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1、第四章 空气动力学基础,第一节 概述,当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用力，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。 研究的主要内容：对车外流和对车内流 研究的目的：减少风阻、提高侧风稳定性、 提高发动机进气管道的效率等等。,空气动力学的主要研究内容可概括为： 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。 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。 比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及对试验结果的分析。 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。,第二节
2、 空气的特性,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： 法向应力：两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生 切向应力：微团间相互滑动，存在分子间的动量交换,两种不同形式的相互作用力如下图所示,通常情况下，两种形式的应力同时存在，只是所占的比例不同。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。,一、空气密度,空气做不规则运动，其能量受温度的影响，温度越高，分子速度越高，移动距离越远。若单位体积内分子数目保持不变，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
3、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。,在研究空气动力学时，通常以NACA/ NASA标准值作为参照基准。 NACA/ NASA标准：对于海平面上的干燥空气，标准压强为1.013105N/m2，标准温度为15，重力加速度g为9.8m/s2，在上述规定的条件下标准空气密度等于1.225kg/m3,实际上，空气大多处于非标准状态，空气密度的变化遵循气体状态方程，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,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
4、不变的情况下，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。,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,二、空气粘度,粘度用来表述流体的粘性，流体粘性力由气体的粘性和内部速度梯度共同决定。粘性力在流体间相互传递，通过依附于固体表面很薄的边界层作用于物体表面。 流体越粘，流体传至物体的力也越大。,粘度分为：动力粘度 和运动粘度 动力粘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时的空气动力粘度为标准值，大小等于1.822
5、10-5Pas 运动粘度定义为动力粘度与密度的比值 即： 单位为m2/s 在标准状态下，空气的运动粘度为 1.42810-4m2/s,第三节 伯努利方程,当理想不可压缩流体作定常运动时，可采用 伯努利方程来描述其力学特性。 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。,物体边界层以外的流体简化为非粘性流体，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），因此在车辆空气动力学研究中，通常可以忽略车身周围气体密度的变化。,现根据相对运动原理来研究空气动力学问题。在下面的推导中，
6、假设空气流动。,图4-2所示的一根空气管道可看作是由若干流线（表示定常连续流体的流向，流线越密的区域标识流速越大）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，能量的形式可以是以下三种：,1、势能。与流体高度变化有关，与流体密度和高度成正比，对车辆空气动力学研究来说，可以忽略不计。 2、动能。其表达式如下：,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，且静压力在各向均匀作用，因而流体内部必须有相等的压力
7、来保持平衡，如图4-3所示。,流体微元的压力能等于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：,为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等于： 上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压，第二项定义为动压q。,伯努利方程表达了在理想流场中沿流束的能量守恒定律，即流体静压和动压之和为常数：,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为驻点，其压力等于静压与动压之和，称为驻点压力。,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，如动压增加，则流体的静压必定减
8、小，反之亦然。翼剖面就是一种利用压力变化来产生动力的装置，如图4-5所示。,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:,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”。这种情况下，若翼剖面顶部的压降大于大部压降时，则形成升力，此时顶部空气流动更快，相对负压力的分布如图4-7所示：,由伯努利方程可知，气流的动能转化为静压。静压在
9、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。若要将动压有效的转化为静压和升力，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。,二、压力系数 设车身某点的局部压力位p及速度为v，远处气流的压力及速度分别为p、v,由伯努利方程有： 若定义 为压力系数 ，可得,第五节 对实际气流特性的考虑,实际中的空气并非理想气流，在实际中首先考虑的是物体表面的空气边界层。由粘滞作用产生的剪切力对边界层影响显著，剪切力使得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。 实际中，绝大多数边界
10、层处的气流式湍流，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列公式近似计算： 式中，k为比例系数，与物体形状和表面特性有关；v为运动粘度；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落壁面，这种现象称作边界层分离，如图4-9所示,对汽车而言，其后部边界层通常会从车身上分离出来，并且气
11、流会分解成所谓的扰动尾流，边界层变厚过程及尾流形成过程 如图4-10所示：,由图4-11所示的风洞试验可知，只有在图总所示的扩散角100的情况下才会膨胀并贴紧边界面。,如果角过大，那么气流就会从风洞壁上脱离并伴有随机湍流生成。车辆车身较短，且为非流线型，因而上述现象常出现在车辆后部。图4-12a所示的烟雾说明了这类的分离情况。,第六节 空气动力学试验,在研究车身这类非流线体特性时，空气动力学试验已成为一种标准方法。风洞测试中，可采用整车模型或比例模型进行试验，也可进行道路实车试验。通过模型试验确定设计车辆的空气动力特性，对某些设计环节或部件进行改进，完善设计。 本节首先讨论风洞试验和雷诺数，然
12、后介绍各种用于实车试验的测试技术，最后对空气阻力和力矩系数进行介绍。,一、风洞试验,风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来观察模型附近流线的变化。 风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段组成。(图4-13/14分别为两种常见的风洞形式),1、直流式风洞（埃菲尔式风洞）,2、回流式（哥廷根式）风洞,整个风洞的尺寸基本上由风洞试验段的尺寸决定，而试验段的尺寸由车辆迎风面积和风洞横断面面积的关系（通常为固定的比例关系，称为“堵塞比”）决定。为了尽可能减小堵塞效应，堵塞比应小于0.07。 横断面壁面类型如图4-
13、15所示,在车辆设计的初期，空气动力学试验通常在规模较小、成本较低的风洞中进行模拟测试。但以下两个问题值得注意： 1、现代汽车的车底净空间很低，因而车身底部和其相邻四周的气流称为影响升力与俯仰力矩大小的关键因素。 2、关于“流体相似性”或风洞试验中与全尺寸车辆模型有关的流体特性的模拟问题。,由于沿着平板流动的空气会产生边界层，边界层的厚度随着离前缘距离的增大而增大，如图4-16所示：,二、雷诺数,满足模型和实际汽车流体特性相似（即具有相似的摩擦力和惯性力关系）的基本条件是，二者应具有相同的雷诺数。 雷诺数常用Re来表示，定义如下 式中， 是气流速度；L是适当选择的描述流体特性的长度； 是流体的
14、运动粘度。,对雷诺数Re的物理解释如下：动态压强等于 ，是运动粒子与物体相撞后动能转换为压力所引起的单位面积受到的力。所以，惯性力和动压的作用面积之积成正比，即： 单位面积所受到的摩擦力为 式中， 是动力粘度， 是随流体层距离改变的速度变化率,根据单位面积的摩擦力，可计算出实际面积的摩擦力为 所以，惯性力与摩擦力的比值正比于雷诺数 即：,三、流场可视化,无论是风洞还是道路试验条件下，总是期望能看到从稳态到流体分离，直至尾流区中流体的流线。流场可视化的方法较多，如丝线法、烟流法、荧光微线法、油流法、升华法等。虽然只是定性分析，流场可视化仍可显示出问题所在，以及改型后的改善程度。,丝线法。最简单的
15、一种方法，将柔软的短细丝线、尼龙线或羊毛等的一段粘在试验模型的表面上，另一端能随着气流自由摆动。 图4-17所示为在风洞中装丝线的机翼模型。,图4-18是一个典型的格栅装置以及由后掠式机翼干扰后的丝线形态的照片，它显示机翼尖端存在涡流。,低速风洞用烟雾可用来实现流体特性的可视化，图4-19所示为一个二维烟道以及一典型流体图片。,第七节 汽车的空气阻力,为了统一路面车辆空气动力学发表的数据和报告，为世界各地的相关研究人员提供一个标准，SAE路面车辆空气动力学委员会发布了J1594标准，即“汽车空气动力学术语”，其中定义了标准参考坐标、空气动力和动力矩及其系数。,一、SAE标准坐标系,图4-20所
16、示，SAE标准坐标系的原点位于轮距中心线和轴距中心线在地面投影的交点处。x向前为正，y向右为正，z垂直向下为正。,二、空气阻力系数,汽车受到的空气阻力主要由车身表面的压力变化引起，而车身表面的压力变化与理想流体的动压q直接相关。实际作用力与作用面的面积成正比。最后，必须考虑车身外形对车身速度的影响。,SAEJ1594标准中定义了一个无量纲的空气阻力系数CD为： 这样，系数CD就是单位动压单位面积的空气阻力，体现了气流可获得的动能所转化的压力和阻力，它是代表汽车空气阻力动力学性能的一个重要评价参数。,采用空气阻力系数的好处是，风洞试验中一旦动压q、参考面积A以及车辆轴距WB确定后，对其他速度、空气密度以及车身尺寸的车辆来说，不需要再进行风洞试验就能计算出相应的空气阻力和力矩。,三、空气阻力,汽车在路面上行驶时所受到的总的空气阻力由压差阻力分量（包括形状阻力、内循环阻力和诱导阻力）和摩擦阻力两大部分组成。同时，可能还有侧向气流的影响。,1、形状阻力,形状阻力占压差阻力的大部分，主要与边界层流态
