汽车动力学之空气动力学

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1、汽车空气动力学,重 庆 大 学 汽 车 系,汽车动力学,前 言,汽车空气动力学,汽车受到的外力 路面作用力：驱动力，路面阻力 空气动力,重力,路面作用力,路面作用力,空气动力,对动力性的影响 影响高速时的加速性能; 影响最高车速。 对燃油经济性的影响例：对于CdA=0.8m2的轿车，v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力；v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力。轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差达30%，燃油消耗相差达12%以上。 对安全性的影响 高速时的加速性能影响行车的安全； 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性； 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。 对汽车外形演变的影响 汽

2、车的空气动力特性主要取决于汽车外形； 空气动力学影响着人们的审美观。,前 言,空气动力学对汽车性能的影响,汽车空气动力学研究内容研究汽车运动时，空气对汽车的作用。包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。,前 言,1.空气动力学基础知识,1.1 连续性方程和伯努利方程 连续性方程对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即1V1A1= 2V2A2 = =常数对于不可压缩流体（1= 2 = =常数），有V1A1= V2A2 = =常数 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。 汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变。,汽车空气动力学

3、,伯努利方程(Bernoullis Law) 对于不可压缩流体，有：mgz+mp/+mV2/2=常数 流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。 气体的重力很小，若忽略气体的重力势能，则p/+V2/2=常数 或 p+V2/2=常数 静压力与“动压力”之和为一常数。 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。 流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。,1.空气动力学基础知识节,文丘里效应(Venture Effect)： 流体经过狭窄通道时压力减小的现象。,吹纸条:,热水淋浴器:,球浮气流：,发动机化油器喉管,1.空气动力学基础知识节,1.2 空气的粘滞性和气流分离现象,达朗贝尔悖论(

4、dAlemberts Paradox)对于上下对称，左右对称的物体，在气流中所受流体作用的合力应为零。这显然不符合客观现实情况。,第一章 空气动力学基础知识,在无粘性气流中，所受合力为零。,在粘性气流中，所受合力不为零。,附面层(Boundary Layer),由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。 附面层随流程的增加而增厚。 附面层的流态由层流转捩为紊流。,1.空气动力学基础知识节,顺压梯度和逆压梯度,顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速，压力）逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速，压力） 轿车的横截面积分布和气流压力梯度,1.空气动力学基础

5、知识节,气流分离现象(Flow Separation),当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零( =0 )时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。,1.空气动力学基础知识节,尾流区在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。,压差阻力(Pressure Drag )在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，

6、使流束截面比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 影响气流分离的因素 压力梯度只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 流态紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。影响流态的因素：雷诺数；物体表面状态。,1.空气动力学基础知识节,减小压差阻力的措施 降低逆压梯度减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。 增大紊流度增大物面的粗糙度。 分离是产生在附面层 流体没有粘度，就没有附面层。 没有附面层，就不会产生气流分离现象。 汽车上的分离区气流在前风窗下部、

7、车顶前端、行李舱前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”( bubble)）。,1.空气动力学基础知识节,1.3 压力系数,定义常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。压力系数定义： ； 可整理为：,。处，是驻点。 表示方法矢量法 坐标法,1.空气动力学基础知识节,2.汽车空气动力与空气动力矩,空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：空气阻力(Drag)、空气升力(Lift)、空气侧向力(Side Force)。 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：侧倾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Mom

8、ent) MY、横摆力矩(Yow Moment) MZ。 空气动力的表达式空气阻力与气流速度的平方V2、汽车迎风面积、空气密度成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与车速有关。空气升力、空气侧向力表示为,汽车空气动力学,2. 汽车空气动力与空气动力矩,空气动力矩的表达式俯仰力矩令则一般取汽车的轴距作为特征长度l 。类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为,3.空气阻力,3.1 空气阻力的分类 形状阻力(Form Drag) 干扰阻力(Interference Drag) 内部阻力(Internal Fl

9、ow Drag) 诱导阻力(Induced Drag) 摩擦阻力(Skin Friction)前四种为压力阻力。,汽车空气动力学,CD总值：0.45 A形状阻力(CD=0.262)； B干扰阻力(CD=0.064)； C内部阻力(CD=0.053)； D诱导阻力(CD=0.031)； E摩擦阻力(CD=0.040)。,3.空气阻力,3.2 形状阻力,形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。 前风窗对空气阻力的影响 前风窗对气流的影响 减小前风窗处空气阻力的措施 增大风窗与发动机罩间的夹角； 风窗横向弯曲。,车身后背对空气阻力的影响,几种典型的车身后背型式 直背式(Fast back)

10、：后背倾角20； 舱背式(Hatch back)：后背倾角2050； 方背式(Square back)：后背倾角50； 折背式(Notch back)。,3.空气阻力,后背倾角与空气阻力后背倾角越大，气流的逆压梯度越大。 分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小； 分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。 有一空气阻力最小的最佳后背倾角。 后背长度越大，空气阻力越小。,3.空气阻力,车身后背形状与空气阻力 截尾式 两厢式与三厢式 行李箱高度,3.空气阻力,3.3 诱导阻力(Induced Drag),在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使

11、产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。洗流不易分离。,3.空气阻力,气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大；后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。 气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。分离点前移，气流在后背的流程减小。 后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。诱导阻力：随后背倾角增大，诱导阻力增大；随分离点前移，增大速度减缓，进而减小，直至至消失；形状阻力：随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大；分离点前移至后背顶端时，不再增大。,3.空气阻力,车身后背上减小诱导阻力的措施,选择适当的后背倾角 后背后缘处为尖锐棱角形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。 设扰流器

12、减小诱导阻力，同时减小空气升力。,3.空气阻力,3.4 干扰阻力,干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。 车外小物件产生的干扰阻力气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。,3.空气阻力,车身表面凸起物对气流影响,凸起物可能引起气流分离。 凸起物使附面层加厚，气流容易分离。,3.空气阻力,车身表面凹槽产生的干扰阻力,门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。 凹槽的方向有垂直于和平行于气流方向两种典型状况。,3.空气阻力,车轮旋转对气流的影响,马格纳斯效应(Magnus Eff

13、ect)：在流体中运动的物体由于自身旋转而改变运动方向的现象。 路面上滚动的车轮受到一升力作用。 车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。,3.空气阻力,轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。 在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。 轮胎宽度有一空气阻力最小的值。,3.空气阻力,3.5 内部阻力,流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。,内部气流 发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。 通风气流：流量约为冷却气流的1/10左右。 制动器冷却气流,理想的发动机空气冷却系统 气流通道为密封

14、的直管道； 散热器面积大，进入的气流速度低； 全部气流都流经散热器； 通道面积变化缓和，无涡流产生； 流经散热器的气流为紊流； 可根据散热要求调节气流流量。,3.空气阻力,4.空气升力,4.1 空气升力 翼型的迎角越大，空气升力越大。 汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。 不同外形的汽车，其“迎角”不同，空气升力系数也不同。,汽车空气动力学,4.2 地面效应,地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。 当距离h 较大时，随h 减小，气流加速，压力减小； 当距离h 较小时 ，附面层的影响随h 减小而突出。随h 减小，气流减速，压力增大。,4. 空气升力,地效飞行器,天鹅号地效飞行器

15、,信天翁4型地效飞行器,苏联KM地效飞行器,4. 空气升力,4.3 汽车外形与空气升力,汽车前端高度 汽车前端高度影响流入底部的气流量。 进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小；另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。,4. 空气升力,底部的前后遮挡的影响,底部气流的侧向流动 减小了底部压力； 加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。,4. 空气升力,后背倾角对空气升力的影响前风窗下部分离区对空气升力的影响 行李厢上的分离区对空气升力的影响,4. 空气升力,5.侧向气流和空气动力稳定性,5.1 侧向气流对空气动力特性系数的影响 气流侧偏角与空气动力特性系数各种汽车的空气动力特性

16、 系数随侧偏角的变化而变化的 规律是不同的。多数汽车的空 气动力特性系数是随气流侧偏 角的增加而增大。,汽车空气动力学,侧偏角,5.2 汽车空气动力稳定性,汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。,5.侧向气流和空气动力稳定性,气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。,气压中心在质心之前：,气压中心在质心之后：,车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力稳定性越好。,5.侧向气流和空气动力稳定性,6.汽车空气动力学装置,6.1 前阻风板（Air Dam) 阻风板的作用： 减少进入底部的空气量。 阻风板后形成局部高压区。 前阻风板的优化 不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。,汽车空气动力学,阻风板示例,6.汽车空气动力学装置,6.2 后扰流器（Spoiler） 后扰流器的作用 在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力； 使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力； 使分离提前，可增大形状阻力； 有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。 后扰流器的优化 在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。 不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最佳值。,