汽车动力学之空气动力学

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,汽车空气动力学,重 庆 大 学 汽 车 系,汽车动力学,前 言,汽车空气动力学,汽车受到的外力,路面作用力：驱动力，路面阻力,空气动力,重力,路面作用力,路面作用力,空气动力,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,例：,对于,C,d,A,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达,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。,对汽车外形演变的影响,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,汽车空气动力学研究内容,研究汽车运动时，空气对汽车的作用。,包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。,前 言,1.,空气动力学基础知识,1.1,连续性方程和伯努利方程,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,(Bernoullis Law),对于不可压缩流体，有：,mgz+mp/+mV,2,/2=,常数,流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。,气体的重力很小，若忽略气体的重力势能，则,p/+V,2,/2=,常数,或,p+V,2,/2=,常数,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,1.2,空气的粘滞性和气流分离现象,达朗贝尔悖论,(,dAlemberts,Paradox),对于上下对称，左右对称的物体，在气流中所受流体作用的合力应为零。,这显然不符合客观现实情况。,第一章 空气动力学基础知识,在无粘性气流中，所受合力为零。,在粘性气流中，所受合力不为零。,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,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。,1.,空气动力学基础知识节,e,v,Y,e,Y=0,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。,影响流态的因素：,雷诺数；物体表面状态。,1.,空气动力学基础知识节,减小压差阻力的措施,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、行李舱前部等处分离后，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,、汽车迎风面积、空气密度,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,车速有关。,空气升力、空气侧向力表示为,汽车空气动力学,2.,汽车空气动力与空气动力矩,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,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,内部阻力,(C,D,=0.053),；,D,诱导阻力,(C,D,=0.031),；,E,摩擦阻力,(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,后背倾角越大，气流的逆压梯度越大。,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。,诱导阻力,：随后背倾角增大，诱导阻力增大；随分离点前移，增大速度减缓，进而减小，直至至消失；,形状阻力,：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行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),：,在流体中运动的物体由于自身旋转而改变运动方向的现象。,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。,5.,侧向气流和空气动力稳定性,形心,形心,形心,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（,Body Pan,）,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（,Negative-lift Wing,）,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（,Hub Cap,）,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（,Rim Shield,）,轮毂罩的作用,引导制动器冷却气流，减小空气阻力，产生负升力。,6.,汽车空气动力学装置,涡流发生器的作用,产生涡流，使气流中的能量传递到附面层内，推迟气流分离的产生，减小空气阻力。,第五章 汽车空气动力学装置,Mitsubishi LANCER EVOLUTION,涡流发生器,(Vortex Generator),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,车身形体的演变,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、阻尼网构成。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,风洞的应用,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，得到动力系数及动力矩系数。,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,