、阻力指汽车直线行驶时气动力作用在行驶方向上 的分力。分为压力阻力（形状、干扰、内循环、诱导 阻力）和摩擦阻力两部分。空气阻力系数：CD=FDAau221.1 气动力和力矩近地面流线形车身气动六分力图1.1 SAE空气动力学坐标系1.2 空气动力学基本理论1.2.1 理想流体和不可压缩流体理想流体：假想的不具有粘性的流体，当空气绕物体流 动时，若速度不太大，温度变化很小时，可处理为理 想流体；不可压缩流体：压强和温度变化不大时可处理为不可压 缩流体；不可压缩的流体密度设为常数。1.2 空气动力学基本理论1.2.2 定常流 流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若 流场中任何一点的流动参数均不随

3、时间变化，则这种 流动称为定常流，否则为非定常流。 在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的函 数，和时间无关。 例如在风洞中进行的气动力试验，就是一个定常 流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以在流动 的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流 来处理。1.2 空气动力学基本理论1.2.3 流体的基本方程连续性方程：1.2 空气动力学基本理论伯努利方程：1.2 空气动力学基本理论1.2.4 边界层及其分离现象 雷诺数=惯性力/粘性力 当雷诺数极低时，惯性力影响可以忽略，粘 性力支配整个流场，此时阻力系数值较大； 当在中等雷诺数时，层流边界层形成，并 在流经物体后部脱体分离，此时阻力系数

4、值变化不大； 当雷诺数较大时，在流动分离之前的边界层， 流动已经转化成湍流； 当雷诺数很大时，阻力系数则是个常数，与 Re无关。1.3 车身表面的压力分布如图所示为某国产轿车 车身表面的压力分布。 压力系数：V车身某点处气流速度；图1.2 车身表面压力分布 V 远处气流压力及速度。Cp=1(vv)2 1.3 车身表面的压力分布1、发动机罩：负压力 。这个区域中的逆向压力梯度趋向于 阻碍边界层气流在这个区域中产生阻力。近年来，发动机罩 线条的细部设计主要着重于避免气流在发动机罩上的分离及 其产生阻力的缺陷。2、在靠近挡风玻璃和前隔壁板底部附近：气压升高。 这个高气压区域是通风，空调控制系统吸入空

5、气或发动机进 气通道的理想区域。这个区域中的高气压常常伴随着较低的 速度，有助于防止挡风玻璃上的挂水期被气动力所扰乱。3、车顶部区域：气压再次降为负。这个区域中的低气压迹 象可以在敞篷车车顶蓬布的波动翻腾中看见。1.3 车身表面的压力分布4、后窗玻璃到行李箱盖：由于持续连续的弧线，所以向 下沿着后窗玻璃到行李箱盖上的压力保持较低。正是在这个 区域中气流分离最可能发生。在这个区域的车身轮廓角度和 细节的设计要求密切关注空气动力学。由于压力较低，汽车 两侧气流将吸入这个区域，并促使气流分离。 两侧的气流 被拖入后部的低气压区域，汇合流过汽车顶部气流形成拖在 车尾部的涡流。 分离区域的大小直接影响空

6、气阻力，同时气流在车辆 后方发生向下弯转的程度对后部的空气升力产生影响。随着 气流向下弯转，由于压力的减小导致车后部产生更多的空气 升力。1.3车身表面的压力分布对车辆后部的空气动力学设计的另一个要考虑的问题是 对后窗玻璃和尾灯上有灰尘沉积的可能。气流分离区域高强 度的湍流夹带了轮胎从道路扬起的水分和灰尘。如果分离中 包含了这些水分和灰尘，会沉积在这些区域对视线产生障碍。图1.3 车后部分离点对灰尘沉积的影响1.3车身表面的压力分布车身表面的涡流图1.4 车身表面涡流分布1.4 车身整体优化造型概况从20世纪初叶起，人们一直不懈地努力研究能够减小气 动阻力的乘用车型。这种目标是：寻找一种在接近

7、地面情况 下，在满足机械工程学、人机工程学、操纵稳定性、视野性 等各方面要求的具有最小气动阻力的基本理想外形。 1、纺锤状（水珠状）的流线体 早期的航空理论认为，具有最小气 动阻力的物体的理想外形是纺锤状（ 水珠状）的流线体。 受其启发，人们研制出“炮弹”形， 如图所示，其气动阻力系数只有0.04。图1.4 理想流线型与实际车体1.4 车身整体优化造型概况2、水珠体 研究表明，水珠体只有 在远离地面的自由大气层中 才具有最低气动阻力，一旦 接近地面，因周围流场不再 对称，阻力系数随相对地面 距离的减少而显著增大，如 图所示当相对地面距离 d=0.1时，即为普通轿车的 相对地面距离，这种理想体

8、的气动阻力系数。由此水滴 状是类车体造型的理想形状。图1.5 水珠形阻力系数与地面距离1.4 车身整体优化造型概况研究表明一定弯度的水滴 形状更适合于汽车外形， 即选择在给定相对地面距 离d=h/D时，是空气阻力 系数最小的弯度值。由图 1.6可知，在d=0.1时，最 佳弯度线应在10%左右。图1.6 带弯度的水滴形与地面距离1.4 车身整体优化造型概况3、卡曼-背 1937年Kamm和Koeing几乎同时申请了一种车身专利， 这种车身也称为截尾车，即他们通过是研究发现，将浸没于 尾流区内的车身后部截掉，不仅不会带来压差阻力的增加， 而且在总长相同的情况下，反而会提高车身的横风稳定性。 钝的车

9、辆后端的形状允许车后座内更大的顶部空间且不 会显著增加阻力。具有这个特点的外形被称为“卡曼-背” （Kamm-back）。1.4 车身整体优化造型概况4、“鲸状”理论模型 1970年由英国人A.J.赛伯-里尔 斯基提出了“鲸状”理论模型。该 模型为一个纵剖面成带弯度的翼型 ，横断面是把两个相等的长轴连接 起来的半椭圆形成的断面作为最大 的横截面，上半个椭圆的短轴比下 半个椭圆的短轴要长，水平面呈纺 锤状流线型，如图所示。但这种形 状虽然气动阻力较小，但气动升力 和横风不稳定性都偏大，而且相关 结构和乘员布置都较为困难。图1.7 “鲸状”理论模型1.4 车身整体优化造型概况5、Morelli模型

10、 1976年，由意大利科学 院资助，在平宁法力那 （Pininfarina）风洞中进行一 项旨在探求最优化的轿车外形 研究工作，当时的目标是力图 创造出一种具有优异气动性能 的轿车外形。 以A.Morelli教授为首的课 题组在深入研究的基础上首先 获得一个比例为1:2的基本形 体，如图1.8所示，其为阻力 系数0.049。图1.8 A.Morelli提出的基本形体1.4 车身整体优化造型概况此后按总部置要求，制成1:1模型并加车轮，如图1.9， 增至0.16，最后考虑通风进出口，并加上其它一些修正，气 动阻力系数上升至0.17，如图1.10。 若将此模型转换成实车，估计其阻力系数不会超过0.

11、23。 该课题组提出的这种较理想的新型轿车外形表明，实际上能 够找到比带弯度流线形更合适于作汽车车身的理想空气动力 学流线体。图1.9 1:1模型并加车轮图1.10 考虑附属空隙设计1.4 车身整体优化造型概况2000年我国华南理工大学黄 向东教授所领导的研究小组，也 进行了有关最佳车身气动造型方 面的研究。 在提出相关参数和要求的前 提下，运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出 一个完全数字化的理想基本形体， 如图1.11，并在此基础上制成 1:3模型进行风洞试验，如图 1.12模型实测最小气动阻力系数 为0.122。图1.11 数字化理想形体图

12、1.12 最优气动外形风洞试验1.4 车身整体优化造型概况国内汽车空气动力学领域著名专家湖南大学谷正 气教授从事该领域的研究达二十多年，在最佳汽车气 动外形方面的研究中做了大量的研究工作，谷教授认 为完美车型的主要特点是整个车身的纵、横向截面的 几何形状按照一定的合乎空气扰流原理的规律光瞬间 变，整体造型更加新颖，气动综合性能最优。图1.13 湖南大学2004年提出的类菱形概念车造型2 车头基本尺寸对车身外流场 影响的数值模拟2.1 空气动力学数值计算的一般方法 2.2 车头基本尺寸对车身外流场影 2.3 简单类车体外流场的数值模拟 2.4 车头外形的车身外流场数值模拟2.1 空气动力学数值计

13、算的一般方法CFD(Computational Fluid Dynamics)是以理论流体力学和计 算数学为基础，把描述空气运动的连续介质数学模型离散成 大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维不可压缩不定 常N-S方程组（NavierStokes），对其可用线性或非线性方 法进行求解。数字仿真中的线性方法主要有涡格法和面元法；非线性方法 包括Euler法、雷诺平均N-S方程组法（RANS）、大涡模型 LES（Large Eddy Simulation）、和直接数值模拟DNS法等。2.1 空气动力学数值计算的一般方法2.1 空气动力学数值计算的一般方

14、法湍流模型优缺点比较：2.1 空气动力学数值计算的一般方法数值模拟是一个极有前途的工具。但数值模拟方法也存在 一些不足。如： 因没有完全搞清楚湍流等气流流动状态特性，对有些 问题没有普遍适用的数学模型； 在数值计算上收敛速率和精度有待改进； RANS（Regnolds Averaged Naviel Stokes）代码中包 含了经验的输入参数、截断误差、网格相关近似、湍流模 型等因素，使得数值模拟结果和试验结果存在差异。数值工具的发展取决于对气流复杂流动特性的更深入的了 解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全替 代物理试验，两者是互补的关系。2.2 车头基本尺寸对车身外流场影响200

15、6年南京航空航天大学张奇硕士学位 论文高速车辆车头改进的空气动力学特性研 究对汽车在60m/s、70m/s 和80m/s 速度下 的外流场情况进行数值模拟和分析，得出高速 时的外流场分布特性，并在此基础上，提出具 有指导意义的车身前部改进方法。2.3 简单类车体外流场的数值模拟建立几何结构，生成计算网格（节点数 196059）图2.1 参考车辆及基础模型尺寸示意图图2.2 流场空间布置及网格划分2.3 简单类车体外流场的数值模拟选择求解器和方程：2D 标准k 湍流模型确定边界类型及边界条件： 入口边界选取远端来流方向为速度入口，速度为X 方向60m/s，出口边界为压力出口，出口相对压力为0。

16、湍流动能k 和湍流耗散度 分别为0.024 和0.01求解计算 改变车头前缘发动机罩的高度值H，即改变发动机 罩的倾角(图2.3a) ，同时改变发动机罩与挡风玻璃交接 的位置， 从而改变挡风玻璃的倾角 (图2.3b)，对多组 不同参数下的模型进行外流场的数值模拟。2.3 简单类车体外流场的数值模拟图2.3 基本车体模型及车头尺寸变化示意图 不同车头尺寸条件下的阻力系数值2.4 车头外形的车身外流场数值模拟改变基础模型车头外形， 并对其外流场数值模拟图2.4 车头上缘使用大圆弧过渡的车身模型外流场速度分布图（20134个节点）=0.3350=0.3050图2.5使用钝圆弧进气面外形的车身模型外流场速度分布图2.4 车头外形的车身外流场数值模拟=0.3100图2.6 车头上缘凸头模型=0.2930图2.5 抬高车头底部前缘的车身模型外流 场气流速度分布图=0.2872图2.7 挡风玻璃和车顶交界面使用大过渡弧度的 车身模型的外流场速度分布图结论： 使用良好的弧度曲面可以降低车头的迎风阻 力，减少压差阻力，改善汽车表