汽车空气动力学-第二章

1 2 M R v AaC RM 2
绕y轴的纵倾力矩MP (Pitching Moment) 纵倾力矩
1 2 M P v AaC PM 2
1 2 M Y v AaCYM 2
绕z轴的横摆力矩MY(Yawing Moment) 横摆力矩
力和力矩
横摆角 0 时车身纵向作用的 气动阻力D 阻力系数
Re
vd

局部损失——弯管
对于弯管，在拐角处将发 生流动分离现象。拐角外 壁压力高而内壁压力低， 因此，在流动接近拐角外 壁时和离开拐角内壁时发 生分离现象。
分离区将随转弯半径r的减小 和转角的增加而愈加明显。
局部损失——进气口
在进气口处，流动将产生总压损失。特别是对 于尖角入口，将发生分离现象，沿程损耗系数 较大。 为得到小的损耗系数，进气口必须很好地圆化。
飞机：达到0.08
目前雨滴的风阻系数最小 ：0.05左右
下面是一些物体的风阻
一般轿车风阻系数： 0.28-0.4 好些的跑车在：0.25左右 赛车可以达到：0.15左右
载货汽车 公共汽车
二轮车
0.40～0.60
0.50～0.80
0.60～0.90
新甲克虫
CD = 0.38
车进行比较，以每小时88km的时速行驶了
100km，燃油消耗后者比前者节约了1.7L。
气动阻力
压差阻力 摩擦阻力
气动阻力
诱导阻力 干扰阻力 内流阻力
压差阻力 压差阻力有时又称为形状阻力，因为它的大小直
接取决于物体的形状
压差阻力是由于运动空气的粘性导致汽车前后产
生压力差而形成的阻力。约占汽车总气动阻力的
10万以下热点车型
1. 海马福美来Ⅱ：0.33 2. 一汽夏利：0.32 3. 哈飞路宝：0.32 10. 本田飞度：0.30 (有说是0.31, 有说是0.29) 11.奇瑞 A5 ：0.29 12.比亚迪F3：0.30 13.雪佛兰乐骋：没查到 14.雪铁龙C4：0.3 (C2的没查到) 15.一汽威志：0.3 16. 起亚RIO千里马：0.338 17.奇瑞 QQ ：没查到 18.标致 206：0.33
表面产生摩擦而形成的阻力。约占汽车总 气动阻力的6％～11％。
与车身表面面积和粗糙度有关
宾利
诱导阻力
诱导阻力由车身附着涡诱导而成，实际上是汽
车升力在水平方向的分力。约占汽车总气动阻
力的8％～15％。
介绍一下升力的产生机理
诱导阻力
在有限翼展的情况下，在 翼型左右翼梢处，下翼面 的高压气流会绕过翼型翼 梢向上翼面的低压区流去， 这就形成了绕翼梢的旋涡。
老甲克虫
CD = 0.49
捷达
CD=0.32
夏利2000车
•
Cd＝0.29
POLO
POLO CD＝0.33（两厢） 流线造型富有动感，CD达到了两厢车的较高水平。
帕萨特 PASSAT
• CD=0.28，为同级别轿车风阻最小者。
Audi A6
• CD＝0.28
骏捷
CD＝ 0.256
• 骏捷由意大利宾尼法利纳负责造型设计
局部损失——局部扩张
对于扩张管，由连续性 方程可知，管子面积扩 大，使得平均速度减小， 这就意味着压力将增加， 有产生分离的可能性。 对于渐放管，在扩散角 2α >8度时将产生分离现 象。 对于突然扩张管，分离 现象将更为严重。
内流阻力
汽车上用于冷却发动机、制动器以及供乘室通 风和空调的气流均为内流。内流是从车身结构 设置的开口进入和排出的。这部分气流在流动 过程中损失本身的动能，从而形成内流阻力。
气动力和力矩的计算
阻力
升力
侧向力
横摆角为0时车 身纵向作用气 动力D(Drag）
垂直于路面的 升力 L(Lift)
垂直于车身对称 面的侧向力 S(Side)
1 2 D v ACD 2
1 2 L v ACL 2
1 2 S v ACS 2
气动力和力矩的计算
侧倾力矩
绕x轴的侧倾力矩MR(Rolling Moment)
MR
1 2 ρυ A a 2 MP CPM 1 2 ρυ A a 2 MY CYM 1 2 ρυ A a 2
汽车正投影面积A的测量
汽车的正投影面积A应 包括车身、轮胎、发动 机及底盘等零部件的前 视投影。其测量方法是 将汽车置于平行光源与 屏幕之间，此时其正投 影面积便既不放大也不 缩小地投在屏幕上。
车身附件：
1.后视镜 2.流水槽、表面脊、凸起窗框 3.凹槽、缝隙 4.表面孔和凹痕 5.刮水器 6.轮腔、车轮、挡泥板
内流阻力 外流阻力：压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干
涉阻力统称为外流阻力。
内流阻力是指由汽车发动机和制动器冷却气流以
及乘员区通风和空调的气流引起的阻力。 内流阻力约占汽车总气动阻力的10％～18％。
系数
CD D 1 2 ρυ A 2
垂直于路面的升力L
升力系数
CL
L 1 2 ρυ A 2
垂直于车身对称面（x，y）的侧 侧向力系数 向力 S 绕 x轴的侧倾力矩MR 绕 y轴的纵倾力矩MP 绕 z轴的横摆力矩MY
CS
S 1 2 ρυ A 2
侧倾力矩系数 CRM 纵倾力矩系数 横摆力矩系数
15－20万热点车型
1. 雪铁龙凯旋：0.308 2. 大众速腾：0.32 3. 日产轩逸：0.32 4. 丰田花冠：0.30 5. 别克君威：0.32 6. 马自达M3：没查到? 8. 现代索纳塔：0.28 9. 日产蓝鸟：0.32 10.雪佛兰景程：0.320 11.标致 307：0.33 12.本田思域：没查到 13.一汽奔腾：没查到
气动阻力
1 2 D v ACD 2
D取决于正面投影面积A和气动阻力系数CD；通 常正面投影面积A取决于汽车的外形尺寸，这是由 设计需要决定的，因此减小气动阻力就集中在减小 气动阻力系数CD上。
下面是一些物体的风阻
垂直平面体风阻系数：大约1.0
球体风阻系数：大约0.5
飞禽：0.1-0.2
交线上，前后轴的中点处，力和力矩方向如图示。
气动力和力矩的产生
汽车与空气相对运动并相互作用，会在汽
车车身上产生一个气动力F。 大量试验研究证明：
1 2 F v ACF 2
其中 CF 是气动力系数。 气动力的作用点也称为风压中心，通常用
C.P（Center of Pressure，简称C.P）表示。
汽车空气动力学概述
重庆理工大学 赖晨光
yiluxing10@
汽车气动力和气动力矩
汽车行驶时，除了受到来自地面的力外， 还受到它周围气流的气动力和力矩的作用。 来自地面的力取决于汽车的总重、滚动阻 力和重心位置。空气力则取决于行驶速度、 车身外形和风向角。
汽车空气动力学坐标系
汽车空气动力学坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的
历史记录
• 0.19 1996年 通用 EV1 电动车
• 0.15
2008年 美国 Aptera 2e电动车
历史记录
• 0.25 1999年 本田 Insight 混合动力车
气动阻力
试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省
7%左右。曾有人对两种相同质量、相同尺寸；但
具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿
7. 大众途安：0.315
30万以上热点车型
1. 丰田皇冠：0.27 2. 奥迪 A4 ：0.28 3. 奥迪 A6L：0.30 4. 华晨宝马新3系：0.28 5. 华晨宝马5系：0.28 6. 奔驰 E级：0.26 10.凯迪拉克SLS：没查到? 11.斯巴鲁Legacy(力狮)：0.28 12.红旗 HQ3：0.27 13.标致 407：0.29 14.Volvo S80：0.28 15.Volvo S40：没查到? 16.萨博 Saab 9-5：0.29 17.克莱斯勒300C：0.343
升力的大小与翼型的剖面形状
等因素有关，而且通常与来流 速度的平方成正比。
F1赛车
赛车的前后负升力翼
气动升力及纵倾力矩 由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身
内流阻力的产生原因：a.形状变化，发生气流 分离现象； b.管中流动，存在总压损失。
升力
当空气经过上下表面不对称翼
时，上翼面路程长，下翼面路 程短，上翼面流速比下翼面快， 由伯努利定理知，上翼面压强 必定比下翼面压强小，从而在 上下翼面之间产生压力差，形 成一种垂直于来流速度方向的 托举翼型的力，称之为升力。
7. 起亚远舰：0.32
20－30万热点车型
1. 本田07雅阁：0.30 2. 大众PASSAT领驭：0.28 3. 丰田凯美瑞：0.29 4. 日产天籁：没查到? 5. 别克君越：0.32 6. 福特蒙迪欧：0.29 8. 现代SONATA御翔：没查到? 9. 丰田锐志：0.28 10.丰田普锐斯：0.26 11.新Mazda6：没查到? 12.三菱戈蓝：0.32 13.上汽荣威750：没查到?
内流阻力 管内流动主要有两种能量损失：
1.沿程损失：粘性流在管中流动，各流层之间必然 产生内摩擦力来阻碍气流运动。
2.局部损失：粘性流体流经各种局部障碍引起的能 量损失
沿程损失
内流是相对于外表面流动而 言的。 所有流线都平行于管轴，流 场分布与粘性关系较大。粘 性效应不仅发生在管壁附近， 而且扩散到整个内部截面。 气流流入管子某一距离后， 管流的速度分布 整个截面的速度分布将不再 改变，满足连续性方程。 流动形式与雷诺数有关，此 时Re可表示为：
这个阻力是由升力诱导产 生的阻碍下行的力，因此 称为“诱导阻力”。
诱导阻力
流线型好的轿车，其外形与翼 展极短的翼型相仿。 在汽车行驶时流经汽车上部的 气流速度必定比下部的高，因 而汽车两侧也会有尾涡拖出，
从而产生诱导阻力。
干扰阻力 干扰阻力即汽车外表面上的各种附件和孔眼、凹
槽及缝隙所导致的阻力。约占汽车总气动阻力的 5％～16％。
左右翼梢形成的旋涡成对 并且方向相反。这对旋涡 在翼型后缘拖出并向后方 流去，形成尾涡。
诱导阻力
这种尾涡会在翼型上产生一个
向下的诱导速度w。 诱导速度与来流合成后，使实 际来流速度改变。根据二维机 翼理论，机翼实际产生的合力 应与合成速度垂直。 实际产生的合力被分解为两个 分力，一个是与来流垂直的升 力，另一个是与来流平行的阻 力。
7. 凯迪拉克CTS：0.31
8. 现代Azera(雅尊)：0.29 9. Acura讴歌RL：0.29
SUV
• 全尺寸SUV车型中，凯迪拉克Escalad（凯雷德）创造了 0.363最小风阻系数的记录 • BMW X5：0.38
• 宝时捷卡宴S：0.39
• 奔驰ML350：0.34
历史记录
• CD=0.137 1986 福特 Probe V 概念车
4. 华普海域：0.32
5. 华晨骏捷：0.256!!(似乎和计 算机有缘) 6. 吉利金刚：0.29 7. 长安奔奔：0.35 8. 雪佛兰乐风：0.32 9. 铃木雨燕：0.32
10－15万热点车型
1. 丰田威驰：0.29 2. 大众POLO：0.31 (两厢是0.33) 3. 铃木利亚纳：没查到 4. 日产颐达：0.314 (圆周率?) 5. 别克凯越：0.338 6. 现代伊兰特：0.313 7. 华晨尊驰：0.293 8. 三菱蓝瑟：0.3 9. 雪铁龙爱丽舍：0.315(消费者 权益日?) 10.日产骐达：0.297 11.本田思迪：0.31 12.福特福克斯：0.31 13.大众宝来：0.32 14.铃木天语：0.3 15.起亚赛拉图0.3
: 密度
v : 速度 A : 正投影面积 CD : 气动阻力系数
尽量采用小的正投影面积
正投影面积
压差阻力产生的原理
再附着点 分离点
前端高压区
分离的回流区ห้องสมุดไป่ตู้尾流区属于低 压区（气流分 离伴有回流）
不考虑空气动力学的卡车流场
分离流的扩展区
考虑空气动力学的卡车流场
分离流的区域变小
摩擦阻力 由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身
50%~60%，是气动阻力的主要组成部分。
压差阻力 压差阻力的产生原因
粘性的影响
减小压差阻力的主要
途径：减小汽车前部
的正压区和后部的负
压区。
二厢车和三厢车的流场
某10吨卡车的阻力与车速的关系
卡车空气动力学
1 2 D v ACD CD 1 2 2 v A 2 D : 气动阻力 D