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1、,汽車空氣動(dòng)力學(xué),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: 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； 汽車表面及周圍的流譜和局部流場(chǎng)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； 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； 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。,轎車空氣動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容,
2、2.1 空氣動(dòng)力學(xué)基本概念,“流場(chǎng)”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(chǎng)，壓強(qiáng)場(chǎng)和密度場(chǎng)，統(tǒng)稱為“流場(chǎng)”。隨時(shí)間變化的流場(chǎng)，稱為“非定常流場(chǎng)”；不隨時(shí)間變化的流場(chǎng)，稱做“定常流場(chǎng)”。 “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(chǎng)中，許多流線的集合，可通過流譜來描述氣體流動(dòng)的全貌。,2.2
3、 前提假設(shè),車速小于360km/h ，空氣不受壓縮，即空氣密度不變； 外層空氣（遠(yuǎn)離物體表面）為無粘滯性的理想氣體； 相對(duì)運(yùn)動(dòng)等效：把汽車看成靜止的，空氣繞汽車周圍流動(dòng)。,2.3 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),2.4 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)。,2.4 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(duì)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(duì)速度變?yōu)榱恪｀?/p>
4、近該表面的空氣層也被粘滯摩擦力所阻滯，其相對(duì)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(duì)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。,2.5 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(duì)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
5、增大。,汽車表面的附面層,發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗凹處的渦系,3、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)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，與車身形狀有關(guān)。,3.1 氣動(dòng)力,迎風(fēng)面積的定義,3、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)d、側(cè)力系數(shù)y、升力系數(shù)z,氣動(dòng)力分量：x氣動(dòng)阻力、y側(cè)向分力、z氣動(dòng)升力。,3、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
6、y,橫擺力矩z,側(cè)傾力矩x,Xc、c風(fēng)壓中心到質(zhì)心距離； 為特征長(zhǎng)度，一般指軸距。,,3.2 氣動(dòng)力矩,氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩,4、汽車氣動(dòng)阻力的組成,汽車的阻力系數(shù)d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%；,無粘流繞二元圓柱的流動(dòng),粘流繞二元圓柱的流動(dòng),車身表面壓強(qiáng)分布特性,4、汽車氣動(dòng)阻力的組成,2、摩擦阻力
7、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57。要減小誘導(dǎo)阻力，就應(yīng)設(shè)法減小升力；,4、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1013%。,典型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)部的流譜,5、汽車的氣動(dòng)升力,汽
8、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(duì)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。,6、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：,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。,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
9、空氣入口處的優(yōu)化：設(shè)置在正壓區(qū)。,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,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。,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。,實(shí)際應(yīng)用,較成功的整體氣動(dòng)造型轎車,參
10、數(shù)設(shè)置：氣流屬性大氣環(huán)境參數(shù)迭代參數(shù)等,汽車最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程,車頭邊角對(duì)CD的影響,車頭流線型式對(duì)CD的影響,車頭下緣突起對(duì)CD的影響,發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗斜度對(duì)CD的影響,轎車A立柱外形對(duì)阻力系數(shù)CD的影響,側(cè)壁外鼓尺寸對(duì)CD的影響,頂蓋上鼓尺寸對(duì)CD的影響,后風(fēng)窗斜度對(duì)CD的影響,最佳車尾高度,實(shí)例: VW-Passat車后風(fēng)窗斜度后后行李箱蓋的高度對(duì)CD的影響,后體橫向收縮對(duì)CD的影響,車身低部高度對(duì)CD的影響,車身低部縱傾角對(duì)CD的影響,車身底板縱曲率對(duì)CD的影響,前擾流板高度、位置和傾角對(duì)氣動(dòng)阻力的影響,a) 后擾流器起作用,b) 后擾流器不起作用,后擾流器的形狀和位置對(duì)CD的影響,車頭產(chǎn)生負(fù)生力的原理,車頭造型對(duì)前部氣動(dòng)升力的影響,車尾造型對(duì)后部氣動(dòng)升力的影響,后擾流器對(duì)表面壓強(qiáng)的影響,
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