第4章空气动力学基础
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汽车系统动力学
在研究空气动力学时，通常以 NACA/ NASA 标准值 作为参照基准。
※NACA/ NASA 标准：对于海平面上的干燥空气，
标准压强为 1.013×105N/m2，标准温度为 15℃，重 力加速度 g为9.8m/s2，在上述规定的条件下标准空气 密度等于 1.225kg/m3
汽车系统动力学
p ? q ? H ? 常量
汽车系统动力学
? 当气流与物体相对运动时，环绕物体的气流 总会被分成两个或更多的方向流动，如图 4-4 所示的分流点 O为驻点，其压力等于静压与动 压之和，称为驻点压力。
汽车系统动力学
第四节 压力分布和压力系数
一、压力分布
由伯努利方程可知，如动压增加，则流体的静压必定 减小，反之亦然。翼剖面就是一种利用压力变化来产 生动力的装置，如图4-5所示。
综上所述，所讨论的流体微团总能量为压力能 与动能之和，即：
(
pV0
)
?
(1 2
? V0 v2
)
汽车系统动力学
为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等
于：
p ? 1 ? v2
2
上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压， 第二项定义为动压 q。
汽车系统动力学
? 伯努利方程表达了在理想流场中沿流束 的能量守恒定律，即流体静压和动压之 和为常数：
?
1 mv2 2
?
1 2
? V0v2
汽车系统动力学
3、压力能。由于流束位于边界表面具有一 定静压力的流体内，且静压力在各向均匀作 用，因而流体内部必须有相等的压力来保持 平衡，如图 4-3所示。
流体微元的压力能等于它克服外界压力保持自 身体积所需的功，即外部压强 P乘以自身体积 V0
汽车系统动力学
汽车系统动力学
第二节 空气的特性
? 空气是由多种气体混合而成的，由于气体分子的 运动，各气体微团间存在着相互作用力。根据产 生方式的不同，作用力可分为两种：
? 法向应力：两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生 ? 切向应力：微团间相互滑动，存在分子间的动量交换
汽车系统动力学
两种不同形式的相互作用力如下图所示
2、空气密度随压强的变化
? 在温度不变的情况下，由于空气压力直接与大气压力 成正比关系，因而天气状况或海拔的改变将引起大气 压力的改变。海拔越高，空气越稀薄，空气密度越低
汽车系统动力学
二、空气粘度
? 粘度用来表述流体的粘性，流体粘性力由 气体的粘性和内部速度梯度共同决定。粘 性力在流体间相互传递，通过依附于固体 表面很薄的边界层作用于物体表面。
? 实际上，空气大多处于非标准状态，空气 密度的变化遵循气体状态方程，即：
? pT
?
? 0 p 0 T0
? 式中，p为大气压强，单位为 Pa T 为热力学温度，单位为 K
? 为空气密度，单位为 kg/m3
下标“ 0”表示标准状态或任一初始状态
汽Leabharlann Baidu系统动力学
1、空气密度随温度的变化
? 大气温度或某局部条件变化都会导致空气温度变化。 在压力不变的情况下，温度变化引起的空气密度变化 可由初始绝对温度与当前热力学温度的比值乘以初始 空气密度求得。
? 流体越粘，流体传至物体的力也越大。
汽车系统动力学
? 粘度分为：动力粘度 ? 和运动粘度 ?
? 动力粘度会随温度缓慢变化，通常随温度的增加 而增加。定义温度为15℃时的空气动力粘度为标 准值，大小等于1.822×10-5Pa·s
? 运动粘度定义为动力粘度与密度的比值
即： ? ? ? / ? 单位为m2/s
第四章 空气动力学基础
汽车系统动力学
第一节 概述
? 当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用 力，空气动力随车速的增加而迅速增加，从 而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著 的影响。
? 研究的主要内容 ：对车外流和对车内流 ? 研究的目的 ：减少风阻、提高侧风稳定性、
提高发动机进气管道的效率等等。
汽车系统动力学
现根据相对运动原理来研究空气动力 学问题。在下面的推导中，假设空气 流动。
汽车系统动力学
图4-2所示的一根空气管道可看作是由若干流 线（表示定常连续流体的流向，流线越密的区 域标识流速越大）构成的流管。
汽车系统动力学
由于管道表面无气流穿过，其表面就相当于 固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努 利方程来描述。
设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的 独立系统（即无流体通过边界），因此系统 总能量沿轴向保持恒定，只是存在的形式可 以不同，能量的形式可以是以下三种：
汽车系统动力学
1、势能。与流体高度变化有关，与流体密度 和高度成正比，对车辆空气动力学研究来说， 可以忽略不计。
2、动能。其表达式如下：
EK
?
1 W v2 2g
汽车系统动力学
通常情况下，两种形式的应力同时存在，只是所 占的比例不同。与压应力相比，物体周围大部分 气流中的剪切力都很小，空气微团间相互作用力 垂直于接触面，表现为法向压力。
汽车系统动力学
一、空气密度
? 空气做不规则运动，其能量受温度的影响，温 度越高，分子速度越高，移动距离越远。若单 位体积内分子数目保持不变，则空气质量和压 强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量 也随温度的不同而不同，单位体积内空气质量 和空气密度会随温度发生变化。
在标准状态下，空气的运动粘度为 1.428×10-4m2/s
汽车系统动力学
第三节 伯努利方程
当理想不可压缩流体作定常运动时，可采用 伯努利方程来描述其力学特性。 伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而 建立，它忽略了空气重力的影响，用于描述 流体速度和压强之间的关系。
汽车系统动力学
? 物体边界层以外的流体简化为非粘性流体，所 以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对 以亚声速行驶的车辆来说，空气密度变化通常 不大（散热等内流场情况除外），因此在车辆 空气动力学研究中，通常可以忽略车身周围气 体密度的变化。
空气动力学的主要研究内容可概括为： ? 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道
的设计来减小车辆的空气阻力。 ? 在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的
气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮 胎侧偏力的影响。 ? 比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及 对试验结果的分析。 ? 研究空气动力与底盘设计及汽车使用情况之间 的相互关系及影响。
在研究空气动力学时，通常以 NACA/ NASA 标准值 作为参照基准。
※NACA/ NASA 标准：对于海平面上的干燥空气，
标准压强为 1.013×105N/m2，标准温度为 15℃，重 力加速度 g为9.8m/s2，在上述规定的条件下标准空气 密度等于 1.225kg/m3
汽车系统动力学
p ? q ? H ? 常量
汽车系统动力学
? 当气流与物体相对运动时，环绕物体的气流 总会被分成两个或更多的方向流动，如图 4-4 所示的分流点 O为驻点，其压力等于静压与动 压之和，称为驻点压力。
汽车系统动力学
第四节 压力分布和压力系数
一、压力分布
由伯努利方程可知，如动压增加，则流体的静压必定 减小，反之亦然。翼剖面就是一种利用压力变化来产 生动力的装置，如图4-5所示。
综上所述，所讨论的流体微团总能量为压力能 与动能之和，即：
(
pV0
)
?
(1 2
? V0 v2
)
汽车系统动力学
为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等
于：
p ? 1 ? v2
2
上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压， 第二项定义为动压 q。
汽车系统动力学
? 伯努利方程表达了在理想流场中沿流束 的能量守恒定律，即流体静压和动压之 和为常数：
?
1 mv2 2
?
1 2
? V0v2
汽车系统动力学
3、压力能。由于流束位于边界表面具有一 定静压力的流体内，且静压力在各向均匀作 用，因而流体内部必须有相等的压力来保持 平衡，如图 4-3所示。
流体微元的压力能等于它克服外界压力保持自 身体积所需的功，即外部压强 P乘以自身体积 V0
汽车系统动力学
汽车系统动力学
第二节 空气的特性
? 空气是由多种气体混合而成的，由于气体分子的 运动，各气体微团间存在着相互作用力。根据产 生方式的不同，作用力可分为两种：
? 法向应力：两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生 ? 切向应力：微团间相互滑动，存在分子间的动量交换
汽车系统动力学
两种不同形式的相互作用力如下图所示
2、空气密度随压强的变化
? 在温度不变的情况下，由于空气压力直接与大气压力 成正比关系，因而天气状况或海拔的改变将引起大气 压力的改变。海拔越高，空气越稀薄，空气密度越低
汽车系统动力学
二、空气粘度
? 粘度用来表述流体的粘性，流体粘性力由 气体的粘性和内部速度梯度共同决定。粘 性力在流体间相互传递，通过依附于固体 表面很薄的边界层作用于物体表面。
? 实际上，空气大多处于非标准状态，空气 密度的变化遵循气体状态方程，即：
? pT
?
? 0 p 0 T0
? 式中，p为大气压强，单位为 Pa T 为热力学温度，单位为 K
? 为空气密度，单位为 kg/m3
下标“ 0”表示标准状态或任一初始状态
汽Leabharlann Baidu系统动力学
1、空气密度随温度的变化
? 大气温度或某局部条件变化都会导致空气温度变化。 在压力不变的情况下，温度变化引起的空气密度变化 可由初始绝对温度与当前热力学温度的比值乘以初始 空气密度求得。
? 流体越粘，流体传至物体的力也越大。
汽车系统动力学
? 粘度分为：动力粘度 ? 和运动粘度 ?
? 动力粘度会随温度缓慢变化，通常随温度的增加 而增加。定义温度为15℃时的空气动力粘度为标 准值，大小等于1.822×10-5Pa·s
? 运动粘度定义为动力粘度与密度的比值
即： ? ? ? / ? 单位为m2/s
第四章 空气动力学基础
汽车系统动力学
第一节 概述
? 当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用 力，空气动力随车速的增加而迅速增加，从 而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著 的影响。
? 研究的主要内容 ：对车外流和对车内流 ? 研究的目的 ：减少风阻、提高侧风稳定性、
提高发动机进气管道的效率等等。
汽车系统动力学
现根据相对运动原理来研究空气动力 学问题。在下面的推导中，假设空气 流动。
汽车系统动力学
图4-2所示的一根空气管道可看作是由若干流 线（表示定常连续流体的流向，流线越密的区 域标识流速越大）构成的流管。
汽车系统动力学
由于管道表面无气流穿过，其表面就相当于 固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努 利方程来描述。
设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的 独立系统（即无流体通过边界），因此系统 总能量沿轴向保持恒定，只是存在的形式可 以不同，能量的形式可以是以下三种：
汽车系统动力学
1、势能。与流体高度变化有关，与流体密度 和高度成正比，对车辆空气动力学研究来说， 可以忽略不计。
2、动能。其表达式如下：
EK
?
1 W v2 2g
汽车系统动力学
通常情况下，两种形式的应力同时存在，只是所 占的比例不同。与压应力相比，物体周围大部分 气流中的剪切力都很小，空气微团间相互作用力 垂直于接触面，表现为法向压力。
汽车系统动力学
一、空气密度
? 空气做不规则运动，其能量受温度的影响，温 度越高，分子速度越高，移动距离越远。若单 位体积内分子数目保持不变，则空气质量和压 强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量 也随温度的不同而不同，单位体积内空气质量 和空气密度会随温度发生变化。
在标准状态下，空气的运动粘度为 1.428×10-4m2/s
汽车系统动力学
第三节 伯努利方程
当理想不可压缩流体作定常运动时，可采用 伯努利方程来描述其力学特性。 伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而 建立，它忽略了空气重力的影响，用于描述 流体速度和压强之间的关系。
汽车系统动力学
? 物体边界层以外的流体简化为非粘性流体，所 以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对 以亚声速行驶的车辆来说，空气密度变化通常 不大（散热等内流场情况除外），因此在车辆 空气动力学研究中，通常可以忽略车身周围气 体密度的变化。
空气动力学的主要研究内容可概括为： ? 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道
的设计来减小车辆的空气阻力。 ? 在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的
气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮 胎侧偏力的影响。 ? 比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及 对试验结果的分析。 ? 研究空气动力与底盘设计及汽车使用情况之间 的相互关系及影响。