第四章_汽车外形设计与空气动力学

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。
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Fra Baidu bibliotek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。

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
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。
4. 空气升力

地效飞行器
苏联KM地效飞行器
天鹅号地效飞行器
信天翁4型地效飞行器
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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。

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。
•
•
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。
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。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—形状阻力(Cd=0.053)； D—形状阻力(Cd=0.031)； E—形状阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。

前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
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

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。
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
•
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。
3.空气阻力
• 后背倾角与空气阻力
• • • • 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
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)
西华大学交通与汽车学院
第四章——汽车外形设计与空气动力学
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； 轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。
2. 汽车空气动力与空气动力矩

空气动力矩的表达式
俯仰力矩 令 则
M Y LX C DZC (CL X C Cd ZC )
V 2
2
A
CL X C Cd ZC lCMY
M Y C MY
V 2
2
Al
一般取汽车的轴距作为特征长度l 。 类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为
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。
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
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。
• 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
•
•
1.空气动力学基础知识节
1.3 压力系数

定义
常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。 压力系数定义： CP =
P－P∞ V )2 C = 1 － ( ； 可整理为： P 2 V∞ ρV∞ /2
ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。

表示方法
矢量法 坐标法
汽车空气动力学
2.汽车空气动力与空气动力矩

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。
• 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)。
4. 空气升力
4.3 汽车外形与空气升力

汽车前端高度
• 汽车前端高度影响流入底部的气流量。 • 进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小； 另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。
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。
•
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)）。