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1、第四章 空气动力学基础,第一节 概述 第二节 空气的特性 第三节 伯努利方程 第四节 压力分布和压力系数 第五节 对实际气流特性的考虑 第六节 空气动力学试验 第七节 汽车的空气阻力,第一节 概 述,当汽车在空气中运动时,会受到空气的作用力。与轮胎的作用力有些不同,空气动力随车速的增加而迅速增加,从而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著的影响。例如,影响汽车高速行驶时动力性的因素,包括最高速度、高速时的前进加速度及制动减速度。除了空气动力的直接影响外,空气动力和轮胎力的相互作用对车辆侧向动力学特性的影响也很显著。例如,若能产生向下的气动压力可增加轮胎载荷,从而增加轮胎产生侧向力的能力,以提高车
2、辆的操纵稳定性。汽车空气动力学问题的研究内容主要分为对车外流与对车内流的分析,研究目的包括减少风阻、提高侧风稳定性、实现合理的风压及其分布、提高发动机,第一节 概 述,进气管道的效率、提高车辆各部分(包括发动机、油液、制动系统、传动系统和差速器)的冷却和驾驶室通风,以及解决汽车表面尘土污染、气动噪声、刮水器上浮等问题。 汽车空气动力学的主要研究内容可概括为1,2: 1) 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来减小车辆的空气阻力。 2) 在空气阻力一定的情况下,尽可能增加向下的气动压力以提高轮胎附着性,但同时减小对轮胎侧偏力的影响。,第一节 概 述,3) 开展比例模型或全尺寸汽车空气动
3、力学试验,并对试验结果进行分析。 4) 研究空气动力与底盘设计及汽车使用情况之间的相互关系及影响。 本章首先对空气动力学的基本概念和理论进行介绍,然后针对实际问题,介绍汽车空气动力学基本知识,包括研究方法、试验手段及结果分析和标准等。,第二节 空气的特性,当研究空气动力学时,首先必须考虑空气的特性,如空气的物理特性、连续介质假设和其他一些重要的空气特性(如空气的密度和黏性等)。空气是由多种气体混合而成的,由于气体分子的运动,各气体微团间存在着相互作用力。根据产生方式的不同,作用力可分为两种形式:两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生,仅产生法向应力;由于微团间相互滑动,存在分子间的动量交换,
4、产生切向应力,其大小取决于空气的黏性和微团的剪切变形速度。若假设微团为立方体,两种不同形式的相互作用力如图4-1所示。 通常情况下,两种形式的应力会同时存在,只是所占比例,第二节 空气的特性,不同。与压应力相比,物体周围大部分气流中的剪切力都很小,空气微团间相互作用力垂直于接触面,表现为法向压力。 当流体绕物体流动时,在物体壁面附近受流体黏性影响显著的薄层称为“边界层”(boundary layer)。在边界层中,剪切力相当重要。贴近物体的气流粘附于物体表面,而较远的气流则自由流过。由于存在一个较大的速度梯度,导致边界层相应存在较大的剪切力。此外,在绕流物体的后部和理想气流之间存在着相互作用,
5、边界层会产生所谓的“分离气流”(separated flow)。分离气流的特征是存在由,第二节 空气的特性,切向力产生的气流急速旋转,以及阻力提高和升力损失。 在讨论这些流体的流动特性之前,首先对空气的力学特性给予简单介绍。,第二节 空气的特性,一、空气密度,空气分子做不规则运动,其能量受温度的影响,温度越高,分子运动速度越高,移动距离越远。若单位体积内的分子数目保持不变,则空气质量和压强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量也随温度的不同而不同,单位体积内空气质量和空气密度会随温度发生变化。 因此,为了便于在不同条件下比较,需定义一个“标准空气密度”,即在标准压强和标准温度条件下的空气密度。
6、按NACA/NASA标准,对于海平面上的干燥空气,规定:标准压强为1.013105N/m2,标准温度为15,重力加速度g为9.8m/s2,而在上述规定的条件下标准空气密度等于,第二节 空气的特性,一、空气密度,1.225kg/m3。 在研究空气动力学时,通常以上述标准值作为参照基准。实际上,空气大多处于非标准状态,空气密度的变化遵循理想气体状态方程,即: 式中,p为大气压强,单位为Pa;T为热力学温度,单位为K;为空气密度,单位为kg/m3;下标“0”表示标准状态或任一初始状态。,第二节 空气的特性,一、空气密度,1.空气密度随温度的变化 大气温度或某局部条件变化都会导致空气温度变化。在压力不
7、变的情况下,温度变化引起的空气密度变化可由初始绝对温度与当前热力学温度的比值乘以初始空气密度求得。例如,当散热器排出的空气比标准的周围环境空气高50时,可计算出其密度为: =(15+273.15)/(65+273.15)1.225kg/m3=1.044kg/m3,第二节 空气的特性,一、空气密度,2.空气密度随压强的变化 在温度不变的情况下,由于空气压力直接与大气压力成正比关系,因而天气状况或海拔的改变将引起大气压力的改变。海拔越高,空气越稀薄,空气密度越低。,第二节 空气的特性,二、空气黏度,黏度用来表述流体的黏性,流体黏性力由气体的黏性和内部速度梯度共同决定。黏性力在流体间相互传递,通过依
8、附于固体表面很薄的边界层作用于物体表面。流体越黏,流体传至物体的力也越大。黏度可分为动力黏度和运动黏度。 气体的动力黏度会随温度缓慢变化,通常随温度的增加而增加。定义温度为15时的空气动力黏度为标准值,其值为1.82210-5Pas。,第二节 空气的特性,二、空气黏度,运动黏度定义为动力黏度与密度的比值,即=/,单位为m2/s。在标准状态下,空气的运动黏度为1.42810-4m2/s。运动黏度是后面将要讨论的雷诺数表达式中的一个参数。雷诺数的微小改变就会引起空气动力的显著变化,这也意味着流体特性发生了改变。,第三节 伯努利方程,当理想不可压缩流体做定常运动时,可采用伯努利方程(Bernoull
9、is Equation)来描述其力学特性。伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而建立,它忽略了空气重力的影响,用于描述流体速度和压强之间的关系。 在正常车速范围内,可假设空气是不可压缩的。根据伯努利方程,可以预测不同形体的表面压力和升力,对不存在气流分离或边界层变化小的形体尤其适用。由于只考虑空气的法向压力,因此由黏性切向力(边界层效应)决定的空气阻力在伯努利方程中没有涉及。,第三节 伯努利方程,如前所述,物体边界层以外的流体被简化为非黏性流体,所以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对以亚声速行驶的车辆来说,空气密度变化通常不大(散热等内流场情况除外),因此在汽车空气动力学研究中,通常可以忽
10、略车身周围气体密度的变化。现举例说明如下: (1)随温度的变化 例如,假设车身周围气流的温度平均增加量t为10,若初始温度T0为293.15K,则其密度比为:,第三节 伯努利方程,现根据相对运动原理来研究空气动力学问题。例如假定空气静止不动,令物体在空气中运动;或假定物体不动,空气流过物体(如风洞试验的情况)。但不管哪种情况,压强与速度的相对关系都是一样的。在下面的推导中,假设空气流动。,第三节 伯努利方程,图4-2所示的一根空气管道可看成是由若干流线(表示定常连续流体的流向,流线越密的区域表示流速越大)构成的流管。由于管道表面无气流穿过,其表面就相当于固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努利
11、方程来描述。 设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的独立系统(即无流体通过边界),因此系统总能量沿轴向保持恒定,只是存在的形式可以不同,能量的形式可以是:,第三节 伯努利方程,(1) 势能 与流体高度变化有关,与流体密度和高度成正比,对汽车空气动力学研究来说,通常可以忽略。 (2) 动能 等于mv2,其中m为质量(单位为kg),v为速度(单位为m/s)。考虑流束中重量为W、速度为v、体积为V0的一流体微团(图4-2),其动能表达式如下: (3) 压力能 由于流束位于边界表面具有一定静压力的流体内,且静压在各向均匀作用,因而流体内部必须有相等的压力来保持平衡,如图4-3所示。流体微元的压力能等于
12、它克服外界压力保持自身体积所需的功,即外部压强p乘以,第三节 伯努利方程,自身体积V0。 综上所述,所讨论的流体微团总能量为压力能与动能之和,即:,第三节 伯努利方程,当气流与物体相对运动时,环绕物体的气流总会被分成两个或更多的方向流动,如图4-4所示的分流点O称为驻点,其压力等于静压与动压之和,称为驻点压力。 对实际行驶中的车辆而言,图中所示驻点处的静压p是一特殊情况,驻点处的流线则是车辆上部气流和下部气流的分界线。,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,由伯努利方程可知,若动压增加,则流体的静压必定减小,反之亦然。翼剖面是一种利用压力变化来产生动力的装置,如图4-5所示。空气从翼剖面上
13、部和下部流过时速度都会加快,但由于上表面曲率更大和长度增加,因此流过上部的空气速度增加得更多。 根据前面对空气不可压缩和连续性条件的假定,通过翼前端附近横截面的空气体积要等于流过翼后端横截面的体积。因此,在翼剖面较厚之处流管变细,空气流速增加,典型的情况如图4-6所示。,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,由图4-6可见,流管特性表现出“弹性”特性,即由于空气速度的提高而导致静压下降,从而流管截面变小。当流向翼剖面后端的空气速度减小后,流管便在压强增加的情况下扩张,这就是所谓的“压力恢复”。在这种情况下,若翼剖面顶部的压降(表现为负压力)大于底部
14、压降,则形成了升力,此时顶部空气流动更快,相对负压力的分布如图4-7所示。因为这里假设理想流体不存在剪切力,因此描述压力分量的箭头与翼剖面表面是垂直的。 由图4-7可见,由于翼剖面顶部区域的负压力要比底部负压力大,因此产生了向上的升力。若将所有矢量表示的压力,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,分量相加,得到的总的合力在沿气流方向的分力可认为就是“压差阻力”。这里所讨论的只是理想情况,即压力可完全恢复,上述情况还是会发生在真实的翼剖面上,且远处气流方向上的压力总和为零。当然,实际中翼剖面所受到的升力考虑了与气流垂直方向上压力总和不为零的情况。 由伯努利方程可知,气流的动压可转化为静压。静
15、压在表面施加作用力,就可以产生升力(或下压力),其大小由所能得到的动压值决定,与速度的平方和空气密度成正比,体现了可利用能量的多少。将动压转化成静压和升力的效率与,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,物体的形状有关。若要将动压有效地转化为静压和升力,还取决于物体的形状。例如,当翼剖面形状与理想气流流向一致时,如图4-8所示,对产生下压力是非常有效的。,第四节 压力分布和压力系数,二、压力系数Cp,第四节 压力分布和压力系数,二、压力系数Cp,第五节 对实际气流特性的考虑,上节中介绍的是理想气流流经光滑物体时速度与压力的关系。实际中的空气并非理想气流,车身设计也很少能达到完美的流线型,且流
16、动条件复杂多变。因而这里也只能对实际的气流的特性及影响给予一般性的介绍。 首先要考虑的是物体表面的空气边界层。由黏滞作用产生的剪切力对边界层影响显著,剪切力使空气流速和能量降低,其作用与空气沿物体表面的距离有关。边界层沿物体逐渐变厚,气流由层流(流线很平顺,各层之间层次分明,互不影响)变为湍流(流线脉动,层次不分明)。即便物体轮廓形状非常平滑也是如此。实际上,绝大多数边界层处的,第五节 对实际气流特性的考虑,气流是湍流,这意味着边界层内部的空气微团以随机速度运动,且与物体表面的距离也相应变化,并对整个边界层动能的分布产生影响。 由于空气连续沿物体表面流动,湍流边界层会因边界层能量在表面摩擦力作用下变小而进一步增厚。边界层厚度可采用下式近似计算3:,第五节 对实际气流特性的考虑,式中,k为比例系数,与物体形状和表面特性有关;为运动黏度;v为来流速度;x为沿物体长度方向上的距离。 边界层厚度的增加使气流速度减慢、压力回升,物体后部形成压力恢复区。边界层压力的增加与能量的损失实际上在表面形成了逆流,逆流排挤主流从而使之脱
