汽车设计与空气动力学研究现状的综述

北京信息科技大学研究生部汽车设计与空气动力学研究现状的综述报告学院：机电工程学院专业：机械工程班级：研1202班学号：2012020045姓名：曹国栋指导教师：林慕义（教授）完成日期：2012年11月26日目录前言................................................................................................................................11汽车空气动力学概述.................................................................................................31.1汽车空气动力学...............................................................................................31.2空气动力学基本理论.......................................................................................41.2.1理想流体、不可压缩流体和定常流.....................................................41.2.2流体的基本方程.....................................................................................41.2.3气流分离现象.........................................................................................51.3车身表面的压力分布.......................................................................................61.3.1压力系数.................................................................................................61.3.2车身各部位的压力分布.........................................................................71.3.3汽车空气动力学装置.............................................................................82车身整体优化造型概况.............................................................................................92.1纺锤状的流线体...............................................................................................92.2水珠体...............................................................................................................92.3卡曼-背...........................................................................................................102.4“鲸状”理论模型..........................................................................................102.5Morelli模型....................................................................................................113国内外关于汽车设计与空气动力学的研究现状...................................................123.1国内汽车设计与空气动力学的研究现状....................................................123.2国外汽车设计与空气动力学的研究现状....................................................154总结与展望...............................................................................................................20参考文献......................................................................................................................211前言德国人KarlBenz于1886年制造出了世界上第一辆内燃机驱动的汽车。一百多年后的今天，汽车已经不再是简单的具有车轮和车架的代步运输工具，通过逐步地发展完善，精密的现代汽车已经具有了复杂的机械结构、优良的发动机和高性能的传动制动系统。最初的汽车，车速相当低，所以在设计中，除了要考虑的机械性能问题外，并没有考虑空气动力学方面的问题。随着技术的发展，汽车性能在逐步提高，汽车行驶速度不断加快，驾驶员和乘客开始处于气流之中，挡风玻璃随之出现，空气阻力的影响开始突出起来。20世纪初期，人们开始认识汽车动力特性的同时，也开始关注汽车行驶的气动力影响。对于汽车整体外观，其变化的几个阶段就是考虑了气动性能产生的影响。我国汽车工业技术相对落后，开发能力不强，缺乏国际竞争力。进入二十一世纪以来，随着我国加入WTO步伐的加快，以及我国各个汽车工业集团在自主研发方面的奋发图强，使得我国汽车工业面临新的机遇和挑战。而汽车空气动力特性直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。汽车的气动阻力与车速的平方成正比，即气动阻力所消耗的功率和燃油与车速的立方成正比，因此通过汽车空气动力学研究来降低汽车气动阻力、提高发动机燃烧效率、改进发动机冷却效果，不仅可以提高汽车动力性，而且还可改善其燃油经济性。对于高速行驶的汽车，良好的空气动力稳定性(侧风稳定性、高速操纵稳定性)至关重要，而通过空气动力学途径提高制动器制动效能则是汽车高速、安全行驶的前提。改善车身内部流场品质和散热、取暖、除霜等特性，减少尘土污染和降低气动噪声，又是乘坐舒适性的基本保证。为了改进汽车空气动力学特性，全球汽车工业界都投入了巨大的人力、物力对汽车内外流场的流动及相关现象进行研究。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，它为汽车空气动力学的发展作出了巨大的贡献。而随着计算机和数值仿真方法的迅速发展，属于新型交叉学科的汽车计算流体力学得以蓬勃兴起，它为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。汽车计算流体力学采用数值计算方法，通过计算机求解相应的数学方程组，研究汽车绕流的空间运动特性，给出流动规律，为汽车设计提供科学依据。汽车计算流体力学的兴起也促进了汽车实验研究和理论分析方法的发展，三者相辅相成必将进一步推动汽车气动特性的设计和研究。2本文以汽车空气动力学基础知识及国内外关于汽车设计与空气动力学关系的研究现状为基础做综述性总结，希望能对以后的研究指明方向和提供帮助。31汽车空气动力学概述1.1汽车空气动力学[1][2][3]空气动力学是研究物体与周围流体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部分。汽车空气动力学与航空空气动力学同属较早发展起来的领域。但是由于历史原因，航空空气动力学的理论、实验和计算在上个世纪得到迅猛的发展。而直到上世纪下半叶，随着汽车车速的不断提高以及能源问题的日趋严重，汽车空气动力学才获得再一次加速发展。由于汽车空气动力学与航空空气动力学有诸多相似之处，如：良好的驾驶或飞行特性；低气动阻力需求；各种作用力的平衡以及确保横向稳定性等等，以及由于汽车空气动力学中的许多方面研究直接源于航空空气动力学的研究成果，因此现就汽车空气动力学与航空空气动力学相比较来叙述汽车空气动力学自身的特点，汽车空气动力学着重于研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车的相互作用，逐步独立发展成为空气动力学的一个分支，其主要研究内容包括：（1）阻力特性(即风阻)：在保证其他各项性能的同时通过汽车外形的优化设计尽可能减小车身风阻，以提高汽车动力性、燃油经济性；（2）升力、侧向力特性及气动力矩特性：由此改善汽车操纵稳定性和行驶稳定性，提高汽车安全性能；（3）汽车发动机舱热流动管理：通过对发动机舱内各部件的合理布置，让气流有效的对舱内各部件进行冷却，从而提高各部件的工作效率和产品寿命，同时降低行驶阻力；（4）驾驶室内的流动特性：通过进风口、出风口位置和角度的合理设计，有效的组织室内空气的流动，改善乘客舒适性；（5）气动噪音的影响：通过对车身部件引起气动噪音的分析来降低车身细节部分所产生的噪音，提高乘坐舒适性；（6）通过汽车外形以及相关附件的设计来避免泥土灰尘上卷、雨刮器上浮等等。41.2空气动力学基本理论1.2.1理想流体、不可压缩流体和定常流理想流体：假想的不具有粘性的流体，当空气绕物体流动时，若速度不太大，温度变化很小时，可处理为理想流体。不可压缩流体：压强和温度变化不大时可处理为不可压缩流体；不可压缩的流体密度设为常数。流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若流场中任何一点的流动参数均不随时间变化，则这种流动称为定常流，否则为非定常流。在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的函数，和时间无关。例如在风洞中进行的气动力试验，就是一个定常流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以在流动的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流来处理。1.2.2流体的基本方程1.连续性方程（1）对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即：CAVAV222111(1-1)式中：1、2——1、2截面上的平均密度；1V、2V——1、2截面上的平均流速；1A、2A——1、2截面上的截面积；C——常数。（2）对于不可压缩流体（C21），有：CAVAV2211(1-2)连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变。如图1.1所示。5图1.1定常流动示意图示意图2.伯努利方程伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。对于不可压缩流体，有：CmVmpmgz2//2，即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重力很小，则：CVp221，即静压力与“动压力”之和为一常数。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。1.2.3气流分离现象当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零(00YYP)时,气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面