1、第四章 汽车空气动力性能,一、名词术语 1. 空气动力 物体与空气相互作用产生并作用于物体上的力。其大小、方向取决于空气与物体之间的相对速度和物体的形状。 2. 空气动力对汽车性能的影响 动力性 经济性 操纵稳定性车速大于50km/h时，空气动力性能就不可忽视。当车速达100km/h时，发动机输出的功率有80%用于克服空气阻力。而且气动力是气流作用在汽车整个表面上的变分布压力的综合效果。这种压力分布随汽车与气流间的相对状况而变化，有时可以改善转向特性和操纵特性，有时又会使其恶化。因此，具备一些这方面的知识，对评价车身的造型，以及确定汽车的外形都具有重要的意义。,轿车空气动力学研究内容,二、汽车
2、空气动力学研究内容,4-1空气力的形成（参见书6-2，6-3）,一、前提与假设 1 前提：车速Va360km/h（即空气相对流速Va100m/s）。 2 假设：空气不受压缩（即空气密度不变）外层空气无粘滞性 除了车身表面附近一薄层空气外，离车身较远的外层空气是没有粘滞性的理想气体。 相对运动等效性。汽车以一定的速度在静止的空气中行驶所产生的空气力，与空气以同样的速度流经静止的汽车时所产生的空气力相等。风洞实验就是依据这一原理。,二、空气力的形成,空气力是指作用在车身表面的全部气动压力的总和。1外层气流情况在远离车身表面的外层气流中，设有一空气质点在某一时刻通过空间的A点，该质点的运动轨迹称为“
3、流线”。若流速保持恒定，则紧接着陆续到达A点的所有空气质点也将沿着完全同样的轨迹运动。因此可以认为流线在空间的位置和形态是固定的（这一点可由烟风洞实验证实）。每一条流线隶属于流线族，众多的流线族构成汽车周围的流谱。流谱的形态是由车身的外形以及车身与空气的相对速度决定的。,数据显示屏,六分力天平,风洞内壁,整流筛,风机,风扇有六个叶片，每个叶片重1吨，高12英尺，用西加云杉(Sitka spruce)薄片制成。西加云杉薄片全都是根据高比刚度精选出来的。当电动机的转速达到最大的时候，叶片最高速度达到每小时415英里,我国正在建设的风洞,由于汽车的横截面是变化的，因此在沿气流方向的各个截面上流线的疏
4、密不同。根据空气密度不变的假设以及连续原理可推知流速与流线族截面积成反比。即：物体截面大的地方流线截面积小，空气流速大。反之，物体截面小的地方流线截面积大，空气流速小。而根据外层气体无粘滞性的假设可知气流无损失流动时服从柏努利定律。即静压力P与动压力q之和为常数。即 p + q = H其中动压力q=1/2 v2 为空气密度，在标准状态下 0=1.2258Kg/m3这意味着：某处空气流速改变时，该处的静压力必然也会改变。即空气流速V增大的地方静压P减小，反之V减小的地方P增大。,若理想的空气流经一个前后左右都对称而且表面绝对光滑（无摩擦）的物体时，可推知由于物体横截面积变化将导致周围空气静压力分
5、布的变化。且有如下规律： 在物体横截面大的地方流线族截面积小v大，q大，p小 在物体横截面小的地方流线族截面积大v小，q小，p大。 在远离物体表面的地方可近似地认为存在着这种情况。如果空气没有粘滞性，空气与物体表面的摩擦力为零。而且作用于物体表面的静压力分布虽有变化，但其总的合力，即空气力也是为零的。实际上，由于空气粘滞性的存在，作用在物体上的气动合力是不为零的。,2、附面层的情况（参见P115）,1）附面层 在紧贴物体表面的地方，空气的粘滞性不可忽视，而且物体表面与空气间存在着摩擦力，直接与物体表面接触的空气分子，受到表面的阻滞而粘着在物体表面上相对速度为零。与其相邻的空气层又被粘滞摩擦力所
6、阻滞相对流速也较低，随着与表面距离的增大，空气粒子受粘滞性的影响程度逐渐减小，其流速也逐渐加快。当与物体表面的距离超过一定值时，空气粒子的运动几乎完全不受粘滞性的影响，其流速与该截面上外层气流的速度相等。故在围绕物体的一个相对薄的空气层内，气流速度有明显变化，从外向里逐渐减小，直到接触物体表面处气流速度为零，存在着一个速度梯度。该气流层被称为附面层，又叫边界层。 当附面层内速度梯度不大时，附面层内各层气流是以不同速度错动的，称之为“层流”。,附面层的定义及流态,2）分离现象当静压足够大时，终于在离物体表面某一距离的K点处空气粒子失去动能，流速就降至零，而在这距离以内的气流速度变为负值，即反向流
7、动，形成涡漩，在这些地方，层流型的附面层离开了物体表面。这种现象称为分离现象。（参见书上P116图6-10）,当附面层内速度梯度较大时，各层间的摩擦力相当大，附面层内充满了涡流，被称为“湍流”。这种情况常发生在物体的截面由大变到小的地方，由于物体截面的这种变化，沿气流方向会产生静压升高，附面层中的气流在随着外层气流减速的同时，气流的一部分动能还要消耗在克服摩擦所做的功上，因此附面层内部将会有一个较大的速度梯度。,此时在物体表面代之以湍流型的附面层。K点称为分离点，各截面上的分离点所组成的面称为分离面。在分离面的后部，空气的运动形式发生了变化，产生一个个涡漩。该处即为涡流区。由于涡流区的出现，阻
8、碍了外层空气重新扩大到原有的宽度。也就是说使外层气流无法在物体后部平顺地合拢恢复原状。,于是外层气流就保持着较高的流速和较小的静压力，相应地涡流区也维持着与邻近外层气流相同的较低的静压力。这样一来，改变了物体表面的压力分布，打破平衡，故静压力的合力不为零，从而产生了空气力。产生分离现象的关键是附面层内较大的速度梯度。当物 体截面急剧地由小到大变化时，外层气流急剧升速，由于有较大的速度梯度，空气层间内摩擦很大，致使附面层内迅速减速，v=0的点可能会离开物体表面而产生分离。当物体截面急剧地由大到小变化时，外层气流急剧减速，由于有较大的速度梯度，空气层间很大的内摩擦也会使v=0的点离开物体表面而产生
9、分离。 综上所述，由于空气的粘滞性导致附面层分离现象的发生，使附面层内可能产生涡漩，最终导致车身表面上静压分布不对称。整个汽车外表面上的静压力的总合力就是空气力。 空气力F的作用点称为气动中心（又称为风压中心）记作CP，一般情况下CP不与汽车的质心CG重合，其作用方向也是任意的，即与汽车前进方向以及地面成任意角度。,。,三、气动力的六分量及系数,为方便分析，在以汽车质心为原点的三维坐标系中将气动力分解为沿三个坐标轴方向的分力和绕三个坐标轴的力矩，统称为气动力六分量。（见书上P106图6-1） 三个分力为： 1气动阻力FX沿水平面纵方向与汽车行驶方向相反的分力。 2气动侧向力FY沿水平面横方向与
10、汽车行驶方向垂直的分力。 3气动升力FZ垂直与水平面且与汽车行驶方向垂直的分力。 三个力矩为： 1侧倾力矩MX绕X轴使汽车侧倾的力矩（使汽车右倾为正） 2俯仰力矩MY绕Y轴使汽车俯仰的力矩（使汽车仰头为正） 3横摆力矩MZ绕Z轴使汽车调头的力矩（使汽车右偏为正）,迎风面积的定义,气动力的六分量,气动力F与流速的平方、迎风面积成正比，为了比较大小不同的汽车在不同的车速时的空气动力性能常采取一个无因次量CF，称为空气力系数。令：其涵义为：作用在迎面面积上的平均空气力F/S与基准气流动压力1/2v2之比。 各分量也有对应的系数CD、CY、CZ、CMX、CMY、CMZ、。其中力矩系数为：,式中：L为特
11、征长度，一般取汽车的轴距或轮距（须指明）。系数C是无因次量，一般来说是雷诺数Re的函数在v较高时，可以近似地认为C不随Re变化，而仅取决于物体的形状。,四、气动阻力（参见P107P108）,气动阻力FX是气动力F分量中对汽车性能影响最大的。 其组成部分为： 1形状阻力（又称压差阻力）占50% 65，由汽车前部压力与后部压力之差引起； 2摩擦阻力占6% 10% 空气粘滞性在车身表面产生的阻力 3诱导阻力占7%10% 气动升力所产生的纵向水平分力 4干扰阻力占12 % 16% 附件阻力，暴露在汽车外力的各种附件引起气流相互干扰形成的阻力； 5内部阻力占1220%内循环阻力，冷却发动机气流与车厢内循
12、环气流造成的阻力。,五、气动升力（参见P109P110）,气动升力FZ是由于汽车外形上下不对称，在行驶时上部和下部的空气流速不相等导致上下静压力不等而产生的。FZ垂直于地面。向上为正，向下为负。气动升力对于汽车是有害的，因为它会降低轮胎的附着力从而使汽车的驱动性和操纵性、稳定性变坏。尤其是质量轻、速度高、质心靠后的汽车对升力特别敏感。如某轿车以160km/h的速度行驶时前轴上的正升力约为车重的20%25%，大大降低了前轮与路面的附着力，若此时正在转弯或受到侧向阵风的作用，就可能出现失控的危险。因此对于高速汽车来说降低气动升力比降低气动阻力更为重要。在设计汽车车身外形时要采取措施尽量减小汽车的升力，理想的情况是升力为零或较小的负值。,通常用中线、弦线、拱度、和迎角来判断车身形状与升力的关系。 中线汽车各横截面形心的连线。 弦线中线的前后端的连线。 拱度中线弧高与弦长之比。拱度愈大升力愈大。 迎角弦线与水平线的夹角。前高后低的弦线其迎角为正。正迎角愈大升力愈大。减小拱度，使中线趋于平坦能减小升力，但由于结构上和使用功能上的限制，要在轿车车身造型上做到这一点是很困难的。较为可行的措施是减小迎角甚至使其成为负值。这是降低升力甚至获得负升力的重要途径。,较成功的整体气动造型轿车,
