汽车系统动力学第4章--空气动力学基础课件

1、第四章空气动力学基础第一节概述第二节 空气的特性第三节 伯努利方程第四节 压力分布和压力系数第五节 对实际气流特性的考虑第六节 空气动力学试验第七节汽车的空气阻力第一节概 述当汽车在空气中运动时,会受到空气的作用力。与轮胎的作用力有些不同,空气动力随车速的增加而迅速增加,从而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著的影响。例如,影响汽车高速行驶时动力性的因素,包括最高速度、高速时的前进加速度及制动减速度。除了空气动力的直接影响外,空气动力和轮胎力的相互作用对车辆侧向动力学特性的影响也很显著。例如,若能产生向下的气动压力可增加轮胎载荷,从而增加轮胎产生侧向力的能力,以提高车辆的操纵稳定性。汽车空气动

2、力学问题的研究内容主要分为对车外流与对车内流的分析,研究目的包括减少风阻、提高侧风稳定性、实现合理的风压及其分布、提高发动机第一节概 述进气管道的效率、提高车辆各部分(包括发动机、油液、制动系统、传动系统和差速器)的冷却和驾驶室通风,以及解决汽车表面尘土污染、气动噪声、刮水器上浮等问题。汽车空气动力学的主要研究内容可概括为1,2:1) 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来减小车辆的空气阻力。2) 在空气阻力一定的情况下,尽可能增加向下的气动压力以提高轮胎附着性,但同时减小对轮胎侧偏力的影响。第一节概 述3) 开展比例模型或全尺寸汽车空气动力学试验,并对试验结果进行分析。4) 研究空

3、气动力与底盘设计及汽车使用情况之间的相互关系及影响。本章首先对空气动力学的基本概念和理论进行介绍,然后针对实际问题,介绍汽车空气动力学基本知识,包括研究方法、试验手段及结果分析和标准等。第二节空气的特性当研究空气动力学时,首先必须考虑空气的特性,如空气的物理特性、连续介质假设和其他一些重要的空气特性(如空气的密度和黏性等)。空气是由多种气体混合而成的,由于气体分子的运动,各气体微团间存在着相互作用力。根据产生方式的不同,作用力可分为两种形式:两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生,仅产生法向应力;由于微团间相互滑动,存在分子间的动量交换,产生切向应力,其大小取决于空气的黏性和微团的剪切变形速

4、度。若假设微团为立方体,两种不同形式的相互作用力如图4-1所示。通常情况下,两种形式的应力会同时存在,只是所占比例第二节空气的特性不同。与压应力相比,物体周围大部分气流中的剪切力都很小,空气微团间相互作用力垂直于接触面,表现为法向压力。当流体绕物体流动时,在物体壁面附近受流体黏性影响显著的薄层称为“边界层”(boundary layer)。在边界层中,剪切力相当重要。贴近物体的气流粘附于物体表面,而较远的气流则自由流过。由于存在一个较大的速度梯度,导致边界层相应存在较大的剪切力。此外,在绕流物体的后部和理想气流之间存在着相互作用,边界层会产生所谓的“分离气流”(separated flow)。

5、分离气流的特征是存在由第二节空气的特性切向力产生的气流急速旋转,以及阻力提高和升力损失。在讨论这些流体的流动特性之前,首先对空气的力学特性给予简单介绍。第二节空气的特性一、空气密度空气分子做不规则运动,其能量受温度的影响,温度越高,分子运动速度越高,移动距离越远。若单位体积内的分子数目保持不变,则空气质量和压强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量也随温度的不同而不同,单位体积内空气质量和空气密度会随温度发生变化。因此,为了便于在不同条件下比较,需定义一个“标准空气密度”,即在标准压强和标准温度条件下的空气密度。按NACA/NASA标准,对于海平面上的干燥空气,规定:标准压强为1.013105

6、N/m2,标准温度为15,重力加速度g为9.8m/s2,而在上述规定的条件下标准空气密度等于第二节空气的特性一、空气密度1.225kg/m3。在研究空气动力学时,通常以上述标准值作为参照基准。实际上,空气大多处于非标准状态,空气密度的变化遵循理想气体状态方程,即:式中,p为大气压强,单位为Pa;T为热力学温度,单位为K;为空气密度,单位为kg/m3;下标“0”表示标准状态或任一初始状态。第二节空气的特性一、空气密度1.空气密度随温度的变化大气温度或某局部条件变化都会导致空气温度变化。在压力不变的情况下,温度变化引起的空气密度变化可由初始绝对温度与当前热力学温度的比值乘以初始空气密度求得。例如,

7、当散热器排出的空气比标准的周围环境空气高50时,可计算出其密度为:=(15+273.15)/(65+273.15)1.225kg/m3=1.044kg/m3第二节空气的特性一、空气密度2.空气密度随压强的变化在温度不变的情况下,由于空气压力直接与大气压力成正比关系,因而天气状况或海拔的改变将引起大气压力的改变。海拔越高,空气越稀薄,空气密度越低。第二节空气的特性二、空气黏度黏度用来表述流体的黏性,流体黏性力由气体的黏性和内部速度梯度共同决定。黏性力在流体间相互传递,通过依附于固体表面很薄的边界层作用于物体表面。流体越黏,流体传至物体的力也越大。黏度可分为动力黏度和运动黏度。气体的动力黏度会随温

8、度缓慢变化,通常随温度的增加而增加。定义温度为15时的空气动力黏度为标准值,其值为1.82210-5Pas。第二节空气的特性二、空气黏度运动黏度定义为动力黏度与密度的比值,即=/,单位为m2/s。在标准状态下,空气的运动黏度为1.42810-4m2/s。运动黏度是后面将要讨论的雷诺数表达式中的一个参数。雷诺数的微小改变就会引起空气动力的显著变化,这也意味着流体特性发生了改变。第三节伯努利方程当理想不可压缩流体做定常运动时,可采用伯努利方程(Bernoullis Equation)来描述其力学特性。伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而建立,它忽略了空气重力的影响,用于描述流体速度和压强之间的关

9、系。在正常车速范围内,可假设空气是不可压缩的。根据伯努利方程,可以预测不同形体的表面压力和升力,对不存在气流分离或边界层变化小的形体尤其适用。由于只考虑空气的法向压力,因此由黏性切向力(边界层效应)决定的空气阻力在伯努利方程中没有涉及。第三节伯努利方程如前所述,物体边界层以外的流体被简化为非黏性流体,所以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对以亚声速行驶的车辆来说,空气密度变化通常不大(散热等内流场情况除外),因此在汽车空气动力学研究中,通常可以忽略车身周围气体密度的变化。现举例说明如下:(1)随温度的变化例如,假设车身周围气流的温度平均增加量t为10,若初始温度T0为293.15K,则其密度

10、比为:第三节伯努利方程现根据相对运动原理来研究空气动力学问题。例如假定空气静止不动,令物体在空气中运动;或假定物体不动,空气流过物体(如风洞试验的情况)。但不管哪种情况,压强与速度的相对关系都是一样的。在下面的推导中,假设空气流动。第三节伯努利方程图4-2所示的一根空气管道可看成是由若干流线(表示定常连续流体的流向,流线越密的区域表示流速越大)构成的流管。由于管道表面无气流穿过,其表面就相当于固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努利方程来描述。设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的独立系统(即无流体通过边界),因此系统总能量沿轴向保持恒定,只是存在的形式可以不同,能量的形式可以是:第三节伯努利

11、方程(1) 势能与流体高度变化有关,与流体密度和高度成正比,对汽车空气动力学研究来说,通常可以忽略。(2) 动能等于mv2,其中m为质量(单位为kg),v为速度(单位为m/s)。考虑流束中重量为W、速度为v、体积为V0的一流体微团(图4-2),其动能表达式如下:(3) 压力能由于流束位于边界表面具有一定静压力的流体内,且静压在各向均匀作用,因而流体内部必须有相等的压力来保持平衡,如图4-3所示。流体微元的压力能等于它克服外界压力保持自身体积所需的功,即外部压强p乘以第三节伯努利方程自身体积V0。综上所述,所讨论的流体微团总能量为压力能与动能之和,即:第三节伯努利方程当气流与物体相对运动时,环绕

12、物体的气流总会被分成两个或更多的方向流动,如图4-4所示的分流点O称为驻点,其压力等于静压与动压之和,称为驻点压力。对实际行驶中的车辆而言,图中所示驻点处的静压p是一特殊情况,驻点处的流线则是车辆上部气流和下部气流的分界线。第四节压力分布和压力系数一、压力分布由伯努利方程可知,若动压增加,则流体的静压必定减小,反之亦然。翼剖面是一种利用压力变化来产生动力的装置,如图4-5所示。空气从翼剖面上部和下部流过时速度都会加快,但由于上表面曲率更大和长度增加,因此流过上部的空气速度增加得更多。根据前面对空气不可压缩和连续性条件的假定,通过翼前端附近横截面的空气体积要等于流过翼后端横截面的体积。因此,在翼

13、剖面较厚之处流管变细,空气流速增加,典型的情况如图4-6所示。第四节压力分布和压力系数一、压力分布第四节压力分布和压力系数一、压力分布由图4-6可见,流管特性表现出“弹性”特性,即由于空气速度的提高而导致静压下降,从而流管截面变小。当流向翼剖面后端的空气速度减小后,流管便在压强增加的情况下扩张,这就是所谓的“压力恢复”。在这种情况下,若翼剖面顶部的压降(表现为负压力)大于底部压降,则形成了升力,此时顶部空气流动更快,相对负压力的分布如图4-7所示。因为这里假设理想流体不存在剪切力,因此描述压力分量的箭头与翼剖面表面是垂直的。由图4-7可见,由于翼剖面顶部区域的负压力要比底部负压力大,因此产生了

14、向上的升力。若将所有矢量表示的压力第四节压力分布和压力系数一、压力分布分量相加,得到的总的合力在沿气流方向的分力可认为就是“压差阻力”。这里所讨论的只是理想情况,即压力可完全恢复,上述情况还是会发生在真实的翼剖面上,且远处气流方向上的压力总和为零。当然,实际中翼剖面所受到的升力考虑了与气流垂直方向上压力总和不为零的情况。由伯努利方程可知,气流的动压可转化为静压。静压在表面施加作用力,就可以产生升力(或下压力),其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,体现了可利用能量的多少。将动压转化成静压和升力的效率与第四节压力分布和压力系数一、压力分布物体的形状有关。若要将动压有效地转化

15、为静压和升力,还取决于物体的形状。例如,当翼剖面形状与理想气流流向一致时,如图4-8所示,对产生下压力是非常有效的。第四节压力分布和压力系数二、压力系数Cp第四节压力分布和压力系数二、压力系数Cp第五节对实际气流特性的考虑上节中介绍的是理想气流流经光滑物体时速度与压力的关系。实际中的空气并非理想气流,车身设计也很少能达到完美的流线型,且流动条件复杂多变。因而这里也只能对实际的气流的特性及影响给予一般性的介绍。首先要考虑的是物体表面的空气边界层。由黏滞作用产生的剪切力对边界层影响显著,剪切力使空气流速和能量降低,其作用与空气沿物体表面的距离有关。边界层沿物体逐渐变厚,气流由层流(流线很平顺,各层

16、之间层次分明,互不影响)变为湍流(流线脉动,层次不分明)。即便物体轮廓形状非常平滑也是如此。实际上,绝大多数边界层处的第五节对实际气流特性的考虑气流是湍流,这意味着边界层内部的空气微团以随机速度运动,且与物体表面的距离也相应变化,并对整个边界层动能的分布产生影响。由于空气连续沿物体表面流动,湍流边界层会因边界层能量在表面摩擦力作用下变小而进一步增厚。边界层厚度可采用下式近似计算3:第五节对实际气流特性的考虑式中,k为比例系数,与物体形状和表面特性有关;为运动黏度;v为来流速度;x为沿物体长度方向上的距离。边界层厚度的增加使气流速度减慢、压力回升,物体后部形成压力恢复区。边界层压力的增加与能量的

17、损失实际上在表面形成了逆流,逆流排挤主流从而使之脱落壁面,这种现象称为边界层分离,如图4-9所示。对汽车而言,其后部边界层通常会从车身上分离出来,并且气流会形成所谓的扰动尾流,边界层变厚过程及尾流形成过程如图4-10所示。第五节对实际气流特性的考虑第五节对实际气流特性的考虑第五节对实际气流特性的考虑由图4-11所示的风洞试验可知,只有在图中所示的扩散角10的情况下空气流才会膨胀并贴紧边界面。如果过大,那么气流就会从风洞壁上脱离并伴有随机湍流生成。与飞机机身相比,车辆车身相对较短,且为非流线型体,因而上述现象常出现在车辆后部。图4-12a所示的烟雾流说明了这类的分离情况。尾流处的白色烟雾因湍流的

18、混合而变得稀薄,从而尾流处的流线消失。第五节对实际气流特性的考虑第五节对实际气流特性的考虑第六节空气动力学试验在研究车身这类非流线体特性时,空气动力学试验已成为一种标准方法。风洞测试中,可采用整车模型或比例模型进行试验,也可进行道路实车试验。通过模型试验确定设计车辆的空气动力特性,对某些设计环节或部件进行改进,完善设计。本节首先讨论风洞试验和雷诺数,然后介绍各种用于实车试验的测试技术,最后对空气阻力和力矩系数进行介绍,这些参数广泛应用于不同车辆的特性比较。第六节空气动力学试验一、风洞试验风洞试验首先要做出车辆模型,然后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,以及用喷烟或气流染

19、色或贴丝线等办法来观察模型附近流线的变化。风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段组成,如图4-13所示。第六节空气动力学试验一、风洞试验动力段的作用是鼓动空气在风洞中流动,以调节试验段中的风速。收缩段的作用是使气流加速,使其达到试验要求的速度。气流沿收缩段流动时,洞壁上不出现气流分离,阻止旋转,消除涡流,保证出口的气流均匀、平直且稳定。试验段是放置被测车辆实车或模型的部分,是风洞的中心,其应能尽可能地模拟车辆的真实流场。扩散段是使气流速度降低,把气流的动能部分地转化为压力能,以减少洞壁的摩擦损失,节省风扇电动机的功率。第六节空气动力学试验一、风洞试验根据内部空气导向设计的不同,风洞可分为直

20、流式(埃菲尔式)风洞(图4-13)和回流式(哥廷根式)风洞(图4-14)。前者在送风方向和排气方向都是开口的,而后者的空气构成封闭的回路。第六节空气动力学试验一、风洞试验直流式风洞其真正的优点在于非常有效地采用了无回风道和无冷却装置设计。但是由于直接从大气中吸入空气,经过试验段后又排入大气,所以试验段内的流体状态受风和周围环境温度的影响,致使这种风洞的应用仅局限于欧洲。另外,直流式风洞由于会受周围的高噪声污染和吹入空气的污染,以及雨雪等自然现象的影响,因而需要安装附加的过滤系统;又由于动能很大的气流直接排入大气中,所以送风装置的功率也较大;试验段、喷管和送风装置等部件影响了风洞的性能。第六节空

21、气动力学试验一、风洞试验回流式风洞中要求气流在一个闭合的回路中循环流动,因而受外界因素影响较小,从而使人工气候易于控制。若在闭式回路中加热空气,对非耐热材料制成的车辆模型而言,则需要冷却装置来保护,由于冷却装置存在压力损失,而且需要冷却能量,因此总能耗相对较大。第六节空气动力学试验一、风洞试验整个风洞的尺寸基本上由风洞试验段的尺寸决定,而试验段的尺寸由车辆迎风面积和风洞送风横断面面积的关系(通常为固定比例关系,称为“堵塞比”)决定。为了尽可能减小堵塞效应,堵塞比应小于0.07,因而风洞尺寸更大,致使风洞试验费用极高。在汽车工业应用中,通过调整相应的送风横断面来尽量减小车用风洞的尺寸,以降低试验

22、成本。横断面壁面类型如图4-15所示。第六节空气动力学试验一、风洞试验第六节空气动力学试验一、风洞试验直流式试验段中通常在上壁和侧壁开口,其优点在于流体运动方向上的压力基本保持恒定,可以保证测量精度和较小的堵塞效应。其缺点是有效长度小、损失系数高、声音辐射无阻碍。当用作人工气候风洞时,由于送风的延伸需要大的捕捉喇叭,对围绕试验段空间的空气条件要求苛刻。第六节空气动力学试验一、风洞试验回流式试验段的优点是能量损失少、噪声小、有效长度大。由壁面摩擦阻力导致的压力降低,使气流速度增大,从而产生一个额外的速度增量。这可由流体流动方向横断面的微幅减少来补偿。然而,即便对简单的洞壁样式,也需要大量的测量来

23、校正。因此,这也促进了流线型试验段的开发设计。第六节空气动力学试验一、风洞试验在流线型试验段设计中,洞壁的形状可根据车辆(或模型)外形的几何参数进行调整。它既克服了直流式试验段有效长度小的缺点,又有效地减少了回流式试验段的摩擦效应。开槽式试验段在壁面上开设一定数量的条形槽,条形槽起试验段内外通气的作用。因此它是介于直流式和回流式试验段之间的一种试验段。开槽式试验段非常接近所要求的实际流体,只是槽的数量和布置比较复杂。第六节空气动力学试验一、风洞试验此外,收缩段和扩散段形状对流体的均匀性和稳定性也有着重要的影响。大的收缩比(喷管入口横截面和出口横截面面积之比)意味着小功率送风输出装置出口速度的均

24、匀分布。然而,对功率较大的送风装置而言,意味着昂贵的建筑费用。送风机的轮廓设计必须满足送风时流体在壁面上不分离,并在出口处没有冗余的湍流产生的要求。第六节空气动力学试验一、风洞试验过去,流体速度主要通过送风装置的转动叶片来调整。这种设计的优点是送风驱动装置较为简单;但明显的缺点是干涉灵敏度、大支座的转子实现困难,以及运行状况下具有强烈的噪声污染。虽然风洞试验的效能已被广泛承认,但因为要模拟车轮转动与地面的相对运动、发动机进/排气及散热和空调等因素,且堵塞效应修正和速度修正较为复杂,因此风洞试验方法也不尽完善。第六节空气动力学试验一、风洞试验在车辆设计的初期,空气动力学试验通常在规模较小、成本较

25、低的风洞中进行模型测试。但有两个问题需特别注意,即地面层模型的建立和确保车辆模型的流场与最终实车的流场相似,具体说明如下:现代汽车的车底净空间很低,因而车身底部和其相邻四周的气流成为影响升力与俯仰力矩大小的关键因素。2) 关于“流体相似性”或风洞试验中与全尺寸车辆模型有关的流体特性的模拟问题。第六节空气动力学试验一、风洞试验由于沿着平板流动的空气会产生边界层,边界层的厚度随着离前端距离的增大而增大,如图4-16所示。如在相同的气流条件下对该平板的14比例模型进行试验,那么其后端处的边界层厚度是t2,而不是t1,这表示可能发生的车辆后部压力梯度的边界层分离由边界层的实际厚度所决定,任何发生在全尺

26、寸下的分离位置都必须出现在比例模型的相应位置处,所以用模型来模拟全尺寸情况显然不够。要“证实”模型上的气流流动具有相似的性质,就必须在模型上用到诸如“丝线”这类装置。第六节空气动力学试验一、风洞试验第六节空气动力学试验二、雷诺数满足模型和实际车辆流体特性相似(即具有相似的摩擦力和惯性力关系)的基本条件是:二者应具有相同的雷诺数。雷诺数常用Re来表示,定义如下:式中,v是气流速度;L是适当选择的描述流体特性的长度;是流体的运动黏度。第六节空气动力学试验二、雷诺数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,则流体特性应相似。对雷诺数Re的物理解释如下:动压等于v2/2,是运动粒子与物体相

27、撞后动能转换为压力能所引起的单位面积受到的力。所以,惯性力为:式中,L是选择的描述流体特性的长度。由此可见,惯性力与动压和作用面积之积成正比。第六节空气动力学试验二、雷诺数单位面积所受到的摩擦力为:所以,惯性力与摩擦力的比值正比于雷诺数,即:式中,是动力黏度;v/L是随流体层距离改变的速度变化率。根据单位面积的摩擦力,可计算出实际面积的摩擦力为:第六节空气动力学试验三、流场可视化最简单的是丝线法。将柔软的短细丝线、尼龙线或羊毛等的一端粘在试验模型表面上,另一端能随着气流自由摆动。如丝线太长,就会产生“旗飘”现象。有时丝线被附装在3cm左右长的销钉上以消除边界层效应。图4-17所示为在风洞中装丝

28、线的机翼模型。第六节空气动力学试验三、流场可视化丝线也可固连在风洞中垂直于气流的平面的格栅上,以确定模型尾端的尾流情况,尾流的范围及特性与模型所受的阻力密切相关。图4-18是一个典型的格栅装置以及由后掠式机翼干扰后的丝线形态的照片,它显示机翼尖端存在涡流。在车体后端的尾流中也常存在涡流,长丝线有时用来确定进口气流的状态。第六节空气动力学试验三、流场可视化第六节空气动力学试验三、流场可视化第六节空气动力学试验三、流场可视化另一种流场可视化方法是在模型表面涂烟黑与煤油的混合物。烟道开启直到流体稳定后再关闭。这样就可以观察模型表面的烟黑条纹,并可用照片记录下来。根据前面介绍的装置以及空气速度、静压、

29、动压以及总压力、温度的测量方法,运用流场可视化技术,可使实车模型空气动力学测试及结果分析变得简便而直观。第七节汽车的空气阻力一、SAE标准坐标系如图4-20所示,SAE标准坐标系的原点位于轮距中心线和轴距中心线在地面投影的交点处。x向前为正;y向右为正;z垂直向下为正。第七节汽车的空气阻力一、SAE标准坐标系由空气动力产生的力矩与参考长度和轴距有关。SAE标准对作用在车身上的六分力定义及计算公式的总结见表4-1。符号六分力符号定义计算公式FL升力(Lift)向上为正FL=CLqA=-FzFD阻力(Drag)向后为正FD=CDqA=-FxFS侧向力(Side Force)向右为正FS=CsqA=

30、+FyPM俯仰力矩(Pitch Moment)向右为正PM=CPMqAL=MyYM横摆力矩(Yaw Moment)向下为正YM=CYMqAL=MzRM侧倾力矩(Roll Moment)向前为正RM=CRMqAL=Mx表4-1SAE标准对作用在车身上的六分力定义及计算公式的总结第七节汽车的空气阻力二、空气阻力系数汽车受到的空气阻力主要由车身表面的压力变化引起,而车身表面的压力变化与理想流体的动压q直接相关。实际作用力与作用面的面积成正比。最后,必须考虑车身外形对车身速度的影响。因此,SAE J1594标准中定义了一个无量纲的空气阻力系数CD为:式中,FD为空气阻力,单位为N;A为参考面积,单位为

31、m2,通常采用汽车的迎风面积;q为动压,单位为Pa,等于v2/2。第七节汽车的空气阻力二、空气阻力系数系数CD就是单位动压单位面积的空气阻力,体现了气流可获得的动能所转化的压力和阻力,它是代表汽车空气阻力动力学性能的一个重要评价参数。采用空气阻力系数的好处是:风洞试验中一旦动压q、参考面积A以及车辆轴距WB确定后,对其他速度、空气密度以及车身尺寸的车辆来说,不需再进行风洞试验就能计算出相应的空气阻力和力矩。第七节汽车的空气阻力1.形状阻力形状阻力占压差阻力的大部分,主要与边界层流态和车身后端流体分离产生的尾涡有关。因而车身后端分离区尺寸的大小很大程度上决定了压差阻力的大小。如图4-21所示,在汽车迎风面积A相同的条件下,不同流速气流经过不同车身表面后获得的后端分离横截面面积Aa有很大的不同。第七节汽车的空气阻力1.形状阻力通常要尽量减小分离区,以使车身表面产生较小的真空区域,从而获得较小的压差阻力。后端边界层的“吸出效应”同样会使压差阻力显著降低。后端气流的分离经常