车辆动力学-空气动力学基础-2013

• 流体的膨胀性：物体具有热胀冷缩的性质 ，流体也不例外，称为流体的膨胀性。
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第二节
法向力与切向力
空气的特性
空气作用力的基本形式
空气微团的剪切力很小，通常表现为法向压力。
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边界层与分离气流
当流体绕物体流动时，在物体壁面附近受流体粘性影响 显著的薄层称为边界层。 在边界层中，由于存在较大的速度梯度，因此剪切力较 大。
伯努利方程可以预测不同形体的表面压力和升力，尤其适 用于不存在气流分离或边界层变化小的形体。 由于只考虑法向压力，因此并不涉及由切向力决定的空气 阻力。
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二、伯努利方程
空气管道可以看成由若干流线构成的流管。
流体微团的总能量为压力能与动能之和。
伯努利方程表明，在理想流场中沿流束的能量守恒定 律，即流体静压p与动压q之和为常数。
风洞的截面尺寸基本由其试验段尺寸决定。 试验段尺寸由车辆迎风面积和风洞送风横断面面积的关 系（堵塞比）决定。 为了尽可能接近“无粘流体”，堵塞比应小于0.07。 导致风洞费用极高。 通过调整送风横断面，可以尽量减小车用风洞的尺寸。
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Volvo Cars Test Centre
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Volvo Cars Test Centre
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ρv 2 L2 ρvL vL Re μvL μ ν
三、流场可视化
1、用途
期望看到流体从稳态到分离直至尾流区中的流线。
定性分析，但可显示出问题所在，以及改善后的效果。
2、丝线法
将柔软的短细丝线等一端粘在模型表面，另一端能自由 摆动。
装在3mm的销钉上可以消除边界层效应。
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2、丝线法（续）
通过翼前端截面的空气体积与流过后端的体积相等，因此 在翼剖面较厚之处流管变细，流速增加。 流管的“弹性”特性： 中间流速大，静压下降，流管截面变小；
后端流速减小，压强增加，流管扩张。
顶部空气流动更快，产生的负压（指向表面以外的）要比 底部大，因此将产生向上的升力。
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3、升力的产生
伯努利方程表明，气流的动能可以转化为静压力，作用在 物体表面形成升力或压力。 升力的大小由所能得到的动压值决定，与速度的平方和 空气密度成正比；
该点所在的车身位置
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2、压力系数的取值
给定点的实际压力
p p C p q
压力系数的取值范围 在气流平面的中心，气流速度减小为0，压力系数取最 大值1。
车辆行驶速度为160km/h，给定点气流流速为320km/h， 则压力系数为-3。
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第五节
一、边界层分离
实际气流特性概述
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2、空气动力六分力
对于后部倾角较大的快背式车辆，气流在顶部分离，空气阻力较大。
当后部倾角为28°时，气流是在后窗较低边缘处分离的，因而尾流 较小，空气阻力就小。
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第六节
一、风洞试验
空气动力学试验
1、风洞试验及其重要性
做出车辆模型，安装在风洞的人工流场中； 用仪器测量作用在模型上的力和力矩； 用喷烟等方法观测模型附近流线的变化。
• 问:流体密度与动力粘度和运动粘度的关系?
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流体的粘度特性：
• 粘度是度量流体粘性大小的物理量。-物 性参数
• 同种流体的粘度显著地与温度有关， 而与压强几乎无关。 对液体，温度升高，粘度降低； 对气体，温度升高，粘度增大。
• 问题：水和空气的粘度比较？
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流体的粘度特性：
• 在压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下，空 气、水和甘油的动力粘度和运动粘度为：
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Baidu Nhomakorabea
6、风洞的缺点
模拟轮胎转动；
地面运动和发动机进、排气的影响； 闭塞效应修正和速度修正。
接地层模型的建立
车底净空间很低，底部气流成为影响升力与俯仰力矩的关键因素。 空气流动与地面的关系的差异影响了模型下部气流模拟的准确性。
如何确保模型流场与实车流场的相似
对于无粘流体，没有边界层，模型和实车的流体特性是相似的。 实际中存在边界层，需采用校正措施。
实际空气并非理想气流，车身并非光滑。 在边界层，粘滞作用产生的剪切力使空气的流速和能量降 低。 边界层沿着物体逐渐变厚，气流由层流变为湍流。 边界层的气流流速减慢，压力升高，在表面形成逆流，排 挤主流使之脱离壁面，称为边界层分离。
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二、尾流
对于车辆，其后部的边界层会从车身上分离出来，气流 会分解成扰动尾流。
将动压转化为静压和升力的效率与物体的形状有关。
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二、压力系数Cp
1、定义
假设车身某点压力p、速度v，来流压力p∞、速度v∞，定义 压力系数 2
v p-p Cp 1 v q
车身上某点的速度v与来流速度v∞之间的关系依赖于 车身形状 车速相对于流体的方向
2、雷诺数的物理意义
动态压强ρ v2/2是运动粒子与物体相撞后动能转换为压 力所引起的。
其惯性力可以写成ρ v2L2 。 物体受到的摩擦力为μ vL。
惯性力与摩擦力的比值即为雷诺数
为保证流体特性在模型与实车之间是相似的，须保证雷 诺数相同。
如果两种情况下流体的运动粘度相同，则vL值也要相同。 如果采用1/4模型，则空气流速应为车速的4倍。
流体粘性力由流体的粘度和内部速度梯度决定。 粘性力在流体间传递，通过边界层作用于物体表面。
粘度的分类
动力粘度（绝对粘度）μ
15℃时空气的动力粘度为标准值1.822*10-5Pas。
运动粘度（相对粘度）ν
动力粘度与密度的比值乘以重力加速度。
是雷诺数表达式中的一个参数。
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流体的粘度
• 动力粘度μ ：单位速度梯度作用下的切应力。(Pa.S) —— 动力粘度越大，表明粘滞性越强。 • 运动粘度v:液体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ 之比。((cm^2)/s) 。没有力的量纲。
1 p ρa v 2 C 2
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理想流体的伯努利方程
• 如果质量力仅仅是重力f=mg
•
z为单位重量流体具有的位势能，又称 位置高度或位置水头； • 为单位重量流体具有的压强势能，又 称压强高度或压强水头； • 为单位重量流体具有的动能，又称速 度水头或动压头。 22
• 整个流场所有各点的总机械能为一常 数。 •
丝线也可以安装在风洞中垂直于气流的平面格栅上。
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3、烟雾法
低速风洞可以用烟雾实现流体特性的可视化。
在模型表面涂烟黑和煤油的混合物。
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第七节
1、标准坐标系
车辆空气阻力
一、SAE标准坐标系
J1594标准定义了标准参考坐标、空气阻力和阻力矩及 其系数。
原点位于轮距、轴距中心线交点在地面的投影。 x轴向前为正； y轴向右为正； z轴垂直向下为正。
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三、扩散角对气流的影响
风洞扩散角α只有小于10°时，气流才会膨胀并贴紧边界 面。 如果α角过大，气流就会从风洞壁上脱离并伴有随机湍流 生成。
这种情况常出现在汽车后部。
尾流处的白色烟雾因湍流的混合而变得稀薄，流线消失。
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四、气流分离对空气阻力的影响
气流分离现象产生的尾流区域压力很低，从而增加了压 差阻力。
空气 μ＝17.9×10-6 Pa· v＝14.8×10-6 m2/s s， 水 μ＝1.01×10-3 Pa· v＝1.01×10-6 m2/s s，
甘油 μ＝1.499Pa· v＝1.19×10-3 m2/s s，
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粘性流体
• 实际流体均具有粘性，即μ≠0，所以实 际流体又称为粘性流体。 •μ＝0的流体则称为理想流体。 • • 静止流体，粘性表现不出来，所以对流 体力学而言，静止流体既可作为理想流体， 也可作为粘性流体。
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3、风洞的分类
开式设计的风洞（埃菲尔式）
送风和排气都是开口的。
采用了无回风道，不用冷却装置。
噪声污染和空气污染大，需装过滤系统。 所需的送风装置功率较大。
闭式设计的风洞（哥廷根式）
空气流构成封闭的回路。 气流在闭合的回路中循环流动，与外部条件无关。
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4、风洞的截面尺寸
由于车辆外形的复杂性，其空气动力特性很难准确计算出。
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2、风洞的组成和各部分的作用
动力段：
使空气流动，改变风速。
收缩段：
使气流加速； 保证出口气流均匀，平直且稳定。
试验段：
放置模型，是风洞的中心部分。 尽可能模拟真实流场。
扩散段：
降低流速，减少摩擦损失，节省风扇电动机功率。
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二、雷诺数
模型与实车流体特性相似（具有相似的摩擦力和惯性 力）的基本条件是具有相同的雷诺数。
1、定义
雷诺数定义为气流速度v、流体特性长度L的乘积与流体 运动粘度ν 的比值。
Re=vL/ν
空气微团之间的法向作用和切向作用分别与惯性（质 量）作用和摩擦（粘性）作用有关。
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（3）流线型壁面
导向线可根据车辆或模型外形的几何参数进行调整。 克服了开式壁面有效长度小的缺点；
又有效地减少了闭式壁面的摩擦效应。
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（4）开槽式壁面
壁面开设一定数量的条形槽，使试验段内外通气。 是介于开式和闭式壁面之间的一种试验段。
开槽壁面的试验段非常接近无阻碍流体。
槽的多少和布置比较复杂。
能量方程中，压强标准要一致。
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环绕物体的气流会向多个方向流动，其分流点称为驻 点。
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第四节
一、压力分布
1、翼剖面
压力分布和压力系数
翼剖面是一种利用压力变化来产生动力的装置。
当空气流过翼剖面上下表面时，速度都会加快。 由于上表面的曲率和长度更大，因此上部空气的流速增加 得更多。
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2、压力的分布
雷诺数相似性的基础是，如果这两种交互作用的比值 为常数，则流体特性就应该相似。
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流动状态的判定：
• 雷诺数 Re：反映惯性力与粘性力的对比 关系 Re ud
层流区
Re 2300
• 临界雷诺数 Re：判断圆管流动状态
临界区
2300 Re 4000 Re 4000
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光滑管紊流区
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5、试验段的壁面类型
（1）开式壁面 通常在上壁和侧壁开口。 流体在运动方向上压力基本保持恒定。 可以保证测量精度和良好的渐进性。 有效长度小，损失系数高，噪声辐射大。
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（2）闭式壁面
能量损失少，噪声小，有效长度大。 壁面摩擦阻力导致压力降低，从而使气流速度增大。
需要减少横断面补偿或利用测量校正。
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流体的机械能守恒
• 静止流体和运动流体都遵循能量的守恒原 理，用一个统一的关系式进行描述。
• 位置1流体比机械能 • = 位置2流体比机械能+1和2间比能量损 失
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第三节
一、基础与应用
伯努利方程
建立在理想流体假设和流体能量守恒基础之上，描述流体 速度和压强之间的关系。
正常车速范围内，可假设空气是不可压缩的，密度变化不 大。
边界层上会产生分离气流，切向力使气流急速旋转，阻 力提高，升力损失。
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流体的粘性
牛顿内摩擦定律：
• 单位面积的摩擦阻力：
• • • 牛顿内摩擦定律：单位面积的摩擦力 与速度梯度成正比，其比例系数为μ 。
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流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内 摩擦力以反抗相对运动的性质——粘滞性 将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层， 各层速度不同，形成速度梯度。两板间的流体速 度u呈线性分布
第四章 空气动力学基础
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第一节
概述
空气动力对车辆系统动力学的影响
空气阻力对车辆高速行驶动力学影响显著
气动压力可增加轮胎载荷，提高车辆操纵稳定性
侧风稳定性也是车辆行驶稳定性的重要内容
车辆空气动力学的主要研究内容
通过车身造型、流体控制、内部流道设计减少空气阻力 增加气动压力，同时减少对轮胎侧偏力的影响
μ为比例系数，通常称作动力粘度，是个物 性系数，与流体的种类、温度有关。
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一、空气密度
在压强、温度、重力加速度为标准值时，标准空气密 度为ρ a=1.2258kg/m3。 空气密度的变化遵循气体状态方程
a pT0 a0 p 0 T
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二、空气粘度
粘度和粘性力
用粘度表述流体粘性。
空气动力学试验及结果分析
研究空气动力与底盘设计及车辆使用性能之间的关系
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流体的基本物理性质
• 流体作为连续介质的假设
• 在研究宏观的流体流动时不考虑流体 分子之间的间隙，而将流体看作是由 无数流体质点连续地、无空隙地充满 的介质。
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压缩性与膨胀性
• 流体的压缩性：流体受到压缩体积就要 变小的特性。 • 在一般工程中，通常把气体作为可压缩 流体来处理。