第二章-汽车空气动力性能

太原理工大学车辆工程系12019/8/151太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系孙桓五教授第二章汽车的空气动力性能太原理工大学车辆工程系第二章讲课提纲2019/8/15太原理工大学车辆工程系2汽车气动力特性对汽车性能的影响汽车各部分形态与气动特性的关系空气作用于汽车车身的力和力矩汽车空气动力学基本原理概述提高汽车空气动力性能的措施太原理工大学车辆工程系2.1概述空气动力学（aerodynamics）是流体力学的一个分支,是研究物体在空气中做相对运动时，物体与空气间相互作用关系的一门学科，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化汽车空气动力学（Automotiveaerodynamics）汽车空气动力学主要研究汽车在流场中所受到的气动阻力、升力、侧向力三个力及其相应的力矩，研究这些力及力矩对汽车阻力、侧向稳定性、气动噪声、灰尘附着、发动机冷却、驾驶室通风等的影响2019/8/15太原理工大学车辆工程系3太原理工大学车辆工程系2019/8/15太原理工大学车辆工程系4汽车行驶阻力α滚动阻力Ff空气阻力FW坡度阻力Fi加速阻力Fj2.1概述太原理工大学车辆工程系2.1概述汽车的行驶阻力滚动阻力Ff空气阻力Fw坡度阻力Fi加速阻力Fj上述阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。在水平道路上等速行驶就没有坡度阻力和加速阻力2019/8/15太原理工大学车辆工程系5jiwfFFFFF•汽车行驶总阻力太原理工大学车辆工程系2.1概述2019/8/15太原理工大学车辆工程系6空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力。太原理工大学车辆工程系2.1概述空气动力对汽车性能的影响对动力性能的影响影响高速时的加速性能影响最高车速对燃油经济性的影响高速行驶时空气阻力是最大的阻力，小型客车50%的、普通货车32%左右燃油用于克服空气阻力载货汽车气动阻力系数降低30%，并以80km/h行驶，可降低油耗12%--13%例如：对于CdA=0.8m2的轿车V=65km/h时，55%的能量克服空气阻力V=90km/h时，70%的能量克服空气阻力2019/8/15太原理工大学车辆工程系7太原理工大学车辆工程系2.1概述对安全性能的影响高速时的加速性能影响行车安全气动升力影响汽车操纵稳定性和制动性气动力稳定性影响汽车操纵稳定性对舒适性能的影响高速时风噪是影响舒适性的重要因素空气动力学对于车厢内的通风、温度、尘土污染有重要影响对汽车外形演变的影响汽车的空气动力学特性取决于汽车外形空气动力学影响人们的审美观气动性能决定现代轿车外形的最重要内容2019/8/15太原理工大学车辆工程系8太原理工大学车辆工程系第二章讲课提纲2019/8/15太原理工大学车辆工程系9汽车气动力特性对汽车性能的影响汽车各部分形态与气动特性的关系空气作用于汽车车身的力和力矩汽车空气动力学基本原理概述提高汽车空气动力性能的措施太原理工大学车辆工程系2.2空气在汽车周围的流动情况连续性方程对于定常流动，流过流束任一截面的流量相等1V1A1=2V2A2=3V3A3=……=常数对于不可压缩流体1=2=3=……=常数，所以V1A1=V2A2=V3A3=……=常数连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式连续性方程说明了流速与面积之间的关系，说明在截面较小的地方流速较高，在截面较大的地方流速较低2019/8/15太原理工大学车辆工程系10太原理工大学车辆工程系2.2空气在汽车周围的流动情况伯努利方程-------流体的重力势能、压力势能、动能之和为常数当气体流速不高、密度可视为不变，并且由于空气重力很小，则有-------流体的静压力与动压力之和为常数伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式该方程说明，流速越大，动压力越大，但该点的静压力（压力）越小，在前端滞点处，流速为零，压力最大例题2-12019/8/15太原理工大学车辆工程系11常数221mVpmmgZ常数221Vp太原理工大学车辆工程系空气在汽车周围的流动情况2019/8/15太原理工大学车辆工程系12太原理工大学车辆工程系空气在汽车周围的流动情况2019/8/15太原理工大学车辆工程系13太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成根据连续性方程和伯努力方程，如果空气是非粘滞的，则在理想大气中运动的任何物体表面压力之和为零2019/8/15太原理工大学车辆工程系14太原理工大学车辆工程系空气在汽车周围的流动情况附面层由于流体具有粘性，因此相对于物体表面运动时会产生摩擦作用，靠近物体表面处的流体有粘附在物体面上的趋势，其靠近物体表面处速度为零，速度随着距离的增大而增大，我们将这个速度发生变化的薄层称为附面层附面层随流程的增加而增厚2019/8/15太原理工大学车辆工程系15太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成2019/8/15太原理工大学车辆工程系16太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成2019/8/15太原理工大学车辆工程系17太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成2019/8/15太原理工大学车辆工程系18太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成分离点流速趋于零的点，标志着边界层与物体表面出现分离，是尾涡流区的分界线尾涡会损失动能，或者说，尾涡区内的压力与分离点处的压力几乎相等，因此较低（负压，吸力），物体前后的压差就形成了压差阻力（主要受形状影响，因此也成为形状阻力）2019/8/15太原理工大学车辆工程系19太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成2019/8/15太原理工大学车辆工程系20太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成减少或消除尾涡，延缓分离现象的方法截面应逐渐变化，避免流管截面骤然增大，从而使气流保持相当速度采取措施，加快可能出现分离区域的气流速度（见P15图2-3）2019/8/15太原理工大学车辆工程系21太原理工大学车辆工程系空气的分离现象及涡旋的形成2019/8/15太原理工大学车辆工程系22太原理工大学车辆工程系第二章讲课提纲2019/8/15太原理工大学车辆工程系23汽车气动力特性对汽车性能的影响汽车各部分形态与气动特性的关系空气作用于汽车车身的力和力矩汽车空气动力学基本原理概述提高汽车空气动力性能的措施太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩车身上压力的分布2019/8/15太原理工大学车辆工程系24太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩车身上压力分布的两种表示方法2019/8/15太原理工大学车辆工程系25太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩2019/8/15太原理工大学车辆工程系26•思考•夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？•打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？•打开天窗换气时，天窗上方的压力低于车内的压力。太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩气压中心车身所受到的空气动力合力称为气动力气动力合力在汽车上的作用点成为气压中心（风压中心）气压中心一般难以与汽车的质心重合气动力合力F为----其中A为迎风面积（正投影面积）,C为阻力系数，与车身形状有关2019/8/15太原理工大学车辆工程系27ACvF221太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩气动力在三个坐标方向的分力沿X方向的气动阻力D(Drag)沿Y方向的气动升力L(Lift)沿Y方向的气动侧向力S(SideForce)----其中CD,CL,CS分别为气动阻力系数、升力系数、侧向力系数2019/8/15太原理工大学车辆工程系28DACv221DLACv221LsACv221S太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩CD,CL,Cs是汽车空气动力学中最重要的参数，是评价汽车空气动力学性能的主要指标CD,CL,Cs取决与汽车的外形及表面状况与迎风面积无关气动力矩由于气动力一般与质心不重合因此将力平移到质心后会产生气动力矩气动力矩有：俯仰力矩PM（PitchingMoment)、横摆力矩YM(YawingMoment)、侧倾力矩RM(RollingMoment)2019/8/15太原理工大学车辆工程系29太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩SAEJ1594规定也可以表示为(My=PM)，(Mz=YM)，(Mx=RM)俯仰力矩PM（My）以Y轴为中心，抬头为正横摆力矩YM(Mz)以Z轴为中心，车头右偏为正侧倾力矩RM(Mx)以X轴为中心，右倾为正2019/8/15太原理工大学车辆工程系30太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩2019/8/15太原理工大学车辆工程系31太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩空气阻力（气动阻力）汽车行驶时，其表面与空气相互作用而产生的阻力统称为空气阻力空气阻力主要与汽车的行驶速度及汽车外形有关空气阻力分为摩擦阻力与压力阻力两部分摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。摩擦阻力与车身表面质量及表面有关。压力阻力是作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力。压力阻力中的形状阻力占主要部分，所以车身主体形状是影响空气阻力的主要因素，改进车身流线型体是减少空气阻力的有效途径。2019/8/15太原理工大学车辆工程系32太原理工大学车辆工程系作用在车身上气动力和力矩作用在汽车上的气动阻力形状阻力（压差阻力FormDrag）干扰阻力(InterferenceDrag)内部阻力(InternalFlowDrag)诱导阻力(InducedDrag)摩擦阻力(SkinFriction)前四种是由于压力造成的阻力2019/8/15太原理工大学车辆工程系33太原理工大学车辆工程系空气阻力的组成58%14%12%7%9%各种阻力所占百分比形状阻力干扰阻力内部阻力诱导阻力摩擦阻力•4.1轿车的空气阻力由轿车表面凸出的零件引起气流相互干扰而产生的阻力车身前部的正压力和车身后部的负压力所产生的压力差而引起的阻力由轿车室内通风的气流和冷却发动机的气流所造成的阻力。由升力引起的由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力2019/8/1534太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力形状阻力（压差阻力）汽车前后压力差造成的其大小由汽车外形决定气流分离点设计是减少形状阻力的主要内容2019/8/15太原理工大学车辆工程系35F压力F真空拉力F压阻=F压力+F真空拉力太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力干扰阻力汽车表面凸起物对气流的干扰形成的要避免凹、凸起物，仔细设计门把保险杠等附件2019/8/15太原理工大学车辆工程系36太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力2019/8/15太原理工大学车辆工程系37太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力诱导阻力气动升力在水平方向的分离诱导阻力与升力和车身宽长比有关（见P17公式2-10）减小升力系数和适当增宽车身可以减小诱导阻力2019/8/15太原理工大学车辆工程系38F太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力摩擦阻力由于空气的粘滞性而形成的空气与车身表面以及附面层之间的摩擦力造成的取决于车身面积和光滑程度总气动阻力车身气动设计时主要内容,它取决于气动阻力系数、汽车正投影面积和车速其中正投影面积A可以估算A=0.81BH2019/8/15太原理工大学车辆工程系39DACv221D太原理工大学车辆工程系作用在汽车上的气动阻力常见车气动阻力系数见表2-2和表2-32019/8/15太原理工大学车辆工程系40•0.15-ApteraMotorsTyp-1•0.25T