第四章_汽车外形设计与空气动力学

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换为紊流。
1.空气动力学基础知识节

顺压梯度和逆压梯度
b、气流导板 如图4－54所示，安装这种导板后， 可以对气流起疏导作用，使气流平顺减小分 离的可能性。气动阻力下降 。3/8模型的试验 结果表明气动阻力系数下降5％。
后轮前导板
后轮后导板
前轮前导板
前轮前导板
后轮前导板
后轮后导板
c、轮罩 为了减轻轮子转动对气流的干扰，安 装如图4－55所示的轮罩，有的车在侧面加金 属盖板将侧面屏蔽起来，也可起到屏蔽作用， 对于前轮，为了灵活转向在盖板周围设有特 殊橡胶，可不妨碍转向。这种盖板或轮罩可 使下降9％。
• 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。
最 小 的 阻 力 值 Cyf 下
降 50 ％。由图还可以看 出，速度愈高升力下降 愈明显。
6.汽车空气动力学装置

阻风板示例
凸起唇 有些车型不单独设置扰流器，设置如图4－ 51所示的 凸起唇，这种凸起唇起着扰流器的作用。
水平投影应为腰鼓形。
后端稍稍收缩，前端呈半圆形。
6.汽车空气动力学装置

货车顶盖优化
避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。
6.汽车空气动力学装置

货车的后导流罩
面与面交接处的棱角应为圆柱状。
面与面交接处的棱角应为圆柱状。
过渡不理想
尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。 减少凸起物，形成平滑表面，如门把手改为凹式结构，刮水器改为 内藏式，车身侧面的窗玻璃与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面 平滑。
•
•
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

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
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。
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。
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。
•
•
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。
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。

车外小物件产生的干扰阻力
气流流经物体时流速增加，另一物体置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。
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—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(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
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。
• 减少进入底部的空气量。 • 阻风板后形成局部高压区。

前阻风板的优化
不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。
形状位置不同时，对 Cx
和 Cy 的影响不同，图中 所示（巴西产）为安装 扰流器后的特性曲线， 由图知 B40 获得最小 的 阻 力 值 Cx 下 降 3%Cyf 下 降 21%, K120 获 得
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
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。
•
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)）。
6.汽车空气动力学装置
车轮整流罩(Wheel cover)

车轮整流罩的作用
• 减小车轮转动引起的干扰阻力； • 减小翼子板开口引起的干扰阻力。 • 制动器散热效果差。
2）整车
整个车身应向前倾1°～2°。
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)。
风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。
调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造 型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。
风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。 越野车很难做到
在保险杠下面，应安装合适的扰流板。
汽车空气动力学
增加前阻风板（air dam)

阻风板的作用：
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)
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
• 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。
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：
气压中心在质心之后：
气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。
5.侧向气流和空气动力稳定性 车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动 力稳定性越好。
形心
形心
发动机盖应向前下倾
• 增大风窗与发动机罩间的夹角； • 风窗横向弯曲。
3.空气阻力
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。
翼子板应与轮胎相平。
轮子和轮坑的影响
（1）车轮处气流流动的复杂性 前部气流受阻向两侧分流， 并产生分离；由于空气的粘 性作用，在车轮带动下旋转， 被带入空腔加速，在前部向 两侧喷出，加剧分离，这种 流动的复杂性对气动特性有 重要影响。
(2)改进措施 a、 增加h──进入轮 腔的深度，当 h 增 大时，由于轮罩的 屏蔽作用减小。如 图 4－ 53所示： h 时屏蔽作用增强， 进入轮坑的气流量 减小，在前面喷出 时对侧面气流的干 扰减轻，故 C XW 和C 下降。 YW
西华大学汽车与交通学院
第五章—汽车造型与空气动力学
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。

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。 wenku.baidu.com 制动器冷却气流

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。