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汽车空气动力学 概述
汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科,它属于流体力学的一个重要部分。
汽车向前行使时与空气产生复杂的相互作用,对汽车的行使状态影响很大,特别是汽车高速行使时会承受强大的气动力作用。众所周知,汽车行使时受到的气动力是与汽车速度平方成正比,而汽车克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的,因此,使汽车具有
良好的形状以降低汽车的气动阻力,不但可以提高汽车的动力性,而且还可以提高汽车的燃料经济性。对于高速汽车来说,空气动力稳定性是汽车高速安全行使的前提。
随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高,汽车空气动力学亦愈来愈受到重视,其研究工作日益深入,汽车空气动力学已发展成为流体力学一个重要分支学科。汽车空气动力学与航空、船舶、铁路车辆,在研究流场、空气动力学方面有许多相似之处,但是汽车行驶在地面上是种钝头体,汽车行驶状态异常复杂,因而汽车空气动力学亦区别于上述分支学科,
具有自身的特点。例如:汽车空气动力学与航空空气动力学有着非常相似之处,都需要降低气动阻力并保持行驶稳定性或飞行稳定性,从而得到良好的行驶性能或飞行性能。另外,航空动力学仅承受空气动力学;汽车行驶在地面,除空气动力学外,还受地面传来的各种力,汽车底部的气流状况与飞机底部完全不同;汽车与飞机在处理升力问题上差别很大;此外飞机速度接近或超过声速,而汽车的速度远小于声速,在研究空气动力性质和基本假设是不同的。
气动六分力与坐标系
汽车在行使时,受到气流的气动力作用,该作用力在汽车上的作用点,我们通常称作为风压中心,,由于汽车外型的对称性,风压中心在汽车的对称平面内,但它不一定与重心(CG)重合。
为了研究方便,建立一套坐标系,通常把汽车空气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线上,前后轴中点处。规定三个力和三个力矩方向如图3-1所示。上述三个力和三个力矩统称为六分力,六分力的数值就是气
图 3-1 汽车空气动力坐标系
动力合力在这个坐标系上的分解。
为了评价汽车的空气动力性能,引入气动力系数的概念。如气动阻力系数CX定义为:
(3-1)
式中,FX为X向气动阻力;ρ为空气密度;Vr为汽车与空气相对速度;A为汽车的正投影面积。
气动阻力系数是一个无量纲数,它代表了气动阻力与气流能量之比。对于其它气动力系数也类似,对于气动力矩系,上式应除以一个特征长度单位,使其成为无因次量,例如侧倾力矩系数CMx
(3-2)
式中,L为汽车特征长度(如轴距L)。
表3-1给出了六分力的名称及系数公式。
应该指出的是,汽车正投影面积A应包括
车身、轮胎、发动机及底盘等零件的前视投影。
名称
代号
美日规定
德国规定
系数公式
气动阻力 Drag
FX(CX)
D(CD)
D(CD)
侧向力 Side force
FY(CY)
S(CS)
Y(CY)
升力 Lift
FZ(CZ)
L(CL)
L(CL)
侧倾力矩Rolling moment
MX(CMX)
MR(CRM)
R(CR)
俯仰力矩Pitching moment
MY(CMY)
MP(CPM)
M(CM)
横摆力矩Yawing moment
MZ(CMZ)
MY(CYM)
N)
表 3-1 六分力名称及系数公式
气动阻力
空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力,这种阻力与车速平方成正比,为了克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的,当车速超过100km/h时,发动机功率有80%用来克服气动阻力,要消耗很多燃料,在高速行使时,如能减少10%的气动阻力,就可使燃料经济性提高百分之几十,当前汽车设计师十分重视气动阻力系数Cx,因为它直接关系到汽车动力性,经济性和轻量化带来很多好处。
气动阻力由五部分组成:
,占总阻力58%;
,占总阻力9%;
,占总阻力7%;
,占总阻力14%;
,占总阻力12%。