车辆动力学-空气动力学基础-2013

11第四章空气动力学基础22第一节概述空气动力对车辆系统动力学的影响空气阻力对车辆高速行驶动力学影响显著气动压力可增加轮胎载荷，提高车辆操纵稳定性侧风稳定性也是车辆行驶稳定性的重要内容车辆空气动力学的主要研究内容通过车身造型、流体控制、内部流道设计减少空气阻力增加气动压力，同时减少对轮胎侧偏力的影响空气动力学试验及结果分析研究空气动力与底盘设计及车辆使用性能之间的关系34567•流体作为连续介质的假设•在研究宏观的流体流动时不考虑流体分子之间的间隙，而将流体看作是由无数流体质点连续地、无空隙地充满的介质。流体的基本物理性质8压缩性与膨胀性•流体的压缩性：流体受到压缩体积就要变小的特性。•在一般工程中，通常把气体作为可压缩流体来处理。•流体的膨胀性：物体具有热胀冷缩的性质，流体也不例外，称为流体的膨胀性。99第二节空气的特性空气作用力的基本形式法向力与切向力空气微团的剪切力很小，通常表现为法向压力。1010边界层与分离气流当流体绕物体流动时，在物体壁面附近受流体粘性影响显著的薄层称为边界层。在边界层中，由于存在较大的速度梯度，因此剪切力较大。边界层上会产生分离气流，切向力使气流急速旋转，阻力提高，升力损失。11牛顿内摩擦定律：•单位面积的摩擦阻力：•••牛顿内摩擦定律：单位面积的摩擦力与速度梯度成正比，其比例系数为μ。流体的粘性12μ为比例系数，通常称作动力粘度，是个物性系数，与流体的种类、温度有关。将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层，各层速度不同，形成速度梯度。两板间的流体速度u呈线性分布流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质——粘滞性1313一、空气密度在压强、温度、重力加速度为标准值时，标准空气密度为ρa=1.2258kg/m3。空气密度的变化遵循气体状态方程TppT00a0a1414二、空气粘度粘度和粘性力用粘度表述流体粘性。流体粘性力由流体的粘度和内部速度梯度决定。粘性力在流体间传递，通过边界层作用于物体表面。粘度的分类动力粘度（绝对粘度）μ15℃时空气的动力粘度为标准值1.822*10-5Pas。运动粘度（相对粘度）ν动力粘度与密度的比值乘以重力加速度。是雷诺数表达式中的一个参数。15流体的粘度•动力粘度μ：单位速度梯度作用下的切应力。(Pa.S)——动力粘度越大，表明粘滞性越强。•运动粘度v:液体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之比。((cm^2)/s)。没有力的量纲。•问:流体密度与动力粘度和运动粘度的关系?16流体的粘度特性：•粘度是度量流体粘性大小的物理量。-物性参数•同种流体的粘度显著地与温度有关，而与压强几乎无关。对液体，温度升高，粘度降低；对气体，温度升高，粘度增大。•问题：水和空气的粘度比较？17流体的粘度特性：•在压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度为：空气μ＝17.9×10-6Pa·s，v＝14.8×10-6m2/s水μ＝1.01×10-3Pa·s，v＝1.01×10-6m2/s甘油μ＝1.499Pa·s，v＝1.19×10-3m2/s18粘性流体•实际流体均具有粘性，即μ≠0，所以实际流体又称为粘性流体。•μ＝0的流体则称为理想流体。••静止流体，粘性表现不出来，所以对流体力学而言，静止流体既可作为理想流体，也可作为粘性流体。19流体的机械能守恒•静止流体和运动流体都遵循能量的守恒原理，用一个统一的关系式进行描述。•位置1流体比机械能•=位置2流体比机械能+1和2间比能量损失2020第三节伯努利方程一、基础与应用建立在理想流体假设和流体能量守恒基础之上，描述流体速度和压强之间的关系。正常车速范围内，可假设空气是不可压缩的，密度变化不大。伯努利方程可以预测不同形体的表面压力和升力，尤其适用于不存在气流分离或边界层变化小的形体。由于只考虑法向压力，因此并不涉及由切向力决定的空气阻力。2121二、伯努利方程空气管道可以看成由若干流线构成的流管。流体微团的总能量为压力能与动能之和。伯努利方程表明，在理想流场中沿流束的能量守恒定律，即流体静压p与动压q之和为常数。Cvρpa22122理想流体的伯努利方程•如果质量力仅仅是重力f=mg•z为单位重量流体具有的位势能，又称位置高度或位置水头；•为单位重量流体具有的压强势能，又称压强高度或压强水头；•为单位重量流体具有的动能，又称速度水头或动压头。23•整个流场所有各点的总机械能为一常数。•能量方程中，压强标准要一致。2424环绕物体的气流会向多个方向流动，其分流点称为驻点。2525第四节压力分布和压力系数一、压力分布1、翼剖面翼剖面是一种利用压力变化来产生动力的装置。当空气流过翼剖面上下表面时，速度都会加快。由于上表面的曲率和长度更大，因此上部空气的流速增加得更多。26262、压力的分布通过翼前端截面的空气体积与流过后端的体积相等，因此在翼剖面较厚之处流管变细，流速增加。流管的“弹性”特性：中间流速大，静压下降，流管截面变小；后端流速减小，压强增加，流管扩张。顶部空气流动更快，产生的负压（指向表面以外的）要比底部大，因此将产生向上的升力。27273、升力的产生伯努利方程表明，气流的动能可以转化为静压力，作用在物体表面形成升力或压力。升力的大小由所能得到的动压值决定，与速度的平方和空气密度成正比；将动压转化为静压和升力的效率与物体的形状有关。2828二、压力系数Cp1、定义假设车身某点压力p、速度v，来流压力p∞、速度v∞，定义压力系数车身上某点的速度v与来流速度v∞之间的关系依赖于车身形状车速相对于流体的方向该点所在的车身位置21vvqp-pCp29292、压力系数的取值给定点的实际压力压力系数的取值范围在气流平面的中心，气流速度减小为0，压力系数取最大值1。车辆行驶速度为160km/h，给定点气流流速为320km/h，则压力系数为-3。qCppp3030第五节实际气流特性概述一、边界层分离实际空气并非理想气流，车身并非光滑。在边界层，粘滞作用产生的剪切力使空气的流速和能量降低。边界层沿着物体逐渐变厚，气流由层流变为湍流。边界层的气流流速减慢，压力升高，在表面形成逆流，排挤主流使之脱离壁面，称为边界层分离。3131二、尾流对于车辆，其后部的边界层会从车身上分离出来，气流会分解成扰动尾流。3232三、扩散角对气流的影响风洞扩散角α只有小于10°时，气流才会膨胀并贴紧边界面。如果α角过大，气流就会从风洞壁上脱离并伴有随机湍流生成。这种情况常出现在汽车后部。尾流处的白色烟雾因湍流的混合而变得稀薄，流线消失。3333四、气流分离对空气阻力的影响气流分离现象产生的尾流区域压力很低，从而增加了压差阻力。对于后部倾角较大的快背式车辆，气流在顶部分离，空气阻力较大。当后部倾角为28°时，气流是在后窗较低边缘处分离的，因而尾流较小，空气阻力就小。3434第六节空气动力学试验一、风洞试验1、风洞试验及其重要性做出车辆模型，安装在风洞的人工流场中；用仪器测量作用在模型上的力和力矩；用喷烟等方法观测模型附近流线的变化。由于车辆外形的复杂性，其空气动力特性很难准确计算出。35352、风洞的组成和各部分的作用动力段：使空气流动，改变风速。收缩段：使气流加速；保证出口气流均匀，平直且稳定。试验段：放置模型，是风洞的中心部分。尽可能模拟真实流场。扩散段：降低流速，减少摩擦损失，节省风扇电动机功率。36363、风洞的分类开式设计的风洞（埃菲尔式）送风和排气都是开口的。采用了无回风道，不用冷却装置。噪声污染和空气污染大，需装过滤系统。所需的送风装置功率较大。闭式设计的风洞（哥廷根式）空气流构成封闭的回路。气流在闭合的回路中循环流动，与外部条件无关。3738384、风洞的截面尺寸风洞的截面尺寸基本由其试验段尺寸决定。试验段尺寸由车辆迎风面积和风洞送风横断面面积的关系（堵塞比）决定。为了尽可能接近“无粘流体”，堵塞比应小于0.07。导致风洞费用极高。通过调整送风横断面，可以尽量减小车用风洞的尺寸。39VolvoCarsTestCentre40VolvoCarsTestCentre41415、试验段的壁面类型（1）开式壁面通常在上壁和侧壁开口。流体在运动方向上压力基本保持恒定。可以保证测量精度和良好的渐进性。有效长度小，损失系数高，噪声辐射大。4242（2）闭式壁面能量损失少，噪声小，有效长度大。壁面摩擦阻力导致压力降低，从而使气流速度增大。需要减少横断面补偿或利用测量校正。4343（3）流线型壁面导向线可根据车辆或模型外形的几何参数进行调整。克服了开式壁面有效长度小的缺点；又有效地减少了闭式壁面的摩擦效应。4444（4）开槽式壁面壁面开设一定数量的条形槽，使试验段内外通气。是介于开式和闭式壁面之间的一种试验段。开槽壁面的试验段非常接近无阻碍流体。槽的多少和布置比较复杂。454647476、风洞的缺点模拟轮胎转动；地面运动和发动机进、排气的影响；闭塞效应修正和速度修正。接地层模型的建立车底净空间很低，底部气流成为影响升力与俯仰力矩的关键因素。空气流动与地面的关系的差异影响了模型下部气流模拟的准确性。如何确保模型流场与实车流场的相似对于无粘流体，没有边界层，模型和实车的流体特性是相似的。实际中存在边界层，需采用校正措施。484950515253545555二、雷诺数模型与实车流体特性相似（具有相似的摩擦力和惯性力）的基本条件是具有相同的雷诺数。1、定义雷诺数定义为气流速度v、流体特性长度L的乘积与流体运动粘度ν的比值。Re=vL/ν空气微团之间的法向作用和切向作用分别与惯性（质量）作用和摩擦（粘性）作用有关。雷诺数相似性的基础是，如果这两种交互作用的比值为常数，则流体特性就应该相似。56流动状态的判定：•雷诺数Re：反映惯性力与粘性力的对比关系•临界雷诺数Re：判断圆管流动状态Reud层流区2300eR临界区40002300eR光滑管紊流区4000eR57572、雷诺数的物理意义动态压强ρv2/2是运动粒子与物体相撞后动能转换为压力所引起的。其惯性力可以写成ρv2L2。物体受到的摩擦力为μvL。惯性力与摩擦力的比值即为雷诺数为保证流体特性在模型与实车之间是相似的，须保证雷诺数相同。如果两种情况下流体的运动粘度相同，则vL值也要相同。如果采用1/4模型，则空气流速应为车速的4倍。RevLμρvLμvLLρv22ν5858三、流场可视化1、用途期望看到流体从稳态到分离直至尾流区中的流线。定性分析，但可显示出问题所在，以及改善后的效果。2、丝线法将柔软的短细丝线等一端粘在模型表面，另一端能自由摆动。装在3mm的销钉上可以消除边界层效应。59592、丝线法（续）丝线也可以安装在风洞中垂直于气流的平面格栅上。60603、烟雾法低速风洞可以用烟雾实现流体特性的可视化。在模型表面涂烟黑和煤油的混合物。6161第七节车辆空气阻力一、SAE标准坐标系1、标准坐标系J1594标准定义了标准参考坐标、空气阻力和阻力矩及其系数。原点位于轮距、轴距中心线交点在地面的投影。x轴向前为正；y轴向右为正；z轴垂直向下为正。62622、空气动力六分力空气动力产生的力矩与参考长度和轴距有关。6363二、空气阻力系数(Dragcoefficient)空气阻力和阻力矩主要由车身表面的压力变化引起，而压力变化与理想流体的动压q直接相关。SAEJ1594标准中定义了无量纲的空气阻力系数它代表着单位面积上单位动压产生的空气阻力它体现了气流动能所转化的压力和阻力它是评价空气阻力性能的重要参数q/AFAqFCDDD6464三、空气阻力空气阻力是车身设计中极其重要的影响因素。1、形状阻力主要与边界