汽车空气动力学课件.doc
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席乡空老动力学the vehicle aerodynamics2009.03.301空龟动力学基乙出1.1宅动力和力矩1.2空宅动力学基本理论 1.3车身表面的压力分布1.4车身整体优化色型概况出1・1老动力知力鉅■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：fd/aCd = 5 Pa U721-1乞动力和力鉅近地面流线形车身毛动六分力合成气流相对速度,v»=(V/4-V；｝Vx 一一纵向气流相对速度；vy一一侧向气流相对速度(侧风速度)：0 —横摆角,P =arctg(vy/Vx);F.—车身纵向气动阻力^A 车身止投影面积或最大横截面积;F,一一车可侧向气动阻力；Fz 一一车身垂直方向气动阻力;M,一一侧倾力矩；1占一一纵倾力矩：图1.1 SAE空气动力学坐标糸Wz―横摆力矩； a —轴距:M 1.2空乞动力学墓本理探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，当空毛绕杨体流 动时，若速度不太大，温度变化很小时，可戏理为理 想流体；不可压缩流体：压强和温度变化不丸时可处理为不可压 缩流体；不可压缩的流体密度设为帝数。
M 1.2空乞动力学墓本理探1.2.2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 流动称为定帝流，否则为非定帝流在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的因 数，和肘间无关例如在风洞中进行的毛动力试验，就是一个定常 流的流场由于定帝流参数与时问无关，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帝流 来处理弘1・2空老动力学基本理総1.2.3流体的基本方程连续性方程：式中:P\、Q—1、2截面上的平均密度%.岭一X 2截面上的平均流速 4、Aj—1、2截面上的截面积 q-常数出1・2空乞动力学皋本理総爸务利方程：宀 Po式中：P—流体静压力卩一流体流动的速度p0 一总压出1・2空老动力学基本理総1-2.4边界层及其分雷现象番诺数=惯性力/粘性力当番诺数极低（Re<1）,惯性力影响可以忽略，粘性力支紀整个流场，此肘阻力糸数值较大； 当在中等雷诺数肘（103
M 1.3乡身走而的压力分布如图所示为禁国产轿车 车身蔻面的压力分布 压力糸数：图1.2车身表面压力分布V——车身M点处毛流速度厂V 00 远处毛流压力及速度M 1.3乡身走而的压力分布1＞发动机罩：负压力这个区域中的逆向压力梯度趋向于 阻碍边界层毛流在这个区域中产生阻力近年来，发动机罩 线条的细部设计主要着重于逹免毛流在发动机罩上的分雳及 其产生阻力的缺陷2、在靠近扌当风玻癘和前隔壁板底部附近：毛压升高 这个當毛压区域是通风，空调控制糸统吸入空毛或发动机进 毛通道的理想区域这个区域中的當毛压帝帝徉随着较低的 速度，有助于防止扌当风玻璃上的挂水期菠毛动力所扰乱3、车顶部区域：毛压再次吟为负这个区域中的低毛压迹 象可以在故篷车车顶菱布的波动翻腾中看见1.3乡©走而的压力分布4、后窗玻璃到行李箔盖：由于持续连续的孤线，所以向下沿着后窗玻璃到行李箔盖上的压力保持较低正是在这个区域中毛流分寓最可能发生在这个区域的车身轮廊角度和 细节的设计要求密切关注空毛动力学由于压力较低，汽车两側毛流将浹入这个区域，并促使毛流分寓O两側的毛流 彼拖入后部的低毛压区域，汇合流过汽车顶部毛流形成拖在 车尾部的涡流。
分寓区域的丸小直接影响空宅阻力，同时宅流在车轲后方发生向下弯转的程度对后部的空毛升力产生影响毛流向下青转，由于压力的减小导玫车后部产生更多的空毛1・3夕©表而的压力分布对车辆后部的空毛动力学役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毛流分爲区域當强 度的湍流夹带了轮於从道路扬起的水分和灰尘如果分雳中 包含了这些水分和灰尘，会沉积在这些区域对视线产生障埒图1.3车后部分富点对灰尘沉积的影响M 1・3夕©表而的压力分布图1・4车身表而涡流分布出1・4乡身整体誌亿遥童楼况从20世纪初叶起，人们一直不懈地努力研克能够减小毛 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、操纵稳玄性、视野性 等各方面要求的具有最小毛动阻力的基本理想外形1、纺锤状（水珠状丿的流线体 早期的航空理论认为，具有最小毛 动阻力的杨体的理想外形是纺锤状（ 水珠状丿的流线体W 0540图1.4理想浇线型与实际车体受其左发，人们研制出“炮弹”形， 如图所示，其毛动阻力糸数只有0.042、水珠体4 1・4乡身整体优亿遥型怨況研克表朗，水珠体只有 在运雳地面的旨由丸毛层中 才具有最低毛动阻力，一旦 接近地面，因周囲流场不再S1.5水珠形阻力糸教与地面距青对称，阻力糸数随相对地面 距富的减少而显著增丸，如 图所示当相对地面距寫 d=0.1肘,即为普通轿^车的 相对地面距爲，这种理想体 的毛动阻力糸数。
由此水满 状是类车体造型的理想形状生1・4乡身整体従亿遥型轆况图1・6带弯度的水谪形与地面距富■研克表朗一走弯度的水满 形状烫适合于汽车外形， 即选择在给走相对地面距 Wd=h/D时，是空毛阻力 糸数最小的弯度值由图 1.6可知，在d=O・l时，最 佳弯度线应在10%左右出1・4乡身整体従亿遥型轆况3、卡曼■背1937年Kamm和Koeing几乎同肘申请了 一种车身专利, 这种车身也称为截尾车，即他们通过是研克发现，将浸没于 尾流区内的车身后部＜#,不仅不会带来压差阻力的增加， 而且在总、长相同的情况T,反而会提壽皋身的横风稳走性钝的车辆后端的形状允许车后座内更大的顶部空间且不 会显著增加阻力具有这个特点的外形菠称为“卡曼■背” CKamm-back丿出1・4乡身整体従亿遥型轆况4、 “鲸状”理爲模型1970年由英国人A.J.赛馅■里余 斯基提出了 “鲸状”理论模型该 模型为一个纵剖面成带弯度的翼型 ,横断面是把两个相等的长轴连接起来的半桶圆形成的断面作为最丸的横截面，上半个桶圆的短轴比下半个郴圆的短轴要长，水平面呈纺图1.7 “鲸状”理论模型锤状流线型，如图所示但这种形 状虽然毛动阻力较小，但毛动升力 和横风不稳走性都偏丸，而且相关 结构和乘员布置都较为囲难。
j| 1.4乡身整体従亿遥型楼况5、Morelli模型1976年，由意丸利科学 院资助，在平寻法力那(Pininfarina丿 庵洞中进行一 项旨在探求最优化的轿车外形 研克工作，当时的目标是力图 创造.出一种具有优异毛动性能 的轿车外形O图1.8 A.Morelli提出的基本形体>xA. Morelli教授为首的课 题组在滓入研克的基础上首先 获得一个比例为1:2的基本形 体，如图1.8所示，其为阻力 糸 <0.049 oj| 1.4乡身整体従铤遥理楼况此后按总部置要求，制成1:1模型并加车轮，如图1.9, 增至0.16,最后考虑通风进出口，并加上其它一些修正，毛 动阻力糸数上升至0.17,如图l.lOo若将此模型转换成卖车，估计其阻力糸数不会超过0.23 该课题组提出的这种较理想的新型轿车外形表朗，卖际上能 够找到比带弯度流线形更合迨于作汽车车身的理想空毛动力 学流线体图1.9 1:1模型并加车轮图1.10考虑附属空隙很计生1・4乡身整体従亿遥型轆况2000年我国华南理工大学黄 向东教授所领导的研克小组，也 进行了有关最佳车身毛动造型方图i・ii数字化理想形体图1.12最优气动外形风涧试验在提出相关参教和要求的前 提下,运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出 一个完全教字化的理想基本形体, 如图1.11,并在此基础上制成 1:3模型进行风洞试验，如图 1.12^型卖测最小毛动阻力糸数 为 0.122。
■ 1・4乡©整体従化遥型M7兄国内汽车空毛动力学领域著名专家湖南大学谷正 毛教授从事该领域的研克达二十多年，在最佳汽车毛 动外形方面的研克中做了丸量的研克工作，谷教授认 为完美车型的主要特点是整个车身的纵、横向截面的 几何形状按照一定的合乎空宅扰流原理的规律光瞬间 变，整体佥型更加新颖，毛动综合性能最优图1.13湖再大学2004年提出的类羡形概念车凌型2乡於皋本尺寸对夕©夕卜烷够2・1空毛动力学数值计算的一般方由 2.2车头基本尺寸对车身外流场影 2.3简单类车体外流场的教值模拟 2.4车头外形的车身外流场教值模拟嚳・1空龟动力哮毅僵皆愆的一殽方怯■ CFD(Computational Fluid Dynamics)是以理论流体力学和计 算数学为基础，把描述空毛运动的连续介质数学模型爲散成 大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法■描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维不可压缩不走 fN-S方程组(Navie「-Stokes丿，对其可用线性或非线性方 法进行求解■数字仿真中的线性方出主要有涡格由和面元由；非线性方出 包括Eule「法、番诺平均N・S方程组法CRANSJ、丸涡模型 LES CLarge Eddy Simulation；、和直接数值核拟DNS由等。
虫2・1空龟动力学毅催皆愆的一緩方怯假设无粘.无旋无粘导出方程 线性 Laplace 方程Euler 法计算方法 涡格法/面元法湍流模型LES：小涡 模型化 DNS：无RANS 法LES/DNS 法求解Euler方程组，数值 迭代求解用有限体积或 有限元法离散的方程组 用有限体积或有限元法 求解RANS方程组和湍 流模型方程组 用有限体积或有限元法 N-S方程组求解方法 只需离散汽 车绕流表面 离散汽车绕 流表面和整 个计算域 离散汽车绕 流表面和整 个计算域 离散汽车绕 流表面和整 个计算域虫2・1空龟动力学毅催皆愆的一緩方怯湍流模型优缺点比较：模型名字优点缺点Spalart-A Hmaras计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果计算结果没有被广泛测试.缺少子模 型，如考虑燃烧或浮力问题标准i-£应用多，计算量合适，有较多数对于流向有曲率变化，较强压力梯度据积累和相当精度有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺RNG k_W能模拟射流撞击.分离流，二次 流，旋流零中等复杂流动受到涡旋粘性各向同性假设限制Realizable k-£和RNG模童差不多，还可以模拟圆口射流问题受到涡旋粘性各向同性假设限制雷诺应力模型考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响CPU。
