汽车空气动力学【精品课件】

•如果汽车在水平路面上作等速行驶，牵引力Ft全部用 来克服滚动阻力Ff和空气阻力Fx，滚动阻力系数为f， 汽车总重力为G，则有：
1 1 2 2 Ft （G Fz ）f C D S Gf （ C D C Z f）S 2 2
•若在具有最大牵引力Ftmax，时，可获得最大车速， 则有 Ft m ax Gf
•一、气动力和气动力矩 •假定空气相对于地面是静止的，并假设汽车在水平道路上作匀 速运动。然后，根据相对运动的原理，也可把汽车看成是静止的， 空气绕汽车周围流过去。当相对速度不超过100m／s时，可近似 地认为流经汽车周围的空气不受压缩，即空气密度ρ 不受汽车运 动的影响。 • 在空气动力学中，可把流经物体的气流的属性，如速度v，压 强p，密度ρ 等，表示为空间坐标(x，y z)和时间t函数， 例如： • v=v（x，y，z，t）；称为速度场 • p=p（x，y，z，t）；称为压强场 • ρ =ρ (x，y，z，t)；称为密度场。 •所有这些场的总合，称为“流场”。随时间变化的流场，称为 “非定常流场”；不随时间变化的流场，称做“定常流场”。
0
T 101 325 3.486 T
式中 h——大气压，单位为kPa； T——绝对温度，单位为K。 常数H可由汽车远前方处气流状态求得。
•若把气动力的三个分力转换到汽车的质心(记为C．G．)上，则 有气动力矩如下： •（1）纵倾力矩又称俯仰力矩My(以使汽车抬头为正)
My FX Z C FZ Xc q S（CD ZC CzXc） pq SLCMy
即：式中，迎风面积S为汽车正面投影面积，又称参考面积；CF 与车身形状有关。 可将气动力F分解成：气动阻力Fx，
Fx
2
2
SCD
气动升力Fz 侧向分力Fy。
Fy
Fz
2
2
SCy
2
2
SCz
汽车的阻力系数CD可定义为作用在迎风面积上的平均压力 Fx／S与 动压力的比值，可见，CD是一无因次量， 它与汽车的尺寸无关，仅仅取决于形状，是衡量和评价车身外形 空气动力特性的一项重要指标。 同理，侧力系数Cy和升力系数Cz也是无因次量。
由以下五部分组成。 （1）形状阻力 它又称表面压差阻力，是由汽车前部的正压力 和车身后部的负压力的压力差而产生的。它占气动阻力的 60% 左右 ，是气动阻力的主要部分。汽车车身各个表面的形状及其交接处的 转折方式是影响形状阻力的主要因素. (2)摩擦阻力 它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦 力，其数值取决王车身表面的面积和光滑程度，约占气动阻力的 9 ％左右o (3)诱导阻力 它是气动升力所产生的纵向水平分力，一般约占 气动阻力的5％～7％。要减小诱导阻力，就应设法减小升力。 (4)干扰阻力 它又称附件阻力，是由暴露在汽车外部的各种附 件引起气流相互干扰而形成的阻力。这些附件包括后视镜、门把手 、雨刷、流水槽、前牌照、照明灯、前保险杠以及天线和装饰物等 。它约占气动阻力的15％左右。 (5)内部阻力 它又称内循环阻力，是由冷却发动机等的气流和 车内通风气流而形成的阻力，约占气动阻力的10％一13％。
一、研究空气动力学的意义： 随着汽车车速的不断提高，以及在高速行驶时保 证汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和冷却通风、 降低风噪声等的需要，汽车的空气动力性能越来越人 们所认识，已成为研究汽车车身设计中的基础学科之 一，而且是评价汽车车身水平的重要依据。
目前，，主要包括以下诸方面： 1)汽车行驶中的气动力和力矩的研究。主要研究怎样使汽 车具有较小的气动阻力以减少油耗；怎样使汽车具有较小的升 力、侧向力和横摆力矩，以保证良好的操纵稳定性。 2）汽车表面及周围的流谱和局部流场的研究，以分析作用 在汽车上的气动力机理。同时，有利于改善汽车表面雨水流的 路径，减小表面尘土堆积、风噪声和面板颤振。 3)发动机和制动装置的空气冷却问题的研究。目的是为了 减小冷却通路和散热器的内部空气阻力，提高冷却效果。 4)汽车内部自然通风和换气问题的研究。主要研究车身上 进、出风口的合理位置，车内进出风量、风速及风路，使汽车 具有良好的通风换气性能，以保证良好的舒适性。
•式中 Xc，Zc，——风压中心到质心的距离；
• • • L——特征长度，一般指汽车的轴距； CMy——俯仰力矩系数。 Mz=FyXc=
•（2）横摆力矩Mz(以汽车右偏为正)：
pq SLCMz
式中 CMZ——横摆力矩系数。
•（3）侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)； • Mx= FyZc=
pq SLCMX
max
1 S（C D Cz f） 2
•可见，当Ftmax和G一定时，减小空气阻力系数CD，可 使最大车速Vmax提高。由于Cz的提高，会降低牵引力 Ft，且会影响汽车的操纵稳定性，可见降低CD值是关 键。
由汽车理论可知，汽车行驶阻力所消耗的功率为Pr，则有：
Pr 1 1 （G Fz ）fv C D S 3 3600 7200
根据伯努利 (Bernoulli) 原理，气流的静压强 p 和动压强 pq 之和应为常数，动压强 2 则有： p pq p v H（常数） 2 2 pq v 式中 2 V一空气流速，单位为m／s； ρ 一空气密度，单位为 kg／m3；在标准大气压 (h0=101． 325kPa)和15ºC时， ρ0=1．2258kg／m3；在其他情况下，空气密度可按下式 计算： h 288 15 h
发动机功率Pe与阻力功率Pr的关系为：
Peη =Pr。 η 为传动系效率。由于正常工作在汽车上的升力Fz都不大， 如忽略升力项，则有：
式中 CMx——侧倾力矩系数
将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力，称 为气动力F。 合力在汽车上的作用点称为风压中心 ，记作C.P.。 由于汽车外表的对称性，压力中心在汽车的对称平面内。气动 力F与气流速度的平方，迎风面积 S以及车身形状系数 CF 成正比，
，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1 F pq SC F v 2 SC F 2