基于空气动力学汽车节能与安全技术分析

基于空气动力学汽车节能与安全技术分析杨世佳，戴俏波，颜俏（北京交通大学，北京市上园村3号，100044）【摘要】：汽车行驶时，高速风流直接影响汽车的升力和侧向力，其中，气动升力直接影响汽车的转向性，从而影响到高速汽车的操作稳定性等主动安全性能。应用空气动力学，可以有效减小汽车运行中的空气阻力，进而减少汽车能耗，达到节能的目的。【关键词】：汽车空气动力学流体力学安全节能1.引言空气动力学特性直接影响汽车的稳定性与经济性、动力性和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投入大量人力、物力、财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法。但是风洞建设时间周期长、建设投资大，不便于一般科学研究。随着计算机和计算机技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为空气动力学研究开辟了新的途径。2.空气动力学与数值仿真分析方法：汽车绕流流场十分复杂，典型流动特征为三维、粘性、湍流、分离和非定常，这也正是数值仿真应用与汽车空气动力学的难点和要点。汽车绕流为三维流动，复杂几何形状使流动参数沿汽车运动方向呈非周期性变化，底部地面效应形成了汽车特有的复杂边界条件，流动参数沿高度方向变化剧烈。侧风使得汽车尾部和周围的流畅不对称，更增加了流畅复杂性。一般需对汽车流场进行三维分析而无法象叶轮机进行轴对称等二维简化流动分析，大大增加了计算量。空气粘性会在车身表面产生边界层。数值仿真应用于飞机流场分析时，由于粘性局限于机身壁面附近，可分别考虑机翼、机身和尾翼，从而简化飞机绕流流场计算。由于车身底部外形的凸凹及车身附件如保险杠、门把手、后视镜、天线等干扰作用，粘性并不局限于车身表面较小的“边界层”范围，需对汽车周围的流场作整体考虑，这不仅使计算量大大增加，且使网格生成困难。而网格系统的复杂性将直接影响数值计算的稳定性与收敛性。绕汽车的空气流动为高Re数湍流流动。湍流是流体力学的疑难问题，至今对它的运动机理还不完全清楚，还未建立完整的湍流体系。分离流动是汽车外部典型的、不可避免的一类复杂流动现象，大量方法并不能直接应用于具有大尺度分离旋涡流动的数值仿真。流动分离将车身壁面附近的涡量不断输送到流场中其它部位，形成大尺度旋涡．这些旋涡不断从车身壁面脱落流向下游，与此同时新的旋涡又不断形成。从能量观点看，这些流往下游的旋涡带走了大量能餐，其具体表现形式为作用于车身壁面上相应的附加阻力和升力。由于汽车外部流动十分复杂，至令人们还没能全面、深入地掌握其规律，对汽车三维分离流动的认识就更少。如何在对汽车分离流动机理和结构深入研究的基础上．提炼相应的汽车分离流动的物理数学模型，提高数值仿真的准确度，是当前汽车空气动力学数值仿真研究面临的最主要难点之一。汽车绕流的本质是非定常的。大量的风洞试验和数值仿真是假设汽车以一定速度匀速行驶，从而使流动为“准定常”的。“定常流动”只是提炼模型时所做的基本假设。汽车总是在一定大气环境中行驶，随时间变化的汽车外部环境使流动受上游时间效应的影响，还有分离流动、湍流所具有的固有非定常性以及车轮旋转和地面效应，使非定常成为汽车绕流流动的本质属性。瞬态侧风效应等非定常流动现象分析对汽车空气动力学性能的设计评价具有决定性影响。此外，在道路行驶环境中，经常出现不同外形、尺寸的汽车会车、超车的现象．致使总流场之间的非定常相互作用的情况经常发生。汽车流场结构的复杂性与特殊性，特别是非定常、湍流、漩涡分离等典型流动特征，使得数值仿真面临巨大挑战，而这也正是当代空气动力学研究的主要前沿。数值仿真的分析方法主要有涡格/面元法，Euler法、RANS法、LESDNS法等等。3.空气动力学与汽车安全性：空气动力特性对操作稳定性的影响升力：升力将减小汽车的附着力，因而使转向轮的转向力减弱，影响汽车的操纵稳定性。质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感。这个情况对行驶中的汽车非常危险，即当前轮有升力使汽车上浮时，升力又随着车速的增加而继续增加，由于前轮失去附着力而使汽车夫去控制。升力和俯仰力矩对于高速行驶汽车的操纵稳定性影响很大，对于轿车来说，如果在设计阶段没有充分考虑升力的问题，升力在强风时可达几百甚至几千牛。这一附加的力使前轮减轻了负荷，从而破坏了汽车的操纵性；减少了后轮负荷，使驱动力减小。产生的升力与侧向力的合力具有两次曲线式的增加趋势，对侧风稳定性的影响很大。侧向力：当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与汽车纵轴成β角，在横轴方向受到了侧向力。如果侧向力的作用点与坐标原点有一个距离(其值随车身形状和横摆角而变化)，即产生了绕垂轴回转的横摆力矩N。如果侧向力的合力通过侧向反作用力中心．车辆将保持直线行驶，但相对原行驶方向会有偏移。如果侧向力的合力作用在侧向反作用力中心以前时，车辆将顺着风的方向转向，并且产生横摆力矩，使车辆向着风的方向摆动，为了消除侧风的影响，驾驶员连续调整方向盘，会导致驾驶员极度过早疲劳，造成行驶稳定性恶化。综上所述．在激烈的市场竞争中，汽车所面临的首要问题是向汽车空气动力特性的挑战，因为只有空气动力特性好的汽车，才能保障其具有好的动力性、经济性和操纵稳定性以及舒适性。侧风：高出地面的风速要比地面风速高，大量的交通路线、到处可见的隧道、桥梁和路基都会产生人工阵风。矮树丛间的空隙及树林间的夹空将产生一种喷气效应使得局部风速大于开阔地的风速。应用空气动力学，有效的调节来自各个方向的力，尽可能找到一个平衡点，这样就有利于汽车的运行稳定，安全性能也就得到提升。4.空气动力学与节能技术分析：降低车辆空气阻力能节省较多的能源消耗。车速越快阻力越大，若空气阻力占汽车行驶阻力的比率较大，就增加了汽车燃油消耗量或影响汽车的动力性能。一辆以每小时lOOkm速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十会被用来克服、减少空气阻力，可有效改善汽车行驶的经济性。空气阻力与空气阻力系数成正比，科学实验表明：空气阻力系数每降低10％，就能节省燃油7％左右，对两种相同质量、尺寸、而具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88km的时速行驶lOOkm，燃油消耗后者比前者可节约1.7L。同时，同样降低1％的空气阻力系数，货车获得的节油量是轿车的十几倍。所以，降低空气阻力的重要性已超过其他节能技术。普通轿车的空气阻力系数普遍都降低到0.3左右，为保持其他的运行性能，已做到了极限，即使降低0.01都很困难。而货车都远远没有做到位，节能潜力依然巨大。克服汽车空气阻力消耗的功率与车速的3次方成正比。车速不高时，空气阻力对汽车的燃料消耗影响不大，但当车速超过50千米/小时时，空气阻力对汽车燃料经济性影响增大。空气阻力与汽车车身结构密切相关，它由发动机产生的牵引力来克服。减少空气阻力，就可以降低发动机消耗的功率，从而降低汽车的油耗量。空气阻力F的大小的计算公式为15.21F2wACD式中DC——空气阻力系数A——汽车的迎风面积——汽车的行驶速度要减少空气阻力，必须减少汽车的迎风面积A，要使之具有合理的流线型，从而降低空气阻力系数。降低空气阻力系数的措施主要是合理优化外形设计。空气阻力系数的大小取决于汽车外形，汽车的外形从箱型、甲壳虫型、船型、鱼型到楔型，经过五个发展期。现在是在楔型基础上改进汽车的流线型。随着汽车数量的增加，采用气动减阻技术减少汽车行驶的燃油消耗能缓解我国石油紧张问题。即使是混合动力汽车，气动减阻也能节省能源的消耗。如果只驱动方式或动力系统出现改变，成熟的气动减阻节能技术直接能用到该车型上，并不需要额外增加投资。对整车气动减阻节能的各种技术，应根据不同消费者的需求进行选择，在汽车整车减阻节能方面有车身外形的气动优化、气动减阻附件的优化及附件与整车的协调优化。在汽车整车设计中，要进行车辆的空气动力学研究，研究怎样通过分析、CFD计算机模拟和模型风洞试验来刚氏车辆的风阻系数。获得科学的外形，能节省大量燃油消耗，可带来较大的经济效益和社会效益。5.总结随着当今世界汽车分布范围的不断扩大以及能源问题，应用空气动力学对汽车外形设计进行优化、分析这样就可以使汽车的安全性以及运行阻力得到尽可能地降低，在安全与节能两者之间找到一个平衡点，不断完善，最终得到最佳设计效果。参考文献：1.金立刚.关于汽车节能的几种分析[期刊论文]-科技风2011（12）2.张扬军.吕振华.徐石安.涂尚荣.丛艳吉汽车空气动力学数值仿真研究发展[期刊论文]-汽车工程2001.23（2）3.谢晓鹏.王喜顺现代汽车安全技术综述[期刊论文]-汽车运用2005（5）