汽車空氣動力學的一些基本概念

1、汽 車 空 氣 動 力 學 第一部分 汽車空氣動力學研究內(nèi)容汽車空氣動力學是研究行駛的汽車與其周圍空氣之間相互作用及其對汽車性能影響的科學。汽車行駛過程與空氣產(chǎn)生復雜的相互作用而產(chǎn)生的驅(qū)動力不僅影響汽車的行駛狀態(tài)，同時影響汽車性能的發(fā)揮，體現(xiàn)在以下眾多方面：通過汽車空氣動力學研究來改善汽車外形降低汽車氣動阻力，提高發(fā)動機燃燒效率，改善發(fā)動機冷卻效果，不僅可以改善汽車的動力性，還可以提高汽車的燃油經(jīng)濟性；汽車在高速行駛中，來自空氣的反作用力會對汽車產(chǎn)生很大的影響，包括因空氣動力作用而引起的汽車穩(wěn)定性和操作性問題，而良好的汽車穩(wěn)定性和操作性對于其保證汽車安全行駛有著重要的意義；通過空氣動力學途徑來

2、改善側風穩(wěn)定性以及提高制動器制動效能為汽車高速行駛提供安全保障；在以人為本的今天，改善汽車內(nèi)部通風、取暖、除霜和空調(diào)氣流等特性，減少塵土污染和降低氣動噪聲，是乘坐舒適性的基本保證?？偟臍w納，汽車空氣動力學的研究內(nèi)容包括外觀（污染、水、鏡面、雨刷器）、行駛性能（耗油量、排放物、最大車速、加速性能）、冷卻（發(fā)動機、增壓空氣、廢氣、輔助設備、機油、變速箱、制動器、冷凝器）、舒適性（通風、暖風、空調(diào)、風噪、轟鳴）、行駛方向穩(wěn)定性（直線行駛穩(wěn)定、轉向自回正能力、側風穩(wěn)定性）、作用于部件的力（車門、艙蓋/箱蓋、覆蓋件、車頂載荷）等。1、車身外觀上，以汽車塵土污染為例。汽車周圍的流場會卷起路面或者環(huán)境中的塵

3、土，這些塵土可能會附著在車身上，可能對能見度、汽車美觀等造成不好的影響，比如兩廂車的后擋風玻璃上一般設有雨刷；在雨雪等惡劣天氣，雨水與泥土的混合會對汽車外表造成更加嚴重的污染。塵土或其他污染物可能附著在發(fā)動機艙和車身底部，影響汽車關鍵總成或者零部件的性能，甚至產(chǎn)生腐蝕，因此合理地利用空氣流來除塵很有必要。大多數(shù)情況下，汽車頭部存在較大的滯區(qū)，一般會在這個位置設置進氣柵，為發(fā)動機進氣歧管、散熱器等提供空氣，與此同時汽車前方的塵土、雨水等也會進入格柵，進氣歧管通過空氣濾清器來過濾掉塵土，但其它進入的空氣將會附著在發(fā)動機艙其余部件和總成上，當塵土積累到一定程度時，可能會影響到其散熱等功能；此外車頭前

4、方的車燈也受塵土污染比較嚴重，可能導致車燈無法提供足夠的光線照明。汽車側面后視鏡附著的雨水、塵土會直接影響側后方的視野，可以通過改變汽車后視鏡的外形特征，減小空氣尾流對側窗的污染。商用車駕駛室的側面也容易收到塵土的污染，通常在駕駛室前端與側面過渡的區(qū)域，設計導流裝置，既有利于引導較高流速的氣流在一定程度上帶走泥土污染，又可以減小此處的流動分離現(xiàn)象，從而減小氣動阻力。 導流裝置2、行駛性能，以耗油量為例。 據(jù)有關研究，當汽車行駛速度超過100km/h時，80%左右動力輸出被空氣阻力所消耗，這充分說明合理的空氣動力學外形對汽車的節(jié)能有重要意義，當采用較低的空氣阻力系數(shù)外形時，一方面可以使汽車在高速

5、行駛時大大減少燃料消耗；另一方面較低的空氣阻力系數(shù)還可以使汽車在裝用功率較小的發(fā)動機時同樣能達到令人滿意的效果，這樣發(fā)動機功率變小后其尺寸也相應減小，導致傳動系統(tǒng)各總成尺寸縮小和整車輕量化，又進一步導致懸架、輪胎等部件尺寸縮小，從而大大提高了汽車綜合技術性能，可見較低的氣動阻力系數(shù)帶來的好處是顯而易見的。自汽車工業(yè)誕生以來，車身造型經(jīng)歷了馬車型、箱型、甲殼蟲型、船型、魚型、楔型等， 從汽車出現(xiàn)之初氣動阻力系數(shù)Cd=0.8，到經(jīng)歷數(shù)百年的發(fā)展，汽車空氣阻力系數(shù)已經(jīng)下降到0.3左右，甚至部分超前設計的跑車、概念車等的阻力系數(shù)已經(jīng)達到0.14左右，極大地節(jié)約了燃油消耗，然而人類在追求更加極致的低阻力

6、汽車造型的腳步永不會止步，未來的汽車車身造型將會在細節(jié)設計、技術創(chuàng)新上有更加深刻的表達。3、冷卻，以發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析為例。車身前端的主要部件是發(fā)動機，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)包括散熱器、冷卻風扇和水泵，冷卻系統(tǒng)用來保證發(fā)動機在工作時的溫度不超過設計的上限溫度，從功能上講，要求冷卻系統(tǒng)造價低，質(zhì)量輕，能耗小，氣動阻力小且可靠，因此充分利用空氣流來帶走發(fā)動機散發(fā)的熱量對冷卻系統(tǒng)而言意義很大。汽車在怠速狀態(tài)下和行駛狀態(tài)下的氣流分布有很大不同。怠速狀態(tài)下，外界氣流從散熱格柵各個角度流入發(fā)動機艙，而在行駛狀態(tài)下，氣流更容易從保險杠下方流入發(fā)動機艙，流入發(fā)動機艙的氣流一般由發(fā)動機艙下方排出，有時也由上方排出，如

7、圖所示，冷卻風迂回撞擊發(fā)動機艙內(nèi)零件，使發(fā)動機受到力的作用，與地面平行的力成為內(nèi)流阻力的一部分，與地面垂直的力成為升力的一部分，而且冷卻風排出以后，與車身周圍的氣流相互干涉，也會產(chǎn)生阻力，這表明冷卻風也會引起氣動阻力的增加，而在冷卻風的流出方向上如果風向下排出則升力增加，風向上排出則升力減小。4、舒適性，以通風和風噪為例。為了保證乘員的舒適性，車內(nèi)必須保持一定的溫度、濕度以及空氣的新鮮程度。增大車內(nèi)的風速，會讓人感覺到?jīng)鏊?，人?m/s的風速下會感覺到溫度下降1 ,當環(huán)境溫度低于皮膚溫度時，如果增加室內(nèi)的溫度，應同時增加氣流速度，這樣才會使人有舒適感，但風也不宜過大，因為風會使人局部過渡散熱而

8、感到難受，并且對于頭部、喉部、眼睛等敏感部位不應吹風，舒適的氣流溫度分布應該是頭涼足熱。汽車在行駛過程中由于周圍空氣的流動而產(chǎn)生的噪音稱為氣動噪聲。當汽車在高速行駛時，車身與周圍的空氣發(fā)生相互作用，在汽車表面形成一個邊界層，并且產(chǎn)生強大的分離流、渦流以及湍流，流動中的渦流和湍流相互作用，從而在車身表面產(chǎn)生強大的脈動壓力場，而汽車表面脈動壓力場是產(chǎn)生氣動噪聲的來源，車外噪聲透過車身外裝附件、開啟門窗、凹凸臺階、狹縫等傳入車內(nèi)引起人體不適。從空氣動力學角度，控制流動是降低氣動噪聲的主要思路，比如避免周期性的二維分離流動可以在收音機天線上纏繞螺線，天窗前緣設計導流板均可以降低風噪；還可以對三維流動分

9、離采取干預措施，比如在轎車的外后視鏡上采用凹槽、凸緣以影響后視鏡尾流。 后視鏡上的氣流槽5、改善汽車行駛阻力的裝置對于貨車這樣由于自身結構原因，將不可避免地有不利于改善氣動特性機制，僅靠對自身的外形的進行優(yōu)化已難以解決問題，而在特定部位增加一定的氣動附件可獲得滿意結果。貨車常采用的空氣動力附件有導流罩、導流片、間隙密封板、側裙板和穩(wěn)渦裝置等。導流罩是安裝在貨車駕駛室頂蓋上方的整流裝置，主要是為了改善迎面撞在拖車前圍上的氣流特性以減小阻力。其減阻機理是，駕駛室與箱體之間存在高度差時，通過導流罩來控制氣流的分離，在箱體和駕駛室之間形成一個屏蔽區(qū)，引導氣流平順地流向箱體，而不至于直接沖擊箱體，使得箱

10、體前的正壓區(qū)變成負壓區(qū)，從而減小貨車氣動阻力。 導流罩廂式貨車駕駛室與箱體之間通常有間隙存在，當貨車在側風環(huán)境中運行時，會有氣流橫穿該間隙，使前面迎風面積增大，正壓區(qū)增大，后部尾渦區(qū)增大，氣動阻力增大因此需要在間隙處增加密封罩，就可以防止這種橫向穿流而起到減阻作用。此外當汽車在側風環(huán)境中行駛時，有部分氣流橫穿底部，沖刷到底部粗糙物和粗糙表面，使得氣動特性惡化，為改善這種情況，減小阻力，一般在貨箱底部兩側增加側裙板。 側裙板總的來說，汽車在行駛過程中，周圍的空氣流場很復雜，其對汽車的各個性能指標影響很大，總的歸納如下： 燃料經(jīng)濟性 氣動力 動力性能 操縱穩(wěn)定性 換氣性能空氣的流動 壓力分布 冷卻

11、性能 風噪 刮水器上浮 流速分布 灰塵、泥土上卷 雨水流淌路徑第二部分 氣動造型基本技術路線汽車氣動造型的初期，人們的注意力多側重于氣動阻力的研究，隨著車速的提高，特別是人們對汽車高速氣動性能的日益重視，氣動造型已經(jīng)不再僅僅局限于降低風阻，而是在低風阻的前提下，更加強調(diào)氣動力作用下的直線行駛穩(wěn)定性、高速操縱穩(wěn)定性和抗側風穩(wěn)定性。目前汽車氣動造型的技術路線主要包括：從基本流線型衍生演變；對出現(xiàn)擾流的區(qū)域圓角化，完善出現(xiàn)擾流的區(qū)域局部優(yōu)化；整車氣動性能優(yōu)化；運用仿生學手段造型等。1、從基本流線型衍生演變造型師通過初期簡單的線條勾勒，逐步衍生演變，繪制與新創(chuàng)意相符的汽車輪廓，這依賴設計師豐富的想象能

12、力和繪圖功底。2、氣動造型局部最優(yōu)化該路線以滿足功能、工藝學、美學、人體工程學為前提，初步定出車身基本造型在基本造型的基礎上，對汽車車身進行局部修飾和增加空氣動力學附加裝置，如改變圓角半徑、曲面弧度、斜度和增加擾流器等，從而控制甚至阻止氣流發(fā)生分離，以減少氣動阻力和提高行駛穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了“造型服務于性能”的設計目的，70年代的VW-Scirocco I和60年代我國的紅旗CA774均采用這種方法，并取得較好的成效。有工程師指出，要增強一輛車的空氣動力性能并減少其風阻系數(shù)需要在各個細節(jié)上做出改善，甚至每個細節(jié)部位僅僅改進千分之一，那么其合力也是非?？捎^的。因而工程師們利用風洞實驗不斷地在汽車

13、各個部位進行測試，比如行李艙蓋調(diào)高一點，發(fā)動機罩條紋改變一些等等，以求達到局部最優(yōu)的造型。但是，對于Cd > 0.45的汽車，該方法能取得明顯的效果，如果要想使汽車的Cd值降到0.4以下，則必須做出相當大努力，甚至需要尋找更加高級的技術。3、氣動造型的整體最優(yōu)化該路線是以某種具有低風阻和高氣動穩(wěn)定性的“流線型”基體為出發(fā)點，再根據(jù)人體工程學、制造工藝、美學、安全法規(guī)以及整車布置等要求逐步走向?qū)嵱没囆?，即體現(xiàn)“性能服務于造型”的設計思想，在整個設計過程中，從一開始就確定一個比較理想且符合總布置要求的低阻型體，在其發(fā)展成實用化車的過程里都嚴格保證形體的光順性，使氣流不從汽車表面分離。80年

14、代開發(fā)的奧迪100 C3型轎車就是這一技術路線的產(chǎn)品。第一步是按照總布置要求制成具有階梯背式造型風格，并且具有比較理想的流線體特征，例如具有極其光順的曲面、圓滑的車頭、大弧度風窗等，其氣動阻力Cd值為0.18；第二步是將基本形體轉變?yōu)榛酒囃庑?，所有與空氣動力學的細部，如車底部件、冷卻系統(tǒng)氣流、保險杠、連接點和細縫等，都要進行細部最佳化處理，當然阻力系數(shù)也增加到0.24,；第三步是將基本汽車外形精制成式樣模型，車身結構設計師參與大量細節(jié)工作，使模型車基本接近產(chǎn)品車，Cd值也進一步增加到0.29；第四步將基本模型試制成產(chǎn)品車，Cd值比式樣模型略高點，為0.3，這在當時是相當不錯的空氣動力學設計

15、效果，引起了世界汽車界的轟動。4、運用仿生學手段造型設計師從自然界的生物體態(tài)上尋找靈感，將其注入汽車造型的思路當中，往往能獲取出乎意料的設計效果。從最開始1933年德國的波爾舍博士設計了一種類似甲殼蟲外形的汽車造型時，最大限度地發(fā)揮了甲殼蟲外形的長處，并且成功推向市場受到好評（盡管后來在空氣動力學層面上證明甲殼蟲造型的空氣阻力系數(shù)并不小）。此后船型、魚型、楔型等汽車造型都是設計者們從自然界事物里找尋靈感，突破傳統(tǒng)思維，創(chuàng)造經(jīng)典?，F(xiàn)代汽車造型，尤其是跑車、概念車等超前衛(wèi)的汽車作品更加如此。比如寶馬前大燈的仿鷹眼的造型，堪稱經(jīng)典中的經(jīng)典。鷹的眼神給人以犀利、專注和炯炯有神的感覺，寶馬取材于鷹眼的大

16、燈設計，傳達和凸顯寶馬品牌的精髓：豪華、勇猛、凜然不可侵犯的王者之氣，無疑會為整個車身增添更多的運動和力量感，一個眼神，就征服了一切！再比如瑪莎拉蒂的前臉設計，仿真鯰魚的大嘴流線型外形，獨特的進氣格柵顯示出與眾不同，扁而長的前臉給人精致而小巧的感覺，豪華貴族的氣息躍然而出，讓人愛不釋手，同時扁小修長的車身曲線帶給人無限的動感。再如豐田雷凌同樣也是仿鷹眼的造型，但與寶馬犀利感覺不同的是，雷凌盡顯白頭鷹的強悍之風，其前臉大燈設計棱角分明，靜中有動，緊盯獵物，不怒自威，展示出超強的氣質(zhì)與型動美學，極具辨識度，令人印象深刻。第三部分 小結汽車產(chǎn)品的美學特征一是由以其內(nèi)在的理性形式所呈現(xiàn)的技術美或科技美，技術美包括性能美、結構美、工藝美、材質(zhì)美、尺度美、舒適美等；二是產(chǎn)品以其外在的感性形式所呈現(xiàn)的形式美或藝術美，因為汽車作為一種滿足人們物質(zhì)和精神上的需求產(chǎn)品，其造型必須遵循形式美學法則的普遍形式，形式美包括：形態(tài)美、比例美、色彩美、和諧美等。汽車空氣動力學在某上意義上來說，不僅僅是一門簡單的流體計算力學，更多的還有美學藝術等層面的考究。汽車作為一種大眾消費品，它除了在技術層面上要滿足有低阻力、穩(wěn)定性等看不見的性能外，對于消費者來說，看得見的更多的是車身外在造型、顏色、