汽车空气动力学知识点.docx

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汽车空气动力学知识点

第一章绪论

引言：

利用视频、图片介绍什么是空气动力学？

空气动力学的在航空、航天、火车、汽车、建筑、体育运动方面的应用

1.1汽车空气动力学的重要性

1.1.1汽车空气动力学的作用及重要性

汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时的现象和作用规律的一门科学。

汽车空气动力学特性对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性、安全性和舒适性都有重要的影响。

1.1.2汽车空气动力学的研究方法

实验研究：

理论分析和数值计算的基础，并用来检验理论结果的正确性和可靠性；

理论分析：

能指导实验和数值计算，它在大量实验基础上，归纳和总结出相应的规律，同时通过理论自身的发展反过来指导实验，并为数值计算提供理论模型；

数值计算：

可以弥补实验研究和理论分析的不足。

1.1.3汽车空气动力学的研究内容

1.气动力及其对汽车性能的影响

2.流场与表面压强

3.发动机和制动器的冷却特性

4.通风、采暖和制冷

5.汽车空气动力学专题研究（例如改善雨水流径、减少表面尘土污染、降低气动噪声、侧向风稳定性以及刮水器上浮等专题研究）

1.2汽车空气动力学的发展

人们在对汽车陆地速度的追求中，无论汽车外形怎么变化，它的发展始终贯穿着汽车空气动力学这根脉络。

1.2.1汽车空气动力学的四个发展阶段

（1）基本形造型阶段

基本形是人们直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上。

这个阶段的主要特点是已经开始从完整的车身来考虑空气动力学问题，并且较明确的将航空空气动力学的研究成果运用于汽车车身。

相对于马车来说，这个阶段汽车的气动阻力系数明显改善。

但是仍然没有认识到地面效应的影响，而且造型实用型不强，没有获得广泛应用。

（2）流线形造型阶段

特点：

地面效应已被人们所认识。

人们用空气动力学观点指导汽车造型，试图降低气动阻力，并获得了可观的进展。

同时，开始对内流阻力及操纵稳定性有了认识。

（3）细部最优化阶段

汽车设计应首先服从汽车工程的需要，即首先要充分保证总布置、安全、舒适性和制造工艺的要求，并在保证造型风格的前提下，进行外形设计，然后对形体细部（如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等）逐步或同时进行修改，控制以及防止气流分离现象的发生，以降低阻力，称为“细部优化法”

（4）整体最优化阶段

首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格保证形体的光顺性，使气流不从汽车表面分离，这种设计方法称为形体最佳化法。

1.2.2汽车空气动力学的发展趋势

1.气动造型与美学造型完美结合

2.强调车身整体曲面光顺平滑

3.以低阻形体开发的整体气动造型与低车身高度

4.空气动力学附加装置与整体造型协调融合

5.车身表面无附件化

6.充分利用后出风口格栅及发动机排放改善后尾流状况

第二章汽车空气动力学概述

2.1汽车气动力和力矩的产生和计算

2.2气动力和力矩及其对汽车性能的影响

2.3汽车表面的压力分布

2.4汽车外形与空气动力特性的关系

2.1汽车气动力和力矩的产生和计算

2.1.1汽车空气动力学坐标系

2.1.2汽车气动力和力矩的产生

2.1.3汽车气动力和力矩的计算

2.2气动力和力矩及其对汽车性能的影响

2.2.1气动阻力

1.气动阻力的概念

2.不同车型的气动阻力系数范围

3.气动阻力的分类：

压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干扰阻力、内流阻力

分别解释这五种气动阻力的产生原因以及它们分别占总气动阻力的百分比。

2.2.2气动升力

1.汽车气动升力系数与横摆角关系特性曲线

2.气动升力对汽车操纵稳定性的影响

3.克服升力的汽车造型措施

2.2.3气动侧向力

1.汽车气动侧向力系数与横摆角关系特性曲线

2.各种外形汽车气动侧向力系数的横摆角关系特性曲线

2.2.4横摆力矩

1.各种外形汽车横摆力矩系数的横摆角关系特性曲线

2.克服横摆力矩的汽车造型措施

2.2.5纵倾力矩

1.汽车纵倾力矩系数与横摆角关系特性曲线

2.各种外形汽车纵倾力矩系数与纵倾角的关系特性曲线

2.2.6侧倾力矩

1.汽车侧倾力矩系数与横摆角关系特性曲线

2.各种外形汽车侧倾力矩系数与横摆角的关系特性曲线

2.3汽车表面的压力分布

2.3.1车身表面压力系数Cp

2.3.2几种典型轿车的纵向对称面表面压力分布

2.3.3轻型客车和货车的表面压强分布

2.3.4大客车的表面压强分布

2.3.5车身表面压力的测量

2.4汽车外形与空气动力特性的关系

2.4.1前端形状对空气动力特性的影响

2.4.2风窗玻璃与发动机罩形状对空气动力特性的影响

一、风窗玻璃与发动机罩形状

二、发动机罩与挡风玻璃的夹角

三、发动机罩与风窗玻璃的三维曲率及结构

2.4.3顶盖外形对空气动力特性的影响

2.4.4车身侧面外形对空气动力特性的影响

2.4.5后窗周围形状对空气动力特性的影响

一、轿车尾部对空气动力特性的影响

二、后窗倾角对空气动力特性的影响

三、后风窗斜度对空气动力特性的影响

四、后车体的横向收缩对空气动力特性的影响

五、尾部造型式样对空气动力特性的影响

六、车尾高度对空气动力特性的影响

七、后扰流器对空气动力特性的影响

2.4.6车身底部外形对空气动力特性的影响

一、离地间隙的影响

二、车身底部纵倾角的影响

三、车身底部曲率的影响

第三章汽车空气动力学基础

3.1流体的性质

3.1.1真实流体和理想流体

真实流体具有流动性、压缩性、粘性、热传导性和表面张力。

分析真实流体和理想流体之间的区别。

真实流体（粘性流体）：

必须考虑粘性和热传导性的流体

理想流体（完全流体）：

无粘性和无热传导性的流体

3.1.2流体的密度、压强和温度

密度、压强和温度是表征流体状态的三个基本参数，三者不是相互独立的，而是存在一定的关系。

完全气体的状态方程P=ρRT。

对于路面上行驶的汽车（包括赛车）所达到的最高速度都低于声速的1/3，可以认为空气是不可压缩的，其密度不变。

根据美国标准，在海平面条件（P＝101.325kPa，T＝288K）下，大气密度＝1.225kg/m3。

3.1.3流体的压缩性和膨胀性

若温度不变，流体的体积随压强的增加而缩小，这种特性称为流体的压缩性。

通常用压缩率表示。

若压强不变，流体的体积随温度升高而增大，这种特性称为流体的膨胀性。

通常用体胀系数表示。

3.1.4流体的粘性

流体具有抵抗各层之间相对滑动的性质，叫做粘性。

粘性定律

不同速度层之间必有摩擦力存在，单位面积的摩擦力称为摩擦应力，记为τ，速度梯度越大的地方摩擦应力越大。

运动粘度υ=μ/ρ，在流动问题里，惯性力总是与粘性力并存，和往往以组合形式出现，该比值称为运动粘度。

真实流体都具有粘性，但在很多情况下，流体的粘性对流动的影响很小，可以忽略不计，因此假设流体为“理想流体”。

3.1.5流体的热传导性

绝大多数流体的热传导性都是各向同性的，其热传导规律遵从傅立叶定律：

单位面积和时间的热量变化q与温度梯度成正比，热量变化的正方向与温度梯度相反。

q=-KdT/dy

3.2流体阻力的理论

3.2.1圆柱体的流态和阻力

置于理想流体中的圆柱体的流动在不同的雷诺数下，例如Re<<1，Re≈10，Re≈100以及Re>>1000，会出现不同的现象。

3.2.2流线形物体的流态和阻力

置于理想流体中的流线体，不论流速大小如何，流态几乎保持定常状态。

用圆柱体和一个流线形物体进行阻力比较实验，该圆柱体的直径为流线形物体的长度。

实验表明，当流速低时，二者具有同样的阻力，而当流速高时，流线形物体的阻力明显小于圆柱体物体的阻力。

这一性质被人们采用，即为减小阻力而采用流线形。

3.3流体静力学和动力学方程

3.3.1流体静力学概念和方程

基本概念——流态与雷诺数，边界层，流场、流线和流谱。

3.3.2流体动力学方程

连续性方程，伯努利方程

3.4汽车的绕流特性

3.4.1汽车外部流问题

3.4.2汽车内部流问题

3.4.3汽车外部扰流和内部扰流的关系

第四章汽车空气动力学设计

4.1汽车空气动力特性对汽车性能的影响

4.1.1汽车空气动力特性对动力性的影响

汽车空气动力特性是指汽车在流场中所受到的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩（即六分力）的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土、灰尘的附着和上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气调节等特性。

评价汽车动力性的主要指标：

汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。

气动阻力与最高车速的关系

气动阻力与汽车加速度的关系

4.1.2汽车空气动力特性对经济性的影响

气动阻力占总阻力的比例

消耗于气动阻力的功率

气动阻力与燃料消耗量的关系

4.1.3汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响

升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响

侧向力及横摆力矩对操纵稳定性的影响

侧倾力矩对操纵稳定性的影响

4.2汽车空气动力学设计准则

4.2.1对汽车造型的要求：

在满足结构设计、美学、人体工程学（居住性）以及法规要求的同时，降低气动阻力是汽车空气动力学设计的准则。

4.2.2汽车造型设计与空气流态之间的关系

汽车的空气动力学设计就是以满足气流沿光滑表面流动的创造性的设计。

气流沿汽车表面流动时，由于气流的惯性和粘性，而产生分离、涡流等状态，并伴随产生气动噪声，同时气动阻力增加，所以成功的设计应维持气流沿汽车光滑的表面流动。

为设计出光滑的汽车车身表面，应保证曲线的连续性、曲线曲率的连续性，以及线的曲率变化的连续性。

在车身外形设计过程中，需反复修正曲线的连续性。

通过外形的基本构思和空气动力特性最佳处理这两个过程，巧妙地运用曲线的特性，在符合美学要求的前提下进行汽车的空气动力学设计，这是汽车空气动力学开发的重要程序。

4.3汽车空气动力学设计方法

4.3.1汽车空气动力学设计程序

1.基本外形的创造

2.空气动力特性分析

3.风洞试验

4.3.2汽车气动阻力的估算

4.4最佳气动外形

4.4.1最佳气动外形设计的几条原则

从空气动力学观点来分析什么样的造型是具有最佳气动外形的汽车，改善汽车空气动力特性的方法。

4.4.2汽车造型的发展变化

1.空气动力学对未来汽车造型的影响

通过平宁法里纳的车身设计程序来分析空气动力学对未来汽车造型的影响。

2.汽车造型的个性化与多样化

3.汽车造型的趋势

第五章汽车发动机冷却系的空气动力特性以及驾驶室的通风特性

5.1发动机冷却系分析

在激烈的市场竞争中，为开发出高性能的汽车，对汽车发动机冷却系的空气动力特性研究已成为重要课题。

汽车发动机冷却系的气动阻力是汽车内流阻力的主要成分。

5.1.1发动机室内的温度分布

发动机室内气流流动模式图

发动机室内的温度分布与发动机室内的气流流态密切相关。

5.1.2发动机室外和室内的气流流态

怠速状态和行驶状态下，散热器周围的气流流态不同，而且流入发动机室内气流的流动模式也不同。

5.1.3发动机室内的压力分布

加前阻风板，在恰当的位置设置冷却风出口，可产生增大冷却风的效果。

流入散热器的风速越大，冷却性能越好；冷却风的出口处的压力越小，风速则越大。

5.1.4发动机的冷却气流与空气动力特性的关系

在任何情况下，冷却风都将引起内部阻力增加。

而升力则不同，当冷却气流从下方排出时，升力增加；从上方排出时，升力减小。

为降低冷却系的阻力系数，不仅应正确选择冷却系的部件，同时还要进行全系统的试验。

5.2汽车发动机冷却系的设计原则

5.2.1滞点位置对发动机冷却性能的影响

为提高冷却系的性能，应满足散热器所需的风量，冷却气流出口处的压力系数要尽量地小。

前阻风板的作用是：

不但可减小升力，还可使通过散热器中心的冷却风量增大。

5.2.2发动机冷却系性能的提高

1．为进行发动机冷却系的最佳设计，应充分注意到冷却气流的流态在车辆行驶状态与怠速状态不同的问题。

2．发动机冷却系的气流排出状态与空气动力特性特别是升力系数CL有密切的关系。

3．为降低发动机冷却系的气动阻力系数CD，除降低冷却系各组成部分的CD值外，应进行冷却系全系统的气动特性试验。

4．应充分注意冷却系入口位置和滞点位置的关系，并注意散热器格栅形状的最佳设计。

5．发动机冷却系的气动阻力是汽车气动阻力的主要来源之一，降低发动机冷却系的气动阻力，是降低汽车气动阻力的重要环节。

5.3驾驶室的通风特性

5.3.1对车室环境舒适性的评价

为保证乘员的舒适性，车室内必须保证一定的温度、湿度以及空气的新鲜程度。

舒适的温度分布，应是“头凉足热”，脚下左右部位的温度差尽量小。

5.3.2保障车室环境舒适性的措施

（一）隔热层及空调系统

（二）设计良好的自然通风系统

汽车的散热、通风和空调试验通常都要在气候风洞或气候空调室内进行，这样就可模拟温度、湿度和阳光等自然环境。

在普通的风洞中，可进行一般的通风试验。

因为模型很难模拟汽车的真实结构，这种试验通常都用实车来进行。

轿车的一般进风口设在发动机罩后部，出风口设在后窗柱下部。

货车的进风口一般设在前围上部，出风口设在后围中部或后门柱侧面。

大客车的进风口常设在前围和前风窗上部及在车顶开设天窗，而出风口设在后窗柱上。

通过压力分布试验，可以选定车身通风进出口的位置及确定通风量。

第六章汽车空气动力噪声

6.1概述

汽车行驶时其周围空气与车身相互作用产生空气动力噪声（风噪声），高速时风噪声是影响乘员舒适性的主要因素。

6.2噪声的产生和传播机理

6.2.1声源-途径-接收者

声源：

汽车外部气流和任何存在的泄漏

途径：

车窗、密封、车身板件、直接的泄漏

接收者：

驾驶室中的成员

6.2.2理想化声源模型

单极子声源模型（monopole）~U4

偶极子声源模型（dipole）~U6

四极子声源模型（quadrupole）~U8

6.2.3实际风噪声声源类型

▪泄漏噪声（Leaknoise）

▪空腔噪声（Cavitynoise）

▪风急速流动噪声（Windrushnoise）

6.2.4气流速度对风噪声的影响

6.3设计特点

6.3.1外后视镜

6.3.2A柱

A柱是主要风噪声源位置的原因：

1.许多部件交汇于此处：

风窗、车门、外后视镜、前翼子板——导致了许多安装问题和交差的密封性，从而导致高风噪声。

2.A柱区域的气流速度较高，任何暴露的空腔或者锋利的边缘都会产生较高的噪声。

3.A柱与前排成员的耳朵比较近。

4.A柱周围的流动通常是分离的，会在侧窗上产生强烈涡流。

6.3.3风窗雨刮器

6.3.4收音机天线

6.3.5车顶行李架

6.3.6车门

6.3.7侧窗系统

6.3.8固定的车窗

6.4风噪声测量技术

6.4.1风洞试验与道路试验

6.4.2低噪声风洞

6.4.3道路测量步骤

6.4.4车内风噪声测量概述

6.4.5车外风噪声测量概述

6.5开启车窗的振动

6.5.1侧窗

6.5.2天窗

6.5.3敞篷式汽车

6.6制造中需要关注的问题

▪制造过程

▪检测（如应用烟雾发生器检测泄露）

反馈给设计部门

第七章汽车空气动力学试验

7.1汽车空气动力学试验的重要作用

一、汽车空气动力学实验的优点：

1.通过试验揭示汽车周围复杂流场的流动本质

2.验证汽车空气动力学理论分析和数值计算结果

二、汽车空气动力学开发程序

7.2汽车风洞

汽车风洞是一种按一定要求建造的管道。

它利用动力装置产生可以调节的气流，能够模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学试验。

一、风洞发展历程

1.国外风洞概况，世界主要风洞参数表

2.国内风洞概况

二、汽车风洞分类

直流式风洞的主要组成

回流式风洞的主要组成

三、表征风洞特征的基本参数：

试验段的最大气流速度、横截面积和流场品质

四、试验段截面气动外形的选择原则

五、地面效应吸除装置

7.3汽车空气动力学试验的基本方法

一、试验基本方法

1.模型风洞试验法

2.实车风洞实验法

3.实车道路试验法

二、测量方法

1.天平测力法

2.压强分布测量

3.流动显示法

4.流场测量法

5.专项风洞试验

7.4汽车风洞试验的准则与规范

一、风洞试验准则

二、测定力、力矩及表面压力的要求

三、横摆角的模拟

四、雷诺数效应测量

五、发动机冷却系的阻力效应测量

六、风洞试验数据修正

七、地面效应模拟

7.5风洞试验测量仪器

测力、测压、测温、测速的各种仪器

7.6流态显示试验方法

丝带法、油膜法、烟流法、激光流态显示法

7.7汽车风洞试验模型

7.8汽车空气动力学道路试验

1.用滑行试验法测试汽车的气动阻力系数

2.侧向风稳定性试验

第八章汽车空气动力学数值计算

8.1汽车空气动力学数值计算概述

将汽车空气动力学数值计算简称为CFD（ComputationalFluidDynamics），即计算流体力学。

CFD是指对描写流动、传热、传值的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的一门流体力学和数值方法相结合的交叉学科，它包括计算传热学（CHT），属于CAE的一个分支。

8.1.1汽车空气动力学数值计算的一般方法

一、有限差分法

二、有限元法

三、有限体积法

8.1.2计算流体力学的发展过程

8.1.3CFD的理论基础及现状

一、无粘流理论

二、粘性流理论

三、CFD存在的问题及当前研究的重点

目前，CFD主要研究下述问题：

1.基本方程和湍流模型的处理

2.数值方法和计算格式的发展

3.计算坐标的选取和网格的生成

4.边界条件等影响计算精度的因素的处理

5.CFD计算结果与试验结果的对比分析

8.2CFD在汽车空气动力学中的应用

一、汽车流场数值模拟的特点和难点

二、流场中作用的力

三、理想流体的计算准则

四、空气的两种近似法8.3CFD求解

8.3.1各种商用CFD软件简介

1.FLUENT

2.STAR-CD

3.CFX

8.3.2CFD的基本工作流程

一、前处理

二、求解计算

三、后处理

8.3.3CFD的求解过程

1.建立控制方程

2.确定边界条件和初始条件

3.划分计算网格

4.建立离散方程

5.离散初始条件和边界条件

6.给定求解控制参数

7.求解离散方程

一、理解汽车风洞在汽车空气动力学研究中的重要地位。

二、汽车风洞的构造

汽车风洞是进行汽车空气动力学试验的主要设备，它实际上是一个按一定要求建造的管道，并利用动力装置等设备在管道中产生可以调节的气流，使风洞试验段能够模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学试验。

回流式风洞，包括试验段、扩散段、四个拐角、动力段、收缩段、稳定段以及风扇、电机、拐角导流片、阻尼网、蜂窝器等。

并明确各个部分的功用。

三、风洞的各种分类

1.按试验段气流循环形式可以分为回流式风洞和直流式风洞。

回流式风洞的优点是：

通过试验段的气流经循环系统可以再返回试验段，能回收气流的能量，电机功率小，并能保持恒定的空气温度和湿度。

缺点是：

构造复杂，设备庞大，建造成本高。

直流式风洞的特点是将通过试验段的气流排至风洞外部，设备简单，成本低。

缺点是：

电机功率大，空气温度难以保持恒定，流场品质易受外界的干扰。

直流式风洞又可分为吸入型和吹出型风洞，前者的电机设置在风洞的试验段下游，后者的电机设置的风洞试验段上游。

3.按试验段的形式可以分为开式、闭式和半开式风洞。

一、了解风洞试验的基本方法

1.天平测力法

2.流态显示法

流态显示法包括丝带法、烟流法、油膜法以及激光流态显示法。

4.压力测量法

二、汽车风洞试验的目的

汽车风洞试验的目的在于得到准确反映汽车行驶状态时的空气动力特性数据。

三、汽车风洞试验的主要研究内容

1.研究汽车空气动力特性，包括汽车的气动阻力特性和操纵稳定性等，亦即通过风洞试验研究汽车的流场作用在汽车上的力和力矩。

2.通过对汽车表面的压力分布于流场性能的分析，研究汽车各部位的流场。

例如，雨水流动的路径、污垢附着的作用原理、风噪声、车身覆盖件的颤振、风窗玻璃上的作用力及刮水器上浮等。

3.发动机冷却气流的进气和排气特性。

4.驾驶室内的通风、取暖及噪声等特性。

四、汽车风洞试验模型

1.模型尺寸

2.模型的外形和结构

3.模型的制造材料与加工

五、汽车风洞试验准则

1.足够的均匀流场

2.几何形状相似

3.雷诺数相似

4.尽量排除风洞试验中的支架及洞壁的干扰

5.风洞流场的动态校准