汽车空气动力学

(3-13)
可以看出，当Ftmax和G一定时，减小气动 阻力系数CX使最高车速Vamax提高，或提高升 力系数CZ可以使最大车速提高。但应注意到 提高汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所 以不能通过提高CZ来提高Vamax。
3.3.4
气动阻力对加速度的影响
加速性能是汽车的动力性指标之一，因 此我们需要研究气动阻力对汽车加速度的影 响。为简单起见，我们可以利用式（3-11） 来研究这一问题。如对此式两边求时间t的导 数并加以整理，即可得汽车加速度：
气动阻力系数是一个无量纲数，它代表了气动 阻力与气流能量之比。对于其它气动力系数也 类似，对于气动力矩系，上式应除以一个特征 长度单位，使其成为无因次量，例如侧倾力矩 系数CMx MX CMX (3-2) 1 Vr2 AL 2 式中，L为汽车特征长度（如轴距L）。
表3-1给出了六分力的名称及系数公式。
由于空气的粘性作用，使与平板表面接 触的那层空气粘附在平板表面上，于是这层 气流的速度v降为零。紧靠这层气流上面部分 的气流，由于空气微团之间的摩擦作用，部 分地降低了它的运动速度，在它更上面的那 部分，气流由于受到的影响更小，因而其运 动速度减小量也更小。这样最下面的那层气 流速度v为零，随着距平板距离的增加，气流 的速度逐渐增大，一直增至与来流速度v∞相 等，形成了薄薄的附面层，如图3-3示。由于
图 3-2 汽车表面附面层
对于运动的物体，分离现象产生越晚，空 气阻力越小，所以在设计上力求将分离点向后 推移。在一定形体上作局部调整即可推迟涡流 的生成。从而减少形状阻力。 3.2.2 摩擦阻力
汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的 粘性在车身表面上产生的切向力造成的。空气 与其它流体一样都具有粘性，当气流流过平板 时，由于粘性作用，空气微团与平板表面之间 发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的流动，形成 一种阻力称为摩擦阻力。
(3-11)
上式中，前一项为滚动阻力公式，它与车速成正 比；后一项为气动阻力功率，它与车速的三次方 成正比。
对于一般轿车来说，当车速Va=65km/h时， 滚动阻力功率等于气动阻力功率；当车速再大 时，气动阻力功率迅速上升，往往大于滚动阻 力功率。可见，当汽车在高速公路上行使时， 降低气动阻力很有现实意义。 3.3.3 气动阻力与最高车速的关系 如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动 力全部用来克服滚动阻力和气动阻力，即：
图 3-5 行驶阻力随车速的变化
2．滚动阻力 Ff 由汽车理论可知，轮胎在地面上滚动时产生的 滚动阻力为： Ff (G FZ ) f (3-8) 式中，G为汽车重力，FZ汽车升力。如果汽车在水平 路面上作等速行使，坡度阻力与加速阻力等于零， 那么行使阻力只有滚动阻力和气动阻力两项： 1 F (G FZ ) f C X Va2 A (3-9)
Side force
代 号 FX(CX) FY(CY)
CY
升力
Lift
FZ(CZ)
MX(CMX)
L(CL)
MR(CRM)
L(CL)
R(CR)
CZ
侧倾力矩
Rolling moment
CMX
MX
俯仰力矩
Pitching moment
MY(CMY)
MZ(CMZ)
MP(CPM)
MY(CYM)
M(CM)
3.3 气动力对汽车性能的影响
3.3.1 气动力对汽车动力性的影响
汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线 行使时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到 的平均行使速度。汽车的最高车速、加速时间 和最大爬坡度是汽车动力性的主要评价指标。 一、行驶阻力与车速的关系 汽车在实际道路上行使时，不仅会遇到气 动阻力，由于汽车是靠车轮在地面上滚动才能
图3-5所示为一个典型轿车的行驶阻力与车速的关系 曲线。在车速大于20km/h后，气动阻力急剧上升； 当车速达到75km/h左右时，气动阻力与滚动阻力将 各占一半；当车速再高时气动阻力在总行驶阻力中 所占比例就更大了。因此，对高速行驶的汽车都必 须尽量减小气动阻力。
2
3.3.2
发动机功率与车速关系
影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、 传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行 驶车速、挡位选择和使用保养等。 下面主要就汽车外形所决定的气动阻力对燃油 经济性的影响加以举例说明，此方面进一步的论述 参见文献[24]。 气动阻力对燃油消耗量的影响，是与车种、行 使道路和使用情况有关，因为各种汽车的气动阻力 的大小是各不相同的。 当汽车在丘陵地带行驶时，在汽车上除作用有 滚动阻力和气动阻力外，还作用有加速阻力和爬坡 阻力，这些阻力都要由驱动力来克服，因而都要消 耗燃油，各种车辆的每100km的燃油消耗量，以及 各种阻力燃油消耗量的百分比例示于图3-6上。
气动六分力与坐标系 汽车在行使时，受到气流的气动力作用， 该作用力在汽车上的作用点，我们通常称作为 风压中心，记作C.P，由于汽车外型的对称性， 风压中心在汽车的对称平面内，但它不一定与 重心（CG）重合。 为了研究方便，建立一套坐标系，通常把 汽车空气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面 与地面的交线上，前后轴中点处。规定三个力 和三个力矩方向如图3-1所示。上述三个力和 三个力矩统称为六分力，六分力的数值就是气
3.2.3 诱导阻力 诱导阻力是由于气流经车身上下部时，由于空气 质点流经上下表面的路程不同，流速不同从而产生 压差，即升力，升力在水平方向上的分力称为诱导 阻力。如图3-4所示。诱导阻力系数CXi升力系数CZ 间有如下近似关系：
C Xi
C Xi
2 CZ

FXi 1 V2 A 2
(3-4)
(3-5) (3-6)
2 b
A
图 3-4 汽车的诱导阻力
式中，b为汽车宽度，A为汽车正投影面积。
3.2.4
干扰阻力
它是车身外面的凸起物例如后视镜、流水 槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下 面凸出零部件所造成的阻力，占总阻力的14%。
3.2.5
内循环阻力
它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而 引起空气气流通过车身的内部构造所产生的阻 力，它占总阻力12%。
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 (3-7) 2 气动阻力与车速平方成正比，与汽车正投影面积 成正比。
3.4 气动阻力对燃油经济性的 影 响
汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车 行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车 行驶的里程来衡量。在中国及欧洲，燃油经济性 指标的单位为L/100km，即行驶100km所消耗的燃 油升数，其数值越大，汽车燃油经济性越差。美 国为MPG线mile/USgal， 指的是每加仑燃油能行 驶的英里数，这个数值越大，汽车燃油经济性越 好。
v 附面层内有速度梯度 ，所以产生有粘性 y
切应力τ ，摩擦阻力直接与气流底层y=0处的 v y 速度梯度 大小有关，如今y=0处的粘 性切应力为τ 0:
y 0
v 0 y y 0
(3-3)
在标准状况下（一个大气压，15°C）， 空气动力粘度η =1.7894×10-5N· s／㎡。尽管 空气动力粘度系数很小，但由于附面层的厚度 很小，附面层内的速度梯度很大，所以附面层 内产生的切应力和摩擦力不能忽略。由于附面 层外的速度梯度较小，在那里我们可以不考虑 空气的粘性作用而把它看成为理想流体。
具有自身的特点。例如：汽车空气动力学与航 空空气动力学有着非常相似之处，都需要降低 气动阻力并保持行驶稳定性或飞行稳定性，从 而得到良好的行驶性能或飞行性能。另外，航 空动力学仅承受空气动力学；汽车行驶在地面， 除空气动力学外，还受地面传来的各种力，汽 车底部的气流状况与飞机底部完全不同；汽车 与飞机在处理升力问题上差别很大；此外飞机 速度接近或超过声速，而汽车的速度远小于声 速，在研究空气动力性质和基本假设是不同的。
N(CCN)
CMY
横摆力矩
Yawing moment
CMZ
1 Vr2 AL 2 MY 1 Vr2 AL 2 MZ纵向分力称为 气动阻力，这种阻力与车速平方成正比，为 了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，当车速超过100km/h 时，发动机功率有80%用来克服气动阻力，要 消耗很多燃料，在高速行使时，如能减少10% 的气动阻力，就可使燃料经济性提高百分之 几十，当前汽车设计师十分重视气动阻力系 数Cx，因为它直接关系到汽车动力性，经济 性和轻量化带来很多好处。
气动阻力由五部分组成：
1．形状阻力，占总阻力58%；
2．摩擦阻力，占总阻力9%；
3．诱导阻力，占总阻力7%；
4．干扰阻力，占总阻力14%；
5．内循环阻力，占总阻力12%。
3.2.1
形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在 汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流， 涡流产生意味着能量的消耗，使运动阻力增大， 汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处， 以及后部尾流都出现了气流分离区，产生涡流， 即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起 的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形 状有关，也称形状阻力，它占整个阻力的58%。 图3-2详细地显示了汽车周围流谱的情况，可见 汽车仅前部很小区域存在层流，其余大部分区域 中的气流状态是紊流。
dV a dPe dt dt 3600T 3 Gf C X AV a2 2
(3-14)
式中，dPe/dt是表示汽车发动机功率随时间 的增长率，它取决于发动机功率曲线。其值可 由发动机试验确定。由式（3-14）可知，汽车的 加速能力首先取决于发动机的加速性能，其次， 汽车加速度还与汽车的气动阻力系数CX近似反 比关系，减小汽车的空气阻力，就可以使汽车 的加速度增大。同时看出，减小汽车重量G，也 会有利于汽车加速度的提高。