汽车动力学之空气动力学剖析.ppt

前 言 汽车受到的外力 路面作用力：驱动力，路面阻力 空气动力 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。 1.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 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。 伯努利方程(Bernoulli’s Law) 对于不可压缩流体，有： 　　 mgz+mp/ρ+mV2/2=常数 　 　　　　——流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。 气体的重力很小，若忽略气体的重力势能，则 p/ρ+V2/2=常数 或 p+ρV2/2=常数　　 　　　　——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。 　文丘里效应(Venture Effect)：　　　流体经过狭窄通道时压力减小的现象。 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。 　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。 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 　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。 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。 减小压差阻力的措施 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、行李舱前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”( bubble)）。 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：　　　　　　　　；　可整理为： 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、汽车迎风面积Ａ、空气密度ρ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 车速有关。 空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为 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 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。 　形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外