第五章汽车空气动力学设计pdf

第五章、汽车空气动力学设计主讲人：王金湘2010/12/2东南大学机械工程学院Email：[e-mail]汽车空气动力学ch2空气动力学基础空气的物理属性气流运动方程气流粘性性质ch3汽车的气动力气动阻力Ch4气动力对汽车性能的影响Ch5汽车空气动力学设计汽车气动造型造型历史演变Ch6表面污染与气动噪声2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles气动升力气动侧力纵倾气动力矩横摆气动力矩侧倾气动力矩汽车动力性燃油经济性操纵稳定性高速直线行驶汽车转向特性造型与气动阻力造型与流谱造型与表面压强轿车空气动力学设计赛车空气动力学设计商用车空气动力学设计本章概述气动造型演变历史最佳气动造型汽车外部和内部流谱、汽车表面气动压强分布汽车空气动力学设计原则轿车空气动力学设计赛车空气动力学设计赛车空气动力学设计大客车和货车空气动力学设计2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles本章大作业：以“赛车的空气动力学设计”（学号尾数为奇数）或“大客车和货车的空气动力学设计”（学号尾数为偶数）为题，在“中国期刊网”、“google学术搜索”或“万方”上查阅资料，做时间约10～15分钟的ppt介绍。要求11月30日之前将ppt发到邮箱[e-mail]气动造型的演变历史马车型2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles1892年的标志汽车1886年的戴姆勒·奔驰加上车篷挡雨马车型特点：无完整车身气动造型的演变历史遮挡风雨——完整封闭车身箱型车CD＝0.6～0.72010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles1928年英国奥斯汀1908～1927的福特T型车第一次采用流水线生产共卖了1500多万辆价格低廉，性能稳定使汽车走进普通家庭T型车特点：封闭车身：提高安全性和舒适性前后翼子板降低风阻未考虑空气动力学且迎风面积大气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试1：航空理论中具有最小风阻的是纺锤形但是：风阻系数随相对离地面积减小而增大2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles积减小而增大气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试1：具有一定弯度的流线体在相对离地面积小时有比较小的风阻系数但是：汽车部件的布置、安装i=0i=a/L2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles汽车部件的布置、安装以及乘员空间安排有困难i=0i=9％气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试1：1921年德国Jaray的J造型专利：在具有一定弯度的翼形上加上半纺锤体体弯度线2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles甲壳虫型气动造型的演变历史甲壳虫型汽车优点：优美流畅的流线型两侧完整曲面阻力降低1939～2003年产2300万辆2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles老甲壳虫CD=0.49新甲壳虫CD=0.38缺点：上表面弯度导致升力大车尾造型使气流易分离阻力比较大后排空间低矮发动机冷却存在问题气动造型的演变历史——其它的J型车雪铁龙DS1955年于巴黎车展初次亮相当天收到12000张订单仅0.38的风阻系数1955～1975年，生产了1456115辆最具世界影响力的“20世纪汽车”雪铁龙DS2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles的“20世纪汽车”排名第三，被誉为“公路女皇”。气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试2：1937年Kamm和Koening同时申请K型车专利K型车2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles截尾部位占总长的百分比车总长相同时，K型车的尾部形状阻力不比J型车大，且诱导阻力减小气动造型的演变历史K型车是“快背式”的鼻祖，但快背式到1970年代才出现：雪铁龙CX生产年限：1974-19911985年7月，参加中国首届上海车展，是法国走进中国市场的第一款车型奥迪Quatrro2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles奥迪Quatrro1991年大众Scirocco优点：宽敞、舒适、视野好侧风作用点后移高度低弯度小，升力减小适用于大型豪华轿车缺点：高速升力和风阻较大气动造型的演变历史二战后：美国的豪华型考虑人机工程学和操稳船型车（三厢）1952年的福特1956年的雪佛兰缺点：高速升力和风阻较大2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles1956年的雪佛兰1959年的凯迪拉克气动造型的演变历史空气动力学特性考虑之三：鱼型车尾部优化船型车阶梯状尾部高速时产生涡流压差阻力大鱼型车1952年别克鱼型车鱼型车比甲壳虫的优势：2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles1963年雪铁龙DS19鱼型车比甲壳虫的优势：背部更溜滑侧围更平滑车身高度更低，横截面小侧风作用点滞后老甲壳虫鱼型车缺点：高速时气动升力仍较大气动造型的演变历史空气动力学特性考虑之四：楔型车鱼型车高速时气动升力仍较大前、后部优化楔型车该方案最早由1963年意大利司蒂倍克·阿本提设计，却被冷落2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles1970年雪铁龙SM奥兹莫比尔，1966～气动造型的演变历史楔型车怎样减小升力？鱼型车船型车甲壳虫型2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles楔型车鱼型升力大小：甲壳虫鱼型船型楔形升力随车速变化曲线船型甲壳虫型气动造型的演变历史楔型车优点：车身前部呈尖形且向下倾斜，高速行驶时可产生向下压力。车身尾部平直，可减小车顶以后部分的负压，防止后轮飘起。这种造型最大限度解决了升保时捷9112010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles这种造型最大限度解决了升力问题楔型车成为高级轿车的基本造型法拉利5211996年莲花最佳气动造型意大利Pininfarina公司与意大利国力科研所进行的一项汽车造型的研究成果表明，未来汽车造型将以空气动力学为主导该公司所倡导的汽车造型设计主导思想是：完全从空气动力学出发，根据风洞试验，确定车身外形，使汽车造型具有优异的空气动力特性，同时又能满足各种使用和生产工造型具有优异的空气动力特性，同时又能满足各种使用和生产工艺的严格要求即：在满足空气动力特性要求基础上，再满足使用和生产工艺要求2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles最佳气动造型最佳气动造型的例子1976年意大利A.Morelli提出的基本造型CD＝0.049A.Morelli提出的车身模型C＝0.16整体最2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehiclesCD＝0.16A.Morelli提出考虑更多细节的车身模型CD＝0.17实车CD0.23优化方法汽车周围流场基本流场A：驻点，高压B:低压区C：分离D：重新附着再附着2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles船型(阶背)三厢斜背两厢D：重新附着CD间为“分离气泡”较高压EF：流速较高，低压F以后：分离，涡流气流分离线汽车周围流场1、斜背型车后风窗倾角和气流分离的关系：0.44CD2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles28°0.440.34在后风窗倾角为30度左右时，为临界斜度，此时风阻系数较大汽车周围流场2、前风窗倾角和“气泡区”分离点与再附着点的位置倾角减小分离点和再附着点靠近，2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles靠近，当倾角30°时风阻下降不明显当倾角＝48°时会出现局部压力的下降，应当避开还有哪些减小“气泡”尺寸的方法？汽车周围流场3、汽车底部与地面之间的气流当底部与地面间隙较小：A驻点A—H随汽车移动的边界层GHL的空间：分离涡（分离气泡）L点以后：次生附面层2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles当底部与地面间隙较大：未发生分离的情况：提高汽车底面离地间隙和改善底面不平度都可降低风阻系数汽车周围流场4、汽车周围涡系和尾部涡系1、下表面气流经车身左右两侧向上表面流动，形成车身左右两侧面附着涡2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles2、两侧的附着涡被来流向后拖向远方，在车身后部形成两个方向旋转的的尾涡1、斜背型车的尾涡和尾涡区比直背型较小2、阶梯背型的尾部风阻系数可更小？怎样实现？汽车周围流场5、汽车内部流谱乘员舱自然通风和发动机、制动器散热散热器气流使风阻增大冷却气流向下排出，升力增加冷却气流向上排出，升力减小2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles纵倾角发动机冷却系和乘员舱通风系的空气动力学设计原则和方法详见：汽车空气动力学，傅立敏著，2006年9月版，第五章汽车空气动力学，傅立敏著，1998年11月版，第五章、第六章汽车周围流场6、车轮转动对周围流场的影响＋－－OAB无地面影响时，产生负升力受地面影响时，产生正升力，且风阻更大轮罩遮住部分车轮2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles轮罩遮住部分车轮可以减小风阻汽车空气动力学设计程序性能是否符合要求1)总布置设计空气动力特性及其它性能分析2)外形效果图车身线图模型风洞试验3)要求性能：动力性经济性操纵稳定性空气动力特性（风噪声）（换气性能）No2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles符合要求设计样车试制样车分析性能是否性能是否符合要求符合要求完成设计样车风洞试验分析NoOKOK汽车空气动力学设计原则汽车空气动力学设计基本准则：在满足结构设计、美学、人体工程学以及法规要求的同时，降低气动阻力，具有良好的高速性能。机械工程学+人体工程学+美学+空气动力学2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles=完美的汽车造型汽车空气动力学设计准则1.造型满足气流沿光滑表面流动，以减小气动阻力和噪声2.保证车身表面曲线的曲率和曲率变化的连续性——光滑车身3.减小车身外露附件，必要附件也须流线型化——减小干涉阻力4.车身底板平整光顺5.车身左右对称——避免外形气动侧力6.减小升力或产生负升力的附件（特别是赛车）6.减小升力或产生负升力的附件（特别是赛车）7.风压中心位于重心之后，加提高操纵稳定性的附件8.降低气动造型和尘土污染的设计方法？（下一章）2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles轿车空气动力学设计1、轿车前部（车头）气动造型设计车头边角适度倒圆可减小风阻整体弧面车头比边角倒圆更好2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles车头高度底的风阻小—（应不影响发动机布置）东风雪铁龙—凯旋轿车空气动力学设计2、发动机罩与前风窗的影响发动机罩与前风窗夹角为30度时，效果最好，增大发动机罩倾角有助于减小阻力和升力（应不影响发动机布置2010/12/2汽车空气动力学AerodynamicsofRoadVehicles力和升力（应不影响发动机布置发动机罩采用小的三维曲率（0.02m-1）,防止S提前前风窗