第四章_汽车外形设计与空气动力学
汽车造型设计基础-空气动力学
汽车造型设计基础---空气动力学综合作业（试卷）轿车的空气动力学姓 名： 孟浩班级学号： T 1013-12课任教师： 李楚琳时 间： 2013年 07月 04日序号 项目内容 分值 得分 1 是否紧扣题目 30 2 论文的结构安排是否合理 15 3 论证是否严谨可靠 25 4 文法、修辞水平等 10 5 论文是否有新意 15 6 论文的的格式与打印效果 5 评阅人 总计 100摘要：汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。
所以，深入了解空气动力学对汽车造型设计汽车有很大的帮助。
关键词：汽车；空气动力学；汽车造型设计一.汽车空气动力学概述空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。
它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。
为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。
风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长。
随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。
近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要性不断增加，应用范围不断扩大。
下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。
二.汽车空气动力学的发展国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。
此学科在近3O年中得到了较大发展。
7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。
车辆外形设计的原理
车辆外形设计的原理车辆外形设计是汽车工程领域中一个综合性的工程和艺术领域。
外形设计不仅仅涉及到视觉美感，还需要考虑到车辆的空气动力学、流体力学、工程性能以及品牌识别等多个方面。
以下是一些车辆外形设计的原理和考虑因素：1.空气动力学和流体力学：车辆外形对空气动力学性能的影响是重要的考虑因素。
设计师需要考虑车辆在高速行驶时的空气阻力、升力和气流分离等问题，以确保车辆在空气动力学方面表现良好。
2.美感和品牌识别：外形设计是汽车品牌的象征，因此需要在视觉上体现品牌的独特性和标志性元素。
设计师需要注意线条、曲面、车灯、进气格栅等细节，以创造独特而易于识别的外观。
3.人机工程学：外形设计需要考虑驾驶员和乘客的舒适性和便利性。
车身的形状和车窗的设计需要满足人体工程学的原理，确保良好的视野和舒适的乘坐体验。
4.材料选择：外形设计还涉及到车身材料的选择。
不同的材料具有不同的重量、强度和成本特性。
设计师需要在满足安全性和性能要求的前提下，考虑材料的可塑性和制造成本。
5.功能性和实用性：外形设计需要考虑车辆的功能和实用性。
例如，车辆的后备箱设计需要考虑到载物空间，车门的开启方式需要方便驾驶员和乘客的上下车操作。
6.趋势和市场需求：外形设计需要紧跟市场趋势和消费者需求。
时尚、环保、节能等因素可能会影响设计方向。
设计师需要了解消费者的偏好和市场动态，以确保设计符合市场趋势。
7.生产和制造可行性：设计师需要考虑车辆外形设计的生产和制造可行性。
设计要符合工艺流程，且能够在大规模生产中保持一致性和高质量。
总体而言，车辆外形设计是一个综合性的过程，需要综合考虑多个因素，以达到美观、实用、安全和经济的综合性能。
同时，设计师需要不断创新，适应市场和技术的发展。
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化近年来，汽车行业逐渐意识到汽车车身外形对空气动力学性能的重要性。
优化汽车车身外形可以降低车辆的空气阻力，提高燃油经济性、加速性能以及稳定性。
本文将探讨汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化。
一、空气动力学基础空气动力学是研究空气在物体表面产生的压力和阻力的科学。
在汽车车身设计中，空气动力学性能优化主要涉及两个基本要素：空气阻力和升力。
空气阻力是汽车行驶时与空气作用的阻碍力，而升力则是垂直于行驶方向的力。
二、减小空气阻力减小空气阻力是提高汽车燃油经济性的关键。
以下是一些常见的空气动力学设计方法，用以降低汽车的空气阻力。
1.流线型外形设计流线型外形能够减少车身表面的湍流，从而减小空气阻力。
主要设计原则包括：合理的前脸设计、降低车头高度、光滑的车身曲线和尾部造型等。
2.减少气流分离气流分离是指气体从车身表面脱离或分离的现象。
当气流分离发生时，会形成大量的湍流，增加空气阻力。
通过在车身上增加导流板、风挡和尾翼等设计元素，可以将气流控制在车身表面，减少气流分离。
3.光滑下部车辆的底部也是空气阻力的重要源头。
通过在车底进行空气动力学优化设计，如增加护板和平滑底盘，能够减少下部的湍流和阻力。
三、提高稳定性与升力控制在汽车车身外形设计中，除了降低空气阻力外，还需要关注车辆的稳定性和升力控制。
1.增加下压力通过改变车身设计和增加扰流器等装置，可以增加车辆的下压力，使车辆更加稳定。
下压力可以加强轮胎与地面的附着力，提高操控性和行驶稳定性。
2.控制升力升力是指车辆在行驶过程中产生的垂直于行驶方向的力。
过大的升力会降低车辆的稳定性和行驶安全性。
通过设计车身的空气动力学特性，如增加扰流器和尾翼等，可以有效地控制和减小升力。
四、综合考虑其他因素除了空气动力学性能优化外，汽车车身外形设计还需要综合考虑其他因素，如乘客空间、安全性和美观性等。
1.乘客空间和安全性车辆的设计应该确保乘客空间足够，并满足相关的安全标准。
空气动力汽车的基本原理
空气动力汽车的基本原理[空气动力汽车的基本原理]空气动力汽车是一种利用空气动力学原理来驱动车辆的新型交通工具。
它与传统的燃油汽车相比，具有环保、高效、低噪音等优点。
那么，空气动力汽车的基本原理是什么呢？一、空气动力学要了解空气动力汽车的原理，首先需要了解空气动力学。
空气动力学是研究空气在运动物体表面流动时产生的力和效应的科学。
在空气动力学中，有一个很重要的参数称为升力系数（CL）。
升力系数是指在运动物体的临界状态下，单位物体投影面积所受到的升力与气流动态压力之比。
升力系数越大，代表了物体所受到的升力越大。
二、空气动力汽车的结构基于空气动力学原理，空气动力汽车的结构和传统燃油汽车存在一些差异。
空气动力汽车通常采用流线型的外形设计，以减小车辆在行驶中所受到的阻力。
此外，空气动力汽车还配备了空气动力装置，用来增加车辆所受到的升力。
这个空气动力装置通常位于车辆的底部，可以通过调整形状和角度来改变空气的流动，从而产生升力。
三、升力的产生空气动力汽车利用在车辆底部产生升力的原理来驱动车辆。
当车辆加速行驶时，车底产生的升力可以抵消车辆的重力，从而减小轮胎与地面的接触力，降低滚动阻力。
这样，空气动力汽车在行驶时所需的能量就会减小，从而提高能效。
四、空气动力装置的设计空气动力装置的设计对于空气动力汽车的性能至关重要。
其主要目的是在行驶过程中产生可控的升力，使车辆能够平稳地行驶。
空气动力装置通常由可调节的舵翼和扰流板组成。
通过调整舵翼和扰流板的角度，可以改变气流的流动情况，从而调整车辆所受到的升力。
五、动力系统空气动力汽车的动力系统主要包括电动机和电池组。
电动机通过将电能转化为机械能来驱动车辆行驶。
而电池组则负责储存电能，以提供给电动机使用。
通过电能的转化和储存，空气动力汽车可以实现无排放的行驶，达到环保的目的。
六、辅助设备除了主要的动力系统之外，空气动力汽车还配备了一些辅助设备，以提高车辆的性能和安全性。
例如，通过安装空气动力制动装置，车辆可以利用空气动力学原理来减少制动能量的损失。
汽车的外形是流线型的原理
汽车的外形是流线型的原理
汽车的流线型外形设计原理是以空气动力学为基础。
通过减小汽车在高速行驶时所面对的气流阻力，流线型外形可以提高汽车的稳定性、降低燃油消耗并提高整体行驶效率。
流线型外形设计的一些原理如下：
1. 减小阻力系数：流线型外形设计注重减小汽车表面与空气的摩擦阻力。
通过修剪角度、圆润车身线条和空气动力学理论，可以减小阻力系数，并降低空气阻力对汽车运动的影响。
2. 平滑车身：流线型外形注重车身的平滑性，使空气能够顺畅流过车身表面而不产生剧烈湍流。
平滑车身减小了空气阻力，提高了汽车的行驶效率。
3. 空气进出口优化：流线型外形设计还注重优化汽车的空气进出口，例如，设计合理的进气口和排气口，以减小阻力并提供足够的空气流入和排出，确保发动机正常运转。
4. 合理安置车轮：车轮是汽车行驶时面对空气的一部分。
为了减小空气阻力，流线型设计会将车轮合理地安置在车身内部，或通过设计轮辋或轮罩来减小车轮和空气的摩擦。
总之，流线型外形设计通过减小阻力、平滑车身、优化进出口和合理安置车轮等方式来提高汽车的空气动力性能，从而提高行驶稳定性、降低燃油消耗并提高整体行驶效率。
汽车空气动力学
表 1-1 名
Drag
六分力名称及系数公式 美日规定 D(CD) S(CS) 德国规定 D(CD) Y(CY) 系数公式
CX FX 1 Vr2 A 2 FY 1 Vr2 A 2 FZ 1 Vr2 A 2
称
气动阻力 侧向力
汽车空气动力学
汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相 对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律 的学科，它属于流体力学的一个重要部分。 汽车向前行使时与空气产生复杂的相互作用， 对汽车的行使状态影响很大，特别是汽车高速行 使时会承受强大的气动力作用。众所周知，汽车 行使时受到的气动力是与汽车速度平方成正比， 而汽车克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车 速的三次方急剧增加的，因此，使汽车具有
前进，因而不可避免地还会遇到滚动阻力；当汽 车在有坡度的道路上行驶时，还会遇到爬坡阻力。 此外，汽车在行使中必然会遇到各种交通情况， 时而需要加速，时而需要减速，因而还会有加速 阻力。在水平路面上匀速行驶时只有气动阻力和 滚动阻力，下面主要介绍这两种阻力。 1．气动阻力 FX 由前面分析可知，无环境风时，气动阻力可 以用下式表示： 1 FX C X Va2 A (1-7) 2 气动阻力与车速平方成正比，与汽车正投影面积 成正比。
良好的形状以降低汽车的气动阻力，不但可以 提高汽车的动力性，而且还可以提高汽车的燃 料经济性。对于高速汽车来说，空气动力稳定 性是汽车高速安全行使的前提。 随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高， 汽车空气动力学亦愈来愈受到重视，其研究工 作日益深入，汽车空气动力学已发展成为流体 力学一个重要分支学科。汽车空气动力学与航 空、船舶、铁路车辆，在研究流场、空气动力 学方面有许多相似之处，但是汽车行驶在地面 上是种钝头体，汽车行驶状态异常复杂，因而 汽车空气动力学亦区别于上述分支学科，
汽车空气动力学知识点
第一章绪论引言：利用视频、图片介绍什么是空气动力学？空气动力学的在航空、航天、火车、汽车、建筑、体育运动方面的应用1.1 汽车空气动力学的重要性1.1.1 汽车空气动力学的作用及重要性汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时的现象和作用规律的一门科学。
汽车空气动力学特性对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性、安全性和舒适性都有重要的影响。
1.1.2汽车空气动力学的研究方法实验研究：理论分析和数值计算的基础，并用来检验理论结果的正确性和可靠性；理论分析：能指导实验和数值计算，它在大量实验基础上，归纳和总结出相应的规律，同时通过理论自身的发展反过来指导实验，并为数值计算提供理论模型；数值计算：可以弥补实验研究和理论分析的不足。
1.1.3 汽车空气动力学的研究内容1.气动力及其对汽车性能的影响2.流场与表面压强3.发动机和制动器的冷却特性4.通风、采暖和制冷5.汽车空气动力学专题研究（例如改善雨水流径、减少表面尘土污染、降低气动噪声、侧向风稳定性以及刮水器上浮等专题研究）1.2 汽车空气动力学的发展人们在对汽车陆地速度的追求中，无论汽车外形怎么变化，它的发展始终贯穿着汽车空气动力学这根脉络。
1.2.1汽车空气动力学的四个发展阶段（1）基本形造型阶段基本形是人们直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上。
这个阶段的主要特点是已经开始从完整的车身来考虑空气动力学问题，并且较明确的将航空空气动力学的研究成果运用于汽车车身。
相对于马车来说，这个阶段汽车的气动阻力系数明显改善。
但是仍然没有认识到地面效应的影响，而且造型实用型不强，没有获得广泛应用。
（2）流线形造型阶段特点：地面效应已被人们所认识。
人们用空气动力学观点指导汽车造型，试图降低气动阻力，并获得了可观的进展。
同时，开始对内流阻力及操纵稳定性有了认识。
（3）细部最优化阶段汽车设计应首先服从汽车工程的需要，即首先要充分保证总布置、安全、舒适性和制造工艺的要求，并在保证造型风格的前提下，进行外形设计，然后对形体细部(如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等)逐步或同时进行修改，控制以及防止气流分离现象的发生，以降低阻力，称为“细部优化法”（4）整体最优化阶段首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格保证形体的光顺性，使气流不从汽车表面分离，这种设计方法称为形体最佳化法。
空气动力学与汽车外形设计优化
空气动力学与汽车外形设计优化随着汽车工业的发展，汽车的外形设计已经不再只是追求美观与流线型，而是要考虑到空气动力学对车辆性能和能效的影响。
优化汽车外形设计可以显著提高汽车的空气动力性能，降低气动阻力，增加车辆的稳定性和燃油经济性。
本文将探讨空气动力学与汽车外形设计优化的相关原理和方法。
一、空气动力学基本原理空气动力学是研究空气在运动物体表面及其周围的流动规律的科学。
在汽车外形设计中，要理解车辆行驶过程中空气的流动规律，需要了解一些基本原理。
1. 粘性流和非粘性流空气动力学中，流体流动可以分为粘性流和非粘性流。
非粘性流指空气流动时不受粘性的影响，通常适用于较高速度的情况，比如高速公路行驶；粘性流指空气流动时受到粘性的影响，适用于较低速度的情况，比如城市道路行驶。
2. 气动力学参数在研究汽车外形设计时，需要考虑一些重要的气动力学参数。
其中，气流速度、气流密度、气流压力分布和气流流向是影响车辆空气动力学性能的关键因素。
3. 汽车气动力学效应汽车行驶时，空气会对车辆表面施加压力，形成气动力。
根据牛顿定律，车辆受到的阻力与流经车辆上表面的压力有关。
因此，汽车外形设计应该尽量减小气动阻力，降低能源消耗。
二、汽车外形设计优化方法汽车外形设计的优化旨在减小气动阻力，降低车辆的能耗和排放，并提高车辆的操控性和安全性能。
以下是一些常用的汽车外形设计优化方法。
1. CFD模拟计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟是一种常用的汽车外形设计优化方法。
通过使用CFD软件，可以模拟车辆行驶时空气流动状态，进而预测和分析气动阻力的大小和分布情况。
基于CFD模拟结果，可以对汽车外形进行优化调整，以减小气动阻力。
2. 气动力学测试在汽车外形设计中，进行气动力学测试是必不可少的。
通过风洞试验等方法，可以直接测量和观察车辆在空气流动中所受到的力和阻力。
测试结果可以作为优化设计的依据，通过调整车身和零部件的形状，降低气动阻力。
汽车车身外形优化设计与空气动力学分析
汽车车身外形优化设计与空气动力学分析随着汽车工业的发展，对汽车车身外形的设计也越发重视。
一个合理的外形设计可以显著影响汽车的性能，尤其是在空气动力学方面。
本文将介绍汽车车身外形优化设计与空气动力学分析的相关内容。
一、汽车车身外形设计的要求汽车车身外形设计是将美学与功能性相结合的过程。
外形设计应具备以下要求：1.降低空气阻力：汽车在行驶过程中会受到空气阻力的影响，使得汽车需要更多的能量来推动其前进。
通过优化车身外形，可以减少空气阻力，提升汽车的能效。
2.优化空气流动：一个有效的车身设计可以使空气流经汽车的表面时更加顺畅，减少气流的涡旋和湍流，从而降低噪音和震动，并提高行驶的稳定性。
3.提升汽车的外观美感和品牌价值：好的外形设计可以使汽车看起来更加时尚、动感和独特，提升消费者的购买欲望并增加品牌价值。
二、汽车车身外形优化的方法为了实现以上的要求，汽车车身外形的优化需要考虑多个因素。
以下是一些常见的优化方法：1.流线型外形设计：通过设计流线型车身，可以减少气流的阻力，提高汽车的能效。
流线型设计要求车身的前端尽量收窄，后端逐渐变宽，以及减少车身的棱角和突起。
2.减小空气阻力的设计：通过减小车身面积、降低车身高度、缩小前后轮的间隙等方式，可以减小汽车受到的空气阻力，提高风阻系数。
3.借鉴仿生学原理：仿生学是生物学、物理学和工程学的交叉领域，通过学习和模仿自然界的形态和结构，来优化工程设计。
在汽车设计中，可以借鉴仿生学原理，如鱼类的流线型身形、鸟类的翼状结构等，来改善汽车车身设计。
4.使用先进的材料：采用轻量化材料，如碳纤维复合材料，可以减轻车身重量，提高燃油效率，并减少碳排放。
三、空气动力学分析与验证为了验证汽车车身外形优化设计的有效性，可以进行空气动力学分析和仿真。
通过计算流体力学（CFD）仿真软件，可以模拟汽车不同速度下的风阻、升力、气动力和湍流等参数，评估设计方案的优劣。
空气动力学分析可以帮助设计师理解空气流动的特征和趋势，并基于分析结果进行优化。
汽车设计 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基本原理
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
p q 常数
式中，v为空气的流速(m／s)；
或
p
空气的分离现象及涡漩的形成
在汽车前部有一个很小的层流区域，其余部分都是湍流，故可以认为汽车的所有表面实 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，最佳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。
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
vt
vf va
1 C pe 1 g c r f e
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。
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，则迎角为 正值；弦前低后高，迎 角为负值，
第四章_汽车外形设计与空气动力学
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
汽车空气动力学
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
• 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(induced drag)
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
侧偏角
气动力特性系数是随气流侧偏
角的增加而增大。
5.侧向气流和空气动力稳定性
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。
气压中心在质心之前：
汽车空气动力学
汽车受到的外力 路面作用力 空气动力 重力
前言
空气动力学对汽车性能的影响
• 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
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；
汽车空气动力学
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
空气动力学与车辆外形设计的关系研究
空气动力学与车辆外形设计的关系研究近年来，汽车工业发展迅速，汽车形态也发生了巨大的变化，这些变化中的一个重要特征就是汽车外形设计的不断更新换代。
在这个过程中，空气动力学逐渐成为车辆外形设计的一个重要研究方向。
为了探讨空气动力学与车辆外形设计的关系，本文将从以下几个方面详细阐述。
一、空气动力学的基本概念空气动力学是研究流体的运动与力学问题的学科，是应用于飞行器、船舶、汽车等交通工具中的重要学科。
所谓的流体包括气体、液体和粉尘颗粒等。
空气动力学与车辆外形设计的关系除了涉及到空气流动的规律，还包括能量转换和损耗等方面。
二、车辆外形设计与空气动力学车辆外形设计与空气动力学的关系非常密切。
在传统的汽车造型设计中，风阻系数是一个重要考虑因素。
与传统造型设计不同，现代汽车的设计强调的是空气动力学效率，包括最小化能耗、最高速度和方向稳定性等方面。
而空气动力学效率是由车辆的外形设计决定的。
一款好的设计不仅要满足车辆性能的要求，还需要保证车辆的空气动力学性能合理。
三、车辆外形设计中考虑的因素在车辆外形设计过程中，考虑到空气动力学因素的原则是尽量减小阻力系数。
这就要求设计师在考虑车身形状、前、后视角和底-floor等方面使用先进的涡流分析工具，以避开空气流体中的各种压力点并最大化流体动量。
更具体的因素包括车身长度、宽度、高度、风切线和气流擦尘等。
根据这些因素设计出的整体结构可以最大限度地减小车辆的空气阻力，从而提高车辆的性能。
四、实例与实践车辆外形设计和空气动力学的关系在实践中得到了充分的验证。
举个例子，金融危机期间，许多汽车制造商都对车辆外形设计进行了大量的调整，寻求更加有效的解决方案。
而其中不少汽车制造商采用了先进的涡流技术，以减轻车辆阻力，降低燃油消耗。
在实践中，逐步完善的研究表明，高度利用流体动力学的制造方法可以大大优化流体动量分配，以提高车辆的性能和燃油经济性，从而增加其竞争力。
总之，空气动力学在车辆外形设计中扮演了非常重要的角色。
汽车空气动力学重点
汽车空气动力学重点第一章绪论1. 空气动力学的研究方法1实验研究2理论分析3数值计算2. 汽车流场包括和内部流场车身外部流场3. 气动阻力增加，加速能力下降。
当汽车达到最大车速时，加速度的值就瞬低为零4. 消耗于气动阻力的功率TD A C P ηρ23a u =，功率与速度3次方、阻力与速度2次方成正比5. 汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响：1.升力和纵倾力矩都将减小汽车的附着力，从而使转向轮失去转向力，使驱动轮失去牵引力，影响汽车的操纵稳定性，质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮胜利越敏感。
2.为提高汽车的方向稳定性，要减小侧向力，使侧向力的作用点移向车身后方6. 汽车空气动力学发展的历史阶段答：（1）基本形状化造型阶段（2）流线形化造型阶段：①杰瑞提出“最小阻力的外形是以流线形的一半构成的车身”‘只有消除尾部的分离，才能降低阻力’；②雷提出：短粗的尾部与长尾相比，仅使气动阻力系数有较小的升高，1934年起，雷提出的粗大后尾端的形状逐渐发展为快背式。
③康姆提出，对大阻力的带棱角的车型，气动阻力系数随横摆角的增加变化很小，而对于流线型汽车，随着横摆角变化，阻力系数有很大变化，即地租汽车侧风稳定性差、。
（3）车身细部优化阶段：汽车空气动力学设计的原则是首先进行外形设计，然后对形体细部逐步或同时进行修改，控制以及防止气流的分离现象发生以降低附着力，成为细部优化法（4）汽车造型的整体优化阶段：整体优化法设计的原则是首先确定一个符合总部制要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格的保证形体的光顺性，使气流不从汽车表面分离，称之为形体最佳化第二章汽车空气动力学概述7. 气动升力及纵倾力矩：1.由于汽车车身上部和下部气流的流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生升力。
作用于汽车上的升力将减小轮胎对地面的压力，使轮胎附着力和侧偏刚度降低，影响汽车的操纵稳定性。
2.车身底部外形对升力系数影响很大，故不能仅根据侧面形状来分析汽车空气动力特性8. 侧向力及横摆力矩：1.侧向力和横摆力矩都影响汽车的行驶稳定性，在非对称气流中，横摆力矩有使汽车绕垂直轴转动的趋势。
汽车造型与空气动力学
汽车造型与空气动力学空气阻力众所周知，车速越快阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比．如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能．据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性，因此汽车的设计师是非常重视空气动力学．在介绍汽车性能的文章上经常出现的“空气阻力系数”就是空气动力学的专用名词之一，也是衡量现代汽车性能的参数之一．空气阻力系数汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响，其中纵向空气力量是最大的空气阻力，大约占整体空气阻力的百分之八十以上．它的系数值是由风洞测试得出来的，与汽车上的合成气流速度形成的动压力有密切关系．当车身投影尺寸相同，车身外形的不同或车身表面处理的不同而造成空气动压值不同，其空气阻力系数也会不同．由于空气阻力与空气阻力系数成正比关系，现代汽车为了减少空气阻力就必须要考虑降低空气阻力系数．从50年代到70年代初，汽车的空气阻力系数维持在0.4至0.6之间．70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低空气阻力系数，现在的汽车空气阻力系数一般在0.28至0.4之间．汽车外形设计为了减少空气阻力系数，现代汽车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线．前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度－33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数．在80年代初问世的德国奥迪100C型汽车就是最突出的例子，它采用了上述种种措施，其空气阻力系数只有0.3，成为当时商业代汽车外形设计的最佳典范．据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右．曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的汽车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升．考察汽车车形的发展史，从本世纪初的福特T型箱式车身到30年代中型的甲虫型车身，从甲虫型车身到50年代的船型车身，从船型车身到80年代的楔型车身，直到今天的汽车车身模式，每一种车身外形的出现，都不是某一时期单纯的工业设计的产物，而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的．空气阻力系数在过去的汽车手册中从未出现过，今天则是介绍汽车的常用术语之一，成为人们十分关注的一种参数了．。
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3.3 诱导阻力(induced drag)
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。 随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓， 最终减小，至消失； 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。
空气动力的表达式
空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常 表示为与动压力、迎风面积成正比的形式： V 2 D Cd A 2 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 流速有关。 空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为 V 2 L CL A 2 V 2 S CY A 2
•
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。
•
对汽车外观的影响 • 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。
1.空气动力学基础知识
如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态， 说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车 身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风 阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这 种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
• 增大风窗与发动机罩间的夹角； • 风窗横向弯曲。
3.空气阻力
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(Fast back)：后背倾角＜20°； 舱背式(Hatch back)：后背倾角20°～50°； 方背式(Square back)：后背倾角＞50°； 折背式(Notch back)。
3.空气阻力
车轮旋转对气流的影响
• • • 马格纳斯效应(Magnus effect)：在流体中运动的旋转圆柱受到力作 用而影响它的行进路线的一种现象。 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。
车轮旋转
旋转车轮在气流中
路面上的旋转车轮在气流中
3.空气阻力
1.空气动力学基础知识节
伯努利方程
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， 有 ： mgz+mp/ρ+mV2/2= 常 数 即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。 当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重 力很小，则 p/ρ+V2/2=常数 或 p+ρV2/2=常数 即静压 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。
•
•
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(Side Force)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(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横 摆力矩(Yow Moment) MZ。
汽车空气动力学
1.1 连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’s Law)
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。
侧偏角
5.侧向气流和空气动力稳定性
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。
1.空气动力学基础知识节
文丘里效应(Venture Effect)：
流体经过狭窄通道时压力减小的现象。
同向行舟: 热水淋浴器:
发动机化油器喉管
吹纸条:
球浮气流：
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
附面层(boundary layer)
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。
车外小物件产生的干扰阻力
气流流经物体时流速增加，另一物体臵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等于气流方向两种典型状况。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
•
1.空气动力学基础知识节 • 减小形状阻力的措施 • 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
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(flow separation)
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。 P 在物面法向速度梯度为零( Y Y=0 =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。
M X C MX
M Z C MZ
V 2
2
Al
Al
V 2
2
汽车空气动力学
3.空气阻力
3.1 空气阻力的分类
• • • • •
形状阻力(Form Drag) 干扰阻力(Interference Drag) 内部阻力(Internal Flow Drag) 诱导阻力(Induced Drag) 摩擦阻力(Skin Friction)
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。
汽车空气动力学
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。
e e
1.空气动力学基础知识节 • 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(pressure drag ) 在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面 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。
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
汽车空气动力学
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。
• 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
4. 空气升力
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。