汽车设计-汽车空气动力学

汽车空气动力学

空气动力学是物理学的一个分支，是研究物体在空气中作相对运动时，物体与空气间相互作用关系的一门学科。应用于汽车的空气动力学根本原理根据理想流体的伯努利(Bernoulli)压力平衡原理，气流的动压力和静压力之和应是常数，即式中，ph为大气压(kPa)；T为绝对温度(K)式中，v为空气的流速(m／s)；

ρ为空气的密度(kg／m3)，在标准大气压ph0=101．325kPa)和15℃时，ρ0＝1．2258kg／m3，在其他情况下，空气密度为一、空气在汽车周围的流动情况1)流管截面不同，气流速度亦不同。流管截面较小的地方，空气的流速高；流管截面较大的地方，空气流的速度较低。在其滞点O(在其前端的中点)，空气的流速为零。空气在滞点处分为两股，沿汽车车身向后流动时逐渐加速，并在汽车最大横截面处，流速到达最大值；然后随着汽车横截面的减小，流速逐渐减慢。2)空气流动时，车身外表的压力变化。利用风洞对车身压力分布进行研究的结果，一般是以无因次比值的形式表现出来，即

式中p1为车身外表上的压力；p0为远离车身的空气流的压力；pq为空气流的动压力。空气作用在汽车车身上的力和力矩气动力坐标系1.气动力F和风压中心将整个汽车外外表上压力合成而得到作用在汽车上的合力，称为气动力F。气动力F与气流速度的平方，迎风面积S以及车身形状系数CF成正比.可将气动力F分解成：气动阻力Fx

侧向分力Fy气动升力Fz

合力在汽车上的作用点称为风压中心，记作C.P.。气动力矩假设把气动力的三个分力转换到汽车的质心(记为C．G．)上，那么有气动力矩如下：〔1〕纵倾力矩又称俯仰力矩My(以使汽车抬头为正)式中Xc，Zc，——风压中心到质心的距离；L——特征长度，一般指汽车的轴距；CMy——俯仰力矩系数。〔2〕横摆力矩Mz(以汽车右偏为正)：Mz=FyXc=式中CMZ——横摆力矩系数。〔3〕侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)；Mx=FyZc=式中CMx——侧倾力矩系数作用在汽车上的气动阻力D(FX)作用在车身上的气动阻力由五个局部组成：形状阻力、干扰阻力、内部阻力、诱导阻力和摩擦阻力。形状阻力是正面的气流和后部产生的涡流等所引起的汽车车身前后之间的压力差，所以有时称为压差阻力。

干扰阻力是由汽车外表凸起的零件引起气流干扰而产生的阻力。

诱导阻力由升力所引起，因为实际上升力并不与汽车的行驶方向垂直，而是向后倾斜，它的水平分力就是诱导阻力。Cµ＝Cl2(π/λ)式中:Cµ为诱导阻力系数；CL为量纲为一的升力系数；λ＝B0/L0式中:B0为汽车宽度；L0为汽车总长度。摩擦阻力是由于边界层内空气的粘滞性而形成空气与车身外表以及各层空气之间的摩擦力，它取决于车身外表的面积和光滑程度。内部阻力是空气流过冷却系统和车身通风系统所引起的。汽车的气动升力L和纵倾力矩PM

气动升力为正时，将减小车轮上的载荷。汽车前轴载荷减小，将不利于操纵性；后轴载荷减小，将因减小驱动轮上的附着力而影响动力性。升力还可能引起诱导阻力，同时还间接地影响汽车承受各种侧向力的能力。

减小升力的措施将汽车的各个横截面形心的连线称为中线，中线的最前端和最后端分别称为前缘和后缘，前缘和后缘的连线称为弦，弦与汽车行驶方向的夹角称为迎角。弦前高后低，那么迎角为正值；弦前低后高，迎角为负值，汽车的气动侧向力S、横摆力矩YM和侧倾力矩RM汽车承受侧向风时所产生的侧倾力矩RM会引起车身的侧向倾斜，直接影响汽车的侧倾角，因而也影响对汽车左、右车轮的质量分配。横摆力矩主要受汽车的外形尺寸、形状及汽车尾翼的影响。气动力矩对汽车气动稳定性的影响

2．侧向力及横摆力矩对操纵稳定性的影响汽车造型设计时应尽量减小汽车前部侧投影面积，使OD靠近后轴。近年来广泛流行长头短舱的跑车造型、行李箱保持较大高度的半快背式轿车造型以及尾部有较大厚度的割尾式快背轿车造型，与其良好的气动力稳定性有关。汽车各部形态与气动力特性的关系

一、实际空气在物体周围流动的物理特性

围绕着运动物体的一个相对薄的空气层内，气流速度有着急剧的变化，从外表处的零到边界层外的局部气流速度，这一气层内存在着速度梯度，该气层称为边界层或附面层。可以根据速度梯度在附面层内的状况来区分附面层的类型。当气流速度不很大时，附面层内各层间速度变化小,各层间是以不同速度错动的，称之为“层流〞。在边界层内部，气体的运动速度迅速减小以致滞止下来。当静压力足够大时，在离物体外表某一距离处的流速为零，而更近的距离内气流方向变成负值，即空气倒流，形成一个别离面，产生涡流，称之为“湍流〞。二、汽车前端形状对气动力特性的影响---别离点和附着点由于附面层内的气流速度变慢而使附面层内的气体“堆积〞起来并逐渐变厚，于是会在距物体外表某一点K处的气体粒子失去其动量，速度为零。气流在这一点流动方向发生改变，该点称为别离点。更靠近物体外表的气流方向变成负值，空气发生倒流。各个别离点连成一片形成一个别离面，在别离面后部，产生了一个个涡漩，涡漩被外层气流带走，同时又从别离面上卷进新的涡漩以补充被带走的局部，这种现象称为别离现象。空气的别离现象及涡漩的形成在汽车前部有一个很小的层流区域，其余局部都是湍流，故可以认为汽车的所有外表实际上均由湍流附面层所覆盖。不同车型的车身压力分布汽车前端形状对气动力特性的影响汽车前端的形状与结构对气动力特性的影响甚大，最正确的车头形状应是不使气流产生剥离。理论上汽车的前端应为流线形最好，好的前端造型可使其气动阻力系数变为负值，达-0．015但γ角降到30°以下时再降低此角，对降低气动阻力系数和升力系数的效果是很小的，反而会牺牲车室内的空间。

三、汽车顶盖外形对气动力特性的影响为使气流平顺地流过车顶，使其外形外表不易产生涡流，常将顶盖设计成上鼓的外形，使气流平顺地流过车顶，并使气动阻力系数下降，但有可能使汽车的正投影面积增加。因此，在满足驾驶室居住性要求的同时，应选择适宜的顶盖。为防止由前端经顶盖流向尾部的气流与由地板下部上卷的气流在车身尾部混合而形成尾涡，可将顶盖的末端做成“鸭尾〞形状，同时，由于鸭尾上翘对气流的阻扰而产生高压区，因此可降低气动阻力与升力。四、汽车侧面外形对气动力特性的影响设计时可以使车身侧面在俯视图中适当地向外鼓一些。即适中选择鼓起的弦长ah与轴距L之比ah／L值。侧面弧度外形在一定范围内会使气动阻力降低。五、汽车底部外形对气动力特性的影响汽车行驶时，由于汽车底部和地面之间气流的粘滞和干扰，在汽车底面将产生边界层。随着气流向后部移动，边界层厚度将逐渐增加。进入汽车底部的气流首先是与汽车运动方向相反而向后运动，然后由于气流的粘滞性，当汽车驶过后又向前运动，在这个运动方向的转折处形成一个漩涡区。在离地间隙不大时，边界层有可能延伸到地面。汽车前端到边界层接触地面的这段距离称混合距离。影响汽车底部和地面之间气流状态的因素影响汽车底部和地面之间气流状态的因素有：汽车离地间隙，汽车外形尺寸及车身造型，汽车底部的平滑程度与结构以及地板的纵向和横向曲率。减少汽车底部气动阻力原那么上有两点：一是尽量设法减少流人底部的空气量；二是尽量使底部的空气流动顺畅。为了使底部的气流流动顺畅，可通过地板的合理造型，如将车底在纵向或横向做成带有曲率的形状六、汽车车身后背形态对气动力特性的影响车身后部上外表向下倾斜使气流减速增压，导致气流别离形成压力较低的尾流。尾流中的静压力对汽车有一个向后的“吸力〞，从而产生压差阻力(形状阻力)。后背倾角φ不大于10°，一般情况下气流不会别离；当后背倾角接近20°时，其阻力急剧增加；后背倾角达30°时的阻力值最大，大于30°时阻力值又急剧下降，故可将30°称为临界角；φ接近40°时，阻力系数变为常数。常按后背倾角乒的大小与阻力的关系将轿车分为三类：(1)直背式车身后背倾角声φ<30°。(2)舱背式车身后背倾角φ＝20~50°。(3)方背式车身后背倾角φ>50°。汽车后背倾角的大小不仅影响空气阻力，也会影响升力，对于直背式与方背式车身，由于φ增大时汽车后背上的涡流也随之增强，所以其后背上的静压力随之减小，空气升力那么相应增加。七、汽车外表凸起物与凹槽对气动力特性的影响这些靠近车身外表的凸起物会对气流运动产生干扰，使气流从车身外表别离，在后面形成尾流而产生干扰阻力，而且气流流经凸起物外表时流速增加。如果将另一物体置于这个被加速的气流中，就会受到更大的空气阻力。八汽车内部气流对气动力特性的影响

1)局部外部气流被引进车内而降低了外部气流作用于车身的压力。2)外部气流在通过散热器内部空气通道等处时，由于摩擦、漏气及涡流而损失了动量。这些动量损失是内部气动阻力的主要来源，可用下式表示为式中，vt为通过散热器的平均风速；vf为散热器前的平均风速；va为车速；Cpe为出口的压力系数；ξg为散热器等价压力损失系数；ξc为冷却系水箱的等价压力损失系数；ξr为冷却系冷凝器的等价压力损失系数；ξf为冷却系风扇的等价压力损失系数；ξe为冷却系管道的等价压力损失系数。

内部阻力主要来源于发动机的冷却气流，同时也与车厢内的通风换气有关。内部阻力的大小取决于气流进、出口处气流的速度、压力、方向和流量。内部气流通过增加阻力、前轮升力和横摆力矩来影响汽车的气动特性。进出风口

的位置九、汽车根本尺寸与气动力特性的关系1.车长与气动阻力的关系

2．车宽与气动阻力的关系

3．车高与气动阻力的关系长4530mm~宽1740mm~高1326mm一、改善轿车气动性的措施(1)关注车身头部的造型汽车头部造型时，对于轿车应使头部尽量低矮，且在俯视图中呈半圆形。(2)注意车身外表各部件交接的过渡如头部与前风窗下缘的交接处、前风窗顶部与顶盖的交接处等过渡应圆滑，防止气流别离而产生涡漩，以到达降低空气阻力系数的目的。(3)精心设计前风窗A柱及流水槽等(4)注意前风窗与水平面的夹角该角度最好为40°±2°。试验证明，继续减小这个角度不能得到更好的效果。(5)注意车长的纵向形状汽车的中部应呈腰鼓形，且向后逐渐收缩的形状为最好。(6)注意沿汽车纵向的最大横截面的设计提高汽车空气动力性能的措施(7)汽车底部的形状设计汽车底部最好采用整体平顺的地板，并应尽量防止零部件的凸起。(8)选择适宜的进风口与出风口(9)安装各种扰流板在轿车车头下部安装扰流板，或在车身后部设置扰流板。(10)轿车地板形状将轿车地板做成既有纵向翘曲，又具有横向翘曲的形状(11)注意车身的后部形状二、改善货车气动力特性的措施

1)对于货车，装载货物尽量靠近车箱板前部。2)在驾驶室顶部安装导流罩，使驾驶室涡流区减弱或消失。气流平顺地流至车身尾部，可使俯仰力矩减小。3)对于牵引车拖挂挂车时，可在牵引车驾驶室上安装气动力附加装置，以控制牵引车顶部与两侧气流的流动，减少涡流产生。4)在设计时，使驾驶室与车箱等宽，对驾驶室前后转角局部进行处理，同时减小驾驶室后围与车箱之间的间隙。5)尽量缩短牵引车驾驶室和挂车(封闭车厢、货箱)的间距。如果该距离过长，那么形成两个局部，气流进入间距区，使涡流加大，此时CD值就会增加。试验说明，牵引车和挂车距离越接近，CD值越低；反之，那么越高。6)对具有一定高度的挂车，应尽可能地降低挂车的质心高度，并对封闭式车厢或挂车的侧面形状进行最正确化设计，以降低气动侧向力和气动力矩的大小，以免受到侧向风袭击时造成翻车。7)减少车身外表的外凸件，并使车身外表平整光滑。因此，应将门把手、有关灯具等部件与车身外表齐平，不应凸出车身外外表，以减小气动阻力。8)在货车前部加装适宜的阻风板，以降低底部气流的速度，到达减阻的目的。9)利用导流罩与隔离装置的组合使空气阻力减小。隔离装置可改善因侧向风引起的通过牵引车的半挂车之间的水平气流，减少半挂车前面的气流别离，且与导流罩配合使用时，可稳定导流罩气流。三、改善大客车气动力特性的措施1)使大客车外表光滑。2)在车顶后部安装扰流板。3)对大客车前端形状进行优化(包括对各转折处的圆角曲率半径、前风窗玻璃的倾