1、第二章第二章 汽車空氣動力學概論汽車空氣動力學概論第一節、氣動力和力矩一、作用在汽車上的力和力矩作用在汽車上的空氣動力有阻力、升力和側向力，力矩有縱傾力矩、側傾力矩和橫擺力矩。這些力及力矩的大小取決于汽車的行駛速度、車身外形及方向角，可用無因次系數來表示。1、氣動阻力D212DDCv A氣動阻力D與流體的速度頭、汽車的迎風面積及阻力系數有關 迎風面積是由設計需要所確定的，速度頭是由使用者來控制的，故要減小氣動阻力必須減小阻力系數。即安裝導流部件、將車身局部圓角化、減小尾渦區等。如圖是不同形體的阻力系數。 研究發現，當汽車受側風作用時，其阻力系數值會增大。如圖2、氣動升力 L 及縱傾力矩 PM2

2、12LLCv A氣動升力和縱傾力矩分別用升力系數、縱傾力矩系數來表示：212PMPCv Aa升力值的變化取決于流過物體上下表面的氣流是否對稱，汽車要求升力為負，故應使車身整體外形接近流線型或楔型以減小升力。升力作用于汽車的空氣力中心，但一般按其作用于前輪或后輪來衡量其效果。前輪升力對汽車產生正俯仰力矩，從而使車頭抬起，影響操縱穩定性，特別有側風作用時，影響更為明顯。后輪升力對汽車產生負俯仰力矩，從而使汽車低頭。減少車身上下壓力差，使大量氣流流經側面，可減小升力，將底板下部流線化，壓低發動機罩前端，減緩前風窗傾角，都可減小前端升力。3、側向力 S 及橫擺力矩 YM側向力和橫擺力矩分別用側向力系數

3、、橫擺力矩系數來表示：212SSCv A212YMYCv Aa側向力對車輛的行駛直進性和行駛穩定性有很大影響。不僅側向力的大小對車輛行駛的有影響而且側向力的作用點在車輛重心前和后影響不同。加尾翼使風壓中心后移。橫擺力矩可使汽車繞 Z 軸轉動。若橫擺力矩使橫擺角變小，汽車的穩定性增加，即：00YMYMdCddCd穩定不穩定4、側傾力矩 RM傾側力矩用傾側力矩系數來表示：212RMRCv Aa傾側力矩主要由車身側面形狀決定。汽車的高度和寬度對側傾力矩影響極大。低而寬的車形側傾力矩系數較小。側傾力矩對汽車左右輪的重量分配也有較大影響，直接影響到汽車的側傾角。二、車身表面壓力分布 汽車在空氣中行駛，車

4、身表面的壓力大小可用壓力系數表示；壓力系數的大小取決于車身細部形狀。阻力升力的大小與壓力分布有關。0212pppCv外部阻力系數總的氣動阻力內部阻力外部阻力形阻誘導阻力發動機冷卻系阻力駕駛室內空調阻力汽車部件冷卻阻力iD0D0iDDDCCCDC第二節：汽車的阻力特性一、阻力分類 氣動阻力由兩部分組成：外部阻力和內部阻力誘導阻力：是由升力的水平分力產生。形阻：是由空氣粘性引起，取決于車身前后的壓力差。討論圖210：1）總阻力的85來自于壓差阻力，15為摩擦阻力2）壓差阻力9的來自車身前端，91產生在車身后端，其中車尾傾角和尾部的形狀對阻力系數影響極大3）壓差阻力是由形阻和渦阻構成，渦阻的大小取決

5、于尾部渦流的結構。二、壓差阻力與表面摩擦阻力：由于空氣有粘性，在車身表面必然存在一層附面層，附面層內的粘性切應力不容忽視。一旦附面層發生分離，就只剩壓差阻力。故在車身上作用的力是壓差阻力和粘性力的總和三、誘導阻力：誘導阻力是尾部縱向渦升力的水平分力。用誘導阻力系數來表示：2LDiCC：長寬比：修正系數在車身尾部的渦流中，含有縱向的渦。它們是由車頂和車底 的壓力差造成，渦的運動必然要消耗額外的能量，這部分阻力稱為誘導阻力。第三節，與汽車相關的流場一、與汽車相關的流場的分類汽車周圍的外部流場穿過汽車車身內部的流場發動機內、變速箱內的氣流流動，不討論。密切相關，同時討論1、汽車外部流場汽車外部流場:

6、指氣流繞汽車表面縱向、橫向、前端、后端和車底及車窗、車燈、雨刷等附件時的流態，通過對這些流場的分析，對汽車外形設計、局部細化提供理論依據，從而可提高汽車的動力性、經濟性 和操縱穩定性。2、汽車內部流場汽車內部流場:主要指流過冷卻系的氣流和駕駛室內的氣流。流過冷卻系的氣流：隨著發動機功率的不斷提高，需要大量的冷卻空氣來散掉發動機所產生的熱量，但是從造型和空氣動力學角度出發，汽車的前端不斷變扁，使得進氣口變小甚至被分割成多個小口進氣，影響了進氣面積；不僅如此，由于車身前端變扁，使得發動機室內散熱器和冷卻氣流的空間越來越小，影響熱量交換；從設計和安全性考慮，車身前端有橫梁和保險杠，它們均對冷卻空氣進

7、入發動機室有阻礙。駕駛室內的氣流：駕駛室內的氣流具有以下三個作用：車內氣流要保持一定 的速度，要使車內空氣保持清晰；要使車內的溫度保持在舒適范圍內，即要有暖風和冷卻系統而且還要有新鮮空氣進入；當車窗上有霜或霧時，車內氣流必須穿過車窗將其除掉。駕駛室內的氣流要注意減小氣流流動 的噪音及風扇的噪音。汽車空氣動力學的許多工作是要防止或調節氣流分離，而要達到這一目的唯一方法是風洞試驗；汽車空氣動力學的數值計算方法所得出的結果可用來驗證風洞試驗，但決不能取代風洞試驗。第六節，汽車外形與空氣動力特性的關系一、汽車前端形狀對空氣動力特性的影響二、擋風玻璃和發動機罩形狀對空氣動力性能的影響討論三個方面：1、發

8、動機罩與擋風玻璃夾角發動機罩與擋風玻璃夾角在30左右，阻力系數CD最小。30,阻力系數CD變大。2、發動機罩的曲率及結構發動機罩是三維曲面，且向前傾斜。C23、擋風玻璃的曲率及結構擋風玻璃設計成二維圓柱面，與車頂水平面有一傾角。傾角變化有一過程：基本垂直斜度逐漸增加大圓弧三維曲面斜度控制在30左右4、大燈護罩對CD的影響三、頂蓋形狀對空氣動力性能的影響1、選擇適當的上鼓系數的頂蓋2、采用鴨尾降低阻力a、高出頂蓋表面的鴨尾高出頂蓋表面附件b、等于或低于頂蓋表面的鴨尾1、車身俯視外輪廓線的影響四、車身側面形狀對空氣動力性能的影響2、A拄外形對氣動力的影響影響有三個方面：氣流分離，阻力增加；產生噪音

9、；側面污染A拄外形對氣動力的影響A拄外形對氣動力的影響A拄外形對氣動力的影響3、車身后側部向內收縮對CD的影響4、車窗嵌框對CD的影響四、后窗周圍形狀對空氣動力性能的影響根據后窗傾斜角分類1、后窗傾斜角與空氣動力特性越來越弱尾后傾角對阻力及升力的影響。尾后傾角等于30，阻力系數達到最大，稱之為臨界角2、后窗長度與阻力系數其長度比與傾角應取最佳值其長度比與傾角應取最佳值3、后窗傾角與塵土飛揚的關系304、后行李箱蓋高度與阻力系數的關系5、后繞流板可降低 CD CL 值后繞流板是如何使阻力系數/升力系數降低的?后繞流板的位置、尺寸、傾斜角均需最佳化后，繞流板應安裝在氣流速度高、產生渦流少的地方。頂

10、蓋形狀不同，繞流板的作用效果也不同采用汽車后部形狀的最佳化設計，可以降低CD值,與后繞流板效果等同。五、車身底部對空氣動力性能的影響1、離地間隙對氣動力特性的影響離地間隙較小時，氣流流動受阻，使來流轉向流向汽車上表面，使車身上表面流速增加，壓力減小，導致汽車阻力和升力增加。離地間隙增大時，阻力和升力減小，但離地間隙大到某一程度，阻力和升力基本不變。2、車身底部平整與阻力系數關系車身下底部表面做成平滑的外形，使車身下表面的摩擦損失降低，從而降低阻力。3、車身縱傾角的影響當車底縱傾角增大，汽車的升力系數增大。由于增大，使車下底部迎風面積增大，因此阻力也增大。4、車身底部曲率的影響車底適當的縱向曲率，使氣流平順地通過間隙，從而減小阻力和升力。車底適當的縱向曲率使尾部上翹，引起尾流區的負壓對車身下部壓力的影響有助于減小后軸的升力。車底橫向曲率，有助于氣流流向兩側減小阻塞，從而降低阻力與升力。