汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué) 2010-03-28 16:23:52 閱讀11 評(píng)論0 字號(hào)：大中小 前言：受遼寧省自然科學(xué)基金的資助，本人正在主持“汽車輕量化虛擬樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目以國(guó)內(nèi)某著名汽車制造有限公司正在設(shè)計(jì)制造中的汽車為應(yīng)用對(duì)象，包括汽車碰撞安全性、汽車外形的計(jì)算流體力學(xué)仿真（CFD）、面向日本用戶的日系車汽車音響輕量化設(shè)計(jì)、汽車關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計(jì)等若干核心子課題。    合作單位包括：大連奧托汽車、日本獨(dú)資大連阿爾派汽車音響制造有限公司、大連理工大學(xué)、一汽奧迪等。 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一門研究液體和氣體和它

2、周圍的固體如何相互作用的學(xué)問(wèn)：考慮高速氣體流過(guò)形狀復(fù)雜的汽車的情況。近年來(lái)CFD的發(fā)展可以讓計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)中模擬虛擬汽車-而汽車制造商不再只能依靠簡(jiǎn)單的風(fēng)洞去了解氣流是如何影響汽車的！制造商可以在制造金屬部件之前先研究模擬數(shù)據(jù)，這會(huì)大大節(jié)省時(shí)間和資金。    從事此項(xiàng)研究時(shí)，所需要學(xué)習(xí)及應(yīng)用到的軟件：CATIA（或I-DEAS或UG或PRO/E或SOLIDWORKS）、FLUENT。        汽車的CFD仿真  汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)系一、轎車前部車頭造型對(duì)氣動(dòng)阻力影

3、響因素很多，主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗造型、前凸起唇及前保險(xiǎn)杠的形狀與位置、進(jìn)氣口大小、格柵形狀等。"  車頭邊角的影響：車頭邊角主要是車頭上緣邊角和橫向兩側(cè)邊角。"  對(duì)于非流線型車頭，存在一定程度的尖銳邊角會(huì)產(chǎn)生有利于減少氣動(dòng)阻力的車頭負(fù)壓區(qū)。"  車頭橫向邊角倒圓角，也有利于產(chǎn)生減小氣動(dòng)阻力的車頭負(fù)壓區(qū)。"  車頭形狀的影響"  整體弧面車頭比車頭邊角倒圓氣動(dòng)阻力小。"  車頭高度的影響"  頭緣位置較低的下凸型車頭氣動(dòng)阻

4、力系數(shù)最小。但不是越低越好，因?yàn)榈偷揭欢ǔ潭群螅囶^阻力系數(shù)不再變化。"  車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動(dòng)升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。"  車頭下緣凸起唇的影響"  增加下緣凸起唇后，氣動(dòng)阻力變小。減小的程度與唇的位置有關(guān)。"  發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗的影響"  發(fā)動(dòng)機(jī)罩的三維曲率與斜度。（ 1 ）曲率：發(fā)動(dòng)機(jī)罩的縱向曲率越小（目前大多數(shù)采用的縱向曲率為 0.02m -1 ），氣動(dòng)阻力越小；發(fā)動(dòng)機(jī)罩的橫向曲率均有利于減小氣動(dòng)阻力。（ 2 ）斜度：發(fā)動(dòng)機(jī)罩有適當(dāng)?shù)男倍龋ㄅc水平面的夾角）對(duì)降低

5、氣動(dòng)阻力有利，但如果斜度進(jìn)一步加大對(duì)將阻效果不明顯。（ 3 ） 發(fā)動(dòng)機(jī)罩的長(zhǎng)度與軸距之比對(duì)氣動(dòng)升力系數(shù)影響不大。"  風(fēng)窗的三維曲率與斜度。（ 1 ）曲率：風(fēng)窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過(guò)大，否則導(dǎo)致工藝難實(shí)現(xiàn)、視覺(jué)視真、刮雨器的刮掃效果。前風(fēng)窗玻璃的橫向曲率均有利于減小氣動(dòng)阻力。（ 2 ）斜度：前風(fēng)窗玻璃的斜度（與垂直面的夾角） <=30 0 時(shí)，降阻效果不明顯，但過(guò)大的斜度，使視覺(jué)效果和舒適性降低。前風(fēng)窗斜度 =48 0 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗凹處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的壓力降，因而造型時(shí)應(yīng)避免這個(gè)角度。  (3) 前風(fēng)擋玻璃的傾斜角度（與垂直面的夾角）越大，氣

6、動(dòng)升力系數(shù)略有增加。"  發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗的夾角與結(jié)合部位的細(xì)部結(jié)構(gòu)。6. 汽車前端形狀"  前凸且高不僅會(huì)產(chǎn)生較大的阻力而且還將會(huì)在車頭上部形成較大的局部負(fù)升力區(qū)。"  具有較大傾斜角度的車頭可以達(dá)到減小氣動(dòng)升力乃至產(chǎn)生負(fù)升力的效果。二、轎車客艙"    A 柱"  前立柱上的凹槽、小臺(tái)面和細(xì)棱角，處理不當(dāng)，將導(dǎo)致較大的氣動(dòng)阻力和較嚴(yán)重的氣動(dòng)噪聲和測(cè)窗污染。應(yīng)設(shè)計(jì)成圓滑過(guò)渡的外形。"  側(cè)壁"  轎車側(cè)壁略有外鼓，將增加氣動(dòng)阻力，但有利于降低氣

7、動(dòng)阻力系數(shù)。但外鼓系數(shù)（外鼓尺寸與跨度之比）應(yīng)避免在 0.020.04 之間。"  頂蓋"  綜合氣動(dòng)阻力系數(shù)、氣動(dòng)阻力、工藝、剛度、強(qiáng)度等方面的因素，頂蓋的上擾系數(shù)（上鼓尺寸與跨度之比）應(yīng)在 0.06 以下。   4. 客艙長(zhǎng)度"  對(duì)階背式轎車而言，客艙長(zhǎng)度與軸距之比由 0.93 增至 1.17 ，會(huì)較大程度的減小氣動(dòng)升力系數(shù)。三、轎車尾部車身尾部造型對(duì)氣動(dòng)阻力的影響主要因素有：后風(fēng)窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度、尾部橫向收縮。"  后風(fēng)窗斜度"  后風(fēng)窗斜度

8、（后風(fēng)窗弦線與水平線的夾角）對(duì)氣動(dòng)阻力影響較大，對(duì)斜背式轎車，斜度等于 30 0 時(shí)，阻力系數(shù)最大；斜度小于 30 0 時(shí)，阻力系數(shù)較小。"  后擋風(fēng)玻璃的傾斜角控制在 25 度之內(nèi)。"  尾窗與車頂?shù)膴A角介于 28 至 32 度時(shí)，車尾將介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的邊緣。2. 尾部造型式樣"  典型的尾部造型有斜背式、階背式、方（平）背式。由于具體后部造型與氣流狀態(tài)的復(fù)雜性，一般很難確切的斷言或部造型式樣的優(yōu)劣。但從理論上說(shuō)，小斜背（角度小于 30 0 ）具有較小的氣動(dòng)阻力系數(shù)。3. 車尾高度"  流線型車尾的轎車存在最佳

9、車尾高度，此狀態(tài)下，氣動(dòng)阻力系數(shù)最小。此高度需要根據(jù)具體車型以及結(jié)構(gòu)要求而定。"  后車體的橫向收縮"  一定程度的后車體的橫向收縮對(duì)降低氣動(dòng)阻力系數(shù)有益，但過(guò)多的收縮會(huì)引起氣動(dòng)阻力系數(shù)的增加。收縮程度受具體車型而定。5. 車尾形狀"  車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動(dòng)升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。四、轎車底部"  車身底部離地高度"  一般雖車身底部離地高度的增加氣動(dòng)阻力系數(shù)上升，但高度過(guò)小，將增加氣動(dòng)升力，影響操作穩(wěn)定性及制動(dòng)性。另外離地高度的確定還要考慮汽車的通過(guò)性與汽

10、車中心高度。"  車身底部縱傾角"  車身底部縱傾角對(duì)氣動(dòng)阻力影響較大，縱傾角越大，氣動(dòng)阻力系數(shù)越大，故底板應(yīng)盡量具有負(fù)的縱傾角。"  將汽車底板做成前底后高的形狀對(duì)減小氣動(dòng)升力有用。"  車身底板的曲率"  縱向曲率：適度的縱向曲率可以減小壓差阻力。"  橫向曲率：適度的橫向曲率可以減小氣動(dòng)升力。最佳曲率視具體車型而定。"  擾流器對(duì)氣動(dòng)阻力的影響富康是典型的半水滴造型，這樣的造型符合當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)的最新潮流，充分運(yùn)用了空氣動(dòng)力學(xué)的最新成果。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的風(fēng)洞

11、試驗(yàn)，富康的風(fēng)阻系數(shù)僅為0.31。風(fēng)阻系數(shù)在過(guò)去的轎車手冊(cè)中從未出現(xiàn)過(guò)，今天則是介紹轎車的常用術(shù)語(yǔ)之一，在國(guó)外已經(jīng)成為人們十分關(guān)注的一種參數(shù)了，它是指汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時(shí)產(chǎn)生的縱向，側(cè)向和垂直等三個(gè)方向的空氣動(dòng)力量，它的系數(shù)值是由風(fēng)洞測(cè)試得出來(lái)的。汽車行駛速度越快其所受到的空氣阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會(huì)增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動(dòng)力性能。據(jù)測(cè)試，一輛以每小時(shí)100公里速度行駛的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的百分之八十將被用來(lái)克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性。雪鐵龍ZX系列的風(fēng)阻系數(shù)只

12、有0.305，是普及型汽車?yán)锩孀顑?yōu)秀的，而如今的帕薩特B5德國(guó)版已達(dá)到0.28。據(jù)試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低百分之十，燃油節(jié)省百分之七左右。曾有人對(duì)兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較，以每小時(shí)88公里的時(shí)速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7公升。因此，當(dāng)你決定選擇一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的私家車時(shí)，這也是不可或缺的考量因素。當(dāng)然，并不是所有的轎車都會(huì)公布自身的風(fēng)阻系數(shù)，除非它在這方面很優(yōu)秀。汽車空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)阻力和升力     阻力    一輛轎車的氣動(dòng)效率

13、是由其阻力系數(shù)(Cd)所決定的。而阻力系數(shù)與面積無(wú)關(guān)，它僅僅是反映出物體的形狀對(duì)于氣動(dòng)阻力的影響。理論上來(lái)講，一個(gè)圓形的平板的阻力系數(shù)為1.0，但是如果考慮到其邊緣周圍的湍流效應(yīng)，它的阻力系數(shù)將會(huì)變?yōu)?.2左右。氣動(dòng)效率最高的形狀是水滴，它的阻力系數(shù)只有0.05。不過(guò)，我們不可能制造出一輛水滴形狀的轎車。一輛典型的轎車的阻力系數(shù)大致為0.30。     阻力的大小是與阻力系數(shù)(也叫牽引系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù))、正面接觸面積和車速的平方成比例的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)一輛時(shí)速120英里的轎車所遇到的阻力是一輛時(shí)速60英里的轎車的四倍。你還可以發(fā)現(xiàn)阻力對(duì)于最高時(shí)速的影響。如果我們

14、不改變一輛Testarossa的形狀，而將其最高時(shí)速?gòu)?80英里提高到Diablo的 200英里的話，我們需要將其最大輸出功率從390馬力提升到535馬力。如果我們寧愿把時(shí)間和資金花在風(fēng)洞的研究上，只要將其阻力系數(shù)從0.36降低到0.29就能夠達(dá)到同樣的效果。    斜背式車身     在20世紀(jì)60年代，賽車工程師們開(kāi)始認(rèn)真對(duì)待空氣動(dòng)力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)如果他們將轎車后背的斜度減小到20度或更小的話，氣流就會(huì)非常平穩(wěn)地流過(guò)車頂線，從而大大減小了阻力。他們將這種設(shè)計(jì)命名為“斜背式車身”。這種關(guān)注的結(jié)果是很多賽車都增加了一

15、個(gè)比較夸張的長(zhǎng)長(zhǎng)的尾翼，并把后背的高度降低了，比如這里展示的1978年的935 Moby Dick。    對(duì)于一輛三廂式轎車，氣流會(huì)直接從車頂線的尾部離開(kāi)轎車。而后擋風(fēng)玻璃的突然下降會(huì)在周圍的區(qū)域形成低壓，這就吸引了一些氣流重新流入該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，并因此形成了湍流。而湍流總是會(huì)損害到阻力系數(shù)。    然而，這依然比可能出現(xiàn)在三廂式車身和斜背式車身之間的一些情況要好。如果后擋風(fēng)玻璃的斜度為3035度的話，氣流就會(huì)變得非常不穩(wěn)定，而這將很損害到高速行駛時(shí)車輛的穩(wěn)定性。在過(guò)去，轎車廠商對(duì)此知之甚少，所以生產(chǎn)了很多類似的

16、轎車。    升力    另一個(gè)重要的空氣動(dòng)力學(xué)因素是升力。由于轎車頂部的氣流移動(dòng)的距離要長(zhǎng)于轎車底部的氣流，所以前者的速度會(huì)比后者快。根據(jù)柏努利(瑞士物理學(xué)家)原理，速度差會(huì)在上層表面產(chǎn)生一個(gè)凈負(fù)壓，我們將其稱為“升力”。     像阻力一樣，升力也是與面積(不過(guò)是表面積而不是正面面積)、車速的平方和升力系數(shù)(Cl)成比例的，而升力系數(shù)是由形狀決定的。在高速行駛時(shí)，升力可能會(huì)被提升到一個(gè)足夠高的程度，從而讓轎車變得很不穩(wěn)定。升力對(duì)于車尾的影響更為重要，這一點(diǎn)很好理解，因?yàn)楹?/p>

17、擋風(fēng)玻璃的周圍存在一個(gè)低壓。如果升力沒(méi)有被充分抵消，后輪就很容易發(fā)生滑移，這對(duì)于一輛以時(shí)速160英里飛馳的轎車是很危險(xiǎn)的。     就這個(gè)方面來(lái)講，斜背式車身是非常不利的，因?yàn)樗c氣流接觸的表面積非常大?？雌饋?lái)良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同時(shí)擁有它們。不過(guò)，由于過(guò)去我們對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了更多的研究，所以我們還是發(fā)現(xiàn)了一些辦法，可以解決同時(shí)擁有兩者的問(wèn)題    空氣動(dòng)力學(xué)輔助設(shè)備    尾翼(后擾流器)    在20世

18、紀(jì)60年代早期，的工程師們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在轎車的尾部增加一個(gè)氣翼(我們簡(jiǎn)單地將其稱為“尾翼”)，可以大幅度減小升力甚至產(chǎn)生一個(gè)完全向下的壓力。同時(shí)，阻力只是略微有所增加。     尾翼的作用是引導(dǎo)大部分的氣流直接離開(kāi)車頂而不發(fā)生回流，這就會(huì)使升力減小。(如果我們加大尾翼的角度，甚至可能產(chǎn)生一千公斤向下的壓力。) 當(dāng)然，依然會(huì)有一小部分氣流會(huì)回流到背部并從尾翼下的車尾處離開(kāi)。這就避免了在非斜背式轎車上出現(xiàn)的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空氣沿這個(gè)路線流動(dòng)，所以它們對(duì)于升力的影響可以輕松地被尾翼消除。     為

19、了受益于絕大部分的氣流，尾翼安裝的位置必須比較高。的Escort RS Cosworth在這一點(diǎn)上做得不錯(cuò)但對(duì)于墨丘利的Cougar來(lái)說(shuō)，尾翼看起來(lái)只是一個(gè)裝飾品罷了。     第一輛安裝尾翼的轎車是1962年產(chǎn)的246SP長(zhǎng)距離賽車。僅僅一年以后，250GTO道路用車就加入了這一行列，安裝了一個(gè)小型的鴨尾式尾翼，這當(dāng)然是第一輛安裝尾翼的道路用車。然而，尾翼并沒(méi)有因此就流行開(kāi)來(lái)，直到1972年發(fā)布了其911 RS 2.7情況才有了轉(zhuǎn)機(jī)，該車巨大的鴨尾式尾翼將高速行駛時(shí)的升力減小了75%。僅僅一年以后，RS 3.0就開(kāi)始使用一個(gè)鯨尾式尾翼，這種尾翼可以將升

20、力完全消除掉，它也因此成為了此后所有911轎車的標(biāo)志。    新款996 Carrera為我們提供了一些有用的數(shù)據(jù)：     前面的升力（時(shí)速 157 英里） 后面的升力（時(shí)速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打開(kāi)尾翼 5 公斤 14 公斤     擾流器     擾流器是改變車身下面氣流的空氣動(dòng)力學(xué)裝備。我們將安裝在前保險(xiǎn)杠底部邊緣的擾流器稱為“下顎擾流器”或者“氣壩”，而將安裝在車身兩側(cè)底部邊緣的擾流器稱為“側(cè)裙

21、”。要了解擾流器的原理，我們必須先談?wù)勡嚿硐旅娴臍饬鳌?#160;    車身下面的氣流總不是我們希望存在的。在轎車車身的下面有很多暴露在外的組件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸、差速器等。這些設(shè)備會(huì)阻礙氣流，不僅僅造成增大阻力的湍流，還會(huì)因使氣流慢下來(lái)而增大升力。（還記得柏努利定理嗎？）     擾流器通過(guò)促進(jìn)空氣從車身兩側(cè)離開(kāi)達(dá)到減小車身下面氣流的目的，其結(jié)果是減小了因車身下面的氣流造成的阻力和升力。一般來(lái)說(shuō)，擾流器安裝的位置越低，能達(dá)到的效果就越好。因此你會(huì)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)距離賽車的擾流器幾乎是擦著地面的。當(dāng)然，道路轎車不可能做到這

22、樣。車身下面的光滑底板    我們還有一種減小車身下面氣流影響的辦法，那就是用一個(gè)光滑的底板將轎車的下面全部覆蓋，就像這一輛F355一樣。這可以避免湍流和升力。     地面效應(yīng)    對(duì)于賽車工程師們來(lái)說(shuō)，尾翼可能是對(duì)付升力的好辦法，但距離他們真正想要的效果還很遙遠(yuǎn)。典型的一級(jí)方程式賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的加速度大約是4g，這需要巨大的向下的壓力保持輪胎緊貼賽道的地面。當(dāng)然，安裝一個(gè)角度很大的巨大尾翼可以滿足這種需求，不過(guò)同時(shí)也會(huì)損害到阻力系數(shù)。