汽车造型设计基础空气动力学.docx
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汽车造型设计基础空气动力学
序号
项目内容
分值
得分
1
是否紧扣题目
30
2
论文的结构安排是否合理
15
3
论证是否严谨可靠
25
4
文法、修辞水平等
10
5
论文是否有新意
15
6
论文的的格式与打印效果
5
评阅人
总计
100
汽车造型设计基础
---空气动力学
综合作业（试卷）
轿车的空气动力学
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班级学号：
T1013-12
课任教师：
李楚琳
时间：
2013年07月04日
摘要：
汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。
所以，深入了解空气动力学对汽车造型设计汽车有很大的帮助。
关键词：
汽车；空气动力学；汽车造型设计
一.汽车空气动力学概述
空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。
它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。
为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。
风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长。
随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。
近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要性不断增加，应用范围不断扩大。
下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。
二.汽车空气动力学的发展
国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。
此学科在近3O年中得到了较大发展。
7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。
国内在这方面的研究起步较晚，尽管也开过专题性的学术会议，但总体上说还处于起步阶段。
从有关学术刊物上看到，有关汽车空气动力学方面的论文很少，也还没有见到国内学者编著有关汽车动力学方面的学术著作或教科书。
也就是说，国内还没有有效地进行汽车空气动力学的研究。
但是，鉴于这项课题研究的经济效益和社会效益，以及我国经济发展的中长期战略，都迫切地需要将这个课题的研究提到议事日程上来。
就国内目前的情况看，无论从人力还是设备上都完全具备研究的条件与实力，关键是要引起国内学者对此项研究的重视以及有关部门的组织与必要的投资，从而有远见地对汽车空气动力学进行先期研究，以适应今后十年乃至更长期国民经济发展的需要，为国家创造较大的经济效益。
三.汽车空气动力学的研究方法
1.基础理论
研究空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。
然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。
2.风洞试验
风洞是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，再利用整流板及管孔渐小的设计，把吸进的空气加以整流和加速，使之达到所需的风速，然后再送
入风洞的试验段中。
在设计和改进汽车时，作出相应的模型或实物，并放入风洞进行空气动力学测试。
国内外大型汽车制造公司不惜耗费巨资建造汽车试验风洞，美国通用汽车公司研制出4500kW、叶片直径13．1m的世界上最大的风洞
装置。
风洞或实车道路空气动力学特性试验包括：
①通过表面丝带法和网格丝带法测试车身表面流态；②通过烟度发生器实施烟流法测试汽车车身周围流态；③通过荧光添加剂喷雾法和水流模拟法进行流动模拟试验，以及用高速摄影法对雨水和灰尘流动特性进行印证；④通过肥皂泡法、丝带法和烟流法，对发动机室和驾驶室内的气流流态进行试验印证；⑤通过滑石粉法和泥土重量分析法印证泥垢附着状态等。
3.数值仿真
汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞试验；另一种是利用CFD程序进行数值模拟。
传统的风洞试验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如风洞试验成本高、周期长、需要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中的应用。
另外，在风洞试验时，我们只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整个流场中任意点的详细信息。
为了观测整车的流场结构，只能依靠一些定性手段，如烟流法、油膜法和丝带法。
要精确研究某些复杂流动现象，如层流向湍流的转变、拖拽涡形成与发展、尾部涡系结构等．测出这些流动的流场参数，测量截面选取很大程度上依靠经验，这样使得精确研究这些复杂流动及其机理变得非常困难。
与风洞试验相反，CFD精度比不上风洞试验，但却几乎克服了它的所有局限性。
CFD是计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics）的英文名称的简写。
在过去的十几年中，随着计算机技术的发展，CFD被越来越多的应用到了汽车设计中。
目前，CFD可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘到有粘的几乎所有的流动现象。
CFD最主要的问题在于精度不如风洞试验，但目前许多大型商业化通用软件已经很好地解决了这一问题。
而某些专用CFD软件在解决某些汽车流场计算时可达到更高精度。
在内燃机的设计和开发中，CFD已被作为一种重要而有效的工具加以利用。
内燃机的燃烧过程很大程度上受燃料与空气混合程度的影响，这种混合是一种复杂的瞬态流动。
目前绝大多数CFD商用软件均可以解决此问题，它们均提供有求解多元混合流动的模块，且计算精度均较高。
另外，在汽车室内气候调节、暖气、通风空调系统的设计中也大量使用CFD软件来帮助分析。
在发动机冷却、排气系统的设计中，CFD分析结果也被大量地使用。
在汽车制冷风扇的叶片设计以及液力变矩器、油泵和盘式制动器的冷却系统的设计中也大量地使用了CFD分析结果。
四、改善汽车空气动力学性能的措施
汽车具有良好的空气动力学性能，有利于提高汽车的动力性和燃油经济性、改善汽车的操纵性和行驶稳定性进而提高汽车的安全性、改善汽车的乘坐舒适性。
随着汽车设计、制造技术的进步和对汽车性能的要求越来越高，汽车空气动力学性能已成为汽车车身设计中必须考虑的重要因素。
1.车头造型的设计
车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多，如车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小和格栅形状等。
车头边角主要是指车头上缘边角和横向两侧边角。
对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区；车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区，整体弧面车头产生的气动阻力比车头边角倒圆产生的气动阻力小；车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。
但气动阻力系数不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化，车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。
增加下缘凸起唇，气动阻力变小，减小的程度与唇的位置有关。
发动机罩与前风窗的设计可以改变再附着点的位置，从而影响汽车的气动特性。
发动机罩的纵向曲率越小（目前采用的纵向曲率大多为0．02m），气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。
发动机罩具有适当的斜度（与水平面的夹角）对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步加大，则降阻效果不明显。
风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则将导致视觉失真、刮雨器刮扫效果变差；前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力；前风窗玻璃的斜度（与垂直面的夹角）小于30°时，降阻效果不明显，但过大的斜度，将使视觉效果和舒适性降低；前风窗斜度等于48°时，发动机罩与前风窗凹处会出现明显的压力降，因而造型设计时应避免出现这个角度；前风挡玻璃的倾斜角度（与垂直面的夹角）增大，气动升力系数略有增加。
发动机罩与前风窗的夹角及结合部位的细部结构对气流也有重要影响。
汽车前端形状对汽车的空气动力学性能具有重要影响。
前端凸且高，不仅会产生较大的气动阻力，而且还将在车头上部形成较大的局部负升力区。
具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。
2.前立柱的设计
前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当，将导致较大的气动阻力、较严重的气动噪声和侧窗污染，因此，应设计成圆滑过渡的外形。
英国White于1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，具有重大实际指导作用。
轿车侧壁略外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；外鼓系数（外鼓尺寸与跨度之比）应避免处于0．02～0．04。
顶盖有适当的上扰系数（上鼓尺寸与跨度之比），有利于减小气动阻力、综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度和强度等方面因素，顶盖的上扰系数应在0．06以下。
对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由0．93增至1．17，会较大程度地减小气动升力系数。
但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。
3.车身尾部造型的设计
车身尾部造型中影响气动阻力的因素主要有后风窗的斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度及尾部横向收缩。
后风窗斜度对气动阻力的影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30°时，阻力系数最大；斜度小于30°时，阻力系数较小。
后挡风玻璃倾斜
角一般以控制在25°之内为宜；后风窗与车顶的夹角为28°～32°时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。
典型的尾部造型有斜背式、阶背式和方（平）背式。
由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切地断言尾部造型式样的优劣，但从理论上说，小斜背（角度小于30°）具有较小的气动阻力系数。
流线型车尾的汽车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小，此高度需要根据具体车型及结构要求而定。
后车体横向收缩可以减小截面面积，一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数增加。
收缩程度因具体车型而定。
车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。
长尾车可能产生较大的横摆力矩，而切尾的快背式汽车的横摆力矩并不大，可以通过加尾翼减小横摆力矩，改善汽车的操纵稳定性。
一般随车身底部离地高度的增加，气动阻力系数有所减小，但高度过小，将增加气动升力，影响操纵稳定性及制动性；另外，确定离地高度时，还要考虑汽车的通过性与汽车重心高度。
车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角，将底板做成前低后高的形状有利于减小气动升力。
车身底板适度的纵向曲率（用弯度线与直线的最大高度差与直线长度之比为弯度来描述）可以降低平均压力，相应地减小气动升力；适度的车身底板横向曲率可以减小气动阻力，但太大，可能引起底部横向气流与侧面气流相干扰。
合适的后部离去角，也可能减小空气阻力。
4.扰流器的设计
扰流器通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动阻力和气动升力的目的。
前扰流器（车底前部）的适当高度、位置和大小对减小气动阻力和气动升力至关重要。
目前，大多将前保险杠位置下移并加装车头下缘凸起唇，以起到前扰流器的作用。
后扰流器（车尾上部）的形状、尺寸和安装位置对减小气动阻力及气动升力也非常重要，但后扰流器对气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。
有的把天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部；在赛车上设计前、后负升力翼，以抵消部分升力，从而改善汽车转向轮的附着性能。
5.车身主体与车轮之间的设计
车身主体与车轮之间存在很大的相互干涉。
适度加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。
不同形状的车轮辐板及车轮辐板上开孔面积的布置方式对气动性能有很大影响，在总开孔面积相同的情况下，适当增加开孔数有利于改善气动性能。
改善汽车空气动力学性能，除了优化汽车造型之外，人们也在寻求其他方法。
虽然低阻汽车的动力性和经济性得以提高，但任何事物都有两面性。
Kamm认为，对于流线型汽车，随着横摆角的变化，阻力系数有很大变化，即低阻汽车的侧风稳定性差。
汽车设计中必须综合各方面因素，权衡利弊，才能设计出高性能的汽车。
五、空气动力学的发展前景
1.高速时汽车超车过程的气动特性
随着我国汽车保有量的显著增加和高速公路的发展，超车现象经常出现。
汽车高速超车时，车身周围的空气流场之间将会产生强烈的气动干扰，严重影响汽车的气动特性、操纵稳定性和行驶安全性。
目前，对单辆汽车外流场的研究较多，而对汽车超车过程外流场的研究较少，对车辆队列行驶、会车及超车等复数车辆行驶状态气动特性的研究更少，并且国外大多从风洞试验的角度对此进行研究，国内已有学者对超车和会车情况进行了初步研究，但尚未见有关队列行驶情况的报道，因此研究高速时汽车超车过程的气动特性具有十分重要的意义。
2.数值仿真
数值仿真的兴起促进了汽车空气动力学研究的发展，改变了汽车空气动力学性能设计与分析评价的状况，大量的数值仿真研究结果已有效地应用于汽车设计，同时也促进了数值仿真研究的发展。
从计算方法看，面元法只限用于特定性质的流场，分区法可计算机和计算技术的发展，Euler法比RANS法计算量小的优点已不很明显，因此Euler法在汽车工程中应用较少，RANS法在数值仿真中应用的主要难点在用于汽车设计早期阶段的空气动力学分析，提供有益的方向性指导。
随着于分离流动、湍流模型和阿格系统的优化。
LES法仅处在研究阶段，要具体应用于数值仿真的工程实际还较困难。
大量文献中所谓的DNS实际上并不是真正直接数值模拟，其大尺度和小尺度涡团分别是通过耗散效应、数值粘性来模拟的，当然这些工作为将来真正应用DNS法积累了有益的经验。
数值仿真应用的主要目的是为了提供影响汽车空气动力学性能的流动特性和现象的详细信息，增加对流动特性的了解，为汽车设计提供方向性的指导。
从目前的发展状况看，仅采用计算流体力学的商业软件是不能够很好地模拟汽车外部流场。
尽管我国在汽车空气动力学试验和理论研究方面起步较晚，但数值仿真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水平提供了新的契机，因此，为提高我国汽车自主开发的能力，积极开展汽车空气动力学数值仿真的理论和方法的研究具有重要的学术意义和工程价值。
上述领域也正是当代空气动力学的主要研究前沿。
上述研究将进一步丰富和发展空气动力学的学科内容．促使数值仿真方法的突破性进展，有助于汽车空气动力学中新技术、新方法和新模型的建立。
在21世纪，随着数值仿真技术的不断发展，特别是对非定常分离流涡运动以及湍流问题等数值仿真面临的主要难点的研究进展，数值仿真将成为汽车造型设计与分析评价的强有力工具，同时将为汽车空气动力学的研究和应用提供广阔的前景。
总结
我国汽车工业由于近年来开始生产轿车才开始了汽车空气动力学的研究。
当前的主要任务应该是抓住大好时机，建立起我国自已的汽车空气动力学研究、试验、设计的综合系统，争取国家及有关高等院校科研单位的支持，建立相应的开放实验室，争取第一流的专家及广泛的国际交流。
开放实验室主要进行汽车空气动力学的计算机摸拟、外形的空气动力学优化设计及相关的并行软、硬件，计算数学的研究。
其中轿车的空气动力学摸拟与优化必将太大加快新车型的开发速度，以提高产品在世界市场的竞争力，并为我国产品参与世界市场竞争创造一个开放的高水平研究环境。
在空气动力学的研究、应用的世界范围的角逐中，不断提高水平、提高素质。
对于汽车空气动力学研究，一汽技术中心建立的除风洞试验之外的又一种先进手段一计算机模拟计算，即CFD（计算流体力学）。
它具有成本低、周期短、可在开发前期进行等特点。
目前已经开展了整车空气动力特性、附加装置空气动力学性能、车身空调系统流动特性等问题的模拟计算，取得了有意义的结果，首次在新产品开发阶段中得到应用，对产品性能给出预测，为产品开发提供了有力的支持。
空气动力学模拟计算作为CAE的一个方面，正在逐渐走进设计，在产品开发中发挥愈来愈大的作用。
参考文献：
[1]李军，邓小刚．空气动力学与汽车造型[J]．渝州大学学报.
[2]张建立，张国忠．CFD在汽车空气动力学研究中的应用[J]．沈阳大学学报
[3]杨天军，谢金法．侧向间距对超车车辆瞬态气动特性的影响[J]．农业装备技术
[4]吴允柱．车速对超车车辆瞬态气动特性的影响[J]．吉林大学学报
[5]傅立敏，吴允柱，贺宝勤．队列行驶车辆的空气动力特性[J]．吉林大学学报
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