第二章-汽车空气动力性能

下存在。在水平道路上等速行驶就没有坡度阻力和加
速阻力
2020/7/26
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2.1概 述
空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比 ，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力
。
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2.1概 述
➢空气动力对汽车性能的影响
➢对动力性能的影响
➢影响高速时的加速性能 ➢影响最高车速
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作用在车身上气动力和力矩
➢SAEJ1594规定也可以表示为(My = PM)， (Mz = YM)， (Mx = RM)
➢俯仰力矩PM（ My ）以Y轴为中心，抬头为正 ➢横摆力矩YM(Mz )以Z轴为中心，车头右偏为正 ➢侧倾力矩RM(Mx )以X轴为中心，右倾为正
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第二章讲课提纲
概述 汽车空气动力学基本原理 空气作用于汽车车身的力和力矩 汽车各部分形态与气动特性的关系
汽车气动力特性对汽车性能的影响 提高汽车空气动力性能的措施
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作用在车身上气动力和力矩
➢车身上压力的分布
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作用在车身上气动力和力矩
➢ 气压中心
➢ 车身所受到的空气动力合力称为气 动力
➢ 气动力合力在汽车上的作用点成为 气压中心（风压中心）
➢ 气压中心一般难以与汽车的质心重 合
➢ 气动力合力F为
----其中A为迎风面积（正投影面积）,C为 阻力系数，与车身形状有关
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➢是流体力学的一个分支,是研究物体在空气中做相 对运动时，物体与空气间相互作用关系的一门学 科，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下 的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化 学变化
➢汽车空气动力学（ Automotive aerodynamics）
➢汽车空气动力学主要研究汽车在流场中所受到的 气动阻力、升力、侧向力三个力及其相应的力矩 ，研究这些力及力矩对汽车阻力、侧向稳定性、 气动噪声、灰尘附着、发动机冷却、驾驶室通风 等的影响
前四种是由于压力造成的阻力
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作用在汽车上的气动阻力
空气阻力的组成
车身前部的 正压力和车 身后部的负 压力所产生 的压力差而 引起的阻力
由轿车表面凸出的零 件引起气流相互干扰
而产生的阻力
由于空气的粘 滞性在车身表 面所产生的摩
擦力
•4.1 轿车的空20气20阻/7/力26
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空气的分离现象及涡旋的形成
➢减少或消除尾涡，延 缓分离现象的方法
➢截面应逐渐变化，避免 流管截面骤然增大，从 而使气流保持相当速度
➢采取措施，加快可能出 现分离区域的气流速度 （见P15图2-3）
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空气的分离现象及涡旋的形成
由升力 引起的
由轿车室内通风的气 流和冷却发动机的气 流所造成的阻力。
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作用在汽车上的气动阻力
➢ 形状阻力（压差阻力）
➢ 汽车前后压力差造成的 ➢ 其大小由汽车外形决定 ➢ 气流分离点设计是减少形状阻力的主要内容
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F压力
F真空拉力
F压阻= F压力+ F真空拉力
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第二章-汽车空气动力性 能
2020年7月26日星期日
第二章讲课提纲
概述 汽车空气动力学基本原理 空气作用于汽车车身的力和力矩 汽车各部分形态与气动特性的关系
汽车气动力特性对汽车性能的影响 提高汽车空气动力性能的措施
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2.1概 述
➢空气动力学（ aerodynamics）
气动升力和俯仰力矩
➢ 影响升力的主要因素
➢ 拱度及迎角
➢ 汽车的升力产生与飞机机翼相似，机翼上下表面曲率不同造成上 下表面流速不同而产生升力
➢压力阻力是作用在汽车外形表面上的法向压力的合力 在行驶方向的分力。压力阻力中的形状阻力占主要部 分，所以车身主体形状是影响空气阻力的主要因素， 改进车身流线型体是减少空气阻力的有效途径。
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作用在车身上气动力和力矩
➢ 作用在汽车上的气动阻力
➢ 形状阻力（压差阻力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)
➢汽车的空气动力学特性取决于汽车外形 ➢空气动力学影响人们的审美观 ➢气动性能决定现代轿车外形的最重要内容
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第二章讲课提纲
概述 汽车空气动力学基本原理 空气作用于汽车车身的力和力矩 汽车各部分形态与气动特性的关系
汽车气动力特性对汽车性能的影响 提高汽车空气动力性能的措施
➢分离点
➢流速趋于零的点，标志着边界层与物体表面出现 分离，是尾涡流区的分界线
➢尾涡会损失动能，或者说，尾涡区内的压力与分 离点处的压力几乎相等，因此较低（负压，吸力 ），物体前后的压差就形成了压差阻力（主要受 形状影响，因此也成为形状阻力）
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空气的分离现象及涡旋的形成
作用在汽车上的气动阻力
➢干扰阻力
➢汽车表面凸起物对气流的干扰形成的 ➢要避免凹、凸起物，仔细设计门把保险杠等附件
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作用在汽车上的气动阻力
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作用在汽车上的气动阻力
➢ 诱导阻力
➢ 气动升力在水平方向的分离 ➢ 诱导阻力与升力和车身宽长比有关（见P17公式2-10） ➢ 减小升力系数和适当增宽车身可以减小诱导阻力
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作用在车身上气动力和力矩
➢气动力在三个坐标方向的分力
➢沿X方向的气动阻力D(Drag)
➢沿Y方向的气动升力L(Lift)
➢沿Y方向的气动侧向力S(Side Force)
----其中CD,CL,CS分别为气动阻 力系数、升力系数、侧向力系数
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➢ 附面层随流程的增加而增厚
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空气的分离现象及涡旋的形成
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空气的分离现象及涡旋的形成
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空气的分离现象及涡旋的形成
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空气的分离现象及涡旋的形成
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作用在车身上气动力和力矩
➢车身上压力分布的两种表示方法
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作用在车身上气动力和力矩
•思
• 打开天窗换气时，天窗
考
上方的压力低于车内的压力 。
•打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？
•夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油 ？
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2.2空气在汽车周围的流动情况
➢ 连续性方程
➢ 对于定常流动，流过流束任一截面的流量相等 1V1A1= 2V2A2= 3V3A3= … …= 常数
➢ 对于不可压缩流体1= 2= 3= … …= 常数，所以 V1A1= V2A2= V3A3= … …= 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
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作用在车身上气动力和力矩
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作用在车身上气动力和力矩
➢空气阻力（气动阻力）
➢汽车行驶时，其表面与空气相互作用而产生的阻 力统称为空气阻力
➢空气阻力主要与汽车的行驶速度及汽车外形有关
➢空气阻力分为摩擦阻力与压力阻力两部分
➢摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力 的合力在行驶方向的分力。摩擦阻力与车身表面质量 及表面有关。
作用在车身上气动力和力矩
➢ CD,CL,Cs是汽车空气动力学中 最重要的参数，是评价汽车空 气动力学性能的主要指标
➢ CD,CL,Cs取决与汽车的外形及 表面状况与迎风面积无关
➢ 气动力矩
➢ 由于气动力一般与质心不重合 因此将力平移到质心后会产生 气动力矩
➢ 气动力矩有：俯仰力矩PM （ Pitching Moment) 、横摆力矩 YM(Yawing Moment) 、侧倾 力矩RM(Rolling Moment)
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2.1概 述
பைடு நூலகம்
➢对安全性能的影响
➢高速时的加速性能影响行车安全 ➢气动升力影响汽车操纵稳定性和制动性 ➢气动力稳定性影响汽车操纵稳定性
➢对舒适性能的影响
➢高速时风噪是影响舒适性的重要因素 ➢空气动力学对于车厢内的通风、温度、尘土污染有重
要影响
➢对汽车外形演变的影响
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作用在汽车上的气动阻力
➢常见车气动阻力系数见表2-2和表2-3
•0.15 - Aptera Motors Typ-1 •0.25 Toyota Prius, 2010
•0.28 - Toyota Camry
•0.48 - Volkswagen Beetle •0.57 - Hummer H2, 2003
F
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作用在汽车上的气动阻力
➢摩擦阻力
➢由于空气的粘滞性而形成的空气与车身表面以及 附面层之间的摩擦力造成的
➢取决于车身面积和光滑程度
➢总气动阻力
➢车身气动设计时主要内容,它取决于气动阻力系数 、汽车正投影面积和车速
➢其中正投影面积A可以估算
A=0.81BH
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•0.9 -a typical bicycle plus cyclist
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气动升力和俯仰力矩
➢ 气动升力
➢ 升力是由于汽车上下部曲线曲率不同，使得气流流速不 同而产生的压力差造成的，压力差越大，升力越大
➢ 升力会引起诱导阻力，产生俯仰力矩，升力大俯仰力矩 也大
-------流体的静压力与动压力之和为常数 ➢ 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式 ➢ 该方程说明，流速越大，动压力越大，但该点的静压力
（压力）越小，在前端滞点处，流速为零，压力最大
➢例题2-1
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空气在汽车周围的流动情况
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➢对燃油经济性的影响
➢高速行驶时空气阻力是最大的阻力，小型客车50%的 、普通货车32%左右燃油用于克服空气阻力
➢载货汽车气动阻力系数降低30%，并以80km/h行驶， 可降低油耗12%--13%
➢例如：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
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2.1概 述
汽车行驶阻力
空气阻力FW
加速阻力Fj 滚动阻力Ff
坡度阻力Fi
α
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2.1概 述
➢汽车的行驶阻力
➢滚动阻力Ff ➢空气阻力Fw ➢坡度阻力Fi ➢加速阻力Fj
•汽车行驶总阻力
➢上述阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件 下均存在的。坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件
➢ 连续性方程说明了流速与面积之间的关系，说明在截面 较小的地方流速较高，在截面较大的地方流速较低
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2.2空气在汽车周围的流动情况
➢ 伯努利方程
-------流体的重力势能、压力势能、动能之和为常数
➢ 当气体流速不高、密度可视为不变，并且由于空气重力 很小，则有
➢ 升力会降低轴载荷，降低附着力，影响动力性、操作性 和稳定性，但也能降低一点油耗（绝对不可取），某轿 车160km时，前轴升力占车重20%-25%
➢ 从安全角度讲，降低升力比降低阻力更重要，升力最好 为零，甚至为负最好
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空气在汽车周围的流动情况
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空气的分离现象及涡旋的形成
➢ 根据连续性方程和伯努力方程，如果空气是非粘滞 的，则在理想大气中运动的任何物体表面压力之和 为零
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空气在汽车周围的流动情况
➢ 附面层
➢ 由于流体具有粘性，因此相对于物体表面运动时会产生 摩擦作用，靠近物体表面处的流体有粘附在物体面上的 趋势，其靠近物体表面处速度为零，速度随着距离的增 大而增大，我们将这个速度发生变化的薄层称为附面层