汽车空气动力学1(含流体力学基础)

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1、汽车空气动力学thevehicleaerodynamics2009.03.30汽车空气动力学1空气动力学基础2车头基本尺寸对车身外流场影响的数值模拟3湖南大学菱形新概念车气动特性研究4F1赛车空气动力学5高性能计算机对车辆不稳定气流的仿真1空气动力学基础1.1气动力和力矩1.2空气动力学基本理论1.3车身表面的压力分布1.4车身整体优化造型概况1.1气动力和力矩汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车相互作用的一门科学。气动力由车辆行驶速度、车身外形和风向角决定。作用于运动汽车上的气动力和力矩，分为相互

2、垂直的三个分力和三个绕轴的力矩。空气阻力指汽车直线行驶时气动力作用在行驶方向上的分力。分为压力阻力（形状、干扰、内循环、诱导阻力）和摩擦阻力两部分。空气阻力系数：FDACD=2ρua21.1气动力和力矩近地面流线形车身气动六分力图1.1SAE空气动力学坐标系1.2空气动力学基本理论1.2.1理想流体和不可压缩流体理想流体：假想的不具有粘性的流体，当空气绕物体流动时，若速度不太大，温度变化很小时，可处理为理想流体；不可压缩流体：压强和温度变化不大时可处理为不可压缩流体；不可压缩的流体密度设为常数。1.2空气动力学基本理论1.2.

3、2定常流流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若流场中任何一点的流动参数均不随时间变化，则这种流动称为定常流，否则为非定常流。在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的函数，和时间无关。例如在风洞中进行的气动力试验，就是一个定常流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以在流动的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流来处理。1.2空气动力学基本理论1.2.3流体的基本方程连续性方程：1.2空气动力学基本理论伯努利方程：1.2空气动力学基本理论1.2.4边界层及其分离现象雷诺数=惯性力/粘性力当雷诺数极低时，惯性力影响可以忽略，粘

4、性力支配整个流场，此时阻力系数值较大；当在中等雷诺数时，层流边界层形成，并在流经物体后部脱体分离，此时阻力系数值变化不大；当雷诺数较大时，在流动分离之前的边界层，流动已经转化成湍流；当雷诺数很大时，阻力系数则是个常数，与Re无关。1.3车身表面的压力分布如图所示为某国产轿车车身表面的压力分布。压力系数：vC=1−()2pv∞V——车身某点处气流速度；图1.2车身表面压力分布V∞——远处气流压力及速度。1.3车身表面的压力分布1、发动机罩：负压力。这个区域中的逆向压力梯度趋向于阻碍边界层气流在这个区域中产生阻力。近年来，发动机罩线条

5、的细部设计主要着重于避免气流在发动机罩上的分离及其产生阻力的缺陷。2、在靠近挡风玻璃和前隔壁板底部附近：气压升高。这个高气压区域是通风，空调控制系统吸入空气或发动机进气通道的理想区域。这个区域中的高气压常常伴随着较低的速度，有助于防止挡风玻璃上的挂水期被气动力所扰乱。3、车顶部区域：气压再次降为负。这个区域中的低气压迹象可以在敞篷车车顶蓬布的波动翻腾中看见。1.3车身表面的压力分布4、后窗玻璃到行李箱盖：由于持续连续的弧线，所以向下沿着后窗玻璃到行李箱盖上的压力保持较低。正是在这个区域中气流分离最可能发生。在这个区域的车身轮廓角度

6、和细节的设计要求密切关注空气动力学。由于压力较低，汽车两侧气流将吸入这个区域，并促使气流分离。两侧的气流被拖入后部的低气压区域，汇合流过汽车顶部气流形成拖在车尾部的涡流。分离区域的大小直接影响空气阻力，同时气流在车辆后方发生向下弯转的程度对后部的空气升力产生影响。随着气流向下弯转，由于压力的减小导致车后部产生更多的空气升力。1.3车身表面的压力分布对车辆后部的空气动力学设计的另一个要考虑的问题是对后窗玻璃和尾灯上有灰尘沉积的可能。气流分离区域高强度的湍流夹带了轮胎从道路扬起的水分和灰尘。如果分离中包含了这些水分和灰尘，会沉积在这些

7、区域对视线产生障碍。图1.3车后部分离点对灰尘沉积的影响1.3车身表面的压力分布车身表面的涡流图1.4车身表面涡流分布1.4车身整体优化造型概况从20世纪初叶起，人们一直不懈地努力研究能够减小气动阻力的乘用车型。这种目标是：寻找一种在接近地面情况下，在满足机械工程学、人机工程学、操纵稳定性、视野性等各方面要求的具有最小气动阻力的基本理想外形。1、纺锤状（水珠状）的流线体早期的航空理论认为，具有最小气动阻力的物体的理想外形是纺锤状（水珠状）的流线体。受其启发，人们研制出“炮弹”形，如图所示，其气动阻力系数只有0.04。图1.4理想流

8、线型与实际车体1.4车身整体优化造型概况2、水珠体研究表明，水珠体只有在远离地面的自由大气层中才具有最低气动阻力，一旦接近地面，因周围流场不再对称，阻力系数随相对地面距离的减少而显著增大，如图所示当相对地面距离d=0.1时，即为普通轿车的相对地面距