汽车空气动力学课件

1、汽车空气动力学,2009.03.30,the vehicle aerodynamics,汽车空气动力学,1 空气动力学基础 2 车头基本尺寸对车身外流场影响的数 值模拟 3 湖南大学菱形新概念车气动特性研究 4 F1赛车空气动力学 5 高性能计算机对车辆不稳定气流的仿真,1 空气动力学基础,1.1 气动力和力矩 1.2 空气动力学基本理论 1.3 车身表面的压力分布 1.4 车身整体优化造型概况,1.1 气动力和力矩,汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车相互作用的一门科学。 气动力由车辆行驶速度、车身外形和风向角决定。作用于运动汽车上的气动力和力矩，分为相互垂直的三个分力和三

2、个绕轴的力矩。 空气阻力指汽车直线行驶时气动力作用在行驶方向上的分力。分为压力阻力（形状、干扰、内循环、诱导阻力）和摩擦阻力两部分。 空气阻力系数,1.1 气动力和力矩,近地面流线形车身气动六分力 图1.1 SAE空气动力学坐标系,1.2 空气动力学基本理论,1.2.1 理想流体和不可压缩流体 理想流体：假想的不具有粘性的流体，当空气绕物体流动时，若速度不太大，温度变化很小时，可处理为理想流体； 不可压缩流体：压强和温度变化不大时可处理为不可压缩流体；不可压缩的流体密度设为常数,1.2 空气动力学基本理论,1.2.2 定常流 流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若流场中任何一点的流动参数均

3、不随时间变化，则这种流动称为定常流，否则为非定常流。 在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的函数，和时间无关。 例如在风洞中进行的气动力试验，就是一个定常流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以在流动的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流来处理,1.2 空气动力学基本理论,1.2.3 流体的基本方程,连续性方程,1.2 空气动力学基本理论,伯努利方程,1.2 空气动力学基本理论,1.2.4 边界层及其分离现象 雷诺数=惯性力/粘性力 当雷诺数极低时 ，惯性力影响可以忽略，粘 性力支配整个流场，此时阻力系数值较大； 当在中等雷诺数时 ，层流边界层形成，并 在流经物体后部脱体分离，此时阻

4、力系数值变化不大； 当雷诺数较大时 ，在流动分离之前的边界层， 流动已经转化成湍流； 当雷诺数很大时 ，阻力系数则是个常数，与 Re无关,1.3 车身表面的压力分布,如图所示为某国产轿车 车身表面的压力分布。 压力系数： V车身某点处气流速度； 图1.2 车身表面压力分布 V 远处气流压力及速度,1.3 车身表面的压力分布,1、发动机罩：负压力 。这个区域中的逆向压力梯度趋向于阻碍边界层气流在这个区域中产生阻力。近年来，发动机罩线条的细部设计主要着重于避免气流在发动机罩上的分离及其产生阻力的缺陷。 2、在靠近挡风玻璃和前隔壁板底部附近：气压升高。这个高气压区域是通风，空调控制系统吸入空气或发动

5、机进气通道的理想区域。这个区域中的高气压常常伴随着较低的速度，有助于防止挡风玻璃上的挂水期被气动力所扰乱。 3、车顶部区域：气压再次降为负。这个区域中的低气压迹象可以在敞篷车车顶蓬布的波动翻腾中看见,1.3 车身表面的压力分布,4、后窗玻璃到行李箱盖：由于持续连续的弧线，所以向下沿着后窗玻璃到行李箱盖上的压力保持较低。正是在这个区域中气流分离最可能发生。在这个区域的车身轮廓角度和细节的设计要求密切关注空气动力学。由于压力较低，汽车两侧气流将吸入这个区域，并促使气流分离。 两侧的气流被拖入后部的低气压区域，汇合流过汽车顶部气流形成拖在车尾部的涡流。 分离区域的大小直接影响空气阻力，同时气流在车辆

6、后方发生向下弯转的程度对后部的空气升力产生影响。随着气流向下弯转，由于压力的减小导致车后部产生更多的空气升力,1.3车身表面的压力分布,对车辆后部的空气动力学设计的另一个要考虑的问题是对后窗玻璃和尾灯上有灰尘沉积的可能。气流分离区域高强度的湍流夹带了轮胎从道路扬起的水分和灰尘。如果分离中包含了这些水分和灰尘，会沉积在这些区域对视线产生障碍。 图1.3 车后部分离点对灰尘沉积的影响,1.3车身表面的压力分布,车身表面的涡流,图1.4 车身表面涡流分布,1.4 车身整体优化造型概况,从20世纪初叶起，人们一直不懈地努力研究能够减小气动阻力的乘用车型。这种目标是：寻找一种在接近地面情况下，在满足机械

7、工程学、人机工程学、操纵稳定性、视野性等各方面要求的具有最小气动阻力的基本理想外形。 1、纺锤状（水珠状）的流线体 早期的航空理论认为，具有最小气 动阻力的物体的理想外形是纺锤状（ 水珠状）的流线体。 受其启发，人们研制出“炮弹”形， 如图所示，其气动阻力系数只有0.04,图1.4 理想流线型与实际车体,1.4 车身整体优化造型概况,2、水珠体 研究表明，水珠体只有在远离地面的自由大气层中才具有最低气动阻力，一旦接近地面，因周围流场不再对称，阻力系数随相对地面距离的减少而显著增大，如图所示当相对地面距离d=0.1时，即为普通轿车的相对地面距离，这种理想体的气动阻力系数。由此水滴状是类车体造型的

8、理想形状,图1.5 水珠形阻力系数与地面距离,1.4 车身整体优化造型概况,研究表明一定弯度的水滴形状更适合于汽车外形，即选择在给定相对地面距离d=h/D时，是空气阻力系数最小的弯度值。由图1.6可知，在d=0.1时，最佳弯度线应在10%左右,图1.6 带弯度的水滴形与地面距离,1.4 车身整体优化造型概况,3、卡曼-背 1937年Kamm和Koeing几乎同时申请了一种车身专利，这种车身也称为截尾车，即他们通过是研究发现，将浸没于尾流区内的车身后部截掉，不仅不会带来压差阻力的增加，而且在总长相同的情况下，反而会提高车身的横风稳定性。 钝的车辆后端的形状允许车后座内更大的顶部空间且不会显著增加

9、阻力。具有这个特点的外形被称为“卡曼-背”（Kamm-back,1.4 车身整体优化造型概况,4、“鲸状”理论模型 1970年由英国人A.J.赛伯-里尔斯基提出了“鲸状”理论模型。该模型为一个纵剖面成带弯度的翼型，横断面是把两个相等的长轴连接起来的半椭圆形成的断面作为最大的横截面，上半个椭圆的短轴比下半个椭圆的短轴要长，水平面呈纺锤状流线型，如图所示。但这种形状虽然气动阻力较小，但气动升力和横风不稳定性都偏大，而且相关结构和乘员布置都较为困难,图1.7 “鲸状”理论模型,1.4 车身整体优化造型概况,5、Morelli模型 1976年，由意大利科学院资助，在平宁法力那（Pininfarina）

10、风洞中进行一项旨在探求最优化的轿车外形研究工作，当时的目标是力图创造出一种具有优异气动性能的轿车外形。 以A.Morelli教授为首的课题组在深入研究的基础上首先获得一个比例为1:2的基本形体，如图1.8所示，其为阻力系数0.049,图1.8 A.Morelli提出的基本形体,1.4 车身整体优化造型概况,此后按总部置要求，制成1:1模型并加车轮，如图1.9，增至0.16，最后考虑通风进出口，并加上其它一些修正，气动阻力系数上升至0.17，如图1.10。 若将此模型转换成实车，估计其阻力系数不会超过0.23。该课题组提出的这种较理想的新型轿车外形表明，实际上能够找到比带弯度流线形更合适于作汽车

11、车身的理想空气动力学流线体,图1.9 1:1模型并加车轮 图1.10 考虑附属空隙设计,1.4 车身整体优化造型概况,2000年我国华南理工大学黄向东教授所领导的研究小组，也进行了有关最佳车身气动造型方面的研究。 在提出相关参数和要求的前提下，运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出一个完全数字化的理想基本形体，如图1.11，并在此基础上制成1:3模型进行风洞试验，如图1.12模型实测最小气动阻力系数为0.122,图1.11 数字化理想形体,图1.12 最优气动外形风洞试验,1.4 车身整体优化造型概况,国内汽车空气动力学领域著名专家湖南大学谷正气教

12、授从事该领域的研究达二十多年，在最佳汽车气动外形方面的研究中做了大量的研究工作，谷教授认为完美车型的主要特点是整个车身的纵、横向截面的几何形状按照一定的合乎空气扰流原理的规律光瞬间变，整体造型更加新颖，气动综合性能最优,图1.13 湖南大学2004年提出的类菱形概念车造型,2 车头基本尺寸对车身外流场影响的数值模拟,2.1 空气动力学数值计算的一般方法 2.2 车头基本尺寸对车身外流场影 2.3 简单类车体外流场的数值模拟 2.4 车头外形的车身外流场数值模拟,2.1 空气动力学数值计算的一般方法,CFD(Computational Fluid Dynamics)是以理论流体力学和计算数学为基

13、础，把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。 描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维不可压缩不定常N-S方程组（NavierStokes），对其可用线性或非线性方法进行求解。 数字仿真中的线性方法主要有涡格法和面元法；非线性方法包括Euler法、雷诺平均N-S方程组法（RANS）、大涡模型LES（Large Eddy Simulation）、和直接数值模拟DNS法等,2.1 空气动力学数值计算的一般方法,2.1 空气动力学数值计算的一般方法,湍流模型优缺点比较,2.1 空气动力学数值计算的一般方法,数值模拟是一个极有前途的工具。但数值模拟方法也存在一

14、些不足。如： 因没有完全搞清楚湍流等气流流动状态特性，对有些问题没有普遍适用的数学模型； 在数值计算上收敛速率和精度有待改进； RANS（Regnolds Averaged Naviel Stokes）代码中包含了经验的输入参数、截断误差、网格相关近似、湍流模型等因素，使得数值模拟结果和试验结果存在差异。 数值工具的发展取决于对气流复杂流动特性的更深入的了解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全替代物理试验，两者是互补的关系,2.2 车头基本尺寸对车身外流场影响,2006年南京航空航天大学张奇硕士学位论文高速车辆车头改进的空气动力学特性研究对汽车在60m/s、70m/s 和80m/s

15、速度下的外流场情况进行数值模拟和分析，得出高速时的外流场分布特性，并在此基础上，提出具有指导意义的车身前部改进方法,2.3 简单类车体外流场的数值模拟,建立几何结构，生成计算网格（节点数 196059,图2.1 参考车辆及基础模型尺寸示意图,图2.2 流场空间布置及网格划分,2.3 简单类车体外流场的数值模拟,选择求解器和方程：2D 标准k 湍流模型 确定边界类型及边界条件： 入口边界选取远端来流方向为速度入口，速度为X 方向60m/s，出口边界为压力出口，出口相对压力为0。湍流动能k 和湍流耗散度 分别为0.024 和0.01 求解计算 改变车头前缘发动机罩的高度值H，即改变发动机罩的倾角(

16、图2.3a) ，同时改变发动机罩与挡风玻璃交接的位置， 从而改变挡风玻璃的倾角 (图2.3b)，对多组不同参数下的模型进行外流场的数值模拟,2.3 简单类车体外流场的数值模拟,图2.3 基本车体模型及车头尺寸变化示意图,不同车头尺寸条件下的阻力系数值,2.4 车头外形的车身外流场数值模拟,改变基础模型车头外形， 并对其外流场数值模拟,图2.4 车头上缘使用大圆弧过渡的车身模型外流场速度分布图（20134个节点,0.3350,0.3050,图2.5使用钝圆弧进气面外形的车身模型外流场速度分布图,2.4 车头外形的车身外流场数值模拟,0.3100,图2.6 车头上缘凸头模型,0.2930,图2.5

17、 抬高车头底部前缘的车身模型外流场气流速度分布图,0.2872,图2.7 挡风玻璃和车顶交界面使用大过渡弧度的车身模型的外流场速度分布图,结论： 使用良好的弧度曲面可以降低车头的迎风阻力，减少压差阻力，改善汽车表面的气流流动，减少摩擦阻力。 试验结果更突出了大圆弧过度对流场的改善作用。所以车头使用单一曲面应可以减少因表面突变带来的气流阻滞，使气流流动更为顺畅,2.4 车头外形的车身外流场数值模拟,3 湖南大学菱形新概念车气动特性研究,3.1 菱形新概念车气动特性 3.2 车辆横摆角与阻力系数关系 3.3 车辆外流场数值仿真研究,3.1 菱形新概念车气动特性,为了提高乘用车辆行驶的安全性、乘坐舒

18、适性、燃油经济性、操纵方便性、外形美观性，湖南大学钟志华教授等2004年提出了一种类菱形车，该车轮系按照菱形布置，前后各一个驱动轮，车中部为两个从动轮这种结构,3.1 菱形新概念车气动特性,2005年湖南大学车辆工程专业吴军博士论文汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究内容为： 首次对菱形新概念车车体通过建立低雷诺数非线性涡粘性湍流模型（全应力输运湍流模型WST（whole stress transport turbulence model）进行数值仿真，通过深入分析新概念车车身的低阻气动特性及其与典型汽车之间的差异，运用了多种分析方法来揭示新概念车拥有低阻性能的原因,3.1 菱形新概

19、念车气动特性,3.1.1 风洞试验,图3.1 概念车模型风洞试验,图3.2 典型车辆模型 风洞试验,3.1 菱形新概念车气动特性,图3.3 典型汽车(左)与新概念汽车（右）气动力力矩和来流速度、侧偏角的关系,3.1 菱形新概念车气动特性,图3.4 典型汽车（左）和新概念汽车（右）压力系数与不同侧偏角的关系,3.1 菱形新概念车气动特性,新概念车后扰流板的作用在于破坏了在车后部即将形成的强大的尾涡，致使高速气流被滞缓，使汽车的尾流结构由大的旋涡变成了由一些不规则的小漩涡构成的湍流，强大的尾涡减弱了，湍流损失也随之减少，从而降低了压差阻力,图3.5 后扰流板对压力系数的影响,3.1 菱形新概念车气

20、动特性,3.1.2 数值模拟 新概念车模型外流场计算区域划分网格单元总数为230万个体积单元，典型汽车模型外流场计算区域划分网格单元总数为260万个体积单元,图3.6 网格划分,3.1 菱形新概念车气动特性,新概念汽车与典型汽车阻力系数对比,表3.1 新概念汽车数值模拟阻力系数与实验值对比,表3.2 典型汽车数值模拟阻力系数与实验值对比,3.1 菱形新概念车气动特性,试验值与仿真值对比结果,图3.7 表面压力分布计算值和仿真值结果对比,3.1 菱形新概念车气动特性,3.1.3 外流场性能数值仿真 前部和尾部流态仿真,左图 图3.8 车辆后部速度对称面流线形态,右图 图3.9 车辆前部速度对称面流线形态,3.1 菱形新概念车气动特性,结果分析： 根据车身尾部纵对称面上的气流流态分析，新概念车由于没有明显的湍流现象，能够避免尾部的泥土上扬现象； 而在典型车尾部纵对称面上有明显的两股湍流，尤其是由车身底部上溯的湍流，它将导致汽车行驶过后卷起地面灰尘和积水，分布到车尾整个滞区，并部分附着到车身后部,3.1 菱形新概念车气动特性,3.1.4 汽车模型尾部不同距离横向截面上的速度矢量,图3.10 汽车尾部不同横截面取值示意图,截面速度矢量示意图,图3.11 截面1,图3.12 截面2,图3.13 截面3,截面速度矢量示意图,图3.