【汽车空气动力学-胡兴军】第1章 绪论
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第１ 章
１. １ １. ２ １. ３ １. ４
绪论
汽车空气动力学的作用 汽车空气动力学的发展 汽车空气动力学的研究范围 汽车空气动力学的发展趋势
１. １ 汽车空气动力学的作用
• 汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时 的现象、作用规律以及气动力对汽车各性能影 响的一门科学。 • 汽车空气动力学是汽车技术发展的先行官和基 础。在能源、交通、环保领域发挥着重要作用。 同时，在激烈的汽车市场竞争中，只有空气动 力特性好的汽车，才能保证其良好的动力性、 经济性、操纵稳定性以及舒适性，具有最佳气 动外形的汽车才有生命力，因此可以说在汽车 空气动力学方面的挑战是汽车面临的首要问题。
图1-19 VW-Scirocco I轿车
图1-20 Opel GT轿车
然而大量实验表明，对CD>0.45的汽车，该方法可取的明显效果，如果 要进一步使产品车的CD值降为0.40以下，则必须做相当大的努力，甚至必须 寻找更高级的技术。另外需要对每一个局部进行多次修改。
２. 整体最优化阶段
随着空气动力学研究以及风洞试验技术的发展汽车 空气动力学的设计又出现了一种新思路——从设计开 始就十分重视汽车外形的整体气动功能。体现了 “功能服务于造型”的设计思想即首先确定一个符 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，都严格保证形体的光顺 性，使气流不从汽车表面分离，这种新设计方法叫 形体最优化，也叫整体最优化法。
1933年美国人雷（W.E.Lay）在 密歇根大学进行可更换的各种 头部和尾部组成的积木式汽车 模型风洞试验,他使用了可更换 的各种头部和尾部组成的积木 模型。
１. ２. ３ 最优化时期 １. 细部最优化阶段
1974年德国胡乔（W.H.Hucho）等人提出了著名的细部优 化（Detail Optimization）的设计方法：在充分保证造型风 格、内部布置、安全性、舒适性和批量生产性等方面的实 际汽车工程需要的前提设计出汽车外形，尔后进行空气动 力修正。
５. 车身表面无附件化
大众XL1（如图1-38），其外形似海豚，车身外没有后视 镜，取而代之的是摄像头。平滑化门把手，覆盖车轮，目的 就是尽量达到无附件化一定程度上减小干扰阻力，另外该车 还关闭了发动机格栅，减小了内流阻力。
６. 充分利用后出风口隔栅及发动机排放改善 后尾流状况
尾流是产生气动阻力的重要原因，而之前在造型或者 加附加装置方面，也在很大程度上希望改善尾流，然而利 用后出风口格栅以及发动机的排放改善尾流将是个全新的 发展领域。另外，相关学者提出，今后的汽车造型将是楔 形基础上的具有最佳弯曲线的贝壳型。
3Hale Waihona Puke Baidu理论研究方面
理论分析能够指导实验研究和数值计算，它在大量实验 基础上，归纳和总结出响应的规律，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。因此随着 实验研究和数值模拟的不断发展，理论分析将更全面、更系 统。 旋涡分离流动模拟分离流动是汽车绕流流场中典型的、 不可避免的流动现象。对汽车粘性流动进行数值分析的主要 困难在于分离旋涡流动，这就要求对汽车分离漩涡进行深入 研究，形成更为系统地物理机制和模型。同时高雷诺数湍流 的运动机理还需要进一步进行完善，以及有关不可压流体特 性、流体阻力和汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。 合理、系统地理论才能促进空气动力学更好更快的发展。
汽车造型的发展不仅要求较好的空气动力性，也要求较好 的美观性。车身整体曲面光滑平滑能够减少气动分离，降低空 气阻力。同时流畅自然的线条圆滑简洁的过渡更能满足现代人 们对于个性和美的追求。
３. 以低阻形体开发的整体气动造型与低车身 高度
4．空气动力学附加装置与整体造型协调融合
2012年拉利F12 Berlinetta（图1-37）采用了全新空 气动力套件——空气桥，它利用发动机罩将空气从车的 上半部分输送到车辆侧翼，空气在侧翼与轮舱的尾流交 汇，从而减少阻力，并产生下压力。
１. ４. ２ 汽车空气动力学在研究方法方面 的发展趋势 １. 数值模拟方面
目前数值模拟面临最主要的问题就是计算精度和收敛速度， 然而网格的形状与结构、采用的湍流模型和计算方法都对精 度有影响。 今后，对汽车表面产生的分离涡流和湍流应进行更为深 入地研究，从而发展相应的更具先进的流体流动计算模型。 因此进行汽车周围流场的数值模拟必须通过求解粘性流体湍 流方程才能使模拟精度提高。 发展更好的计算方法与仿真程序，促进使用大尺度涡流 模拟/小尺度湍流模型方法求解N-S方程组，伴随着计算机技 术的快速发展，使得模拟计算具有更好的收敛性、稳定性， 以及结果具有更高的精确度。
１. ２ 汽车空气动力学的发展
１. ２. １ 基本型时期
１.原始型阶段
图1-2 1899年詹那兹创造世界纪录的电动车
图1-1 1886年卡尔本茨创造第一辆现代汽车
图1-3 德国人霍奇A.HORCH 1912年研制的船尾车
２. 基本型阶段
１. ２. ２ 流线型阶段 １. 长尾流线型阶段
２. 短尾流线型阶段
１. ２. ４ 小结
汽车空气动力学经过了上述几个阶段的发展，使得普通轿 车的气动阻力系数从20世纪20年代的0.8左右降到30年代至40 年代的0.6左右，以后又降到0.45左右。特别是近几十年，汽车 空气动力学的研究收到了极大地重视，在降低气动阻力方面取 得了很大进展，商品车平均气动阻力系数已降到0.35以下，一 些先进气动设计的样车，气动阻力系数已降到0.15~0.20。一些 车型也创造了低阻力系数的历史记录（图1-26）。1986年的福 特Probe V概念车，其CD值仅有0.137，1996年的通用EV1电动 车，CD值为0.19，2008 年美国Aptera 2e电动车，其CD也仅有 0.15，另外，2009年经过大众1L概念车而改型过来的大众L1， 其CD为0.195。虽然这几款车型大部分没有真正的投入到市场， 但其在空气动力学方面所追求的完美境界还是值得去借鉴的， 从这几款车型可看出，减少后视镜等附件，平滑化车门把手， 覆盖车轮，关闭格栅等一系列的措施可以减小阻力系数。
练 习 题
１. 简要回答汽车空气动力学的定义及重要性。 ２. 汽车空气动力学的发展主要包括哪几个时期? ３. 最优化时期两个优化阶段的定义是什么? ４. 汽车空气动力学的研究内容包括哪几个方面? ５. 谈谈汽车空气动力学在造型方面的发展趋势。 ６. 目前汽车空气动力学的研究方法有哪几种以 及其发展趋势是什么?
１. ３ 汽车空气动力学的研究范围
汽车空气动力特性对汽车性能的影响是多方面的，如图1-27，正是通 过对这些性能的改善催促着汽车空气动力学领域的不断进步。
１. ３. ２ 汽车空气动力学的研究内容 １. 汽车空气动力及其对汽车性能的研究
２. 汽车的流场与表面压强研究
流场是速度场、压强场、能量场、密度场、温度场等 的总称。通过整车和局部流场的研究，更直观地了解汽车 内外气流的运动规律和情形，从而进一步研究车身整体气 动造型和局部优化气动造型，分析气流分离和尾流现象与 机理。（图1-29）
３. 发动机和制动器的冷却特性
需要进行冷却的内部设备主要有发动机和制动装置， 这些装置都需要在前方引进高速气流来进行冷却。通过研究 发动机和制动器的冷却气流来提高发动机和制动器的性能和 冷却效率。如图1-30、1-31所示，体现了在这方面的应用。
４. 采暖、通风和空调研究
为了改善汽车乘坐舒适性，通常要进行通风、采暖和制冷 的研究。如图1-32所示，通过对空气进出口位置、风量、风速、 风路以及空调选型与布置来优化车身内部气流环境。这种试验 对流场的要求一般要比内部设备冷却试验高一些。但要很好模 拟空气的湿度和温度以及太阳的照射条件，要在能创造气候条 件的气候风洞或空调室中进行。
５. 汽车空气动力学专题研究
除上述四种研究内容以外，还有改善雨水流径、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。（图1-33）
１. ４ 汽车空气动力学的发展趋势
１. ４. １ 汽车空气动力学在造型方面的发 展趋势 １. 气动造型与美学造型完美结合
２. 强调车身整体曲面光顺平滑
2.实验研究方面
实验研究作为理论分析和数值模拟的基础，并用来检验理论 结果的正确性和可靠性。 全尺寸、全天候、实车环境风洞及模型风洞成为汽车风洞未 来发展的趋势，能够解决中重型、重型货车风洞试验的难题和实 现更精确的测量和试验。 “安静”“绿色”风洞如今已被人们认识，今后不仅要求高品 质汽车风洞，还需对风洞背景噪声进行抑制，做到低噪声和低碳 节能；也要求试验高度自动化,模型姿态、试验条件等变化更加容 易;建立系列试验结果的数据库，以完善数值计算的工程或经验修 正方法，数值计算能力不断提高；风洞将具备先进的数据采集能 力,能够实时、定量显示模型表面和周围流场信息,并与计算模拟 确认整合; 在风洞试验技术上，现代试验设计(MDOE)将成为一种 标准的新型试验方法,该技术基于统计学原理,能够更加合理有效 地设计试验计划，同时也要求具有更高水平的知识型试验队伍。
１. １ １. ２ １. ３ １. ４
绪论
汽车空气动力学的作用 汽车空气动力学的发展 汽车空气动力学的研究范围 汽车空气动力学的发展趋势
１. １ 汽车空气动力学的作用
• 汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时 的现象、作用规律以及气动力对汽车各性能影 响的一门科学。 • 汽车空气动力学是汽车技术发展的先行官和基 础。在能源、交通、环保领域发挥着重要作用。 同时，在激烈的汽车市场竞争中，只有空气动 力特性好的汽车，才能保证其良好的动力性、 经济性、操纵稳定性以及舒适性，具有最佳气 动外形的汽车才有生命力，因此可以说在汽车 空气动力学方面的挑战是汽车面临的首要问题。
图1-19 VW-Scirocco I轿车
图1-20 Opel GT轿车
然而大量实验表明，对CD>0.45的汽车，该方法可取的明显效果，如果 要进一步使产品车的CD值降为0.40以下，则必须做相当大的努力，甚至必须 寻找更高级的技术。另外需要对每一个局部进行多次修改。
２. 整体最优化阶段
随着空气动力学研究以及风洞试验技术的发展汽车 空气动力学的设计又出现了一种新思路——从设计开 始就十分重视汽车外形的整体气动功能。体现了 “功能服务于造型”的设计思想即首先确定一个符 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，都严格保证形体的光顺 性，使气流不从汽车表面分离，这种新设计方法叫 形体最优化，也叫整体最优化法。
1933年美国人雷（W.E.Lay）在 密歇根大学进行可更换的各种 头部和尾部组成的积木式汽车 模型风洞试验,他使用了可更换 的各种头部和尾部组成的积木 模型。
１. ２. ３ 最优化时期 １. 细部最优化阶段
1974年德国胡乔（W.H.Hucho）等人提出了著名的细部优 化（Detail Optimization）的设计方法：在充分保证造型风 格、内部布置、安全性、舒适性和批量生产性等方面的实 际汽车工程需要的前提设计出汽车外形，尔后进行空气动 力修正。
５. 车身表面无附件化
大众XL1（如图1-38），其外形似海豚，车身外没有后视 镜，取而代之的是摄像头。平滑化门把手，覆盖车轮，目的 就是尽量达到无附件化一定程度上减小干扰阻力，另外该车 还关闭了发动机格栅，减小了内流阻力。
６. 充分利用后出风口隔栅及发动机排放改善 后尾流状况
尾流是产生气动阻力的重要原因，而之前在造型或者 加附加装置方面，也在很大程度上希望改善尾流，然而利 用后出风口格栅以及发动机的排放改善尾流将是个全新的 发展领域。另外，相关学者提出，今后的汽车造型将是楔 形基础上的具有最佳弯曲线的贝壳型。
3Hale Waihona Puke Baidu理论研究方面
理论分析能够指导实验研究和数值计算，它在大量实验 基础上，归纳和总结出响应的规律，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。因此随着 实验研究和数值模拟的不断发展，理论分析将更全面、更系 统。 旋涡分离流动模拟分离流动是汽车绕流流场中典型的、 不可避免的流动现象。对汽车粘性流动进行数值分析的主要 困难在于分离旋涡流动，这就要求对汽车分离漩涡进行深入 研究，形成更为系统地物理机制和模型。同时高雷诺数湍流 的运动机理还需要进一步进行完善，以及有关不可压流体特 性、流体阻力和汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。 合理、系统地理论才能促进空气动力学更好更快的发展。
汽车造型的发展不仅要求较好的空气动力性，也要求较好 的美观性。车身整体曲面光滑平滑能够减少气动分离，降低空 气阻力。同时流畅自然的线条圆滑简洁的过渡更能满足现代人 们对于个性和美的追求。
３. 以低阻形体开发的整体气动造型与低车身 高度
4．空气动力学附加装置与整体造型协调融合
2012年拉利F12 Berlinetta（图1-37）采用了全新空 气动力套件——空气桥，它利用发动机罩将空气从车的 上半部分输送到车辆侧翼，空气在侧翼与轮舱的尾流交 汇，从而减少阻力，并产生下压力。
１. ４. ２ 汽车空气动力学在研究方法方面 的发展趋势 １. 数值模拟方面
目前数值模拟面临最主要的问题就是计算精度和收敛速度， 然而网格的形状与结构、采用的湍流模型和计算方法都对精 度有影响。 今后，对汽车表面产生的分离涡流和湍流应进行更为深 入地研究，从而发展相应的更具先进的流体流动计算模型。 因此进行汽车周围流场的数值模拟必须通过求解粘性流体湍 流方程才能使模拟精度提高。 发展更好的计算方法与仿真程序，促进使用大尺度涡流 模拟/小尺度湍流模型方法求解N-S方程组，伴随着计算机技 术的快速发展，使得模拟计算具有更好的收敛性、稳定性， 以及结果具有更高的精确度。
１. ２ 汽车空气动力学的发展
１. ２. １ 基本型时期
１.原始型阶段
图1-2 1899年詹那兹创造世界纪录的电动车
图1-1 1886年卡尔本茨创造第一辆现代汽车
图1-3 德国人霍奇A.HORCH 1912年研制的船尾车
２. 基本型阶段
１. ２. ２ 流线型阶段 １. 长尾流线型阶段
２. 短尾流线型阶段
１. ２. ４ 小结
汽车空气动力学经过了上述几个阶段的发展，使得普通轿 车的气动阻力系数从20世纪20年代的0.8左右降到30年代至40 年代的0.6左右，以后又降到0.45左右。特别是近几十年，汽车 空气动力学的研究收到了极大地重视，在降低气动阻力方面取 得了很大进展，商品车平均气动阻力系数已降到0.35以下，一 些先进气动设计的样车，气动阻力系数已降到0.15~0.20。一些 车型也创造了低阻力系数的历史记录（图1-26）。1986年的福 特Probe V概念车，其CD值仅有0.137，1996年的通用EV1电动 车，CD值为0.19，2008 年美国Aptera 2e电动车，其CD也仅有 0.15，另外，2009年经过大众1L概念车而改型过来的大众L1， 其CD为0.195。虽然这几款车型大部分没有真正的投入到市场， 但其在空气动力学方面所追求的完美境界还是值得去借鉴的， 从这几款车型可看出，减少后视镜等附件，平滑化车门把手， 覆盖车轮，关闭格栅等一系列的措施可以减小阻力系数。
练 习 题
１. 简要回答汽车空气动力学的定义及重要性。 ２. 汽车空气动力学的发展主要包括哪几个时期? ３. 最优化时期两个优化阶段的定义是什么? ４. 汽车空气动力学的研究内容包括哪几个方面? ５. 谈谈汽车空气动力学在造型方面的发展趋势。 ６. 目前汽车空气动力学的研究方法有哪几种以 及其发展趋势是什么?
１. ３ 汽车空气动力学的研究范围
汽车空气动力特性对汽车性能的影响是多方面的，如图1-27，正是通 过对这些性能的改善催促着汽车空气动力学领域的不断进步。
１. ３. ２ 汽车空气动力学的研究内容 １. 汽车空气动力及其对汽车性能的研究
２. 汽车的流场与表面压强研究
流场是速度场、压强场、能量场、密度场、温度场等 的总称。通过整车和局部流场的研究，更直观地了解汽车 内外气流的运动规律和情形，从而进一步研究车身整体气 动造型和局部优化气动造型，分析气流分离和尾流现象与 机理。（图1-29）
３. 发动机和制动器的冷却特性
需要进行冷却的内部设备主要有发动机和制动装置， 这些装置都需要在前方引进高速气流来进行冷却。通过研究 发动机和制动器的冷却气流来提高发动机和制动器的性能和 冷却效率。如图1-30、1-31所示，体现了在这方面的应用。
４. 采暖、通风和空调研究
为了改善汽车乘坐舒适性，通常要进行通风、采暖和制冷 的研究。如图1-32所示，通过对空气进出口位置、风量、风速、 风路以及空调选型与布置来优化车身内部气流环境。这种试验 对流场的要求一般要比内部设备冷却试验高一些。但要很好模 拟空气的湿度和温度以及太阳的照射条件，要在能创造气候条 件的气候风洞或空调室中进行。
５. 汽车空气动力学专题研究
除上述四种研究内容以外，还有改善雨水流径、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。（图1-33）
１. ４ 汽车空气动力学的发展趋势
１. ４. １ 汽车空气动力学在造型方面的发 展趋势 １. 气动造型与美学造型完美结合
２. 强调车身整体曲面光顺平滑
2.实验研究方面
实验研究作为理论分析和数值模拟的基础，并用来检验理论 结果的正确性和可靠性。 全尺寸、全天候、实车环境风洞及模型风洞成为汽车风洞未 来发展的趋势，能够解决中重型、重型货车风洞试验的难题和实 现更精确的测量和试验。 “安静”“绿色”风洞如今已被人们认识，今后不仅要求高品 质汽车风洞，还需对风洞背景噪声进行抑制，做到低噪声和低碳 节能；也要求试验高度自动化,模型姿态、试验条件等变化更加容 易;建立系列试验结果的数据库，以完善数值计算的工程或经验修 正方法，数值计算能力不断提高；风洞将具备先进的数据采集能 力,能够实时、定量显示模型表面和周围流场信息,并与计算模拟 确认整合; 在风洞试验技术上，现代试验设计(MDOE)将成为一种 标准的新型试验方法,该技术基于统计学原理,能够更加合理有效 地设计试验计划，同时也要求具有更高水平的知识型试验队伍。