汽車的空氣動力性

1、第十章 汽車(qch)的空氣動力性0.前言1.空氣動力學基礎(chǔ)知識 2.汽車空氣動力與空氣動力矩(l j) 3.空氣阻力4.空氣升力5.空氣側(cè)向力6.空氣動力學裝置7.空氣動力學試驗共七十三頁2重力(zhngl)路面(lmin)作用力路面作用力空氣動力0 前言汽車受到的外力路面作用力：驅(qū)動力，路面阻力空氣動力共七十三頁3空氣(kngq)動力學對汽車性能的影響對動力性的影響影響高速時的加速性能;影響最高車速。對燃油經(jīng)濟性的影響 例：對于CdA=0.8m2的轎車， v=65km/h時，55%的能量克服空氣阻力； v=90km/h時，70%的能量克服空氣阻力。 轎車空氣動力性的差異可使空氣阻力相差達3

2、0%，燃油消耗相差達12%以上。對安全性的影響高速時的加速性能影響行車的安全；空氣升力(shn l)影響汽車操縱穩(wěn)定性和制動性；空氣動力穩(wěn)定性影響汽車的操縱穩(wěn)定性。對汽車外形演變的影響 汽車的空氣動力特性主要取決于汽車外形；空氣動力學影響著人們的審美觀。共七十三頁4研究汽車運動時，空氣(kngq)對汽車的作用。包括作用力（力矩）噪聲冷卻通風換氣車身表面清潔對附件工作性能的影響汽車(qch)空氣動力學的研究內(nèi)容共七十三頁51.空氣(kngq)動力學基礎(chǔ)知識1.1 連續(xù)性方程和伯努利方程連續(xù)性方程對于定常流動，流過流束任一截面的流量彼此相等，即1V1A1= 2V2A2 = =常數(shù)對于不可壓縮流體（

3、1=2= =常數(shù)），有V1A1= V2A2 = =常數(shù)連續(xù)性方程是質(zhì)量(zhling)守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)形式。汽車周圍的空氣壓力變化不大，可近似認為空氣密度不變。共七十三頁6伯努利方程(Bernoullis Law)對于不可壓縮流體，有： mgz+mp/+mV2/2=常數(shù) 流體的重力勢能、壓力勢能、動能(dngnng)之和為一常數(shù)。當氣體流速不太高時，密度可視為不變，且氣體的重力很小，則 p/+V2/2=常數(shù) 或 p+V2/2=常數(shù)靜壓力與“動壓力”之和為一常數(shù)。伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)形式。流速越大，動壓力越大，壓力（靜壓力）越小。1.空氣(kngq)動力學基礎(chǔ)知識

4、共七十三頁71.2 空氣的粘滯性和氣流分離(fnl)現(xiàn)象達朗貝爾悖論(dAlemberts Paradox)對于上下(shngxi)對稱，左右對稱的物體，在氣流中所受流體作用的合力應(yīng)為零。這顯然不符合客觀現(xiàn)實情況。在無粘性氣流中，所受合力為零。 在粘性氣流中，所受合力不為零。共七十三頁8附面層(Boundary Layer) 由于流體的粘性，靠近物面處的流體有粘附在物面的趨勢，于是有一流速較低的區(qū)域(qy)，即為附面層。附面層隨流程的增加而增厚。附面層的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)捩為紊流。共七十三頁9順壓梯度(t d)和逆壓梯度(t d)順壓梯度：順流動(lidng)方向壓力降低。（流速，壓力） 逆壓梯度：

5、順流動方向壓力升高。（流速，壓力）轎車的橫截面積分布和氣流壓力梯度共七十三頁10氣流分離(fnl)現(xiàn)象(Flow Separation) 當氣流越過物面的最高點后，氣流流束擴大、流速(li s)減小，具有逆壓梯度。氣體是頂著壓力的增高流動。在因粘滯損失而使能量較低的附面層內(nèi)，流動尤為困難。 在物面法向速度梯度為零( =0 )時，氣流開始分離?？拷锩娴臍饬飨韧Ｖ沽鲃樱M而反向流動，形成渦流區(qū)，將繼續(xù)流動的氣流與物面隔開。evYeY=0共七十三頁11尾流區(qū) 在分離點后，是一不規(guī)則流動的渦流區(qū)，總體上是靜止不動的“死水區(qū)”。物體(wt)向前運動時，它隨之運動，故稱“尾流”。尾流區(qū)內(nèi)各點壓力幾乎相等

6、，與分離點處壓力相同。壓差阻力(Pressure Drag ) 在物體背流面，流束的擴展受到尾流區(qū)的限制，使流束截面(jimin)比迎流面小，其壓力較迎流面低。而尾流區(qū)的壓力與相鄰流體壓力接近。這就使物體在主氣流方向上受到一個稱為“壓差阻力”的作用。影響氣流分離的因素壓力梯度 只有在逆壓梯度條件下才會產(chǎn)生分離。 逆壓梯度越大，越易分離。流態(tài) 紊流可使主氣流中的能量更多地傳遞到附面層，比層流更不易分離。雷諾數(shù)物體表面狀態(tài)共七十三頁12減小形狀阻力的措施降低逆壓梯度減緩物體背流面的截面變化，使分離點（分離線）向后移，減小尾流區(qū)。增大紊流度 增大物面的粗糙度。 分離是產(chǎn)生在附面層流體(lit)沒有粘

7、度，就沒有附面層。沒有附面層，就不會產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象。汽車上的分離區(qū) 氣流在前風窗下部、車頂前端、行李前部等處分離后，又重新附著，形成分離區(qū)（亦稱為“氣泡”( bubble)）。共七十三頁131.3 壓力(yl)系數(shù)定義常用壓力系數(shù)來表示物體在氣流(qli)流場中表面各點壓力的大小。壓力系數(shù)定義：；可整理為：CP =PPV 2/2CP = 1 ( )2V V 。處，是駐點。表示方法矢量法坐標法共七十三頁142.汽車空氣動力(dngl)與空氣動力(dngl)矩空氣靜壓力的合力為空氣動力，其三個分力分別為： 空氣阻力(Drag)、空氣升力(Lift)、空氣側(cè)向力(Side Force)。將空氣動力

8、平移至汽車質(zhì)心Cg，就有一附加力矩，其三個分力矩分別為： 側(cè)傾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、橫擺力矩(Yow Moment) MZ。空氣動力的表達式 空氣阻力與氣流速度的平方V2成正比，與汽車迎風面積(min j)成正比。常表示為與動壓力、迎風面積(min j)成正比的形式： 式中，空氣阻力系數(shù)Cd是表征汽車空氣動力特 性的重要指標，它主要取決于汽車外形，也與 流速有關(guān)。 空氣升力、空氣側(cè)向力表示為共七十三頁15空氣動力矩的表達式 俯仰力矩 令 則 一般取汽車(qch)的軸距作為特征長度l 。 類似地，側(cè)傾力矩MX、橫擺力矩MZ也

9、表示為共七十三頁163.空氣阻力3.1 空氣阻力的分類形狀阻力(Form Drag)干擾阻力(Interference Drag)內(nèi)部阻力(Internal Flow Drag)誘導(yudo)阻力(Induced Drag)摩擦阻力(Skin Friction)前四種為壓力阻力。CD總值：0.45A形狀(xngzhun)阻力(CD=0.262)；B干擾阻力(CD=0.064)；C內(nèi)部阻力(CD=0.053)；D誘導阻力(CD=0.031)；E摩擦阻力(CD=0.040)。共七十三頁173.2 形狀(xngzhun)阻力 形狀阻力主要是壓差阻力，是由車身的外部形狀決定的。前風窗對空氣阻力的影響

10、(yngxing)前風窗對氣流的影響減小前風窗處空氣阻力的措施增大風窗與發(fā)動機罩間的夾角；風窗橫向彎曲。共七十三頁18車身后背對空氣阻力的影響幾種典型(dinxng)的車身后背型式直背式(Fast back)：后背傾角20；艙背式(Hatch back)：后背傾角2050；方背式(Square back)：后背傾角50；折背式(Notch back)。共七十三頁19后背傾角與空氣阻力分離點在后端時，后背傾角增大(zn d)，尾流區(qū)減??；分離點在后背上時，后背傾角增大，尾流區(qū)增大。有一空氣阻力最小的最佳后背傾角。后背長度越大，空氣阻力越小。共七十三頁20車身后背形狀與空氣阻力截尾式兩廂(ling

11、xing)式與三廂式行李箱高度共七十三頁213.3 誘導(yudo)阻力(Induced Drag) 在側(cè)面由下向上的氣流形成的渦流(vortice)的作用下，車頂上面的氣流在后背向下偏轉(zhuǎn)(pinzhun)，使產(chǎn)生的實際升力有一向后的水平分力，這個分力就是誘導阻力。 洗流不易分離。共七十三頁22氣流在后背的偏轉(zhuǎn)角越大，誘導阻力越大； 后背傾角越大，氣流在后背的偏轉(zhuǎn)角越大。氣流在后背的流程越長，誘導阻力越大。 分離點前移，氣流在后背的流程減小。后背傾角的變化(binhu)，對形狀阻力和誘導阻力都有影響。誘導阻力：隨后背傾角增大，誘導阻力增大；隨分離點前移，增大速度減緩，進而減小，直至至消失；形狀

12、阻力：隨后背傾角增大，形狀阻力先減小，再增大；分離點前移至后背頂端時，不再增大。共七十三頁23車身后背上減小誘導阻力的措施選擇適當?shù)暮蟊硟A角后背后緣處為尖銳棱角 形成穩(wěn)定的氣流分離線；減小轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的誘導阻力。設(shè)擾流器 減小誘導阻力，同時(tngsh)減小空氣升力。共七十三頁243.4 干擾(gnro)阻力 干擾阻力是由于車身表面的凸起物、凹坑和車輪等局部地影響著氣流流動而引起(ynq)的空氣阻力。 車外小物件產(chǎn)生的干擾阻力 氣流流經(jīng)物體時流速增加，另一物體置于這被加速了的氣流中時，就會受到更大的空氣阻力作用。兩物體距離越小，干擾阻力越大。共七十三頁25 車身表面(biomin)凸起物對氣流影

13、響凸起物可能引起氣流分離。凸起物使附面層加厚，氣流容易分離。共七十三頁26 車身表面凹槽產(chǎn)生的干擾阻力門、蓋罩等的四周縫隙是主要的車身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平行于氣流方向兩種典型(dinxng)狀況。共七十三頁27車輪旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)車輪在氣流中路面上的旋轉(zhuǎn)車輪在氣流中車輪旋轉(zhuǎn)對氣流的影響馬格納斯效應(yīng)(Magnus Effect)：在流體中運動的旋轉(zhuǎn)圓柱受到力作用而影響它的行進路線的現(xiàn)象(xinxing)。路面上滾動的車輪受到一升力作用。車輪旋轉(zhuǎn)使車輪上的分離線前移，因此有一較大的空氣阻力。共七十三頁28輪罩的遮擋，減弱了車輪旋轉(zhuǎn)對氣流的干擾，降低了空氣阻力。在輪罩中的轉(zhuǎn)動車輪，在其前側(cè)面和前

14、下部有氣流向外流動(lidng)，對主氣流產(chǎn)生干擾。輪胎寬度有一空氣阻力最小的值。共七十三頁293.5 內(nèi)部(nib)阻力 流經(jīng)車身內(nèi)部(nib)的氣流對通道的作用以及流動中的能量損耗，產(chǎn)生了內(nèi)部(nib)阻力。 內(nèi)部氣流發(fā)動機冷卻氣流：流量大。是減小內(nèi)部阻力的主要研究對象。通風氣流：流量約為冷卻氣流的1/10左右。制動器冷卻氣流理想的發(fā)動機空氣冷卻系統(tǒng)氣流通道為密封的直管道；散熱器面積大，進入的氣流速度低；全部氣流都流經(jīng)散熱器；通道面積變化緩和，無渦流產(chǎn)生；流經(jīng)散熱器的氣流為紊流；可根據(jù)散熱要求調(diào)節(jié)氣流流量。共七十三頁304.空氣(kngq)升力4.1 空氣升力翼型的迎角越大，空氣升力越大。

15、汽車(qch)如翼型，上凸下平，受空氣升力作用。不同外形的汽車，其“迎角”不同，空氣升力系數(shù)也不同。共七十三頁314.2 地面(dmin)效應(yīng)地面對氣流的影響，使物體受到的空氣動力(dngl)發(fā)生變化的現(xiàn)象。當距離h 較大時，隨h 減小，氣流加速，壓力減??；當距離h 較小時 ，附面層的影響隨h 減小而突出。隨h 減小，氣流減速，壓力增大。共七十三頁32地效飛行器天鵝號地效飛行器信天翁4型地效飛行器蘇聯(lián)KM地效飛行器共七十三頁334.3 汽車外形(wi xn)與空氣升力汽車前端高度汽車前端高度影響流入底部的氣流量。進入(jnr)汽車底部的空氣越多，流速越高，壓力越??； 另一方面，空氣越多，堵塞越

16、嚴重，壓力越大，空氣升力越大。共七十三頁34底部的前后遮擋(zhdng)的影響底部氣流的側(cè)向流動減小了底部壓力；加強了側(cè)面渦流(wli)，從而增強了下洗作用。共七十三頁35后背傾角對空氣升力的影響前風窗下部(xi b)分離區(qū)對空氣升力的影響行李廂上的分離區(qū)對空氣升力的影響共七十三頁365.側(cè)向氣流和空氣(kngq)動力穩(wěn)定性5.1 側(cè)向氣流對空氣動力特性(txng)系數(shù)的影響氣流側(cè)偏角與空氣動力特性系數(shù)各種汽車的空氣動力特性系數(shù)隨側(cè)偏角的變化而變化的規(guī)律是不同的。多數(shù)汽車的空氣動力特性系數(shù)是隨氣流側(cè)偏角的增加而增大。側(cè)偏角共七十三頁375.2 汽車空氣(kngq)動力穩(wěn)定性 汽車空氣動力穩(wěn)定性

17、是指汽車在氣流作用下，保持或恢復原有行駛狀態(tài)(zhungti)的能力。氣壓中心越靠后，汽車空氣動力穩(wěn)定性越好。氣壓中心在質(zhì)心之前：氣壓中心在質(zhì)心之后：共七十三頁38車身側(cè)視輪廓圖的形心位置越靠后，其氣壓(qy)中心越靠后，空氣動力穩(wěn)定性越好。形心形心形心共七十三頁396.汽車(qch)空氣動力學裝置6.1 前阻風板（Air Dam)阻風板的作用：減少進入底部的空氣量。阻風板后形成局部(jb)高壓區(qū)。前阻風板的優(yōu)化不同的汽車，前阻風板的位置、尺寸均有一最佳值。共七十三頁40阻風板示例(shl)共七十三頁416.2 后擾流器（Spoiler） 后擾流器的作用在擾流器前形成局部高壓區(qū)，可減小空氣升力

18、(shn l)；使氣流在擾流器上穩(wěn)定地分離，可減小誘導阻力；使分離提前，可增大形狀阻力；有的后擾流器對氣流的導向，可推遲分離，清潔后窗。后擾流器的優(yōu)化在流速較高的氣流中，后擾流器作用較明顯。不同的汽車，后擾流器的形狀、位置、尺寸均有最佳值。共七十三頁42后擾流器形式(xngsh)共七十三頁43共七十三頁44共七十三頁456.3 導流罩（Air Deflector/Air Shield ） 導流罩的作用避免在駕駛室與貨廂連接處產(chǎn)生氣流(qli)分離，以減小空氣阻力。共七十三頁46貨車(huch)的后導流罩共七十三頁476.4 底板（Body Pan）底板的作用使汽車底面平整光滑，以減小空氣阻力和

19、空氣升力(shn l)。降低車外噪聲。共七十三頁486.5 裙邊（Side Fairing)裙邊的作用使前后輪之間的車身側(cè)面(cmin)下部平整，減少車輪與氣流的相互作用，以降低空氣阻力。阻礙底部氣流從側(cè)面流出。減小側(cè)面渦流強度；可能增大底部壓力。共七十三頁49貨車(huch)的裙邊共七十三頁506.6 垂直尾翼垂直尾翼的作用使氣壓中心后移，改善空氣(kngq)動力穩(wěn)定性。增大空氣側(cè)向力。共七十三頁516.7 車輪整流罩(Wheel Cover)車輪整流罩的作用(zuyng)減小車輪轉(zhuǎn)動引起的干擾阻力；減小翼子板開口引起的干擾阻力。共七十三頁526.8 車輪(ch ln)導流板車輪導流板的作用

20、減小車輪引起的空氣阻力。前輪前導板后輪前導板后輪后導板前輪前導板后輪前導板后輪后導板共七十三頁536.9 負升力翼（Negative-lift Wing） 負升力翼的作用產(chǎn)生向下的空氣升力，提高(t go)附著力。 例：總質(zhì)量750kg，附著系數(shù)1.4，轉(zhuǎn)彎半徑200m，無負升力裝置，最大車速190km/h，向心加速度1.4g；負升力為車重的36%，最大車速222km/h ，向心加速度1.94g；負升力為車重的106%，最大車速270km/h ，向心加速度2.88g。共七十三頁54共七十三頁556.10 輪輻蓋（Hub Cap） 輪輻蓋的作用(zuyng)防止氣流進入車輪，減小輪輻對氣流的干擾

21、,從而減小干擾阻力。制動器散熱效果差。共七十三頁566.11 輪轂罩（Rim Shield） 輪轂罩的作用引導(yndo)制動器冷卻氣流，減小空氣阻力，產(chǎn)生負升力。共七十三頁57渦流發(fā)生器的作用產(chǎn)生渦流，使氣流中的能量傳遞(chund)到附面層內(nèi)，推遲氣流分離的產(chǎn)生，減小空氣阻力。Mitsubishi LANCER EVOLUTION6.12渦流(wli)發(fā)生器 (Vortex Generator)共七十三頁58汽車的楔形造型(zoxng)趨勢楔形前低后高，后端垂直截斷。楔形造型的空氣動力學特點前端低矮，進入底部的空氣量少，底部產(chǎn)生的空氣阻力??；發(fā)動機罩與前風窗交接處轉(zhuǎn)折平緩，產(chǎn)生的空氣阻力小

22、；后端上緣的尖棱，使誘導(yudo)阻力較??；前低后高，“翼形”迎角小，使空氣升力?。粋?cè)視輪廓圖前小后大，氣壓中心偏后，空氣動力穩(wěn)定性好。共七十三頁59車身(ch shn)形體的演變共七十三頁606.1 汽車(qch)風洞風洞是產(chǎn)生人工氣流的裝置。 風洞類型按尺寸大小分為：整車風洞、模型風洞；按氣流是否循環(huán)分為：直流式風洞(開式風洞)、回流式風洞(閉式風洞)。按氣流速度分為：低速風洞、高速風洞(亞音速、跨音速、超音速、高超音速)。6.汽車(qch)風洞試驗共七十三頁61 風洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定段 由蜂窩器、阻尼網(wǎng)構(gòu)成。其作用是衰減渦流，提高氣流品質(zhì)。收縮段 是一截面積逐漸縮小的通道。其作用是使氣流加速。

23、試驗段 是試件、測試裝置安放區(qū)。有開式試驗段和閉式試驗段兩種類型。擴散段 是一截面積逐漸擴大的通道。其作用是使氣流減速，以減小流動(lidng)的能耗。風扇及整流裝置 風扇使空氣流動。整流裝置將旋轉(zhuǎn)氣流導直。對于回流式風洞，還有冷卻裝置、換氣裝置、拐角導直片等。共七十三頁62任務(wù)(rn wu)控制室控制面板數(shù)據(jù)(shj)顯示屏試驗平臺 共七十三頁63風洞(fn dn)內(nèi)壁 風洞四個角的葉片打開(d ki)會使氣流流經(jīng)風洞 風洞口的氣流作用篩 風扇 共七十三頁64風洞(fn dn)的應(yīng)用共七十三頁656.2 汽車風洞試驗 空氣動力及空氣動力矩試驗測量(cling)汽車受到的空氣動力及空氣動力矩，

24、得到動力系數(shù)及動力矩系數(shù)。 壓力分布試驗測定汽車表面壓力分布，得到表面的壓力系數(shù)。 流動顯示試驗觀察氣流流動狀態(tài)，顯示汽車周圍氣流流譜。 煙流法 飄帶法 油膜法 升華法共七十三頁66煙流法層流(cn li)附面層，煙流的輪廓清晰；層流轉(zhuǎn)捩為紊流時，煙流突然沖散；產(chǎn)生氣流分離時，煙流離開物面。飄帶法層流附面層，飄帶順氣流方向幾乎不動；附面層轉(zhuǎn)捩(zhun li)為紊流時，飄帶明顯抖動；在氣流分離區(qū)，飄帶劇烈抖動并明顯回卷。共七十三頁67飄帶(pio di)法可用于道路試驗。共七十三頁68油膜法層流附面層，油膜形成的條紋均勻而細致；紊流附面層，油膜形成的條紋呈較粗的溝條或似木紋；在氣流分離線，油膜形成堆積帶；在氣流分離區(qū)里，油膜基本(jbn)無變化。升華法層流(cn li)附面層，升華較慢；紊流附面層，升華較快；在氣流分離區(qū)里，升華最慢。共七十三頁696.3 風洞