第四章_汽车外形设计与空气动力学
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尾流区内各点压力几乎相等，与 分离点处压力相同。
• 压差阻力(pressure drag )
在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面 小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体 在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 • 影响气流分离的因素 • 压力梯度
西华大学汽车与交通学院
第五章—汽车造型与空气动力学
1.空气动力学基础知识
如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态， 说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车 身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风 阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这 种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
)
V 2
2
A
令
CL X C Cd ZC lCMY
则
MY
CMY
V 2 2
Al
一般取汽车的轴距作为特征长度l 。
类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为
V 2
M X CMX
Al 2
MZ
CMZ
V 2 2
Al
汽车空气动力学
3.空气阻力
3.1 空气阻力的分类
• 形状阻力(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)
压力系数定义： CP =
P－P∞
ρV ∞2/2
；
可整理为： CP
=
1－
(
V V∞
)2
ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。
表示方法
矢量法
坐标法
汽车空气动力学
2.汽车空气动力与空气动力矩
• 空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：
空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(Side Force)Ｓ。
P 在物面法向速度梯度为零( Y Y=0=0 )时，气流开始分离。靠近物面 的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与 物面隔开。
e e
1.空气动力学基础知识节
• 尾流区
在分离点后，是一不规则流动的 涡流区，总体上是静止不动的“死水 区”。物体向前运动时，它随之运动， 故称“尾流”。
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压 梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面 层内，流动尤为困难。
• 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横
摆力矩(Yow Moment) MZ。
空气动力的表达式
空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常 表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：
干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流 流动而引起的空气阻力。
车外小物件产生的干扰阻力
气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时， 就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。
3.空气阻力
车身表面凸起物对气流影响
V 2 D Cd • 2 • A
式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与 流速有关。
空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为
L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCL
•
V 2
2
•
A
S
CY
•
V 2
2
•
A
2. 汽车空气动力与空气动力矩
空气动力矩的表达式
俯仰力矩
MY
LX C
DZC
(CL X C
Cd
ZC
• 气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。 分离点前移，气流在后背的流程减小。
• 后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。 随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，
最终减小，至消失； 随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背
顶端时，不再增大。
3.空气阻力
3.4 干扰阻力
只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 • 流态
紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。
1.空气动力学基础知识节
• 减小形状阻力的措施 • 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离 点（分离线）向后移，减小尾流区。 • 增大紊流度 增大物面的粗糙度。
• 增大风窗与发动机罩间的夹角； • 风窗横向弯曲。
3.空气阻力
3.3 诱导阻力(induced drag)
在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面 的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个 分力就是诱导阻力。
洗流不易分离。
3.空气阻力
• 气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大； 后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。
• 分离是产生在附面层 • 流体没有粘度，就没有附面层。 • 没有附面层，就不会产生气流分离现象。
• 汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部
等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称 为“气泡”( bubble)）。
1.空气动力学基础知识节
1.3 压力系数
定义
常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。
前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
1.空气动力学基础知识节
1.2 空气的粘滞性和气流分离现象
附面层(boundary layer)
由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流 速较低的区域，即为附面层。
• 附面层随流程的增加而增厚。 • 附面层的流态由层流转换为紊流。
1.空气动力学基础知识节
顺压梯度和逆压梯度
• 压差阻力(pressure drag )
在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面 小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体 在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 • 影响气流分离的因素 • 压力梯度
西华大学汽车与交通学院
第五章—汽车造型与空气动力学
1.空气动力学基础知识
如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态， 说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车 身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风 阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这 种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
)
V 2
2
A
令
CL X C Cd ZC lCMY
则
MY
CMY
V 2 2
Al
一般取汽车的轴距作为特征长度l 。
类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为
V 2
M X CMX
Al 2
MZ
CMZ
V 2 2
Al
汽车空气动力学
3.空气阻力
3.1 空气阻力的分类
• 形状阻力(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)
压力系数定义： CP =
P－P∞
ρV ∞2/2
；
可整理为： CP
=
1－
(
V V∞
)2
ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。
表示方法
矢量法
坐标法
汽车空气动力学
2.汽车空气动力与空气动力矩
• 空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：
空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(Side Force)Ｓ。
P 在物面法向速度梯度为零( Y Y=0=0 )时，气流开始分离。靠近物面 的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与 物面隔开。
e e
1.空气动力学基础知识节
• 尾流区
在分离点后，是一不规则流动的 涡流区，总体上是静止不动的“死水 区”。物体向前运动时，它随之运动， 故称“尾流”。
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压 梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面 层内，流动尤为困难。
• 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横
摆力矩(Yow Moment) MZ。
空气动力的表达式
空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常 表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：
干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流 流动而引起的空气阻力。
车外小物件产生的干扰阻力
气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时， 就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。
3.空气阻力
车身表面凸起物对气流影响
V 2 D Cd • 2 • A
式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与 流速有关。
空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为
L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCL
•
V 2
2
•
A
S
CY
•
V 2
2
•
A
2. 汽车空气动力与空气动力矩
空气动力矩的表达式
俯仰力矩
MY
LX C
DZC
(CL X C
Cd
ZC
• 气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。 分离点前移，气流在后背的流程减小。
• 后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。 随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，
最终减小，至消失； 随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背
顶端时，不再增大。
3.空气阻力
3.4 干扰阻力
只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 • 流态
紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。
1.空气动力学基础知识节
• 减小形状阻力的措施 • 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离 点（分离线）向后移，减小尾流区。 • 增大紊流度 增大物面的粗糙度。
• 增大风窗与发动机罩间的夹角； • 风窗横向弯曲。
3.空气阻力
3.3 诱导阻力(induced drag)
在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面 的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个 分力就是诱导阻力。
洗流不易分离。
3.空气阻力
• 气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大； 后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。
• 分离是产生在附面层 • 流体没有粘度，就没有附面层。 • 没有附面层，就不会产生气流分离现象。
• 汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部
等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称 为“气泡”( bubble)）。
1.空气动力学基础知识节
1.3 压力系数
定义
常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。
前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
1.空气动力学基础知识节
1.2 空气的粘滞性和气流分离现象
附面层(boundary layer)
由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流 速较低的区域，即为附面层。
• 附面层随流程的增加而增厚。 • 附面层的流态由层流转换为紊流。
1.空气动力学基础知识节
顺压梯度和逆压梯度