汽车空气动力学

一、汽车空气动力学1、汽车空气动力学是研究汽车与空气相对运动的现象和作用规律的一门科学。2、汽车空气动力学的重要性：对汽车动力性的影响、对汽车经济性的影响、对操纵稳定性的影响、汽车空气动力学3、汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作用力在汽车上的作用点，我们通常称作为风压中心，记作C.P，由于 汽车外型的对称性，风压中心在汽车的对称平面内，但它不一定与重心（CG）重合。4、为了评价汽车的空气动力性能，引入气动力系数的概念。如气动阻力系数CX定义为：厂气动阻力FC = XX动压X正投影面积 1 p V 2A2 r式中，FX为X向气动阻力；p为空气密度；V为汽车与空气相对速度；A为汽车的正投影面积。气动阻力系数是一个Xr 无量纲数，它代表了气动阻力与气流能量之比。对于其它气动力系数也类似，对于气动力矩系，上式应除以一个特征 长度单位，使其成为无因次量，例如侧倾力矩系数CM C = MX式中，L为汽车特征长度（如轴距L）。Mx MX 1-p V2AL2 r下表给出了六分力的名称及系数公式名称代号系数公式气动阻力F (C )C =宀X - pV2A2r侧向力Fy（Cy）C =宀7- pV2A2r升力Fz（Cz）C =FZZ 1 -pV2A 2r侧倾力矩M (C )X MX7cMCMX - 1X-p V2AL2r俯仰力矩M (C )y my7小MCMY - 1Y -p V2AL 2 r横摆力矩M (C )Z MZ，CMzMZ1厶2 pVr2AL车动力性，经济性和轻量化带来很多好处。12%5、气动阻力组成及其比例 定义：空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力，这种阻力与车速平方成正比，为了克服气动阻力所消耗的功 率和燃料是随车速的三次方急剧增加的，当车速超过100km/h时，发动机功率有80%用来克服气动阻力，要消耗很 多燃料，在高速行使时，如能减少10%的气动阻力，就可使燃料经济性提高百分之几十，当前汽车设计师十分重视气 动阻力系数Cx,因为它直接关系到汽口形状阻力 摩擦阻力 诱导阻力 干扰阻力内循环阻力1)形状阻力当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，涡流产生意味着能 量的消耗，使运动阻力增大，汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处，以及后部尾流都出现了气流分离区，产 生涡流，即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形状有关，也 称形状阻力，它占整个阻力的58%。下图详细地显示了汽车周围流谱的情况，可见汽车仅前部很小区域存在层流，其 余大部分区域中的气流状态是紊流。对于运动的物体，分离现象产生越晚，空气阻力越小，所以在设计上力求将分离点向后推移。在一定形体上作局 部调整即可推迟涡流的生成。从而减少形状阻力。(2) 摩擦阻力 汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。空气与其它流体一样都具有粘 性，当气流流过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的流动，形成一种 阻力称为摩擦阻力。由于空气的粘性作用，使与平板表面接触的那层空气粘附在平板表面上，于是这层气流的速度/降为零。紧靠这 层气流上面部分的气流，由于空气微团之间的摩擦作用，部分地降低了它的运动速度，在它更上面的那部分，气流由 于受到的影响更小，因而其运动速度减小量也更小。这样最下面的那层气流速度V为零，随着距平板距离的增加，气 流的速度逐渐增大，一直增至与来流速度VR相等，形成了薄薄的附面层。由于附面层内有速度 梯度5 v，所以产生有粘性。(3) 诱导阻力切应力T，摩擦阻力直接与气流底层y=0处的速度梯度(a 5 v、5 y丿y 二 0大小有关，如今y=0处的粘性切应力为t ： T o二耳在标准状况下(一个大气压，15 C)，空气动力粘度n =1.7894X10-5Ns/m?。尽管空气动力粘度系数很小，但由于 附面层的厚度很小，附面层内的速度梯度很大，所以附面层内产生的切应力和摩擦力不能忽略。由于附面层外的速度 梯度较小，在那里我们可以不考虑空气的粘性作用而把它看成为理想流体。诱导阻力是由于气流经车身上下部时，由于空气质点流经上下表面的路程不同，流速不同从而产生压差，即升力， 升力在水平方向上的分力称为诱导阻力。诱导阻力系数CXi升力系数CZ间有如下近似关系：C2C F式中，b为汽车宽度，Xi厭Xi 1 p V2Ax =b AA为汽车正投影面积。2 -( 4)干扰阻力 它是车身外面的凸起物例如后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所造成的阻 力，占总阻力的 14%。( 5)内循环阻力 它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空气气流通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻力12%。6、行驶阻力与车速的关系汽车在实际道路上行使时，不仅会遇到气动阻力，由于汽车是靠车轮在地面上滚动才能前进，因而不可避免地还 会遇到滚动阻力；当汽车在有坡度的道路上行驶时，还会遇到爬坡阻力。此外，汽车在行使中必然会遇到各种交通情 况，时而需要加速，时而需要减速，因而还会有加速阻力。在水平路面上匀速行驶时只有气动阻力和滚动阻力，下面1F =C pV2AX 2 X aF = (G - F ) f fZ主要介绍这两种阻力。(1) 气动阻力 FX 由前面分析可知，无环境风时，气动阻力可以用下式表示(2) 滚动阻力 Ff 由汽车理论可知，轮胎在地面上滚动时产生的滚动阻力为： 式中，G为汽车重力，FZ汽车升力。如果汽车在水平路面上作等速行使，坡度阻力与加速阻力等于零，那么行使阻力 只有滚动阻力和气动阻力两项：刀F = (G - F ) f + C p V 2 AZXa7、发动机功率与车速关系2汽车行使阻力所消耗的功率(kw)为：SP=(G-F )fV+ 丄PCXAV33600 Z a 7200 X a而发动机功率p与阻力功率工p的关系为：p n =ep n为汽车传动效率。通常作用在汽车上的升力fz不大，如忽略eeZ升力项则有.P = （GfV + p C AV 3 ）升力坝，则有：e耳3600a 7200X a）T上式中，前一项为滚动阻力公式，它与车速成正比；后一项为气动阻力功率，它与车速的三次方成正比。8、对于一般轿车来说，当车速 Va=65km/h 时，滚动阻力功率等于气动阻力功率；当车速再大时，气动阻力功率迅速 上升，往往大于滚动阻力功率。可见，当汽车在高速公路上行使时，降低气动阻力很有现实意义。 气动阻力与最高车速的关系如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力，即：Ft 二（G -FZ ） / + 1 P CXAVa2 = Gf + 2 P AV a2（ C % - 乙）-1 12在其它因素不变情况下，具有最大驱动力Ft时，可以获得最高车速，可以得：Vtmaxa maxGft max2p A（ cx-CZ）可以看出，当Ft和G 定时，减小气动阻力系数CX使最咼车速V提咼，或提咼升力系数CZ可以使最大车速提tmaxXamaxZ咼。但应注意到提咼汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所以不能通过提咼CZ来提咼V。Zama9、加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究气动阻力对汽车加速度的影响。为简单起见，我们可以利用加速度公式来研究这一问题。对速度公式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度:dVadtdPedt3600 nGf + p C AV 22Xa上式中， dPe/dt 是表示汽车发动机功率随时间的增长率，它取决于发动机功率曲线。其值可由发动机试验确定。由 公式可知，汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能，其次，汽车加速度还与汽车的气动阻力系数CX近似反比 关系，减小汽车的空气阻力，就可以使汽车的加速度增大。同时看出，减小汽车重量G,也会有利于汽车加速度的提 咼。10、气动阻力对燃油经济性的影响影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选 择和使用保养等。11、影响汽车操纵稳定性的气动力可分为三组：（1）升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力；侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性；侧倾 力矩：关系到侧向稳定性；由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕 轴的侧倾力矩。这个力矩通过悬挂装置到车架至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于力矩回转的方向，使一侧车轮的负荷增加，而另一侧车轮负荷减 小（2）提咼操纵稳定性的汽车造型措施：不仅要减小侧向力，而且应该将其作用点向车身后方移动。12、克服升力和纵倾力矩的措施升力和纵倾力矩都将减小车轮与路面间的压力，因而它将使转向轮失去转向力，驱动轮失去牵引力。 如果汽车的风压中心处于重心之前，则更会对前端的“抬头”十分敏感，这时，速度愈快前轮升力愈大，致使“摆 头”也愈难控制，最终将导致失去操纵性。13、克服升力和纵倾力矩的汽车造型措施： 总体设计时，尽量做到风压中心与重心接近。 采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾部肥厚向上翘以产生负的纵倾角，借车身前部的倾斜而将迎面气 流压向路面，以抵抗因车底空气的挤压力而产生的升力。采用后置或中置发动机的总布置方案可使汽车前部十分低矮 这是目前跑车和赛车流行的布置形式。 在车顶后端或车尾做成翘起来的形状，可以很好地起到降低升力的作用。14、克服侧向力和横摆力矩的措施 横摆力矩关系到行驶时的直线性和侧风稳定性，它具体表现在侧向力对重心的关系上。 侧向力作用于重心之前，这时汽车头部将随侧向风向外侧转动，它趋向于使侧向力增大，导致稳定性恶化。 侧向力作用于重心之后时，汽车头部将向内侧转动，有利于减弱侧向力，提咼稳定性。侧向力作用在重心点上时，汽车将有侧移，但能基本保持行驶方向。15、克服横摆力矩的汽车造型措施： 总体设计时，尽量合理安排各总成，做到风压中心处于重心之后，以提高稳定性。 尽量压低车身高度，处理好横截面的流线型性，以降低横摆力矩。 车身后端加尾翘或采用方背式布置，使风压中心后移，以减小横摆力矩的不安定成分。但加尾翘后，汽车承受 的侧向风将增大，此点不容忽视。一般前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车则往往因其车身重心后移，因侧 向风的作用而产生不安定性。箱型车比一般小轿车的侧风稳定性要好一些，因箱型车的车身截面后部较大，风压中心在重心之后，当遭受侧风 时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。16、侧倾力矩侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并对左右侧车轮重量分配影响也较大。 侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，一般地，侧面流线型好的汽车，侧倾力矩就相对小。17、克服侧倾力矩的汽车造型措施： 在总体设计时，尽量使风压中心在高度方向上接近于侧倾轴线。尽量降低重心。 采用长度较小、宽度较大、车身低矮的布置形式。18、汽车空气动力学的发展:马车形汽车、箱形汽车、甲壳虫形汽车、船形汽车、鱼形汽车、楔形汽车、子弹头形汽 车19、方箱形造型：为了提高汽车的速度，发动机的尺寸变得越来越大，在座位下面已经无法容纳，只好布置在汽车的 最前面。把汽车的发动机从座位下面移动到汽车的头部，为尺寸和功率很大的发动机提供了宽阔的空间，使得汽车的 形状变成车头和客舱两个方正的部分，这就是方箱式的造型。20、物质存在的三种状态： 固态相对应的为固体 ；液态 相对应的为液体 ；气态 相对应的为气体由物质内部微观结构、分子热运动、分子之间的作用力决定的。（1）固体-具有固定的形状和体积。 在静止状态下，可以承受拉力、压力和剪切力。液体-具有固定的体积，无固定的形状。在静止状态下，只能承受压力，几乎不能承受拉力和剪切力。（2）气体-无固定的体积，也无固定的形状。 在静止状态下，只能承受压力，几乎不能承受拉力和剪切力。21、流体是液体和气体统称22、空气动力学的研究对象 空气动力学是流体力学的一个分支，它是从流体力学发展而来。 空气动力学是物理学的一个分支。 空气动力学-研究空气处于平衡和机械运动规律及其应用的学科。相对飞行原理（空气动力学实验原理）（1）飞行器空气动力学：飞行器在大气中飞行时的空气动力学问题（2）工业空气动力学 ：鼓风机、涡轮机、风力发电机的气动力问题；房屋、坑道通风、高层建筑的风压；汽车、高 速列车的阻力（3）空气动力学：低速空气动力学；高速空气动力学：、亚音速空气动力学、跨音速空气动力学、超音速空气动力学 空气动力学的分类23、实验研究的主要设备有风洞、水洞、激波管和测试仪器。此外还有自由飞实验和高速轨道车等实验办法。理论研 究运用基本的概念、定律和数学工具，抓住问题的主要作用因素，采用某种抽象出来的模型，作定量的分析，从而获 得规律和结果。数值计算通过有效的计算方法（有限基本解法、有限差分法、有限元素法等）利用计算机对实际流动 的问题进行数值模拟。实验研究、理论分析和数值计算三种方法各有利弊，相辅相成，互相促进。24、量纲和谐原理：（1）在正确反映客观规律的物理方程中，相加减 的各项量纲一致。（2）物理方程中各项量纲一致，与各个物理量所共同选用的单位制无关。（3）任一有量纲的物理方程可用无量纲方程表示。（4）物理方程中规律性不因基本物理量的不同而改变。2.1 流体属性 （P43）1、连续介质的概念07级机械电子工程班学习智能团-汽车空气动力学复习材料 在连续介质的前提下，流体介质的密度可以表达为： 流体为均值时 P二匹At流体为非均值时 P = lim Am ,其中at为流体空间的体积，A m 为其中所包含的流体质量At 流体在受压时其体积发生改变的性质称为流体的压缩性，而流体抵抗压缩变形的能力和特性称为弹性。类似于材 料力学，用弹性模量（这里是体积弹性模量）度量流体的弹性。其中E为体积弹性模量，v为流体体积，负号是因为当受压时dp0体积减小dv0，考虑到一定质量的流体m=pv =常数，其密度与体积成反比：pdv + vdp= 0,即-dv = dPvP体积弹性模量可写为E= dp =p空（N/m2）dppdp当E较大，则流体不容易被压缩，反之当E较小则流体容易被压缩。液体的E一般较大，通常可视为不可压缩流 体，气体的 E 通常较小，且与热力过程有关，故气体具有压缩性。对具体流动问题是否应考虑空气压缩性要看流动产 生的压强变化是否引起密度显著变化，一般情况下，当空气流动速度较低时，压强变化引起的密度变化很小，可不考 虑空气压缩性对流动特性的影响。实际流体都有粘性。下述直匀流流过平板表面的实验突出表明了粘性的影响 由于粘性影响，原来是均匀的气流流至平板后直接贴着板面的一层速度降为零，称为流体与板面间无滑移。稍外 一层的气流受到层间摩擦作用速度也也下降至接近于零，但由于不紧挨板面多少有些速度，层间的互相牵扯作用一层 层向外传递，离板面一定距离后，牵扯作用逐步消失，速度分布变为均匀。2、流体的粘性（p45）液体 温度升高，动力粘性系数变小，反之变大。 气体 温度升高，动力粘性系数变大，反之变小。3、作用在流体微团上的力的分类 按物理意义划分 惯性力、重力、弹性力、摩擦力等。按作用方式划分 表面力和质量力。质量力 外力场作用于流体微团质量中心，大小与微团质量成正比的非接触力，例如重力，惯性力和磁流体具有的电 磁力等都属于质量力，也有称为体积力，由于质量力与质量成正比，故一般用单位质量力表示，其向量形式为：- AF -_-f = 1込十=f i + f j + fk,upATx y z其中At是微团体积，p为密度，aF 为作用于微团的彻体力，i、j、k分别是三个坐标方向的单位向量，fx、fy、fz分别是三个方向的单位质量体积力分量。表面力 相邻流体或物体作用于所研究流体团块外表面，大小与流体团块表面积成正比的接触力。由于表面力按面积 分布，故用单位面积上的接触力即接触应力表示，由于接触应力一般与表面法线方向并不重合，故又可以将接触应力 分解为法向应力和切向应力。APAT指向作用面内法向应力称为压强。定义为p = limT= lim与作用面相切的应力称为切向应力。AAt0 AaAAtO Aa在运动流体内任取一个剖面一般有法向应力和切向应力，但切向应力完全是由粘性产生的，而流体的粘性力只有在流 动时才存在，静止流体是不能承受切向应力的。流体中的内法向应力称为压强p,其指向沿着表面的内法线方向。 压强的量纲和单位表示方法（1）压强量纲；（2）单位面积的力表示N/m2（Pa）或kPa；（2）用液柱高度表示， h=p/（m,cm,mm） ；（3）用大气压来表示，（气压表）；（4）用气象学中的单位ba表示，1ba=100000Pa 大气压强分标准大气压强和工程大气压强。patm=101325Pa=101.3kPa=1.013ba=1013mb pa=98000Pa=98kPa=980mb在静止流体中，流体内部任意一点的应力只有内法向应力，即压强。在理想（无粘）流体中，不论静止还是运动状 态，因为粘性系数为零，其内部任意一点的应力也只有内法向应力，即压强。5、流体静力平衡微分方程x 方向的表面力为：dxdydz dxdp dx), dydz=- dx 2丿dpdxdydz + f p dxdydz = 0 dxxx方向的质量力为：fxP dxdydz流体静止，则x方向的合外力为零: 平衡流体中距自由面深 h 处的压强来自于两部分的贡献：一是上方单位面积上的液柱重量Y h,因此压强随距自由面的淹没深度而线性增加。 二是自由面上的压强贡献P0,而该贡献处处相同与深度无关压强的计量： 以绝对真空为压强参考值计量的压强称为绝对压强，如上式中的 p以大气压 pa 为参考压强计量的压强称为相对压强， pb= p-pa 以大气压 pa 为参考压强，不足大气压部分的压强称为真空度 pv= pa-p 对于同一个压强值P，其相对压强pb与其真空度pv之间的关系为pb= -pv6、液体的相对平衡问题 在以匀加速运动或匀角速度转动的相对平衡液体中，如果将坐标系固连在以匀加速运动或匀角速度转动的容器上，对 液体引入惯性力，则同样可以利用平衡微分方程求解问题。如图圆筒作匀角速转动秒），求其中液体的等压面形状和压强分布规律。将坐标系固接于转轴上，并建如图坐标系。考虑距底壁为 z ,半径为 r 处单位质量流体，会受到一个向下的力大小为 g，还受到一个向外的惯性力大小为3 2r。在直角坐标系中，三个方向的单位质量力可表为fx兀f =2 y, f =-gxyz7、描述流体运动的方法：拉格朗日方法与欧拉方法2.1.3 流线、流管、流面与流量在某一瞬时t,从流场中某点出发，顺着这一点的速度指向画一个微分段到达邻点，再按邻点在同一瞬时的速度 指向再画一个微分段，一直画下去，当取微分段趋于零时，便得到一条光滑的曲线。在这条曲线上，任何一点的切线 方向均与占据该点的流体质点速度方向指向一致，这样曲线称为流线。在任何瞬时，在流场中可绘制无数条这样的流 线。流线的引入，对定性刻画流场具有重要意义。由于流线上各点的切线方向与该点的速度方向一致，则流线上的切线方向的三个余弦dx/ds, dy/ds, dz/ds必和 流速分量与合速度组成的三个方向余弦相同。表示为微分的关系是 称为流线微分方程 流线是反映流场瞬时流速方向的曲线。其是同一时刻，由不同流体质点组成的。迹线是同一质点不同时刻的轨迹线。 流线的性质：（1）在定常流动中，流体质点的迹线与流线重合。在非定常流动中，流线和迹线一般是不重合的。（2）在定常流动中，流线是流体不可跨越的曲线。（3）在常点处，流线不能相交、分叉、汇交、转折，流线只能是一条光滑的曲线。即在同一时刻，一点处只能通过 一条流线。（4）在奇点和零速度点例外。 2.2.1 流体微团的基本运动形式 在理论力学中，研究对象是质点和刚体（无变形体），它们的基本运动形式可表示为：（1）质点（无体积大小的空间点）只有平移运动（平动）； （2）刚体（具有一定体积大小，但无变形）运动除平移 运动外，还 有整体的旋转运动（转动）； 在流体力学中，研究对象是质点和不断变化形状与大小的变形体，就变形体而言，其运动形式除包括了刚体的运动形 式外，还有变形运动。 变形运动包括两种，其一是引起体积大小变化的边长伸缩线变形运动，其二是引起体积形状 变化的角变形运动。由此可得变形体的基本运动形式包括：（1）平动；（2）转动；（3）线变形运动；（4）角变形运动 2.2.1 流体微团的基本运动形式边界层： 流体沿固体壁面流动时，由于粘性，近壁面的流体将受阻而降速，随着流体沿壁面向前流动，流速受影响的区域逐渐 增大。通常定义，流速降至未受边壁影响流速的99%以内的区域为边界层。简言之，边界层是边界影响所及的区域。 边界层边界层内，考虑粘度的影响。边界层外，速度梯度小到可以忽略，则无需考虑粘度的影响。 边界层分为层流边界层与湍流边界层。在壁面的前一段，边界层内的流型为层流，称为层流边界层。离平壁前缘 若干距离后，边界层内的流型转为湍流，称为湍流边界层，其厚度较快的扩展。即使在湍流边界层内，近壁处仍有一 薄层，其流型仍为层流，即前述的层流底层。由上述可知：（1）流道扩大时必造成逆压强梯度；（2）逆压强梯度易造成边界层的分离；（3）边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能损耗。165 p p、沿程损失的表征h =12f Pg P g三、流态判别层流湍流管径d改变；流体粘度u改变；临界速度也随之改变 层流？湍流？雷诺公式：Re Rec湍流；Rec Re Rec 过渡 例 1：血管 d =2mm, v = 0.5m/s, u 血液=5囹10-6m2/s ，试确定其流动形态。解:0.5 x 2 x10-35 X10-6二 200 2320 u1x 10-6水流动为层流流态。1）惯性力：强化小扰动,促使液流趋于紊乱。2）粘性力：抑止小扰动,促使液流趋于稳定。二、汽车外形与空气动力特性的关系详见 P34-40.三、汽车空气动力学试验一、基本方法分类:1、模型风动试验法 2、实车风动试验法 3、 实车道路试验法 4、试验的基本方法二、风动试验法： 1、天平测力法 （测量力、力矩） 2、流态显示法（丝线法、烟流法、油膜法） 3、流场测量 法 （风洞内流场的气流参数）三：流态显示法： 1、气流可视化技术2、油膜法3、流烟法四、风洞试验项目：1、车辆的冷却风量2、发动机冷却空气动力特性3、刮水器上浮试验4、风噪声试验5、驾驶室通风、换气试验6、空调试验7、环境试验8、其他试验3、吊线测定法五、汽车风洞试验装置 测定空气动力方法 1、四轮支架天枰法2、支柱架测定法风洞型式13风洞型式D=rJ rilt开式风洞注：风洞试验中 为了接近实际行车状态，使边界层可吸入 加乱流边界层吸收装置以控制后流极大减小乱流脱离状态 六、装置前扰流器后可遮住部分前轮，减小升力装备前后扰流器，CL降至0.1，CD也得到改善前后车轮箱之间吊挂铝板的侧护裙，测试中振动大与其他辅助部件的关系需进一步研究准备仓促，可能内容有所缺漏，请大家结合书本复习，谢谢0( n_n)O07级机械电子工程(1)班学习智能2010年 6月 1日星期二00:30