第四章汽车外形设计与空气动力学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章,汽车外形设计与空气动力学,西华大学交通与汽车学院,汽车空气动力学,汽车受到的外力,路面作用力,空气动力,重力,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,对于,C,d,2,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别,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。,对汽车外观的影响,汽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,如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种泪滴造型的,Cd,风阻系数只有。,1.,空气动力学基础知识,1.1,连续性方程和伯努利方程,(Bernoullis Law),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,1,V,1,A,1,= ,2,V,2,A,2,= =,常数,对于不可压缩流体（,1= 2 = =,常数），有,V,1,A,1,= V,2,A,2,= =,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,伯努利方程,对于不可压缩流体，有：,mgz+mp/+mV,2,/2=,常数,即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。,当气体流速不太高时，密度,可视为不变，且气体的重力很小，则,p/+V,2,/2=,常数,或,p+V,2,/2=,常数,即静压力与“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,同向行舟,:,1.,空气动力学基础知识节,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,1.2,空气的粘滞性和气流分离现象,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。,e,P,Y,e,Y=0,1.,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，使流束截面较比迎流面小，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。,1.,空气动力学基础知识节,减小形状阻力的措施,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、车顶前端、行李前部等处分离后，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：,C,P,=,P,P,V,2,/2,C,P,=,1,(,),2,V,V,。,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,C,g,，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：,侧倾力矩,(Rolling Moment),M,X,、俯仰力矩,(Pitching Moment) M,Y,、横摆力矩,(Yow Moment) M,Z,。,空气动力的表达式,空气阻力与气流速度的平方,V,2,成正比，与汽车迎风面积成正比。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,C,d,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,流速有关。,空气升力、空气侧向力表示为,汽车空气动力学,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,M,X,、,横摆力矩,M,Z,也表示为,2.,汽车空气动力与空气动力矩,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 Flow 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,C,d,总值：,A,形状阻力,(C,d,=0.262),；,B,干扰阻力,(C,d,=0.064),；,C,形状阻力,(C,d,=0.053),；,D,形状阻力,(C,d,=0.031),；,E,形状阻力,(C,d,=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),：,后背倾角,20,；,舱背式,(Hatch back),：,后背倾角,20,50,；,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,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。,随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，最终减小，至消失；,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,减小诱导阻力，同时减小空气升力。,3.,空气阻力,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等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,车轮旋转,旋转车轮在气流中,路面上的旋转车轮在气流中,马格纳斯效应,(Magnus effect),：,在流体中运动的旋转圆柱受到力作用而影响它的行进路线的一种现象。,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,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,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。,形心,形心,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。,6.,汽车空气动力学装置,后扰流器形式,6.,汽车空气动力学装置,6.,汽车空气动力学装置,6.,汽车空气动力学装置,6.3,导流罩（,air deflector/air shield,）,导流罩的作用,避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。,6.,汽车空气动力学装置,货车的后导流罩,6.,汽车空气动力学装置,6.4,底板,底板的作用,使汽车底面平整光滑，以减小空气阻力和空气升力。,降低车外噪声。,6.,汽车空气动力学装置,6.5,裙边（,side fairing),裙边的作用,使前后轮之间的车身侧面下部平整，减少车轮与气流的相互作用，以降低空气阻力。,阻碍底部气流从侧面流出。减小侧面涡流强度；可能增大底部压力。,6.,汽车空气动力学装置,货车的裙边,6.,汽车空气动力学装置,6.6,垂直尾翼,垂直尾翼的作用,使气压中心后移，改善空气动力稳定性。,增大空气侧向力。,6.,汽车空气动力学装置,6.7,车轮整流罩,(Wheel cover),车轮整流罩的作用,减小车轮转动引起的干扰阻力；,减小翼子板开口引起的干扰阻力。,6.,汽车空气动力学装置,6.8,车轮导流板,车轮导流板的作用,减小车轮引起的空气阻力。,前轮前导板,后轮前导板,后轮后导板,前轮前导板,后轮前导板,后轮后导板,6.,汽车空气动力学装置,6.9,负升力翼,负升力翼的作用,产生向下的空气升力，提高附着力。,例：,总质量,750kg,，附着系数，转弯半径,200m,，,无负升力装置，最大车速,190km/h,，向心加速度；,负升力为车重的,36%,，最大车速,222km/h,，向心加速度；,负升力为车重的,106%,，最大车速,270km/h,，向心加速度。,6.,汽车空气动力学装置,6.,汽车空气动力学装置,6.10,轮辐盖,轮辐盖的作用,防止气流进入车轮，减小轮辐对气流的干扰,从而减小干扰阻力。,制动器散热效果差。,6.,汽车空气动力学装置,6.11,轮毂罩,轮毂罩的作用,引导气流，减小空气阻力，产生负升力，冷却制动器。,6.,汽车空气动力学装置,汽车的楔形造型趋势,楔形,前低后高，后端垂直截断。,楔形造型的空气动力学特点,前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小；,发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小；,后端上缘的尖棱，使诱导阻力较小；,前低后高，,“,翼形,”,迎角小，使空气升力小；,侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。,汽车空气动力学,发动机盖应向前下倾,风窗玻璃应尽可能,“,躺平,”,，且与车顶圆滑过渡。,调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。,越野车很难做到,风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。,水平投影应为腰鼓形。,后端稍稍收缩，前端呈半圆形。,面与面交接处的棱角应为圆柱状。,过渡不理想,面与面交接处的棱角应为圆柱状。,尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。,减少凸起物，形成平滑表面，如门把手改为凹式结构，刮水器改为内藏式，车身侧面的窗玻璃与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面平滑。,在保险杠下面，应安装合适的扰流板。,车轮盖应与轮胎相平。,思考：,F1,方程式赛车为什么不用车轮盖？,整个车身应向前倾,1,2,。,2,）整车,最好,采用方背,式,或快背,式。,若,用阶背,式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。,后面应采用鸭尾式结构。,所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。,4,）车身底部,底部比较凌乱,底部比较凌乱,仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。,5,）发动机冷却通风系统,冷却前制动器,冷却前制动器,冷却发动机和制动器,冷却后制动器和润滑系统,冷却发动机和前制动器,冷却后制动器,为发动机提供充足的空气,气动造型的,整体最优化,箱型：,气动阻力系数平均值为；,甲壳虫型：,气动阻力系数约为，其高速气动性能明显优于箱型汽车，但“甲壳虫型”汽车抗侧风干扰稳定性较差。之后经过更细致的风洞试验研究，发现“甲壳虫型”的尾部气流涡区较大；,船型：,船型汽车抗侧风稳定性强，前、后翼子板与侧围形成一个整体，改善了车身两侧气流状态，气动阻力系数保持在左右。但船型汽车尾部呈阶梯状，高速时会产生较强的空气涡流；,鱼型：,把船型车的后背不断倾斜，成为背部像鱼的脊背式汽车；但存在后方视野和乘座舒适性较差的缺点，且气动升力问题也比较突出；,楔型车：,把气动阻力的一部分化解为向下的负升力，整车表面的压强分布变化均衡，表面的分离涡较少，很好地解决了气动阻力与气动升力的矛盾，,楔型轿车表面压强分布,未来轿车的外形,减小,C,D,值要遵循的要点总结如下：,理想的气动外形,正面：尽可能采用宽而低的扁平型以及无棱角的圆滑过渡；,侧面：应尽量降低车身总高度；减小离地间隙；前端扁平、后端尽可能使阻力降低；加尾翼（从减小阻力和保证方向稳定两个方面考虑）,从顶面看，车身前端接近半圆形，而整车的俯视形状尽可能接近腰鼓形,现代汽车气动造型的研究和开发是上述两条技术路线的综合，即以整体最优化为气动造型基础，再辅以局部优化造型，力求使气动造型尽善尽美。,理想的气动外形,现代汽车的空气动力学设计应满足下列要求：,将车身设计成楔形或快背式，尽量把前端压低、前风窗与发动机罩、顶盖与侧面的过渡部分尽可能圆滑光顺；,设置前后扰流器等空气动力学装置，改善气流状态；,车身底面平滑化，或设置光滑地板，以降低空气阻力；,尽可能减少车身外表面的凸凹面和凸出物，如采用电子后视镜；,合理设计并控制发动机的冷却气流，强制空气处于有理流动状态，提高冷却效果并减小内循环空气阻力。,6.1,汽车风洞,风洞是产生人工气流的装置。,风洞类型,按尺寸大小分为：,整车风洞、模型风洞；,按气流是否循环分为：,直流式风洞,(,开式风洞,),、回流式风洞,(,闭式风洞,),。,按气流速度分为：,低速风洞、高速风洞,(,亚音速、跨音速、超音速、高超音速,),。,6.,汽车风洞试验,汽车空气动力学,风洞结构,稳定段,由蜂窝器、阴尼网构成。其作用是衰减涡流，提高气流品质。,收缩段,是一截面积逐渐缩小的通道。其作用是使气流加速。,试验段,是试件、测试装置安放区。有开式试验段和闭式试验段两种类型。,扩散段,是一截面积逐渐扩大的通道。其作用是使气流减速，以减小流动的能耗。,风扇及整流装置,风扇使空气流动。整流装置将旋转气流导直。,对于回流式风洞，还有冷却装置、换气装置、拐角导直片等。,6.,汽车风洞试验,除了保持较低的风阻系数以外，还需要寻找一个下压力和空气阻力之间的平衡点。,风洞的应用,6.,汽车风洞试验,6.,汽车风洞试验,6.2,汽车风洞试验,空气动力及空气动力矩试验,测量汽车受到的空气动力及空气动力矩，得到动力系数有动力矩系数。,压力分布试验,测定汽车表面压力分布，得到表面的压力系数。,流动显示试验,观察气流流动状态，显示汽车周围气流流谱。,烟流法,飘带法,油膜法,升华法,6.,汽车风洞试验,烟流法,层流附面层，烟流的轮廓清晰；,层流转捩为紊流时，烟流突然冲散；,产生气流分离时，烟流离开物面。,飘带法,层流附面层，飘带顺气流方向几乎不动；,附面层转捩为紊流时，飘带明显抖动；,在气流分离区，飘带剧烈抖动并明显回卷。,6.,汽车风洞试验,飘带法可用于道路试验。,6.,汽车风洞试验,油膜法,层流附面层，油膜形成的条纹均匀而细致；,紊流附面层，油膜形成的条纹呈较粗的沟条或似木纹；,在气流分离线，油膜形成堆积带；,在气流分离区里，油膜基本无变化。,升华法,层流附面层，升华较慢；,紊流附面层，升华较快；,在气流分离区里，升华最慢。,6.,汽车风洞试验,6.3,风洞试验的几个问题,阻塞效应,试件周围的气流受到洞壁的限制。,阻塞效应带来了试验误差。,减小阻塞效应误差的措施,采用开口式试验段。,阻塞比（试件迎风面积与试验段横截面积之比）小于,5%,，试件高度、宽度分别小于试验段高度、宽度的,1/3,。,对试验结果进行修正。,6.,汽车风洞试验,地板附面层,试验段地板与气流的相对运动与实际现象不一致。,试验段地板附面层带来了试验误差。,减小地板附面层影响的措施,镜象法,将对称轴上的流线看作固体物面。,离地间隙法,将试件抬高于地板附面层之上。,吸入法,地板前部开缝，将附面层吸除。,传送带,让“地板”以与气流相同的速度运动。,可使车轮转动。,6.,汽车风洞试验,用传送带作试验段地板,6.,汽车风洞试验,支架干扰,支架用于安装试件，传递所受空气动力。,支架对气流的干扰带来了试验误差。,减小支架干扰的措施,用试验方法确定附加干扰阻力的大小，再对试验数据进行修正。,影响模型试验其他因素,对于缩小比例的模型试验，除要求的相似准则不能完全相等外，还有以下影响模型试验结果的其他因素，使其难以模拟干扰阻力和内部阻力。,几何相似,内部气流,旋转车轮,热状态,6.,汽车风洞试验,