汽车空气动力学与车身造型

汽车空气动力学与车身造型复习

第一章绪论

一、本课程的研究对象，方法：

研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学。

理论分析方法

理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限

实验方法

实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差

数值方法

数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制

二、汽车空气动力学的研究任务：

气动力和气动力矩（六个分量）1.影响汽车的动力，安全，经济等性能2.空气阻力——〉动力性，经济性，环保性。3.升力和气动力侧向分量——〉操纵性，行驶稳定性

汽车流场：影响汽车的车身的造型设计

设备冷却：如发动机和制度系统

车内气流组织：影响乘坐舒适性；车内通风

三、车身造型的影响因素：

目的：完满体现汽车的物质与精神功能，充分满足实用和审美两方面的需求。

重要性：汽车产品方案选择的决策性步骤

影响要素：机械工程学，人机工程学，空气动力学，美学，商品学

现代汽车车身造型的演变与发展，受汽车空气动力学和造型美学两大因素的影响

第二章流体力学基础

一、流体的属性

流动性(fluidity) 流体与固体的分子结构存在差异，流体具有流动性

静止流体只有法应力没有切应力

只要切应力作用于流体，则无论切应力多么小，流体都会连续不断的变形而不能休止

变形的大小不只决定切应力的大小，还决定于切应力作用的时间

粘性（viscosity）流体除流动性外，还有抗拒快速变形的一面

相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用

流体对固体表面的粘附作用

理想流体：粘力可忽略的流体

粘性流体：粘力不可忽略的流体

温度对流体的粘性影响较大：液体的粘度随温度升高而减小，气体则相反

μ：粘性系数（粘度）du/dn：层面法向n上的速度变化率

压缩性(compressibility)

流体密度：流体质量在空间分布的密集程度

物质的体积在外部压力的作用下可以改变的特性

由于p、T等变化导致体积或密度变化

不可压缩流体：流体在常温下压缩率很小，可近似看成不可压缩的

可压缩流体：气体的压缩性比液体大的多，一般应看成是可压缩的，但若p、T变化不大时，可简化看成是不可压缩

二、流场的描述方法：两种描述方法：随体法；当地法

1.拉格朗日法又称随体法：跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规率。

2.欧拉法又称当地法：将某瞬时占据某空间点的流体质点物理量作为该空间点的物理量，物理量随空间点位置和时间而变化。不跟踪一个个流体质点，而是观察几何空间点。即在给定坐标系中看经过各固定几何点的流体运动随时间变化的状况。

三、流线和迹线的概念及其计算方法（注意常用的积分公式要会）

流线：某个瞬时，流场中若能作出其上任一点的切线都和该点上流体微团的速度指向一致的曲线，则该曲线就是流线。

流场内任一空间都有一条流线经过，整个空间有一组（无穷多条）流线族（流谱），代表各流体质点或微团在同一瞬时的速度方向。

流线的特点：流线是一条假想曲线；流线具有瞬时性（t是参数）；定常流动中，流线的形状和位置不随时间改变；某瞬时速度过流场中的一点只有一条流线；对于非定常流，一般流线随时间而异。

迹线：流体质点的运动轨迹线

因每一个流体微团都有一个运动轨迹，故迹线也是一个曲线族。

不同微团有不同轨迹，迹线因微团而异，与时间t无关。

迹线的特点：迹线是流场中实际存在的；迹线具有持续性（t是自变量）；

在定常流中流线与迹线相重合，且不随时间而改变

在非定常流中两者有别，流线与迹线不相重合

定常流流线和迹线重合，迹线方程不随时间而改变，因此，比非定常流少了一个时间变量。实际问题大都是非定常流，其分析十分的复杂，因此有必要作某些假设或简化，转换成定常流问题来讨论。

四、流场中相邻流体质点速度的计算方法

五、散度，旋度，涡量等概念及其表达的物理意义

散度：三个方向线变形率之和在矢量分析中称为速度的散度

散度是个标量，分析表明，其物理意义是流体微团的体积缩胀率

流体微团在运动中不论其形状和体积怎么变，它的质量总是不变的。而质量等于体积乘密度，所以在密度不变的不可压缩流中，其速度的散度必为零：div =0。对密度可变的流动（如可压缩流），其速度的散度一般不为零。

旋度：三个角速度分量构成一点领域内的角速度矢量，物理意义是微团角速度的两倍

涡量(vorticity)：在流体力学中直接将速度旋度定义为涡量。物理意义是微团角速度的两倍

六、 Bernoulli方程应用条件，物理意义及其用Bernoulli方程解释物理现象

伯努利方程的限制条件为：1.定常流动(dV/dt= 0) 2.无粘流体（忽略粘性影响）(切应力为零τ=0) 3.不可压缩流体（ρ=常数）4.无旋流动(Ω=0)。伯努利方程首次以动能与压强势能相互转换的形式确定了

流体运动中速度与压强之间的关系，揭示了流体运动中的一条普遍规律，在流体动力学理论上具有重要意义.

伯努利方程的物理意义：表示单位质量流体具有的动能表示单位质量流体具有的位置势能，z 为铅垂向上方向的坐标表示单位质量流体所具有的压强势能表示单位质量流体所具有的总能（常数）因此，伯努利方程表示单位质量流体的动能、位能和压能之和沿流线保持常数：动能+位能+压能=常数（沿流线）因此伯努利方程是关于无粘性不可压缩流体在重力场中沿流线作定常流动时的机械能守恒方程

七、理解涡漩运动的三大定理

第一涡定理（涡管强度保持定理）：沿涡线或涡管其涡强保持不变（守恒）。即沿涡管不论在何处计算它的环量（强度），其值均相同。又称亥姆霍兹( Helmholtz)第一定理。

第二涡定理（涡线保持定理）：涡管在流体中不能中断，只能呈现自封闭状（涡圈）或两端在边界面上以及引向无穷远处

第三涡定理（旋涡不生不灭定理）：在理想无粘、正压和外力有势的流动中，涡的强度（及环量）不随时间变化，既不会增强，也不会削弱或消失。

八、理解翼面绕流问题的简化

在流体理想无粘的假设下，取相对坐标系随物体移动，便得到一个定常运动。若V∞远小于音速时，还可以认为流体（空气）是不可压缩的。这相当于理想不可压缩条件下速度为V∞的远处均匀平行来流，在静止物体处受到物面的扰动而贴体绕流，此后又以V∞向下流去的情形。根据几个有关涡旋的定理，对于在重力场作用下（重力有势）的理想不可压缩流体，均匀来流的绕流运动是无旋的（流动原来无旋，后来必然无旋）。所以描述流动的方程和边界条件有重大的简化。

绕流问题，特别是气动绕流问题，常可把流场分成理想无旋的外部主流动区域和物面附近很薄的粘性有旋附面层区域，两者在附面层边界上衔接起来。在外部区域可利用已相当简化的理想流体模型确定升力、压力和速度分布等，可获得较令人满意的结果；而在狭小的边界层内，粘性力不可忽略，应采用适当的粘性或有旋流模型(如粘性不可压缩流N-S方程等)，对已有计算结果作修正并对流体阻力进行估算。这不仅比完全用复杂且非线性的粘流方程去解题要简便，且仍具较大实用价值。

第三章汽车气动力

一、汽车所受的气动力及其分量

气动力是气流作用在汽车整个表面上的合力。

气动阻力、气动侧向力、气动升力；侧倾力矩、纵倾力矩、横摆力矩

二、汽车气动力的简化表示方法及其所表达的物理意义

三、 Reynolds 数和Mach数的概念及其物理意义

雷诺数实质上代表流动区域中惯性力和粘性力之比。V：介质（空气）流速L：物体的特性长度，ρ：介质密度，µ：介质粘性系数，ν=µ/ρ：为介质的运动学粘度。

就一个流场来说，若雷诺数很大，说明流体微团所受的惯性力远大于粘性力，当然在局部区域可能有例外。对于汽车而言，雷诺数表达式中的L取整车长度或轴距[m]，V取车速V∞[m/s]。

理论和实验表明，当Re足够大（超过某一数值后），空气动力学系数基本上不再依赖Re而变化，即与Re无关。对于一般的汽车，当Re大于几百万后，其空气动力学系数均可以认为是常数