空气动力学基础课件

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,最新课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,最新课件,*,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,第四章空 气 动 力 学 基 础,1,最新课件,第四章空 气 动 力 学 基 础1最新课件,第一节 概述,空气动力对车辆系统动力学的影响,空气阻力对车辆高速行驶动力学影响显著,气动压力可增加轮胎载荷，提高车辆操纵稳定性,侧风稳定性也是车辆行驶稳定性的重要内容,车辆空气动力学的主要研究内容,通过车身造型、流体控制、内部流道设计减少空气阻力,增加气动压力，同时减少对轮胎侧偏力的影响,空气动力学试验及结果分析,研究空气动力与底盘设计及车辆使用性能之间的关系,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,2,最新课件,第一节 概述 空气动力对车辆系统动力学的影响2最新课件,第二节 空气的特性,空气作用力的基本形式,法向力与切向力,空气微团的剪切力很小，通常表现为法向压力。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,3,最新课件,第二节 空气的特性 空气作用力的基本形式3最新课件,边界层与分离气流,当流体绕物体流动时，在物体壁面附近受流体粘性影响显著的薄层称为边界层。,在边界层中，由于存在较大的速度梯度，因此剪切力较大。,边界层上会产生分离气流，切向力使气流急速旋转，阻力提高，升力损失。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,4,最新课件,边界层与分离气流4最新课件,一、空气密度,在压强、温度、重力加速度为标准值时，标准空气密度为,a,=1.2258kg/m,3,。,空气密度的变化遵循气体状态方程,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,5,最新课件,一、空气密度在压强、温度、重力加速度为标准值时，标准空气密度,二、空气粘度,粘度和粘性力,用粘,度表述流体粘性。,流体粘性力由流体的粘度和内部速度梯度决定。,粘性力在流体间传递，通过边界层作用于物体表面。,粘度的分类,动力粘度（绝对粘度）,15,时空气的动力粘度为标准值,1.822*10,-5,Pas。,运动粘度（相对粘度）,动力粘度与密度的比值乘以重力加速度。,是雷诺数表达式中的一个参数。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,6,最新课件,二、空气粘度粘度和粘性力6最新课件,第三节 伯努利方程,一、基础与应用,建立在,理想流体,假设和,流体能量守恒,基础之上，描述流体速度和压强之间的关系。,正常车速范围内，可假设空气是不可压缩的，密度变化不大。,伯努利方程可以预测不同形体的表面压力和升力，尤其适用于不存在气流分离或边界层变化小的形体。,由于只考虑法向压力，因此并不涉及由切向力决定的空气阻力。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,7,最新课件,第三节 伯努利方程 一、基础与应用 7最新课件,二、,伯努利方程,空气管道可以看成由若干流线构成的流管。,流体微团的总能量为压力能与动能之和。,伯努利方程表明，在理想流场中沿流束的能量守恒定律，即流体静压p与动压q之和为常数。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,8,最新课件,二、伯努利方程空气管道可以看成由若干流线构成的流管。8最新课,环绕物体的气流会向多个方向流动，其分流点称为驻点。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,9,最新课件,环绕物体的气流会向多个方向流动，其分流点称为驻点。9最新课件,第四节 压力分布和压力系数,一、压力分布,1、翼剖面,翼剖面是一种利用压力变化来产生动力的装置。,当空气流过翼剖面上下表面时，速度都会加快。,由于上表面的曲率和长度更大，因此上部空气的流速增加得更多。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,10,最新课件,第四节 压力分布和压力系数 一、压力分布10最新课件,2、压力的分布,通过翼前端截面的空气体积与流过后端的体积相等，因此在翼剖面较厚之处流管变细，流速增加。,流管的“弹性”特性：,中间流速大，静压下降，流管截面变小；,后端流速减小，压强增加，流管扩张。,顶部空气流动更快，产生的负压（指向表面以外的）要比底部大，因此将产生向上的升力。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,11,最新课件,2、压力的分布11最新课件,3、升力的产生,伯努利方程表明，气流的动能可以转化为静压力，作用在物体表面形成升力或压力。,升力的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；,将动压转化为静压和升力的效率与物体的形状有关。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,12,最新课件,3、升力的产生12最新课件,二、压力系数C,p,1、定义,假设车身某点压力p、速度v，来流压力p,、速度v,，定义压力系数,车身上某点的速度v与来流速度v,之间的关系依赖于,车身形状,车速相对于流体的方向,该点所在的车身位置,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,13,最新课件,二、压力系数Cp13最新课件,2、压力系数的取值,给定点的实际压力,压力系数的取值范围,在气流平面的中心，气流速度减小为0，压力系数取最大值1。,车辆行驶速度为160km/h，给定点气流流速为320km/h，则压力系数为-3。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,14,最新课件,2、压力系数的取值14最新课件,第五节 实际气流特性概述,一、边界层分离,实际空气并非理想气流，车身并非光滑。,在边界层，粘滞作用产生的剪切力使空气的流速和能量降低。,边界层沿着物体逐渐变厚，气流由层流变为湍流。,边界层的气流流速减慢，压力升高，在表面形成逆流，排挤主流使之脱离壁面，称为边界层分离。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,15,最新课件,第五节 实际气流特性概述 一、边界层分离15最新课件,二、尾流,对于车辆，其后部的边界层会从车身上分离出来，气流会分解成扰动尾流。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,16,最新课件,二、尾流16最新课件,三、扩散角对气流的影响,风洞扩散角,只有小于10时，气流才会膨胀并贴紧边界面。,如果,角过大，气流就会从风洞壁上脱离并伴有随机湍流生成。,这种情况常出现在汽车后部。,尾流处的白色烟雾因湍流的混合而变得稀薄，流线消失。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,17,最新课件,三、扩散角对气流的影响17最新课件,四、气流分离对空气阻力的影响,气流分离现象产生的尾流区域压力很低，从而增加了压差阻力。,对于后部倾角较大的快背式车辆，气流在顶部分离，空气阻力较大。,当后部倾角为28时，气流是在后窗较低边缘处分离的，因而尾流较小，空气阻力就小。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,18,最新课件,四、气流分离对空气阻力的影响18最新课件,第六节 空气动力学试验,一、风洞试验,1、风洞试验及其重要性,做出车辆模型，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；,用喷烟等方法观测模型附近流线的变化。,由于车辆外形的复杂性，其空气动力特性很难准确计算出。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,19,最新课件,第六节 空气动力学试验 一、风洞试验19最新课件,2、风洞的组成和各部分的作用,动力段：,使空气流动，改变风速。,收缩段：,使气流加速；,保证出口气流均匀，平直且稳定。,试验段：,放置模型，是风洞的中心部分。,尽可能模拟真实流场。,扩散段：,降低流速，减少摩擦损失，节省风扇电动机功率。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,20,最新课件,2、风洞的组成和各部分的作用20最新课件,3、风洞的分类,开式设计的风洞（埃菲尔式）,送风和排气都是开口的。,采用了无回风道，不用冷却装置。,噪声污染和空气污染大，需装过滤系统。,所需的送风装置功率较大。,闭式设计的风洞（哥廷根式）,空气流构成封闭的回路。,气流在闭合的回路中循环流动，与外部条件无关。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,21,最新课件,3、风洞的分类21最新课件,4、风洞的截面尺寸,风洞的截面尺寸基本由其试验段尺寸决定。,试验段尺寸由车辆迎风面积和风洞送风横断面面积的关系（堵塞比）决定。,为了尽可能接近“无粘流体”，堵塞比应小于0.07。,导致风洞费用极高。,通过调整送风横断面，可以尽量减小车用风洞的尺寸。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,22,最新课件,4、风洞的截面尺寸22最新课件,5、试验段的壁面类型,（1）开式壁面,通常在上壁和侧壁开口。,流体在运动方向上压力基本保持恒定。,可以保证测量精度和良好的渐进性。,有效长度小，损失系数高，噪声辐射大。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,23,最新课件,5、试验段的壁面类型23最新课件,（2）闭式壁面,能量损失少，噪声小，有效长度大。,壁面摩擦阻力导致压力降低，从而使气流速度增大。,需要减少横断面补偿或利用测量校正。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,24,最新课件,（2）闭式壁面24最新课件,（3）流线型壁面,导向线可根据车辆或模型外形的几何参数进行调整。,克服了开式壁面有效长度小的缺点；,又有效地减少了闭式壁面的摩擦效应。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,25,最新课件,（3）流线型壁面25最新课件,（4）开槽式壁面,壁面开设一定数量的条形槽，使试验段内外通气。,是介于开式和闭式壁面之间的一种试验段。,开槽壁面的试验段非常接近无阻碍流体。,槽的多少和布置比较复杂。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,26,最新课件,（4）开槽式壁面26最新课件,6、风洞的缺点,模拟轮胎转动；,地面运动和发动机进、排气的影响；,闭塞效应修正和速度修正。,接地层模型的建立,车底净空间很低，底部气流成为影响升力与俯仰力矩的关键因素。,空气流动与地面的关系的差异影响了模型下部气流模拟的准确性。,如何确保模型流场与实车流场的相似,对于无粘流体，没有边界层，模型和实车的流体特性是相似的。,实际中存在边界层，需采用校正措施。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,27,最新课件,6、风洞的缺点27最新课件,二、雷诺数,模型与实车流体特性相似（具有相似的摩擦力和惯性力）的基本条件是具有相同的雷诺数。,1、定义,雷诺数定义为气流速度v、流体特性长度L的乘积与流体运动粘度,的比值。,Re=vL/,空气微团之间的法向作用和切向作用分别与惯性（质量）作用和摩擦（粘性）作用有关。,雷诺数相似性的基础是，如果这两种交互作用的比值为常数，则流体特性就应该相似。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,28,最新课件,二、雷诺数28最新课件,2、雷诺数的物理意义,动态压强,v,2,/2是运动粒子与物体相撞后动能转换为压力所引起的。,其惯性力可以写成,v,2,L,2,。,物体受到的摩擦力为,vL,。,惯性力与摩擦力的比值即为雷诺数,为保证流体特性在模型与实车之间是相似的，须保证雷诺数相同。,如果两种情况下流体的运动粘度相同，则,vL,值也要相同。,如果采用,1/4,模型，则空气流速应为车速的,4,倍。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,29,最新课件,2、雷诺数的物理意义29最新课件,三、流场可视化,1、用途,期望看到流体从稳态到分离直至尾流区中的流线。,定性分析，但可显示出问题所在，以及改善后的效果。,2、丝线法,将柔软的短细丝线等一端粘在模型表面，另一端能自由摆动。,装在3mm的销钉上可以消除边界层效应。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,30,最新课件,三、流场可视化30最新课件,2、丝线法（续）,丝线也可以安装在风洞中垂直于气流的平面格栅上。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,31,最新课件,2、丝线法（续）31最新课件,3、烟雾法,低速风洞可以用烟雾实现流体特性的可视化。,在模型表面涂烟黑和煤油的混合物。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,32,最新课件,3、烟雾法32最新课件,第七节 车辆空气阻力,一、SAE标准坐标系,1、标准坐标系,J1594标准定义了标准参考坐标、空气阻力和阻力矩及其系数。,原点位于轮距、轴距中心线交点在地面的投影。,x轴向前为正；,y轴向右为正；,z轴垂直向下为正。,汽,车,系,统,动,力,学,马天飞,33,最新课件,第七节 车辆空气阻