第四章-汽车外形设计与空气动力学-PPT.ppt
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1、第四章第四章汽车外形设计与空气动力学汽车外形设计与空气动力学西华大学交通与汽车学院西华大学交通与汽车学院汽车空气动力学汽车空气动力学u汽车受到的外力汽车受到的外力u路面作用力路面作用力u空气动力空气动力u重力重力对动力性的影响对动力性的影响影响高速时的加速性能影响高速时的加速性能;影响最高车速。影响最高车速。对燃油经济性的影响对燃油经济性的影响对于对于CdA=0.8m2的轿车,的轿车,v=65km/h时,时,55%的能量克服空气阻力;的能量克服空气阻力;v=90km/h时,时,70%的能量克服空气阻力;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轿车空气动力性的差异可使空气阻力相
2、差别30%,燃油消耗相差达,燃油消耗相差达12%以上。以上。对安全性的影响对安全性的影响高速时的加速性能影响行车的安全;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。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;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。空气动力学影响着人们的审美观。前前 言言u 空气动力学对汽车性能的影响空气动力学对汽车性能的影响如果我们把空气想象成薄层的话,当气流经过车身时保持流线状态,说明空气
3、阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流,从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似泪滴的圆滑造型,头部圆滑而尾部尖细。理论上,这种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。1.1.空气动力学基础知识空气动力学基础知识1.1 连续性方程和伯努利方程连续性方程和伯努利方程(Bernoullis Law)u连续性方程连续性方程对对于于定定常常流流动动,流流过过流流束束任任一一截截面面的的流流量量彼彼此此相相等等,即即1V1A1=2V2A2=常数常数对于不可压缩流体(对于不可压缩流体(1=2=常数),有常数),有V1A1=V2A2=常数常数连续性方程是质量守恒定律在流体
4、力学中连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。的表现形式。汽车周围的空气压力变化不大,可近似认汽车周围的空气压力变化不大,可近似认为空气密度不变。为空气密度不变。汽车空气动力学汽车空气动力学u伯努利方程伯努利方程对对于于不不可可压压缩缩流流体体,有有:mgz+mp/+mV2/2=常常数数 即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。当当气气体体流流速速不不太太高高时时,密密度度可可视视为为不不变变,且且气气体体的的重重力很小,则力很小,则 p/+V2/2=常常数数 或或 p+V2/2=常常数数即即静静压压力与力与“动压力动压力”之和为一常
5、数。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。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。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空气动力学基础知识节u文丘里效应文丘里效应(Venture Effect):流体经过狭窄通道时压力减小的现象。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空气动力学基础知识节u附面层附面层(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,于是有一流由于流体的粘性,靠近物面处
6、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。速较低的区域,即为附面层。附面层随流程的增加而增厚。附面层随流程的增加而增厚。附面层的流态由层流转捩为紊流。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空气的粘滞性和气流分离现象u 顺压梯度和逆压梯度顺压梯度和逆压梯度顺压梯度:顺压梯度:顺流动方向压力降低。(流速顺流动方向压力降低。(流速,压力,压力)逆压梯度:逆压梯度:顺流动方向压力升高。(流速顺流动方向压力升高。(流速,压力,压力)轿车的横截面积分布和气流压力梯度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
7、识节空气动力学基础知识节u气流分离现象气流分离现象(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。层内,流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零在物面法向速度梯度为零(=0)时,气流开始分离。靠近物面时,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
8、。物面隔开。ePYeY=01.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节尾流区尾流区 在分离点后,是一不规则流动的在分离点后,是一不规则流动的涡流区,总体上是静止不动的涡流区,总体上是静止不动的“死水死水区区”。物体向前运动时,它随之运动,。物体向前运动时,它随之运动,故称故称“尾流尾流”。尾流区内各点压力几乎相等,与尾流区内各点压力几乎相等,与分离点处压力相同。分离点处压力相同。压差阻力压差阻力(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
9、力接近。这就使物体小,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在主气流方向上受到一个称为“压差阻力压差阻力”的作用。的作用。影响气流分离的因素影响气流分离的因素压力梯度压力梯度 只有在逆压梯度条件下才会产生分离。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。逆压梯度越大,越易分离。流态流态 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。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空气动力学基础知识节减小形状阻力的措施减小形状阻力的措施降低逆压梯度降低逆压梯度减缓物体背流面的截面变化
10、,使分离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。点(分离线)向后移,减小尾流区。增大紊流度增大紊流度 增大物面的粗糙度。增大物面的粗糙度。分离是产生在附面层分离是产生在附面层流体没有粘度,就没有附面层。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。没有附面层,就不会产生气流分离现象。汽车上的分离区汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部等处分离后,又重新附着,形成分离区(亦称等处分离后,又重新附着,形成分离区(亦称为为“气泡气泡”(bubble))。)。1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节1.3
11、压力系数压力系数u定义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。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:;可整理为:压力系数定义:;可整理为:CP =PPV 2/2CP =1()2V V。处,是驻点。处,是驻点。u表示方法表示方法矢量法矢量法坐标法坐标法1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节2.2.汽车空气动力与空气动力矩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:空气静压力的合力为空气动力,其三个分力分别为:空气阻力空气阻力(Drag)、空气升力、空气升力(Lift)、空气侧向力、空气侧向力(Side Force)。
12、将空气动力平移至汽车质心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:,就有一附加力矩,其三个分力矩分别为:侧倾力矩侧倾力矩(Rolling Moment)MX、俯仰力矩、俯仰力矩(Pitching Moment)MY、横、横摆力矩摆力矩(Yow Moment)MZ。u空气动力的表达式空气动力的表达式 空气阻力与气流速度的平方空气阻力与气流速度的平方V2成正比,与汽车迎风面积成正比。常成正比,与汽车迎风面积成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式:表示为与动压力、迎风面积成正比的形式:式中,空气阻力系数式中,空气阻力系数Cd d是表征汽车空气动力特是表征汽车空气动力特
13、性的重要指标,它主要取决于汽车外形,也与性的重要指标,它主要取决于汽车外形,也与流速有关。流速有关。空气升力、空气侧向力表示为空气升力、空气侧向力表示为汽车空气动力学汽车空气动力学u空气动力矩的表达式空气动力矩的表达式俯仰力矩俯仰力矩令令则则一般取汽车的轴距作为特征长度一般取汽车的轴距作为特征长度l。类似地,侧倾力矩类似地,侧倾力矩MX、横摆力矩横摆力矩MZ也表示为也表示为2.汽车空气动力与空气动力矩汽车空气动力与空气动力矩3.3.空气阻力空气阻力3.1 空气阻力的分类空气阻力的分类形状阻力形状阻力(Form Drag)干扰阻力干扰阻力(Interference Drag)内部阻力内部阻力(I
14、nternal Flow Drag)诱导阻力诱导阻力(Induced Drag)摩擦阻力摩擦阻力(Skin Friction)前四种为压力阻力。前四种为压力阻力。汽车空气动力学汽车空气动力学Cd总值:0.45A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.空气阻力空气阻力3.2 形状阻力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。形状阻力主要是压差阻力,是由车身的外部形状决定的。u前风窗对空气阻力的影响前风窗对空气阻力的影响前风窗对气流的影响前风窗对气流的影响减小前
15、风窗处空气阻力的措施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;增大风窗与发动机罩间的夹角;风窗横向弯曲。风窗横向弯曲。u 车身后背对空气阻力的影响车身后背对空气阻力的影响几种典型的车身后背型式几种典型的车身后背型式直背式直背式(Fast back):后背倾角后背倾角2020;舱背式舱背式(Hatch back):后背倾角后背倾角20205050;方背式方背式(Square back):后背倾角后背倾角5050;折背式折背式(Notch back)。3.空气阻力空气阻力后背倾角与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;分离点在后端时,后背倾角增大,尾流区减
16、小;分离点在后背上时,后背倾角增大,尾流区增大。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。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。后背长度越大,空气阻力越小。3.空气阻力空气阻力车身后背形状与空气阻力车身后背形状与空气阻力截尾式截尾式两厢式与三厢式两厢式与三厢式行李箱高度行李箱高度3.空气阻力空气阻力3.3 诱导阻力诱导阻力(induced drag)在侧面由下向上的气流形成的涡流在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下,车顶上面的作用下,车顶上面的气流在后背向下偏转,使产生的实际升力有一向后的水平分力,这个的气流在后背向下
17、偏转,使产生的实际升力有一向后的水平分力,这个分力就是诱导阻力。分力就是诱导阻力。洗流不易分离。洗流不易分离。3.空气阻力空气阻力气流在后背的偏转角越大,诱导阻力越大;气流在后背的偏转角越大,诱导阻力越大;后背倾角越大,气流在后背的偏转角越大。后背倾角越大,气流在后背的偏转角越大。气流在后背的流程越长,诱导阻力越大。气流在后背的流程越长,诱导阻力越大。分离点前移,气流在后背的流程减小。分离点前移,气流在后背的流程减小。后背倾角的变化,对形状阻力和诱导阻力都有影响。后背倾角的变化,对形状阻力和诱导阻力都有影响。随倾角增大,诱导阻力增大,并随分离点前移,增大速度减缓,随倾角增大,诱导阻力增大,并随
18、分离点前移,增大速度减缓,最终减小,至消失;最终减小,至消失;随后背倾角增大,形状阻力先减小,再增大,分离点前移至后背随后背倾角增大,形状阻力先减小,再增大,分离点前移至后背顶端时,不再增大。顶端时,不再增大。3.空气阻力空气阻力 车身后背上减小诱导阻力的措施车身后背上减小诱导阻力的措施选择适当的后背倾角选择适当的后背倾角后背后缘处为尖锐棱角后背后缘处为尖锐棱角 形成稳定的气流分离线;减小转角处产生的诱导阻力。形成稳定的气流分离线;减小转角处产生的诱导阻力。设扰流器设扰流器 减小诱导阻力,同时减小空气升力。减小诱导阻力,同时减小空气升力。3.空气阻力空气阻力3.4 干扰阻力干扰阻力 干扰阻力是
19、由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。流动而引起的空气阻力。u车外小物件产生的干扰阻力车外小物件产生的干扰阻力 气流流经物体时流速增加,另一物体置于这被加速了的气流中时,气流流经物体时流速增加,另一物体置于这被加速了的气流中时,就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小,干扰阻力越大。就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小,干扰阻力越大。3.空气阻力空气阻力u 车身表面凸起物对气流影响车身表面凸起物对气流影响凸起物可能引起气流分离。凸起物可能引起气流分离。凸起物使附面层加厚,气流容易分离。凸起物使
20、附面层加厚,气流容易分离。3.空气阻力空气阻力u 车身表面凹槽产生的干扰阻力车身表面凹槽产生的干扰阻力门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。3.空气阻力空气阻力u 车轮旋转对气流的影响车轮旋转对气流的影响车轮旋转车轮旋转旋转车轮在气流中旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中马格纳斯效应马格纳斯效应(Magnus effect):在流体中运动的旋转圆柱受到力作在流体中运动的旋转圆柱受到力作用而影响它的行进路线的一种现象。用而影响它
21、的行进路线的一种现象。路面上滚动的车轮受到一升力作用。路面上滚动的车轮受到一升力作用。车轮旋转使车轮上的分离线前移,因此有一较大的空气阻力。车轮旋转使车轮上的分离线前移,因此有一较大的空气阻力。3.空气阻力空气阻力轮罩的遮挡,减弱了车轮旋转对气流的干扰,降低了空气阻力。轮罩的遮挡,减弱了车轮旋转对气流的干扰,降低了空气阻力。在轮罩中的转动车轮,在其前侧面和前下部有气流向外流动,对主气流在轮罩中的转动车轮,在其前侧面和前下部有气流向外流动,对主气流产生干扰。产生干扰。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。3.空气阻力空气阻力3.5 内部阻力内部阻力 流经车身内部的气流对通道
22、的作用以及流流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗,产生了内部阻力。动中的能量损耗,产生了内部阻力。u内部气流内部气流发动机冷却气流:发动机冷却气流:流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。通风气流:通风气流:流量约为冷却气流的流量约为冷却气流的1/10左右。左右。制动器冷却气流制动器冷却气流u理想的发动机空气冷却系统理想的发动机空气冷却系统气流通道为密封的直管道;气流通道为密封的直管道;散热器面积大,进入的气流速度低;散热器面积大,进入的气流速度低;全部气流都流经散热器;全部气流都流经散热器;通道面积变化缓和,无涡流产生;通道面积变化缓和,无涡
23、流产生;流经散热器的气流为紊流;流经散热器的气流为紊流;可根据散热要求调节气流流量。可根据散热要求调节气流流量。3.空气阻力空气阻力4.4.空气升力空气升力4.1 4.1 空气升力空气升力翼型的迎角越大,空气升力越大。翼型的迎角越大,空气升力越大。汽车如翼型,上凸下平,受空气升力作用。汽车如翼型,上凸下平,受空气升力作用。不同外形的汽车,其不同外形的汽车,其“迎角迎角”不同,空气升力系数也不同。不同,空气升力系数也不同。汽车空气动力学汽车空气动力学4.2 4.2 地面效应地面效应地面对气流的影响,使物体受到的空气动力发生变化的现象。地面对气流的影响,使物体受到的空气动力发生变化的现象。当距离当
24、距离h 较大时,随较大时,随h 减小,气流加速,压力减小;减小,气流加速,压力减小;当距离当距离h 较小时较小时,附面层的影响随,附面层的影响随h 减小而突出。随减小而突出。随h 减小,气减小,气流减速,压力增大。流减速,压力增大。4.空气升力空气升力u地效飞行器地效飞行器天鹅号地效飞行器天鹅号地效飞行器信天翁信天翁4型地效飞行器型地效飞行器苏联苏联KM地效飞行器地效飞行器4.空气升力空气升力4.3 4.3 汽车外形与空气升力汽车外形与空气升力u汽车前端高度汽车前端高度汽车前端高度影响流入底部的气流量。汽车前端高度影响流入底部的气流量。进入汽车底部的空气越多,流速越高,压力越小;进入汽车底部的
25、空气越多,流速越高,压力越小;另一方面,空气越多,堵塞越严重,压力越大,空气升力越大。另一方面,空气越多,堵塞越严重,压力越大,空气升力越大。4.空气升力空气升力u底部的前后遮挡的影响底部的前后遮挡的影响u底部气流的侧向流动底部气流的侧向流动减小了底部压力;减小了底部压力;加强了侧面涡流,从而增强了下洗作用。加强了侧面涡流,从而增强了下洗作用。4.空气升力空气升力u后背倾角对空气升力的影响后背倾角对空气升力的影响u前风窗下部分离区对空气升力的前风窗下部分离区对空气升力的影响影响u行李厢上的分离区对空气升力的影响行李厢上的分离区对空气升力的影响4.空气升力空气升力5.5.侧向气流和空气动力稳定性
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