汽车动力学之空气动力学

汽车空气动力学重庆大学汽车系汽车动力学前言汽车空气动力学汽车受到的外力路面作用力：驱动力，路面阻力空气动力重力路面作用力路面作用力空气动力•对动力性的影响•影响高速时的加速性能;•影响最高车速。•对燃油经济性的影响例：对于CdA=0.8m2的轿车，v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力；v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力。轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差达30%，燃油消耗相差达12%以上。•对安全性的影响•高速时的加速性能影响行车的安全；•空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；•空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。•对汽车外形演变的影响•汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；•空气动力学影响着人们的审美观。前言空气动力学对汽车性能的影响汽车空气动力学研究内容研究汽车运动时，空气对汽车的作用。包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。前言1.空气动力学基础知识1.1连续性方程和伯努利方程连续性方程对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即ρ1V1A1=ρ2V2A2=······=常数对于不可压缩流体（ρ1=ρ2=······=常数），有V1A1=V2A2=······=常数•连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。•汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变。汽车空气动力学伯努利方程(Bernoulli’sLaw)对于不可压缩流体，有：mgz+mp/ρ+mV2/2=常数——流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。气体的重力很小，若忽略气体的重力势能，则p/ρ+V2/2=常数或p+ρV2/2=常数——静压力与“动压力”之和为一常数。•伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。•流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。1.空气动力学基础知识节文丘里效应(VentureEffect)：流体经过狭窄通道时压力减小的现象。吹纸条:热水淋浴器:球浮气流：发动机化油器喉管同向行舟:1.空气动力学基础知识节1.2空气的粘滞性和气流分离现象达朗贝尔悖论(d’Alembert‘sParadox)对于上下对称，左右对称的物体，在气流中所受流体作用的合力应为零。这显然不符合客观现实情况。第一章空气动力学基础知识在无粘性气流中，所受合力为零。在粘性气流中，所受合力不为零。附面层(BoundaryLayer)由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。•附面层随流程的增加而增厚。•附面层的流态由层流转捩为紊流。1.空气动力学基础知识节顺压梯度和逆压梯度•顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓）逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）•轿车的横截面积分布和气流压力梯度1.空气动力学基础知识节气流分离现象(FlowSeparation)当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零(=0)时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。1.空气动力学基础知识节evYeY=0•尾流区在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。•压差阻力(PressureDrag)在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。•影响气流分离的因素•压力梯度只有在逆压梯度条件下才会产生分离。逆压梯度越大，越易分离。•流态紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。影响流态的因素：雷诺数；物体表面状态。1.空气动力学基础知识节•减小压差阻力的措施•降低逆压梯度减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。•增大紊流度增大物面的粗糙度。•分离是产生在附面层流体没有粘度，就没有附面层。没有附面层，就不会产生气流分离现象。•汽车上的分离区气流在前风窗下部、车顶前端、行李舱前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”(bubble)）。1.空气动力学基础知识节1.3压力系数定义常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。压力系数定义：；可整理为：CP=P－P∞ρV2/2∞CP=1－()2V∞VＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。表示方法矢量法坐标法1.空气动力学基础知识节2.汽车空气动力与空气动力矩•空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(SideForce)Ｓ。•将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：侧倾力矩(RollingMoment)MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、横摆力矩(YowMoment)MZ。空气动力的表达式空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2、汽车迎风面积Ａ、空气密度ρ成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与车速有关。空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为汽车空气动力学AVCLL22AVCSY22AVCDd222.汽车空气动力与空气动力矩AlVCMMYY22AlVCMMXX22AlVCMMZZ22AVZCXCDZLXMCdCLCCY2)(2MYCdCLlCZCXC空气动力矩的表达式俯仰力矩令则一般取汽车的轴距作为特征长度l。类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为3.空气阻力3.1空气阻力的分类•形状阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•内部阻力(InternalFlowDrag)•诱导阻力(InducedDrag)•摩擦阻力(SkinFriction)前四种为压力阻力。汽车空气动力学CD总值：0.45A——形状阻力(CD=0.262)；B——干扰阻力(CD=0.064)；C——内部阻力(CD=0.053)；D——诱导阻力(CD=0.031)；E——摩擦阻力(CD=0.040)。3.空气阻力3.2形状阻力形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。前风窗对空气阻力的影响•前风窗对气流的影响•减小前风窗处空气阻力的措施•增大风窗与发动机罩间的夹角；•风窗横向弯曲。车身后背对空气阻力的影响•几种典型的车身后背型式•直背式(Fastback)：后背倾角＜20°；•舱背式(Hatchback)：后背倾角20°～50°；•方背式(Squareback)：后背倾角＞50°；•折背式(Notchback)。3.空气阻力•后背倾角与空气阻力后背倾角越大，气流的逆压梯度越大。•分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小；•分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。•有一空气阻力最小的最佳后背倾角。•后背长度越大，空气阻力越小。3.空气阻力•车身后背形状与空气阻力•截尾式•两厢式与三厢式•行李箱高度3.空气阻力3.3诱导阻力(InducedDrag)在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。洗流不易分离。3.空气阻力•气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大；后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。•气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。分离点前移，气流在后背的流程减小。•后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。诱导阻力：随后背倾角增大，诱导阻力增大；随分离点前移，增大速度减缓，进而减小，直至至消失；形状阻力：随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大；分离点前移至后背顶端时，不再增大。3.空气阻力•车身后背上减小诱导阻力的措施•选择适当的后背倾角•后背后缘处为尖锐棱角形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。•设扰流器减小诱导阻力，同时减小空气升力。3.空气阻力3.4干扰阻力干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。车外小物件产生的干扰阻力气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。3.空气阻力车身表面凸起物对气流影响•凸起物可能引起气流分离。•凸起物使附面层加厚，气流容易分离。3.空气阻力车身表面凹槽产生的干扰阻力门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平行于气流方向两种典型状况。3.空气阻力车轮旋转对气流的影响车轮旋转旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中•马格纳斯效应(MagnusEffect)：在流体中运动的物体由于自身旋转而改变运动方向的现象。•路面上滚动的车轮受到一升力作用。•车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。3.空气阻力•轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。•在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。•轮胎宽度有一空气阻力最小的值。3.空气阻力3.5内部阻力流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。内部气流•发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。•通风气流：流量约为冷却气流的1/10左右。•制动器冷却气流理想的发动机空气冷却系统•气流通道为密封的直管道；•散热器面积大，进入的气流速度低；•全部气流都流经散热器；•通道面积变化缓和，无涡流产生；•流经散热器的气流为紊流；•可根据散热要求调节气流流量。3.空气阻力4.空气升力4.1空气升力•翼型的迎角越大，空气升力越大。•汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。•不同外形的汽车，其“迎角”不同，空气升力系数也不同。汽车空气动力学4.2地面效应地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。•当距离h较大时，随h减小，气流加速，压力减小；•当距离h较小时，附面层的影响随h减小而突出。随h减小，气流减速，压力增大。4.空气升力地效飞行器天鹅号地效飞行器信天翁4型地效飞行器苏联KM地效飞行器4.空气升力4.3汽车外形与空气升力汽车前端高度•汽车前端高度影响流入底部的气流量。•进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小；另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。4.空气升力底部的前后遮挡的影响底部气流的侧向流动•减小了底部压力；•加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。4.空气升力后背倾角对空气升力的影响前风窗下部分离区对空气升力的影响行李厢上的分离区对空气升力的影响4.空气升力5.侧向气流和空气动力稳定性5.1侧向气流对空气动力特性系数的影响气流侧偏角与空气动力特性系数各种汽车的空气动力特性系数随侧偏角的变化而变化的规律是不同的。多数汽车的空气动力特性系数是随气流侧偏角的增加而增大。汽车空气动力学侧偏角5.2汽车空气动力稳定性汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。5.侧向气流和空气动力稳定性气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。气压中心在质心之前：气压中心在质心之后：车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力稳定性越好。5.侧向气流和空气动力稳定性形心形心形心6.汽车空气动力学装置6.1前阻风板（AirDam)阻风板的作用：•减少进入底部的空气量。•阻风板后形成局部高压区。前阻风板的优化不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。汽车空气动力学阻风板示例6.汽车空气动力学装置6.2后扰流器（Spoiler）后扰流器的作用•在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力；•使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力；•使分离提前，可增大形状阻力；•有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离