汽车设计_汽车空气动力学.ppt

汽车空气动力学
空气动力学是物理学的一个分支,是研究物体在空气中作相对运动时,物体与空气间相互作用关系的一门学科。
应用于汽车的空气动力学基本原理
根据理想流体的伯努利(Bernoulli)压力平衡原理,气流的动压力和静压力之和应是常数,即
式中,ph为大气压(kPa);T为绝对温度(K)
式中,v为空气的流速(m/s);
ρ为空气的密度(kg/m3),在标准大气压ph0=)和15℃时, ρ0=,在其他情况下,空气密度为
一、空气在汽车周围的流动情况
1)流管截面不同,气流速度亦不同。流管截面较小的地方,空气的流速高;流管截面较大的地方,空气流的速度较低。在其滞点O(在其前端的中点),空气的流速为零。空气在滞点处分为两股,沿汽车车身向后流动时逐渐加速,并在汽车最大横截面处,流速达到最大值;然后随着汽车横截面的减小,流速逐渐减慢。
2)空气流动时,车身表面的压力变化。利用风洞对车身压力分布进行研究的结果,一般是以无因次比值的形式表现出来,即


式中p1为车身表面上的压力;
p0为远离车身的空气流的压力;
pq为空气流的动压力。
空气作用在汽车车身上的力和力矩
气动力坐标系

将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力,称为气动力F。
气动力F与气流速度的平方,迎风面积S以及车身形状系数CF成正比.
可将气动力F分解成:
气动阻力Fx
侧向分力Fy
气动升力Fz
合力在汽车上的作用点称为风压中心,.。
气动力矩
若把气动力的三个分力转换到汽车的质心(.)上,则有气动力矩如下:
(1)纵倾力矩又称俯仰力矩My(以使汽车抬头为正)
式中 Xc,Zc,——风压中心到质心的距离;
L——特征长度,一般指汽车的轴距;
CMy——俯仰力矩系数。
(2)横摆力矩Mz(以汽车右偏为正):
Mz=FyXc=
式中 CMZ——横摆力矩系数。
(3)侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正);
Mx= FyZc=
式中 CMx——侧倾力矩系数
作用在汽车上的气动阻力D(FX)
作用在车身上的气动阻力由五个部分组成:形状阻力、干扰阻力、内部阻力、诱导阻力和摩擦阻力。
形状阻力是正面的气流和后部产生的涡流等所引起的汽车车身前后之间的压力差,所以有时称为压差阻力。

干扰阻力是由汽车表面凸起的零件引起气流干扰而产生的阻力。

诱导阻力由升力所引起,因为实际上升力并不与汽车的行驶方向垂直,而是向后倾斜,它的水平分力就是诱导阻力。
Cµ=Cl2(π/λ)
式中: Cµ为诱导阻力系数;CL为量纲为一的升力系数;
λ=B0/L0 式中: B0为汽车宽度;L0为汽车总长度。
摩擦阻力是由于边界层内空气的粘滞性而形成空气与车身表面以及各层空气之间的摩擦力,它取决于车身表面的面积和光滑程度。
内部阻力是空气流过冷却系统和车身通风系统所引起的。
汽车的气动升力L和纵倾力矩PM
气动升力为正时,将减小车轮上的载荷。汽车前轴载荷减小,将不利于操纵性;后轴载荷减小,将因减小驱动轮上的附着力而影响动力性。
升力还可能引起诱导阻力,同时还间接地影响汽车承受各种侧向力的能力。
减小升力的措施
将汽车的各个横截面形心的连线称为中线,
中线的最前端和最后端分别称为前缘和后缘,
前缘和后缘的连线称为弦,
弦与汽车行驶方向的夹角称为迎角。
弦前高后低,则迎角为正值;弦前低后高,迎角为负值,
汽车的气动侧向力S、横摆力矩YM和侧倾力矩RM
汽车承受侧向风时所产生的侧倾力矩RM会引起车身的侧向倾斜,直接影响汽车的侧倾角,因而也影响对汽车左、右车轮的质量分配。
横摆力矩主要受汽车的外形尺寸、形状及汽车尾翼的影响。
气动力矩对汽车气动稳定性的影响

汽车造型设计时应尽量减小汽车前部侧投影面积,使OD靠近后轴。近年来广泛流行长头短舱的跑车造型、行李箱保持较大高度的半快背式轿车造型以及尾部有较大厚度的割尾式快背轿车造型,与其良好的气动力稳定性有关。