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第六章汽车的空气动力性能第一节概述第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布第四节改善汽车空气动力性能的措施主要内容空气动力学（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（AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics）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）第一节概述第一节概述研究手段：风洞风洞（windtunnel），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1.汽车行驶时所受到的气动力和力矩气动力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。质心C．G．212qFFFPSCSC迎风面积S车身形状系数xyzFFFF第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩空气阻力：212xDFSC气动升力:212zyFSC侧向分力：212yZFSC第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩2211()22yxCZCDCZCMyMFZFXCZCXLC纵倾力矩又称俯俯仰力矩My，(以使汽车抬头为正)：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)：221122ZyCyCMZMFXSCXSLC侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)：221122xyCZCMXMFZSCZSLC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212xDFSC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产生原因影响因素一般轿车CD=0.45理想型跑车CD=0.20形状阻力汽车前后压差车身表面形状及其交接处的转折方式58%70%摩擦阻力空气与车身摩擦车身表面的面积和光顺程度9%20%诱导阻力空气升力的纵向分力气动升力7%0干扰阻力扰动表面突起和各种附件14%5%内部阻力内循环阻力冷却气流和车内通风12%5%第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩（一）空气阻力与最大车速的关系如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动力全部用来克服滚动阻力和空气阻力，即：2D21)(aZtAVCfFGF)(21D2ZaCCAVGf第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩在其它因素不变情况下，具有最大驱动力Ftmax时，可以获得最高车速：21Dmaxmax)(21ZtaCCAGfFV可以看出，当Ftmax和G一定时，减小阻力系数CD使最高车速Vamax提高，或提高升力系数CZ可以使最大车速提高。但应注意到提高汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所以不能通过提高CZ来提高Vamax。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩（二）空气阻力对加速度的影响加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究空气阻力对汽车加速度的影响。我们对下式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度：2D233600aTeaAVCGfdtdPdtdV第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩式中，dPe/dt是表示汽车发动机功率随时间的增长率，它取决于发动机功率曲线。其值可由发动机试验确定。由上式可见，汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能，其次，汽车加速度还与汽车的空气阻力系数CD近似反比关系，减小汽车的空气阻力，就可以使汽车的加速度增大。同时看出，减小汽车重量G，也会有利于汽车加速度的提高。（三）空气阻力对燃油经济性的影响汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。在中国及欧洲，燃油经济性指标的单位为L/100km，即行驶100km所消耗的燃油升数，其数值越大，汽车燃油经济性越差。美国为MPG线mile/USgal，指的是每加仑燃油能行驶的英里数，这个数值越大，汽车燃油经济性越好。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选择和使用保养等。下面主要就汽车外形所决定的空气阻力对燃油经济性的影响加以举例说明。空气阻力对燃油消耗量的影响，是与车种、行使道路和使用情况有关，因为各种汽车的空气阻力的大小是各不相同的。当汽车在丘陵地带行驶时，在汽车上除作用有滚动阻力和空气阻力外，还作用有加速阻力和爬坡阻力，这些阻力都要由驱动力来克服，因而都要消耗燃油，各种车辆的每100km的燃油消耗量，以及各种阻力燃油消耗量的百分比例示如图。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩各种车辆燃油消耗量由图可见，小型客车用于克服空气阻力的燃油消耗量的比例最大，其次是普通货车。前者占总燃油消耗量的比例为50%左右而后者为32%左右。如汽车在平路上行使，当车速Va=80～100km/h时，空气阻力占城际客车总阻力的相当大一部分。而市内客车，由于其停车次数的增加，平均速度下降而空气阻力也就大大减小。但其加速阻力却增大很多，因而其空气阻力所占比例较小。空气阻力系数降低对燃油经济性是很可观的。下图为AUDI100轿车的试验数据，例如，CD从0.42降到0.30，在混合循环时，燃油经济性可改善9%左右，而当以150km/h高速行驶时，燃油经济性竟能改善25%左右。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩AUDI100空气阻力系数降低导致的燃油经济性改善半挂车空气阻力对燃油消耗量的影响第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩半挂车、大客车和轻型客车在各种道路条件下空气阻力减小带来的燃油节省量如图。大客车空气阻力对燃油消耗量的影响轻型客车空气阻力对燃油消耗量的影响第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩国产CA141货车曾进行了公路实车百公里油耗试验，采用加与不加附加装置对比试验，得出百公里油耗降低量如表。结果表明，加前阻风板、蓬和导流罩等空气动力学附加装置，可使CA141油耗降低2～4L/100km。附加装置工况加前阻风板加车箱及保险架辅助板加蓬加蓬及导流罩满载v=45km/h0.5～0.80.2～0.53～3.53～4空载v=45km/h0.2～0.50.15～0.22～32～3.5v=60km/h1～21～1.53.5～3.93.5～4.2CA141货车采用附加装置后的百公里油耗降低量（L/100km）第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩下面我们举例计算一辆CA141货车的年油耗节省量。假设货车以45km/h的平均车速，每天行驶3h，每年使用260天，则年行驶里程为81900km，采用空气动力学附加装置后年油耗节省量为1638～3272L。这个数字是非常可观的第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩3汽车的气动升力212xZFSC正比升力产生的原理CZ上下表面曲率上下表面压差f(x)反映了车身形状和位置状态对升力的影响程度，是评价汽车升力特性的重要指标。提示：为安全考虑，减小气动升力比降低空气阻力更为重要!!!第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩降低升力的措施：（1）采用负迎角迎角:汽车前、后形心的连线与水平线的夹角。前高后低为正,迎角越大,升力越大造型应前低后高，产生负升力更好！第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩（2）在汽车前端底部、后端加扰流板第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩（3）车尾地板向上翘起一个角度第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩（4）汽车底部板向两侧略微上翘使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧疏导时加快了底部的气流速度而使升力下降。（5）斜背加”鸭尾”第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩4汽车的空气动力稳定性影响汽车操纵稳定性的气动力可分为：⑴升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力；⑵侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性；⑶侧倾力矩：关系到侧向稳定性；1.升力及纵倾力矩由于汽车车身上部和下部气流流速不同而产生压力差，从而产生升力FZ。由于升力而产生绕y的俯仰力矩MY。2.侧向力及横摆力矩当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x轴成β角，在y方向上受到了侧向力，侧向力将随β角的增加而直线上升。如果侧向力的作用点与坐标原点有个距离（这个值指随车身形状和横摆角而变化），即产生绕z轴回转的横摆力矩。3．侧倾力矩由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕x轴的侧倾力矩。这个力矩通过悬挂装置到车架至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于力矩回转的方向，使一侧车轮的负荷增加，而另一侧车轮负荷减小。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩侧向力对稳定性的影响风压中心在质心前边不好！克服侧向力和横摆力矩的措施横摆力矩关系到行驶时的直线性和侧风稳定性，它具体表现在侧向力对重心的关系上（如上图）。⑴侧向力作用于重心之前，这时汽车头部将随侧向风向外侧转动，它趋向于使侧向力增大，导致稳定性恶化。⑵侧向力作用于重心之后时，汽车头部将向内侧转动，有利于减弱侧向力，提高稳定性。⑶侧向力作用在重心点上时，汽车将有侧移，但能基本保持行驶方向。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩克服横摆力矩的汽车造型措施：⑴总体设计时，尽量合理安排各总成，做到风压中心处于重心之后，以提高稳定性。⑵尽量压低车身高度，处理好横截面的流线型性，以降低横摆力矩。⑶车身后端加尾翘或采用方背式布置，使风压中心后移，以减小横摆力矩的不安定成分。但加尾翘后，汽车承受的侧向风将增大，此点不容忽视。第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩一般前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车则往往因其车身重心后移，因侧向风的作用而产生不安定性。箱型车比一般小轿车的侧风稳定性要好一些，因箱型车的车身截面后部较大，风压中心在重心之后，当遭受侧风时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。使风压中心后移的附加措施a）加尾翘b）方背式第二节汽车行驶时所受到的气动