车身结构与设计——第6章汽车的空气动力性能

第六章 汽车的空气动力性能

主要内容第一节 第二节 第三节 布 第四节 概述 汽车行驶时所受到的气动力和力矩 空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分

改善汽车空气动力性能的措施

第一节 概述空气动力学(Aerodynamics)是研究物体在与周围空气 作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学， 它属于流体力学的一个重要分支。长期以来，空气动力学成 果的应用多侧重于航空及气象领域，特别是在航空领域内这 门科学取得了巨大的进展，给汽车或路面车辆的空气动力学 (Automotive Aerodynamics-Road Vehicle Aerodynamics) 研究提供了借鉴。 然而进一步的深入研究表明，汽车或车辆的空气动力学 问题从理论到实际两方面都与航空等问题有本质的区别，汽 车空气动力学已逐步发展成为了空气动力学的一个独立分支， 在方程式赛车领域更是得到了极大的应用。

第一节 概述研究内容：1)汽车行驶中的气动力和力矩的研究 2)汽车表面及周围的流谱和局部流场的研究 3)发动机和制动装置的空气冷却问题的研究 4)汽车内部自然通风和换气问题的研究

第一节 概述理论计算方法： 1)无粘流理论，不考虑空气的粘滞性(欧拉方程) 2)粘滞理论，考虑空气的粘滞性(有限差分法)

第一节 概述研究手段：风洞 风洞(wind tunnel),是能人工产生和控制气流，以 模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体 的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进 行空气动力实验最常用、最有效的工具。 1)全尺寸模型(实车)风洞试验 2)缩尺型风洞模型

第一节 概述汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要求设计 的管道构成，风洞可分为直流式和回流式两种 直流式又称埃菲尔式风洞，其结构是鼓风机在试验阶段 下游靠吸入空气形成气流 回流式又称哥廷根式风洞，通过试验段的气流经过循环 系统再返回流动形成回流故得此名，其优点是可节省驱动 功率 汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如奔 驰公司的汽车风洞，其风扇直径就达8.5m,驱动风扇的电动 功率高达4000kW,风洞内用来进行实车试验段的空气流速达 270km/h。建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿 美元，甚至10多亿，而且每做一次汽车风洞试验的费用也是 相当大的。

第一节 概述

第一节 概述

中国汽车风洞(2009年同济大学)

第一节 概述风阻系数 风阻系数是通过风洞实 验和下滑实验所确定的 一个数学参数，用它可 以计算出汽车在行驶时 的空气阻力。风阻系数 的大少取决于汽车的外 形。风阻系数愈大，则 空气阻力愈

大。已知雨 滴的风阻系数最小，在 0.05左右。

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩1 气动力和气动力矩 2 汽车的空气阻力 3 汽车的气动升力 4 汽车的空气动力稳定性

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩1.汽车行驶时所受到的气动力和力矩质心C.G. 气动力F:将整个汽 车外表面上压力合成 而得到作用在汽车上 的合力。 风压中心C.P.:合 力在汽车上的作用点。F Pq SCF 1 2 SCF 2

F Fx Fy Fz

迎风面积S

车身形状系数

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩空气阻力： 1 Fx 2 SCD 2 气动升力: 1 Fz 2 SC y 2 侧向分力： 1 Fy 2 SCZ 2

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩纵倾力矩又称俯俯仰力矩My,(以使汽车抬头为正): 1 2 1 2 M y Fx Z C FZ X C (CD Z C CZ X C ) LCMy 2 2 式中 Xc,Zc——风压中心到质心的距离； L——特征长度，一般指汽车轴距； CMy——俯仰力矩系数。 横摆力矩Mz (以汽车右偏为正):

1 2 1 2 M Z Fy X C SC y X C SLCMZ 2 2侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正): 1 1 M x Fy Z C 2 SCZ Z C 2 SLCMX 2 2

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩2.汽车的空气阻力Fx 1 2 SCD 2

正比：空气阻力系数CD,迎风面积S,空气密度ρ及车速v2 分为5个部分：

形状阻力摩擦阻力 诱导阻力 干扰阻力 内部阻力

第二节 汽车行驶时所受到的气动力和力矩阻力名称 形状阻力 产生原因 汽车前后压 差 空气与车身 摩擦 空气升力的 纵向分力 扰动 内循环阻力 影响因素 车身表面形状 及其交接处的 转折方式 车身表面的面 积和光顺程度 气动升力 表面突起和各 种附件 冷却气流和车 内通风一般轿车 CD=0.45 理想型跑车 CD=0.20

58%

70%

摩擦阻力 诱导阻力 干扰阻力 内部阻力

9% 7% 14% 12%

20% 0 5% 5%