第四章-汽車外形設計與空氣動力學

第五章—汽車造型與空氣動力學西華大學汽車與交通學院如果我們把空氣想象成薄層的話，當氣流經過車身時保持流線狀態(tài)，說明空氣阻力對車身的影響較小。一旦這種流線氣流被打破并與車身輪廓分離便會產生亂流，從而產生空氣阻力。其實最理想的低風阻形狀是類似淚滴的圓滑造型，頭部圓滑而尾部尖細。理論上，這種淚滴造型的Cd風阻系數只有0.05。1.空氣動力學基礎知識附面層(boundarylayer)

由于流體的粘性，靠近物面處的流體有粘附在物面的趨勢，于是有一流速較低的區(qū)域，即為附面層。附面層隨流程的增加而增厚。附面層的流態(tài)由層流轉換為紊流。1.空氣動力學基礎知識節(jié)1.2空氣的粘滯性和氣流分離現象順壓梯度和逆壓梯度順壓梯度：順流動方向壓力降低。（流速↑，壓力↓）

逆壓梯度：順流動方向壓力升高。（流速↓，壓力↑）轎車的橫截面積分布和氣流壓力梯度1.空氣動力學基礎知識節(jié)氣流分離現象(flowseparation) 當氣流越過物面的最高點后，氣流流束擴大、流速減小，具有逆壓梯度。氣體是頂著壓力的增高流動。在因粘滯損失而使能量較低的附面層內，流動尤為困難。 在物面法向速度梯度為零(

=0)時，氣流開始分離?？拷锩娴臍饬飨韧Ｖ沽鲃?，進而反向流動，形成渦流區(qū)，將繼續(xù)流動的氣流與物面隔開。ePYeY=01.空氣動力學基礎知識節(jié)尾流區(qū)

在分離點后，是一不規(guī)則流動的渦流區(qū)，總體上是靜止不動的“死水區(qū)”。物體向前運動時，它隨之運動，故稱“尾流”。 尾流區(qū)內各點壓力幾乎相等，與分離點處壓力相同。壓差阻力(pressuredrag)

在物體背流面，流束的擴展受到尾流區(qū)的限制，使流束截面較比迎流面小，其壓力較迎流面低。而尾流區(qū)的壓力與相鄰流體壓力接近。這就使物體在主氣流方向上受到一個稱為“壓差阻力”的作用。影響氣流分離的因素壓力梯度

只有在逆壓梯度條件下才會產生分離。逆壓梯度越大，越易分離。流態(tài)

紊流可使主氣流中的能量更多地傳遞到附面層，比層流更不易分離。1.空氣動力學基礎知識節(jié)減小形狀阻力的措施降低逆壓梯度

減緩物體背流面的截面變化，使分離點（分離線）向后移，減小尾流區(qū)。增大紊流度

增大物面的粗糙度。

分離是產生在附面層流體沒有粘度，就沒有附面層。沒有附面層，就不會產生氣流分離現象。汽車上的分離區(qū) 氣流在前風窗下部、車頂前端、行李前部等處分離后，又重新附著，形成分離區(qū)（亦稱為“氣泡”(

bubble)）。

1.空氣動力學基礎知識節(jié)1.3壓力系數定義 常用壓力系數來表示物體在氣流流場中表面各點壓力的大小。 壓力系數定義：；可整理為：CP=P－P∞ρV2/2∞CP=1－(

)2V∞V ＣＰ≤１。ＣＰ＝１處，Ｖ＝０，是駐點。表示方法矢量法

坐標法1.空氣動力學基礎知識節(jié)2.汽車空氣動力與空氣動力矩空氣靜壓力的合力為空氣動力，其三個分力分別為： 空氣阻力(Drag)Ｄ、空氣升力(Lift)Ｌ、空氣側向力(SideForce)Ｓ。將空氣動力平移至汽車質心Cg，就有一附加力矩，其三個分力矩分別為： 側傾力矩(RollingMoment)

MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、橫擺力矩(YowMoment)MZ?？諝鈩恿Φ谋磉_式 空氣阻力Ｄ與氣流速度的平方V2成正比，與汽車迎風面積Ａ成正比。常表示為與動壓力、迎風面積成正比的形式： 式中，空氣阻力系數Cd是表征汽車空氣動力特 性的重要指標，它主要取決于汽車外形，也與 流速有關。 空氣升力Ｌ、空氣側向力Ｓ表示為汽車空氣動力學空氣動力矩的表達式 俯仰力矩 令 則 一般取汽車的軸距作為特征長度l。 類似地，側傾力矩MX、橫擺力矩MZ也表示為2.

汽車空氣動力與空氣動力矩3.空氣阻力3.1空氣阻力的分類形狀阻力(FormDrag)干擾阻力(InterferenceDrag)內部阻力(InternalFlowDrag)誘導阻力(InducedDrag)摩擦阻力(SkinFriction)前四種為壓力阻力。汽車空氣動力學Cd總值：0.45A—形狀阻力(Cd=0.262)；B—干擾阻力(Cd=0.064)；C—內部阻力(Cd=0.053)；D—誘導阻力(Cd=0.031)；E—摩擦阻力(Cd=0.040)。3.空氣阻力3.2形狀阻力形狀阻力主要是壓差阻力，是由車身的外部形狀決定的。前風窗對空氣阻力的影響前風窗對氣流的影響減小前風窗處空氣阻力的措施增大風窗與發(fā)動機罩間的夾角；風窗橫向彎曲。3.3誘導阻力(induceddrag)

在側面由下向上的氣流形成的渦流(vortice)的作用下，車頂上面的氣流在后背向下偏轉，使產生的實際升力有一向后的水平分力，這個分力就是誘導阻力。

洗流不易分離。3.空氣阻力氣流在后背的偏轉角越大，誘導阻力越大； 后背傾角越大，氣流在后背的偏轉角越大。氣流在后背的流程越長，誘導阻力越大。 分離點前移，氣流在后背的流程減小。后背傾角的變化，對形狀阻力和誘導阻力都有影響。 隨傾角增大，誘導阻力增大，并隨分離點前移，增大速度減緩，最終減小，至消失； 隨后背傾角增大，形狀阻力先減小，再增大，分離點前移至后背頂端時，不再增大。3.空氣阻力3.4干擾阻力

干擾阻力是由于車身表面的凸起物、凹坑和車輪等局部地影響著氣流流動而引起的空氣阻力。

車外小物件產生的干擾阻力

氣流流經物體時流速增加，另一物體置于這被加速了的氣流中時，就會受到更大的空氣阻力作用。兩物體距離越小，干擾阻力越大。3.空氣阻力車身表面凸起物對氣流影響凸起物可能引起氣流分離。凸起物使附面層加厚，氣流容易分離。3.空氣阻力車身表面凹槽產生的干擾阻力門、蓋罩等的四周縫隙是主要的車身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于氣流方向兩種典型狀況。3.空氣阻力車輪旋轉對氣流的影響車輪旋轉旋轉車輪在氣流中路面上的旋轉車輪在氣流中馬格納斯效應(Magnuseffect)：在流體中運動的旋轉圓柱受到力作用而影響它的行進路線的一種現象。路面上滾動的車輪受到一升力作用。車輪旋轉使車輪上的分離線前移，因此有一較大的空氣阻力。3.空氣阻力輪罩的遮擋，減弱了車輪旋轉對氣流的干擾，降低了空氣阻力。在輪罩中的轉動車輪，在其前側面和前下部有氣流向外流動，對主氣流產生干擾。輪胎寬度有一空氣阻力最小的值。3.空氣阻力3.5內部阻力流經車身內部的氣流對通道的作用以及流動中的能量損耗，產生了內部阻力。

內部氣流發(fā)動機冷卻氣流：流量大。是減小內部阻力的主要研究對象。通風氣流：流量約為冷卻氣流的1/10左右。制動器冷卻氣流理想的發(fā)動機空氣冷卻系統(tǒng)氣流通道為密封的直管道；散熱器面積大，進入的氣流速度低；全部氣流都流經散熱器；通道面積變化緩和，無渦流產生；流經散熱器的氣流為紊流；可根據散熱要求調節(jié)氣流流量。3.空氣阻力4.空氣升力4.1空氣升力翼型的迎角越大，空氣升力越大。汽車如翼型，上凸下平，受空氣升力作用。不同外形的汽車，其“迎角”不同，空氣升力系數也不同。汽車空氣動力學4.2地面效應地面對氣流的影響，使物體受到的空氣動力發(fā)生變化的現象。當距離h較大時，隨h減小，氣流加速，壓力減?。划斁嚯xh較小時，附面層的影響隨h減小而突出。隨h減小，氣流減速，壓力增大。4.空氣升力5.側向氣流和空氣動力穩(wěn)定性5.1側向氣流對空氣動力特性系數的影響氣流側偏角與空氣動力特性系數

各種汽車的空氣動力特性系數隨側偏角的變化而變化的規(guī)律是不同的。多數汽車的空氣動力特性系數是隨氣流側偏角的增加而增大。汽車空氣動力學側偏角5.2汽車空氣動力穩(wěn)定性

汽車空氣動力穩(wěn)定性是指汽車在氣流作用下，保持或恢復原有行駛狀態(tài)的能力。5.側向氣流和空氣動力穩(wěn)定性氣壓中心越靠后，汽車空氣動力穩(wěn)定性越好。氣壓中心在質心之前：氣壓中心在質心之后： 車身側視輪廓圖的形心位置越靠后，其氣壓中心越靠后，空氣動力穩(wěn)定性越好。形心形心5.側向氣流和空氣動力穩(wěn)定性發(fā)動機蓋應向前下傾風窗玻璃應盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過渡。

調整迎面和背面的傾斜角度，使車頭、前窗、后窗等處造型的傾斜角度能有效地減少阻力、升力的產生。越野車很難做到風窗玻璃應盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過渡。在保險杠下面，應安裝合適的擾流板。增加前阻風板（airdam)阻風板的作用：減少進入底部的空氣量。阻風板后形成局部高壓區(qū)。前阻風板的優(yōu)化不同的汽車，前阻風板的位置、尺寸均有一最佳值。汽車空氣動力學

形狀位置不同時，對Cx和Cy的影響不同，圖中所示（巴西產）為安裝擾流器后的特性曲線，由圖知B40獲得最小的阻力值Cx下降3%Cyf下降21%,K120獲得最小的阻力值Cyf下降50％。由圖還可以看出，速度愈高升力下降愈明顯。阻風板示例6.汽車空氣動力學裝置凸起唇有些車型不單獨設置擾流器，設置如圖4－51所示的凸起唇，這種凸起唇起著擾流器的作用。

水平投影應為腰鼓形。后端稍稍收縮，前端呈半圓形。貨車頂蓋優(yōu)化避免在駕駛室與貨廂連接處產生氣流分離，以減小空氣阻力。6.汽車空氣動力學裝置貨車的后導流罩6.汽車空氣動力學裝置面與面交接處的棱角應為圓柱狀。過渡不理想面與面交接處的棱角應為圓柱狀。盡量減少燈、后視鏡和門把手等凸出物。減少凸起物，形成平滑表面，如門把手改為凹式結構，刮水器改為內藏式，車身側面的窗玻璃與窗框齊平，玻璃表面和車身整體表面平滑。翼子板應與輪胎相平。輪子和輪坑的影響

（1）車輪處氣流流動的復雜性

前部氣流受阻向兩側分流，并產生分離；由于空氣的粘性作用，在車輪帶動下旋轉，被帶入空腔加速，在前部向兩側噴出，加劇分離，這種流動的復雜性對氣動特性有重要影響。(2)改進措施a、

增加h──進入輪腔的深度，當h增大時，由于輪罩的屏蔽作用減小。如圖4－53所示：h時屏蔽作用增強，進入輪坑的氣流量減小，在前面噴出時對側面氣流的干擾減輕，故下降。b、氣流導板如圖4－54所示，安裝這種導板后，可以對氣流起疏導作用，使氣流平順減小分離的可能性。氣動阻力下降。3/8模型的試驗結果表明氣動阻力系數下降5％。

前輪前導板后輪前導板后輪后導板前輪前導板后輪前導板后輪后導板c、輪罩為了減輕輪子轉動對氣流的干擾，安裝如圖4－55所示的輪罩，有的車在側面加金屬蓋板將側面屏蔽起來，也可起到屏蔽作用，對于前輪，為了靈活轉向在蓋板周圍設有特殊橡膠，可不妨礙轉向。這種蓋板或輪罩可使下降9％。

車輪整流罩(Wheelcover)車輪整流罩的作用減小車輪轉動引起的干擾阻力；減小翼子板開口引起的干擾阻力。制動器散熱效果差。6.汽車空氣動力學裝置整個車身應向前傾1°～2°。2）整車車身后背對空氣阻力的影響幾種典型的車身后背型式直背式(Fastback)：后背傾角＜20°；艙背式(Hatchback)：后背傾角20°～50°；方背式(Squareback)：后背傾角＞50°；折背式(Notchback)。3.空氣阻力最好采用方背式或快背式。若用階背式，則行李箱蓋板至地面距離應高些，長度要短些。后擾流器（spoiler）

后擾流器的作用在擾流器前形成局部高壓區(qū)，可減小空氣升力；使氣流在擾流器上穩(wěn)定地分離，可減小誘導阻力；使分離提前，可增大形狀阻力；有的后擾流器對氣流的導向，可推遲分離，清潔后窗。后擾流器的優(yōu)化在流速較高的氣流中，后擾流器作用較明顯。不同的汽車，后擾流器的形狀、位置、尺寸均有最佳值。6.汽車空氣動力學裝置后面應采用鴨尾式結構。后擾流器形式6.汽車空氣動力學裝置有些汽車為了獲得更小的后輪升力，裝有大型后部擾流器。

6.汽車空氣動力學裝置6.汽車空氣動力學裝置垂直尾翼垂直尾翼的作用使氣壓中心后移，改善空氣動力穩(wěn)定性。增大空氣側向力。6.汽車空氣動力學裝置6.9負升力翼負升力翼的作用產生向下的空氣升力，提高附著力。

例：總質量750kg，附著系數1.4，轉彎半徑200m，無負升力裝置，最大車速190km/h，向心加速度1.4g；負升力為車重的36%，最大車速222km/h，向心加速度1.94g；負升力為車重的106%，最大車速270km/h，向心加速度2.88g。6.汽車空氣動力學裝置6.汽車空氣動力學裝置

底部粗糙度不同時，離地間隙的影響不同，底部氣流的流動情況受粗糙度的影響較大進而和地面效應的關系業(yè)不同。a、

轎車可以看成翼展較短的機翼，由前述知，在一定的范圍內Y正比于，故。b、

另一方面增大，迎風面積增大，破壞了原有的氣動特性，故氣動阻力增大。。當取負值時，后端底部上翹，底部向尾流開放，尾流負壓影響底部，使底部后端渦流區(qū)減小，氣流通暢，阻力下降，p下降、升力下降、故。中弧線：沿汽車縱軸各截面中點的連線。彎度：中弧線相對前后緣點的相對距離當有一定的縱向曲率時，當達到一定數值時，達到最小值，f進一步減小時，會出現前部阻力增大、后部分離的情況，所以。當汽車底部有一定的縱向曲率時，上下表面趨于對稱減小了上表面的速度差和壓強差，另一方面當一定的縱向曲率時，后部上翹，向尾流開放，使尾流的負壓影響底部，使底部渦流區(qū)減小、氣流通暢，故阻力升力減小。

底部側擋風板對于某些車型，汽車底部向兩側分流量太大，增強了側面的螺旋流強度，增大，同時加劇了側面的污染。為此安裝側擋風板，限制過多的氣流向兩側分流可以獲得好的效果。圖4－57示出了其高度對的影響：曲線較平坦，斜率較大。原因只是誘導成分和該旋渦關系密切，其