汽車造型與空氣動力學(xué)(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車造型與空氣動力學(xué) 2010-03-28 16:23:52 閱讀11 評論0 字號：大中小 前言：受遼寧省自然科學(xué)基金的資助，本人正在主持“汽車輕量化虛擬樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，該項目以國內(nèi)某著名汽車制造有限公司正在設(shè)計制造中的汽車為應(yīng)用對象，包括汽車碰撞安全性、汽車外形的計算流體力學(xué)仿真（CFD）、面向日本用戶的日系車汽車音響輕量化設(shè)計、汽車關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計等若干核心子課題。    合作單位包括：大連奧托汽車、日本獨(dú)資大連阿爾派汽車音響制造有限公司、大連理工大學(xué)、一汽奧迪等。 計算流體力學(xué)（CFD）是一門研究液體和氣體和它

2、周圍的固體如何相互作用的學(xué)問：考慮高速氣體流過形狀復(fù)雜的汽車的情況。近年來CFD的發(fā)展可以讓計算機(jī)在計算機(jī)中模擬虛擬汽車-而汽車制造商不再只能依靠簡單的風(fēng)洞去了解氣流是如何影響汽車的！制造商可以在制造金屬部件之前先研究模擬數(shù)據(jù)，這會大大節(jié)省時間和資金。    從事此項研究時，所需要學(xué)習(xí)及應(yīng)用到的軟件：CATIA（或I-DEAS或UG或PRO/E或SOLIDWORKS）、FLUENT。        汽車的CFD仿真  汽車造型與空氣動力學(xué)的關(guān)系一、轎車前部車頭造型對氣動阻力影

3、響因素很多，主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發(fā)動機(jī)罩與前風(fēng)窗造型、前凸起唇及前保險杠的形狀與位置、進(jìn)氣口大小、格柵形狀等。"  車頭邊角的影響：車頭邊角主要是車頭上緣邊角和橫向兩側(cè)邊角。"  對于非流線型車頭，存在一定程度的尖銳邊角會產(chǎn)生有利于減少氣動阻力的車頭負(fù)壓區(qū)。"  車頭橫向邊角倒圓角，也有利于產(chǎn)生減小氣動阻力的車頭負(fù)壓區(qū)。"  車頭形狀的影響"  整體弧面車頭比車頭邊角倒圓氣動阻力小。"  車頭高度的影響"  頭緣位置較低的下凸型車頭氣動阻

4、力系數(shù)最小。但不是越低越好，因為低到一定程度后，車頭阻力系數(shù)不再變化。"  車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。"  車頭下緣凸起唇的影響"  增加下緣凸起唇后，氣動阻力變小。減小的程度與唇的位置有關(guān)。"  發(fā)動機(jī)罩與前風(fēng)窗的影響"  發(fā)動機(jī)罩的三維曲率與斜度。（ 1 ）曲率：發(fā)動機(jī)罩的縱向曲率越?。壳按蠖鄶?shù)采用的縱向曲率為 0.02m -1 ），氣動阻力越??；發(fā)動機(jī)罩的橫向曲率均有利于減小氣動阻力。（ 2 ）斜度：發(fā)動機(jī)罩有適當(dāng)?shù)男倍龋ㄅc水平面的夾角）對降低

5、氣動阻力有利，但如果斜度進(jìn)一步加大對將阻效果不明顯。（ 3 ） 發(fā)動機(jī)罩的長度與軸距之比對氣動升力系數(shù)影響不大。"  風(fēng)窗的三維曲率與斜度。（ 1 ）曲率：風(fēng)窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過大，否則導(dǎo)致工藝難實(shí)現(xiàn)、視覺視真、刮雨器的刮掃效果。前風(fēng)窗玻璃的橫向曲率均有利于減小氣動阻力。（ 2 ）斜度：前風(fēng)窗玻璃的斜度（與垂直面的夾角） <=30 0 時，降阻效果不明顯，但過大的斜度，使視覺效果和舒適性降低。前風(fēng)窗斜度 =48 0 時，發(fā)動機(jī)罩與前風(fēng)窗凹處會出現(xiàn)一個明顯的壓力降，因而造型時應(yīng)避免這個角度。  (3) 前風(fēng)擋玻璃的傾斜角度（與垂直面的夾角）越大，氣

6、動升力系數(shù)略有增加。"  發(fā)動機(jī)罩與前風(fēng)窗的夾角與結(jié)合部位的細(xì)部結(jié)構(gòu)。6. 汽車前端形狀"  前凸且高不僅會產(chǎn)生較大的阻力而且還將會在車頭上部形成較大的局部負(fù)升力區(qū)。"  具有較大傾斜角度的車頭可以達(dá)到減小氣動升力乃至產(chǎn)生負(fù)升力的效果。二、轎車客艙"    A 柱"  前立柱上的凹槽、小臺面和細(xì)棱角，處理不當(dāng)，將導(dǎo)致較大的氣動阻力和較嚴(yán)重的氣動噪聲和測窗污染。應(yīng)設(shè)計成圓滑過渡的外形。"  側(cè)壁"  轎車側(cè)壁略有外鼓，將增加氣動阻力，但有利于降低氣

7、動阻力系數(shù)。但外鼓系數(shù)（外鼓尺寸與跨度之比）應(yīng)避免在 0.020.04 之間。"  頂蓋"  綜合氣動阻力系數(shù)、氣動阻力、工藝、剛度、強(qiáng)度等方面的因素，頂蓋的上擾系數(shù)（上鼓尺寸與跨度之比）應(yīng)在 0.06 以下。   4. 客艙長度"  對階背式轎車而言，客艙長度與軸距之比由 0.93 增至 1.17 ，會較大程度的減小氣動升力系數(shù)。三、轎車尾部車身尾部造型對氣動阻力的影響主要因素有：后風(fēng)窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度、尾部橫向收縮。"  后風(fēng)窗斜度"  后風(fēng)窗斜度

8、（后風(fēng)窗弦線與水平線的夾角）對氣動阻力影響較大，對斜背式轎車，斜度等于 30 0 時，阻力系數(shù)最大；斜度小于 30 0 時，阻力系數(shù)較小。"  后擋風(fēng)玻璃的傾斜角控制在 25 度之內(nèi)。"  尾窗與車頂?shù)膴A角介于 28 至 32 度時，車尾將介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的邊緣。2. 尾部造型式樣"  典型的尾部造型有斜背式、階背式、方（平）背式。由于具體后部造型與氣流狀態(tài)的復(fù)雜性，一般很難確切的斷言或部造型式樣的優(yōu)劣。但從理論上說，小斜背（角度小于 30 0 ）具有較小的氣動阻力系數(shù)。3. 車尾高度"  流線型車尾的轎車存在最佳

9、車尾高度，此狀態(tài)下，氣動阻力系數(shù)最小。此高度需要根據(jù)具體車型以及結(jié)構(gòu)要求而定。"  后車體的橫向收縮"  一定程度的后車體的橫向收縮對降低氣動阻力系數(shù)有益，但過多的收縮會引起氣動阻力系數(shù)的增加。收縮程度受具體車型而定。5. 車尾形狀"  車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。四、轎車底部"  車身底部離地高度"  一般雖車身底部離地高度的增加氣動阻力系數(shù)上升，但高度過小，將增加氣動升力，影響操作穩(wěn)定性及制動性。另外離地高度的確定還要考慮汽車的通過性與汽

10、車中心高度。"  車身底部縱傾角"  車身底部縱傾角對氣動阻力影響較大，縱傾角越大，氣動阻力系數(shù)越大，故底板應(yīng)盡量具有負(fù)的縱傾角。"  將汽車底板做成前底后高的形狀對減小氣動升力有用。"  車身底板的曲率"  縱向曲率：適度的縱向曲率可以減小壓差阻力。"  橫向曲率：適度的橫向曲率可以減小氣動升力。最佳曲率視具體車型而定。"  擾流器對氣動阻力的影響富康是典型的半水滴造型，這樣的造型符合當(dāng)今汽車設(shè)計的最新潮流，充分運(yùn)用了空氣動力學(xué)的最新成果。經(jīng)過嚴(yán)格的風(fēng)洞

11、試驗，富康的風(fēng)阻系數(shù)僅為0.31。風(fēng)阻系數(shù)在過去的轎車手冊中從未出現(xiàn)過，今天則是介紹轎車的常用術(shù)語之一，在國外已經(jīng)成為人們十分關(guān)注的一種參數(shù)了，它是指汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產(chǎn)生的縱向，側(cè)向和垂直等三個方向的空氣動力量，它的系數(shù)值是由風(fēng)洞測試得出來的。汽車行駛速度越快其所受到的空氣阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動力性能。據(jù)測試，一輛以每小時100公里速度行駛的汽車，發(fā)動機(jī)輸出功率的百分之八十將被用來克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性。雪鐵龍ZX系列的風(fēng)阻系數(shù)只

12、有0.305，是普及型汽車?yán)锩孀顑?yōu)秀的，而如今的帕薩特B5德國版已達(dá)到0.28。據(jù)試驗表明，空氣阻力系數(shù)每降低百分之十，燃油節(jié)省百分之七左右。曾有人對兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較，以每小時88公里的時速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7公升。因此，當(dāng)你決定選擇一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的私家車時，這也是不可或缺的考量因素。當(dāng)然，并不是所有的轎車都會公布自身的風(fēng)阻系數(shù)，除非它在這方面很優(yōu)秀。汽車空氣動力學(xué)知識阻力和升力     阻力    一輛轎車的氣動效率

13、是由其阻力系數(shù)(Cd)所決定的。而阻力系數(shù)與面積無關(guān)，它僅僅是反映出物體的形狀對于氣動阻力的影響。理論上來講，一個圓形的平板的阻力系數(shù)為1.0，但是如果考慮到其邊緣周圍的湍流效應(yīng)，它的阻力系數(shù)將會變?yōu)?.2左右。氣動效率最高的形狀是水滴，它的阻力系數(shù)只有0.05。不過，我們不可能制造出一輛水滴形狀的轎車。一輛典型的轎車的阻力系數(shù)大致為0.30。     阻力的大小是與阻力系數(shù)(也叫牽引系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù))、正面接觸面積和車速的平方成比例的。你會發(fā)現(xiàn)一輛時速120英里的轎車所遇到的阻力是一輛時速60英里的轎車的四倍。你還可以發(fā)現(xiàn)阻力對于最高時速的影響。如果我們

14、不改變一輛Testarossa的形狀，而將其最高時速從180英里提高到Diablo的 200英里的話，我們需要將其最大輸出功率從390馬力提升到535馬力。如果我們寧愿把時間和資金花在風(fēng)洞的研究上，只要將其阻力系數(shù)從0.36降低到0.29就能夠達(dá)到同樣的效果。    斜背式車身     在20世紀(jì)60年代，賽車工程師們開始認(rèn)真對待空氣動力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)如果他們將轎車后背的斜度減小到20度或更小的話，氣流就會非常平穩(wěn)地流過車頂線，從而大大減小了阻力。他們將這種設(shè)計命名為“斜背式車身”。這種關(guān)注的結(jié)果是很多賽車都增加了一

15、個比較夸張的長長的尾翼，并把后背的高度降低了，比如這里展示的1978年的935 Moby Dick。    對于一輛三廂式轎車，氣流會直接從車頂線的尾部離開轎車。而后擋風(fēng)玻璃的突然下降會在周圍的區(qū)域形成低壓，這就吸引了一些氣流重新流入該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，并因此形成了湍流。而湍流總是會損害到阻力系數(shù)。    然而，這依然比可能出現(xiàn)在三廂式車身和斜背式車身之間的一些情況要好。如果后擋風(fēng)玻璃的斜度為3035度的話，氣流就會變得非常不穩(wěn)定，而這將很損害到高速行駛時車輛的穩(wěn)定性。在過去，轎車廠商對此知之甚少，所以生產(chǎn)了很多類似的

16、轎車。    升力    另一個重要的空氣動力學(xué)因素是升力。由于轎車頂部的氣流移動的距離要長于轎車底部的氣流，所以前者的速度會比后者快。根據(jù)柏努利(瑞士物理學(xué)家)原理，速度差會在上層表面產(chǎn)生一個凈負(fù)壓，我們將其稱為“升力”。     像阻力一樣，升力也是與面積(不過是表面積而不是正面面積)、車速的平方和升力系數(shù)(Cl)成比例的，而升力系數(shù)是由形狀決定的。在高速行駛時，升力可能會被提升到一個足夠高的程度，從而讓轎車變得很不穩(wěn)定。升力對于車尾的影響更為重要，這一點(diǎn)很好理解，因為后

17、擋風(fēng)玻璃的周圍存在一個低壓。如果升力沒有被充分抵消，后輪就很容易發(fā)生滑移，這對于一輛以時速160英里飛馳的轎車是很危險的。     就這個方面來講，斜背式車身是非常不利的，因為它與氣流接觸的表面積非常大。看起來良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同時擁有它們。不過，由于過去我們對空氣動力學(xué)進(jìn)行了更多的研究，所以我們還是發(fā)現(xiàn)了一些辦法，可以解決同時擁有兩者的問題    空氣動力學(xué)輔助設(shè)備    尾翼(后擾流器)    在20世

18、紀(jì)60年代早期，的工程師們發(fā)現(xiàn)通過在轎車的尾部增加一個氣翼(我們簡單地將其稱為“尾翼”)，可以大幅度減小升力甚至產(chǎn)生一個完全向下的壓力。同時，阻力只是略微有所增加。     尾翼的作用是引導(dǎo)大部分的氣流直接離開車頂而不發(fā)生回流，這就會使升力減小。(如果我們加大尾翼的角度，甚至可能產(chǎn)生一千公斤向下的壓力。) 當(dāng)然，依然會有一小部分氣流會回流到背部并從尾翼下的車尾處離開。這就避免了在非斜背式轎車上出現(xiàn)的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空氣沿這個路線流動，所以它們對于升力的影響可以輕松地被尾翼消除。     為

19、了受益于絕大部分的氣流，尾翼安裝的位置必須比較高。的Escort RS Cosworth在這一點(diǎn)上做得不錯但對于墨丘利的Cougar來說，尾翼看起來只是一個裝飾品罷了。     第一輛安裝尾翼的轎車是1962年產(chǎn)的246SP長距離賽車。僅僅一年以后，250GTO道路用車就加入了這一行列，安裝了一個小型的鴨尾式尾翼，這當(dāng)然是第一輛安裝尾翼的道路用車。然而，尾翼并沒有因此就流行開來，直到1972年發(fā)布了其911 RS 2.7情況才有了轉(zhuǎn)機(jī)，該車巨大的鴨尾式尾翼將高速行駛時的升力減小了75%。僅僅一年以后，RS 3.0就開始使用一個鯨尾式尾翼，這種尾翼可以將升

20、力完全消除掉，它也因此成為了此后所有911轎車的標(biāo)志。    新款996 Carrera為我們提供了一些有用的數(shù)據(jù)：     前面的升力（時速 157 英里） 后面的升力（時速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打開尾翼 5 公斤 14 公斤     擾流器     擾流器是改變車身下面氣流的空氣動力學(xué)裝備。我們將安裝在前保險杠底部邊緣的擾流器稱為“下顎擾流器”或者“氣壩”，而將安裝在車身兩側(cè)底部邊緣的擾流器稱為“側(cè)裙

21、”。要了解擾流器的原理，我們必須先談?wù)勡嚿硐旅娴臍饬鳌?#160;    車身下面的氣流總不是我們希望存在的。在轎車車身的下面有很多暴露在外的組件，比如發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸、差速器等。這些設(shè)備會阻礙氣流，不僅僅造成增大阻力的湍流，還會因使氣流慢下來而增大升力。（還記得柏努利定理嗎？）     擾流器通過促進(jìn)空氣從車身兩側(cè)離開達(dá)到減小車身下面氣流的目的，其結(jié)果是減小了因車身下面的氣流造成的阻力和升力。一般來說，擾流器安裝的位置越低，能達(dá)到的效果就越好。因此你會發(fā)現(xiàn)長距離賽車的擾流器幾乎是擦著地面的。當(dāng)然，道路轎車不可能做到這

22、樣。車身下面的光滑底板    我們還有一種減小車身下面氣流影響的辦法，那就是用一個光滑的底板將轎車的下面全部覆蓋，就像這一輛F355一樣。這可以避免湍流和升力。     地面效應(yīng)    對于賽車工程師們來說，尾翼可能是對付升力的好辦法，但距離他們真正想要的效果還很遙遠(yuǎn)。典型的一級方程式賽車轉(zhuǎn)彎時的加速度大約是4g，這需要巨大的向下的壓力保持輪胎緊貼賽道的地面。當(dāng)然，安裝一個角度很大的巨大尾翼可以滿足這種需求，不過同時也會損害到阻力系數(shù)。