汽车空气动力学2

第二章汽车空气动力学概论第一节、气动力和力矩一、作用在汽车上的力和力矩作用在汽车上的空气动力有阻力、升力和侧向力，力矩有纵倾力矩、侧倾力矩和横摆力矩。这些力及力矩的大小取决于汽车的行驶速度、车身外形及方向角，可用无因次系数来表示。1、气动阻力D212DDCvA气动阻力D与流体的速度头、汽车的迎风面积及阻力系数有关迎风面积是由设计需要所确定的，速度头是由使用者来控制的，故要减小气动阻力必须减小阻力系数。即安装导流部件、将车身局部圆角化、减小尾涡区等。如图是不同形体的阻力系数。研究发现，当汽车受侧风作用时，其阻力系数值会增大。如图2、气动升力L及纵倾力矩PM212LLCvA气动升力和纵倾力矩分别用升力系数、纵倾力矩系数来表示：212PMPCvAa升力值的变化取决于流过物体上下表面的气流是否对称，汽车要求升力为负，故应使车身整体外形接近流线型或楔型以减小升力。升力作用于汽车的空气力中心，但一般按其作用于前轮或后轮来衡量其效果。前轮升力对汽车产生正俯仰力矩，从而使车头抬起，影响操纵稳定性，特别有侧风作用时，影响更为明显。后轮升力对汽车产生负俯仰力矩，从而使汽车低头。减少车身上下压力差，使大量气流流经侧面，可减小升力，将底板下部流线化，压低发动机罩前端，减缓前风窗倾角，都可减小前端升力。3、侧向力S及横摆力矩YM侧向力和横摆力矩分别用侧向力系数、横摆力矩系数来表示：212SSCvA212YMYCvAa侧向力对车辆的行驶直进性和行驶稳定性有很大影响。不仅侧向力的大小对车辆行驶的有影响而且侧向力的作用点在车辆重心前和后影响不同。加尾翼使风压中心后移。横摆力矩可使汽车绕Z轴转动。若横摆力矩使横摆角变小，汽车的稳定性增加，即：00YMYMdCddCd稳定不稳定4、侧倾力矩RM倾侧力矩用倾侧力矩系数来表示：212RMRCvAa倾侧力矩主要由车身侧面形状决定。汽车的高度和宽度对侧倾力矩影响极大。低而宽的车形侧倾力矩系数较小。侧倾力矩对汽车左右轮的重量分配也有较大影响，直接影响到汽车的侧倾角。二、车身表面压力分布汽车在空气中行驶，车身表面的压力大小可用压力系数表示；压力系数的大小取决于车身细部形状。阻力升力的大小与压力分布有关。0212pppCv外部阻力系数总的气动阻力内部阻力外部阻力形阻诱导阻力发动机冷却系阻力驾驶室内空调阻力汽车部件冷却阻力iD0D0'iDDDCCC'DC第二节：汽车的阻力特性一、阻力分类气动阻力由两部分组成：外部阻力和内部阻力诱导阻力：是由升力的水平分力产生。形阻：是由空气粘性引起，取决于车身前后的压力差。讨论图2－10：1）总阻力的85％来自于压差阻力，15％为摩擦阻力2）压差阻力9％的来自车身前端，91％产生在车身后端，其中车尾倾角和尾部的形状对阻力系数影响极大3）压差阻力是由形阻和涡阻构成，涡阻的大小取决于尾部涡流的结构。二、压差阻力与表面摩擦阻力：由于空气有粘性，在车身表面必然存在一层附面层，附面层内的粘性切应力不容忽视。一旦附面层发生分离，就只剩压差阻力。故在车身上作用的力是压差阻力和粘性力的总和三、诱导阻力：诱导阻力是尾部纵向涡升力的水平分力。用诱导阻力系数来表示：2LDiCC：长宽比：修正系数在车身尾部的涡流中，含有纵向的涡。它们是由车顶和车底的压力差造成，涡的运动必然要消耗额外的能量，这部分阻力称为诱导阻力。第三节，与汽车相关的流场一、与汽车相关的流场的分类汽车周围的外部流场穿过汽车车身内部的流场发动机内、变速箱内的气流流动，不讨论。密切相关，同时讨论1、汽车外部流场汽车外部流场:指气流绕汽车表面纵向、横向、前端、后端和车底及车窗、车灯、雨刷等附件时的流态，通过对这些流场的分析，对汽车外形设计、局部细化提供理论依据，从而可提高汽车的动力性、经济性和操纵稳定性。2、汽车内部流场汽车内部流场:主要指流过冷却系的气流和驾驶室内的气流。流过冷却系的气流：随着发动机功率的不断提高，需要大量的冷却空气来散掉发动机所产生的热量，但是从造型和空气动力学角度出发，汽车的前端不断变扁，使得进气口变小甚至被分割成多个小口进气，影响了进气面积；不仅如此，由于车身前端变扁，使得发动机室内散热器和冷却气流的空间越来越小，影响热量交换；从设计和安全性考虑，车身前端有横梁和保险杠，它们均对冷却空气进入发动机室有阻碍。驾驶室内的气流：驾驶室内的气流具有以下三个作用：车内气流要保持一定的速度，要使车内空气保持清晰；要使车内的温度保持在舒适范围内，即要有暖风和冷却系统而且还要有新鲜空气进入；当车窗上有霜或雾时，车内气流必须穿过车窗将其除掉。驾驶室内的气流要注意减小气流流动的噪音及风扇的噪音。汽车空气动力学的许多工作是要防止或调节气流分离，而要达到这一目的唯一方法是风洞试验；汽车空气动力学的数值计算方法所得出的结果可用来验证风洞试验，但决不能取代风洞试验。第六节，汽车外形与空气动力特性的关系一、汽车前端形状对空气动力特性的影响二、挡风玻璃和发动机罩形状对空气动力性能的影响讨论三个方面：1、发动机罩与挡风玻璃夹角γ发动机罩与挡风玻璃夹角γ在30°左右，阻力系数CD最小。γ30°,CD变化不大，γ30°,阻力系数CD变大。2、发动机罩的曲率及结构发动机罩是三维曲面，且向前倾斜。C23、挡风玻璃的曲率及结构挡风玻璃设计成二维圆柱面，与车顶水平面有一倾角。倾角变化有一过程：基本垂直——斜度逐渐增加——大圆弧三维曲面——斜度控制在30°左右4、大灯护罩对CD的影响三、顶盖形状对空气动力性能的影响1、选择适当的上鼓系数的顶盖2、采用鸭尾降低阻力a、高出顶盖表面的鸭尾高出顶盖表面附件b、等于或低于顶盖表面的鸭尾1、车身俯视外轮廓线的影响四、车身侧面形状对空气动力性能的影响2、A拄外形对气动力的影响影响有三个方面：气流分离，阻力增加；产生噪音；侧面污染A拄外形对气动力的影响A拄外形对气动力的影响A拄外形对气动力的影响3、车身后侧部向内收缩对CD的影响4、车窗嵌框对CD的影响四、后窗周围形状对空气动力性能的影响根据后窗倾斜角分类1、后窗倾斜角与空气动力特性越来越弱尾后倾角对阻力及升力的影响。尾后倾角等于30°，阻力系数达到最大，称之为临界角2、后窗长度与阻力系数其长度比与倾角应取最佳值其长度比与倾角应取最佳值3、后窗倾角与尘土飞扬的关系Φ30°Φ30°4、后行李箱盖高度与阻力系数的关系5、后绕流板可降低CDCL值后绕流板是如何使阻力系数/升力系数降低的?后绕流板的位置、尺寸、倾斜角均需最佳化后，绕流板应安装在气流速度高、产生涡流少的地方。顶盖形状不同，绕流板的作用效果也不同采用汽车后部形状的最佳化设计，可以降低CD值,与后绕流板效果等同。五、车身底部对空气动力性能的影响1、离地间隙对气动力特性的影响离地间隙较小时，气流流动受阻，使来流转向流向汽车上表面，使车身上表面流速增加，压力减小，导致汽车阻力和升力增加。离地间隙增大时，阻力和升力减小，但离地间隙大到某一程度，阻力和升力基本不变。2、车身底部平整与阻力系数关系车身下底部表面做成平滑的外形，使车身下表面的摩擦损失降低，从而降低阻力。3、车身纵倾角的影响当车底纵倾角α增大，汽车的升力系数增大。由于α增大，使车下底部迎风面积增大，因此阻力也增大。4、车身底部曲率的影响车底适当的纵向曲率，使气流平顺地通过间隙，从而减小阻力和升力。车底适当的纵向曲率使尾部上翘，引起尾流区的负压对车身下部压力的影响有助于减小后轴的升力。车底横向曲率，有助于气流流向两侧减小阻塞，从而降低阻力与升力。第八节、汽车最佳气动外形的设计途径汽车最佳气动外形的设计途径有两条：细节优化及从低阻外形开始的优化。细节优化：从现有的汽车外形出发通过对其各个部分外形的细部优化，使其接近理想的流线型外形。此种方法是减小气动阻力和改进气动阻力特性的有效手段。低阻外形开始的优化：从低阻物体外形出发，逐步改为实用形。阻力系数可达到0.3甚至更低.