汽车空气动力学 车堂气动力 前言 ●汽车受到的外力 空气醮力 路面作用力 ◆空气动力 重力 派动凯力 2
1 汽车空气动力学 前 言 汽车空气动力学 ◆ 汽车受到的外力 ◆ 路面作用力 ◆ 空气动力 ◆ 重力 1 2
雷言 ◆空气动力学对汽车性能的影响 对动力性的影响 ·影响高速时的加速性能 影响最高车速 对燃油经济性的影响 对于CdA=0.8m2的轿车 v=65km/h时,55%的能量克服空气阻力 v=90km/h时,70%的能量克服空气阻力 轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%,燃油消耗相差达12%以上 对安全性的影响 高速时的加速性能影响行车的安全 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性 对汽车外观的影响 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形 幼力学影响着人们的审美观。 雷言 ●汽车空气动力学研究内容 研究汽车运动时,空气对汽车的作用。 清洁蜻在聖腩的影响影声,,通风换气车身表面
2 • 对动力性的影响 • 影响高速时的加速性能; • 影响最高车速。 • 对燃油经济性的影响 对于CdA=0.8m2的轿车， v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力； v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力； 轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。 • 对安全性的影响 • 高速时的加速性能影响行车的安全； • 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性； • 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。 • 对汽车外观的影响 • 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形； • 空气动力学影响着人们的审美观。 前 言 ◆ 空气动力学对汽车性能的影响 ◆ 汽车空气动力学研究内容 研究汽车运动时，空气对汽车的作用。 包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面 清洁、对附件工作性能的影响等。 前 言 3 4
汽气动力学 1.空气动力学基础知识 1.1连续性方程和伯努利方程( Bernoulli's law) ●连续性方程 对于定常流动,流过流束任一截面的流量彼此相等,即 v1A=p2V2A2=……=常数 对于不可压缩流体(p1=p2=……=常数),有 常数 ·连续性方程是质量守恒定律在流体力学中 的表现形式 汽车周围的空气压力变化不大,可近似认 为空气密度不变 A1\ V 1.气力学基地知识节 伯努利方程 对于不可压缩流体,有: mgz+mp/p+mv22=常数即流体的重力势能 压力势能、动能之和为一常数。 当气体流速不太高时,密度p可视为不变,且气体的重力很小,则 V2=常数或p+pV2/2=常数即静压力与“动压力” 之和为一常数 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。 流速越大,动压力越大,压力(静压力)越小
3 1.空气动力学基础知识 1.1 连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’s Law) ◆ 连续性方程 对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即 ρ1V1A1= ρ2V2A2 = ······=常数 对于不可压缩流体（ρ1= ρ2 = ······=常数），有 V1A1= V2A2 = ······=常数 • 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中 的表现形式。 • 汽车周围的空气压力变化不大，可近似认 为空气密度不变。 汽车空气动力学 ◆ 伯努利方程 对于不可压缩流体，有： mgz+mp/ρ+mV2 /2=常数 即流体的重力势能、 压力势能、动能之和为一常数。 当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重力很小，则 p/ρ+V2 /2=常数 或 p+ρV2 /2=常数 即静压力与“动压力” 之和为一常数。 • 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。 • 流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。 1.空气动力学基础知识节 5 6
1.金气力学最础知识节 文丘里效应( Venture Effect) 流体经过狭窄通道时压力减小的现象 发动机化油器喉管 同向行舟 热水淋浴器 吹纸条 球浮气流 12空气的粘滞性和气流分离现象 达朗贝尔惇论( d' Alembert's paradox 对于上 左右对称的物体,在气流中所受流体作用的合力应 为零。这显然不符合客观现实情况。( Irrotational flow of a nonviscous nuid about an object produces no drag on the object T liar result is known as d'Alembert's paradox. 在无粘性气流中 在粘性气流中 所受合力为零 所受合力不为零
4 ◆ 文丘里效应(Venture Effect)： 流体经过狭窄通道时压力减小的现象。 吹纸条: 热水淋浴器: 球浮气流： 发动机化油器喉管 同向行舟: 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 ◆ 达朗贝尔悖论(d’Alembert‘s Paradox) 对于上下对称，左右对称的物体，在气流中所受流体作用的合力应 为零。这显然不符合客观现实情况。(Irrotational flow of a nonviscous fluid about an object produces no drag on the object. This peculiar result is known as d'Alembert's paradox. ) 第一章 空气动力学基础知识 在无粘性气流中， 所受合力为零。 在粘性气流中， 所受合力不为零。 7 8
1.金气力学最础知识节 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 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捩为紊流 转换区1案该附面层 层流附面层 附面层 物面 转换点 1.气力学基地知识节 顺压梯度和逆压梯度 ·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 经>压样度),《压样 长度X
5 ◆ 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捩为紊流。 1.空气动力学基础知识节 ◆ 顺压梯度和逆压梯度 • 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 9 10
1.金气力学最础知识节 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 在物面法向速度梯度为零(y-=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 物面最高点 分离点 1.气力学基地知识节 尾流区 在分离点后,是一不规则 区,总体上是静止不动的 東裁面 区”。物体向前运动时,它随 故称“尾流 金基面 尾流区内督点压力几乎相等,与 分离点处压力相同 流束裁面 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 影响气流分高的因素 压力梯度 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。 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
6 ◆ 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。 在物面法向速度梯度为零( =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 P Y e Y=0 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”。 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 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 11 12
1.金气力学最础知识节 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。 增大素流度 大物面的粗糙度 分高是产生在附面层 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 气旒在前风窗下部、 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.气力学基地知识节 13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。 压力系数定义:CP P-P 川2:可整理为:CP=1-()2 Cr≤1。Cp=1处,V=0,是驻点。 表示方法 矢量法 坐标法 A-A截面上的压力分布 CC截面上的压力分布
7 • 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。 • 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。 压力系数定义： CP = ； 可整理为： P－P∞ ρV 2 /2 ∞ CP = 1－ ( ) 2 V ∞ V ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。 ◆ 表示方法 矢量法 坐标法 1.空气动力学基础知识节 13 14
汽率空气动力季 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①ragD、空气升力(LiL、空气侧向力( Side for) 将空气动力平移至汽车质心C,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V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 式中,空气阻力系数C晶是表征汽车空气动力特 气动力 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 2.空气动力与空气动力绳 ◆空气动力矩的表达式 俯仰力矩M=LXc+DZC=(C1XC+Cz)A CLAc+CZc=ICi -Cpri 一般取汽车的轴距作为特征长度。 类似地,侧倾力矩Mx、横摆力矩M也表示为 Mx=cmx 2Mr
8 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。 • 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： 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 汽车空气动力学 A V L CL = • • 2 2 A V S CY = • • 2 2 A V D Cd = • • 2 2 ◆ 空气动力矩的表达式 俯仰力矩 令 则 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 2. 汽车空气动力与空气动力矩 Al V MY CMY 2 2 = Al V M X CMX 2 2 = Al V M Z CMZ 2 2 = A V MY LXC DZC CLXC CdZC 2 ( ) 2 = + = + L C d C MY C X +C Z = lC 15 16
汽气动力学 3空气阻力 3空气阻力的分类 形状阻力( Form drag) 干扰阻力( nterference D 内部阻力( nternal Flow C总值:0.45 诱导阻力 nduced Drag) A一形状阻力(C=0262) 摩擦阻力 Skin Friction) B一干扰阻力(C=0.064) 形状阻力(C=0.053) D一形状阻力(C=0.031) 前四种为压力阻力 A]E一形状阻力(C=0.040) 14% 3.气阻力 32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 气流重新附着线 次生侧面气流 增大风窗与发动机罩间的夹角 气流分高线 风窗横向弯曲
9 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) 前四种为压力阻力。 汽车空气动力学 Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—形状阻力(Cd=0.053)； D—形状阻力(Cd=0.031)； E—形状阻力(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 • 增大风窗与发动机罩间的夹角； • 风窗横向弯曲。 17 18
3.气力 车身后背对空气阻力的影响 几种典型的车身后背型式 宜背式( Fast back):后背倾角50 折背式( Notch back) 直背式 抢背式 方背式 折背式 3.气阻力 后背倾角与空气阻力 分高点 ·分离点在后端时,后背倾角增大,尾流区减小; ·分离点在后背上时,后背倾角增大,尾流区增大 有一空气阻力最小的最佳后背倾角 后背长度越大,空气阻力越小 分离点 尾流 10
10 ◆ 车身后背对空气阻力的影响 • 几种典型的车身后背型式 • 直背式(Fast back)：后背倾角＜20°； • 舱背式(Hatch back)：后背倾角20°～50°； • 方背式(Square back)：后背倾角＞50°； • 折背式(Notch back)。 3.空气阻力 • 后背倾角与空气阻力 • 分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小； • 分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。 • 有一空气阻力最小的最佳后背倾角。 • 后背长度越大，空气阻力越小。 3.空气阻力 19 20