汽车空气动力学的一些基本概念

汽车空气动力学

第一部分汽车空气动力学研究内容

汽车空气动力学是研究行驶的汽车与其周围空气之间相互作用及其对汽车性能影响的科学。

汽车行驶过程与空气产生复杂的相互作用而产生的驱动力不仅影响汽车的行驶状态，同时影响汽车性能的发挥，体现在以下众多方面：通过汽车空气动力学研究来改善汽车外形降低汽车气动阻力，提高发动机燃烧效率，改善发动机冷却效果，不仅可以改善汽车的动力性，还可以提高汽车的燃油经济性；汽车在高速行驶中，来自空气的反作用力会对汽车产生很大的影响，包括因空气动力作用而引起的汽车稳定性和操作性问题，而良好的汽车稳定性和操作性对于其保证汽车安全行驶有着重要的意义；通过空气动力学途径来改善侧风稳定性以及提高制动器制动效能为汽车高速行驶提供安全保障；在以人为本的今天，改善汽车内部通风、取暖、除霜和空调气流等特性，减少尘土污染和降低气动噪声，是乘坐舒适性的基本保证。

总的归纳，汽车空气动力学的研究内容包括外观（污染、水、镜面、雨刷器）、行驶性能（耗油量、排放物、最大车速、加速性能）、冷却（发动机、增压空气、废气、辅助设备、机油、变速箱、制动器、冷凝器）、舒适性（通风、暖风、空调、风噪、轰鸣）、行驶方向稳定性（直线行驶稳定、转向自回正能力、侧风稳定性）、作用于部件的力（车门、舱盖/箱盖、覆盖件、车顶载荷）等。

1、车身外观上，以汽车尘土污染为例。

汽车周围的流场会卷起路面或者环境中的尘土，这些尘土可能会附着在车身上，可能对能见度、汽车美观等造成不好的影响，比如两厢车的后挡风玻璃上一般设有雨刷；在雨雪等恶劣天气，雨水与泥土的混合会对汽车外表造成更加严重的污染。尘土或其他污染物可能附着在发动机舱和车身底部，影响汽车关键总成或者零部件的性能，甚至产生腐蚀，因此合理地利用空气流来除尘很有必要。

大多数情况下，汽车头部存在较大的滞区，一般会在这个位置设置进气栅，为发动机进气歧管、散热器等提供空气，与此同时汽车前方的尘土、雨水等也会进入格栅，进气歧管通过空气滤清器来过滤掉尘土，但其它进入的空气将会附着在发动机舱其余部件和总成上，当尘土积累到一定程度时，可能会影响到其散热等功能；此外车头前方的车灯也受尘土污染比较严重，可能导致车灯无法提供足够的光线照明。

汽车侧面后视镜附着的雨水、尘土会直接影响侧后方的视野，可以通过改变汽车后视镜的外形特征，减小空气尾流对侧窗的污染。商用车驾驶室的侧面也容易收到尘土的污染，通常在驾驶室前端与侧面过渡的区域，设计导流装置，既有利于引导较高流速的气流在一定程度上带走泥土污染，又可以减小此处的流动分离现象，从而减小气动阻力。

导流装置2、行驶性能，以耗油量为例。

据有关研究，当汽车行驶速度超过100 km/h时，80%左右动力输出被空气阻力所消耗，这充分说明合理的空气动力学外形对汽车的节能有重要意义，当采用较低的空气阻力系数外形时，一方面可以使汽车在高速行驶时大大减少燃料消耗；另一方面较低的空气阻力系数还可以使汽车在装用功率较小的发动机时同样能达到令人满意的效果，这样发动机功率变小后其尺寸也相应减小，导致传动系统各总成尺寸缩小和整车轻量化，又进一步导致悬架、轮胎等部件尺寸缩小，从

而大大提高了汽车综合技术性能，可见较低的气动阻力系数带来的好处是显而易见的。

自汽车工业诞生以来，车身造型经历了马车型、箱型、甲壳虫型、船型、鱼型、楔型等，

从汽车出现之初气动阻力系数Cd=0.8，到经历数百年的发展，汽车空气阻力系数已经下降到0.3左右，甚至部分超前设计的跑车、概念车等的阻力系数已经达到0.14左右，极大地节约了燃油消耗，然而人类在追求更加极致的低阻力汽车造型的脚步永不会止步，未来的汽车车身造型将会在细节设计、技术创新上有更加深刻的表达。

3、冷却，以发动机冷却系统分析为例。

车身前端的主要部件是发动机，发动机的冷却系统包括散热器、冷却风扇和水泵，冷却系统用来保证发动机在工作时的温度不超过设计的上限温度，从功能上讲，要求冷却系统造价低，质量轻，能耗小，气动阻力小且可靠，因此充分利用空气流来带走发动机散发的热量对冷却系统而言意义很大。

汽车在怠速状态下和行驶状态下的气流分布有很大不同。怠速状态下，外界气流从散热格栅各个角度流入发动机舱，而在行驶状态下，气流更容易从保险杠下方流入发动机舱，流入发动机舱的气流一般由发动机舱下方排出，有时也由上方排出，如图所示，冷却风迂回撞击发动机舱内零件，使发动机受到力的作用，与地面平行的力成为内流阻力的一部分，与地面垂直的力成为升力的一部分，而且冷却风排出以后，与车身周围的气流相互干涉，也会产生阻力，这表明冷却风也会引起气动阻力的增加，而在冷却风的流出方向上如果风向下排出则升力增加，风向上排出则升力减小。

4、舒适性，以通风和风噪为例。

为了保证乘员的舒适性，车内必须保持一定的温度、湿度以及空气的新鲜程度。增大车内的风速，会让人感觉到凉爽，人在1m/s的风速下会感觉到温度下降1℃,当环境温度低于皮肤温度时，如果增加室内的温度，应同时增加气流速度，这样才会使人有舒适感，但风也不宜过大，因为风会使人局部过渡散热而感到难受，并且对于头部、喉部、眼睛等敏感部位不应吹风，舒适的气流温度分布应该是头凉足热。

汽车在行驶过程中由于周围空气的流动而产生的噪音称为气动噪声。当汽车在高速行驶时，车身与周围的空气发生相互作用，在汽车表面形成一个边界层，并且产生强大的分离流、涡流以及湍流，流动中的涡流和湍流相互作用，从而在车身表面产生强大的脉动压力场，而汽车表面脉动压力场是产生气动噪声的来源，车外噪声透过车身外装附件、开启门窗、凹凸台阶、狭缝等传入车内引起人体不适。从空气动力学角度，控制流动是降低气动噪声的主要思路，比如避免周期性的二维分离流动可以在收音机天线上缠绕螺线，天窗前缘设计导流板均可以降低风噪；还可以对三维流动分离采取干预措施，比如在轿车的外后视镜上采用凹槽、凸缘以影响后视镜尾流。

后视镜上的气流槽5、改善汽车行驶阻力的装置

对于货车这样由于自身结构原因，将不可避免地有不利于改善气动特性机制，仅靠对自身的外形的进行优化已难以解决问题，而在特定部位增加一定的气动附件可获得满意结果。货车常采用的空气动力附件有导流罩、导流片、间隙密封板、侧裙板和稳涡装置等。