汽车空气动力学第二章 汽车空气动力学概述
汽车空气动力学
a) 后扰流器起作用
b) 后扰流器不起作用
后扰流器的形状和位置对CD的影响
车头产生负生力的原理
车头造型对前部气动升力的影响
车尾造型对后部气动升力的影响
后扰流器对表面压强的影响
2.5 分离现象与涡流
图所示是物体表面各部位的速度梯度的情况。从a到最 大截面d空气流速逐渐增加，而流过最大截面后，流 速又逐渐减少。由于空气附面层的粘性，e、f、g的流 速已不可能与c、b、a的流速对称，而是更慢，在k处 就使得某微层的速度为零，k以下的微层发生倒流现象， 产生涡流。
分离和涡流耗费能量，使阻力增大。
轿车空气动力学研究内容
2.1 空气动力学基本概念
“流场”——空气动力学中，把流经物体的气流的属性， 如速度v，压强p，密度 等，表示为空间坐标(x,y,z)和时 间t的函数, 如v=v(x,y,z,t)、p=p(x,y,z,t)、 x, y, z, t 分别 称为速度场，压强场和密度场，统称为“流场”。随时间 变化的流场，称究气流的运动，在气流中引人一条假 想的曲线，它任何一点切线的方向都与该时刻气流质点速 度向量的方向相同。流线所给出的，是在同一瞬时，线上 各气流质点运动方向的图形。 “流谱”——在某一瞬时的流场中，许多流线的集合，可 通过流谱来描述气体流动的全貌。
侧壁外鼓尺寸对CD的影响
顶盖上鼓尺寸对CD的影响
后风窗斜度对CD的影响
最佳车尾高度
实例: VW-Passat车后风窗斜度后后行李箱盖的高度对CD的影响
后体横向收缩对CD的影响
车身低部高度对CD的影响
车身低部纵倾角对CD的影响
车身底板纵曲率对CD的影响
前扰流板高度、位置和倾角对气动阻力的影响
2.4 伯努利方程式
汽车空气动力学
，所以产生有粘性
切应力τ，摩擦阻力直接与气流底层y=0处的 ∂ v 速度梯度 ∂ y 大小有关，如今y=0处的粘 性切应力为τ0:
y = 0
τ0
∂v = η ⋅ ∂y y =0
(3-3)
在标准状况下（一个大气压，15°C）， 空气动力粘度η=1.7894×10-5N·s／㎡。尽管 空气动力粘度系数很小，但由于附面层的厚度 很小，附面层内的速度梯度很大，所以附面层 内产生的切应力和摩擦力不能忽略。由于附面 层外的速度梯度较小，在那里我们可以不考虑 空气的粘性作用而把它看成为理想流体。
前进，因而不可避免地还会遇到滚动阻力；当汽 车在有坡度的道路上行驶时，还会遇到爬坡阻力。 此外，汽车在行使中必然会遇到各种交通情况， 时而需要加速，时而需要减速，因而还会有加速 阻力。在水平路面上匀速行驶时只有气动阻力和 滚动阻力，下面主要介绍这两种阻力。 1．气动阻力 FX 由前面分析可知，无环境风时，气动阻力可 以用下式表示： 1 FX = C X ρVa2 A (3-7)
1 Ft = (G − FZ ) f + ρC X AVa2 2 1 = Gf + ρAVa2 (C X − C Z ) 2
(3-12)
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，由式(3-12) 1 得： 2
Va max Ft max − Gf = 1 ρA(C X − C Z ) 2
具有自身的特点。例如：汽车空气动力学与航 空空气动力学有着非常相似之处，都需要降低 气动阻力并保持行驶稳定性或飞行稳定性，从 而得到良好的行驶性能或飞行性能。另外，航 空动力学仅承受空气动力学；汽车行驶在地面， 除空气动力学外，还受地面传来的各种力，汽 车底部的气流状况与飞机底部完全不同；汽车 与飞机在处理升力问题上差别很大；此外飞机 速度接近或超过声速，而汽车的速度远小于声 速，在研究空气动力性质和基本假设是不同的。
车辆空气动力学
车辆空气动力学车辆空气动力学是指车辆行驶时空气对车辆的影响和作用的学科。
空气动力学在汽车设计中起着至关重要的作用，它涉及到车辆的气动外形设计、空气阻力、升力、气流优化等方面，直接影响到车辆的性能、稳定性和燃油经济性。
车辆在行驶过程中，空气对车辆的影响主要表现为空气阻力和升力。
空气阻力是车辆行驶时空气对车辆前进方向施加的阻力，直接影响到车辆的速度和燃油消耗。
为了降低空气阻力，汽车设计师需要通过合理设计车身外形、减小车身侧面积、降低车身下压力等方式来优化车辆的空气动力学性能。
除了空气阻力，车辆在高速行驶时还会受到空气的升力影响。
升力会使车辆在高速行驶时产生不稳定的飘移现象，降低车辆的操控性和行驶稳定性。
为了减小升力，汽车设计师需要通过设计合理的车身下压力装置、增加车身稳定性等措施来改善车辆的空气动力学性能。
在汽车设计中，空气动力学设计是一个复杂而重要的领域。
设计师需要考虑车辆的外形、车身结构、进气口、排气口等因素，以确保车辆在高速行驶时具有良好的空气动力学性能。
通过使用计算流体力学（CFD）等工具，设计师可以模拟车辆在不同速度下的空气流动情况，优化车辆的空气动力学性能。
除了影响车辆性能和燃油经济性外，空气动力学还可以影响到车辆的外观设计。
许多现代汽车设计都采用了流线型的外形设计，以降低空气阻力和减小升力，提高车辆的性能和稳定性。
流线型的外形设计不仅具有美观的外观，也是对空气动力学原理的有效运用。
总的来说，车辆空气动力学是汽车设计中不可忽视的重要领域。
通过优化车辆的空气动力学性能，可以提高车辆的性能、稳定性和燃油经济性，为驾驶员提供更加安全和舒适的驾驶体验。
未来随着科技的不断发展，空气动力学在汽车设计中的作用将变得更加重要，为汽车工业的发展带来新的机遇和挑战。
空气动力学
连续性方程
对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即
ρ1V1A1= ρ2V2A2 = ······=常数
对于不可压缩流体（ ρ1= ρ2 = ······=常数），有 V1A1= V2A2 = ······=常数
z z
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。
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¾后面应采用鸭尾式结构。
4）车身底部
¾所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。
底部比较凌乱
底部比较凌乱
5）发动机冷却通风系统
¾仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。
冷却前制动器
冷却发动机和制动器
冷却前制动器
冷却后制动器和润滑系统
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冷却后制动器
为发动机提供充足的空气
后视镜
后视镜设计 也要注重流线形
后视镜
后视镜
门把手
车轮旋转对气流的影响
• • • 马格纳斯效应(Magnus effect)：在流体中运动的旋转圆柱受到 力作用而影响它的行进路线的一种现象。 路面上滚动的车轮受到一升力作用。 车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。
车轮旋转
汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状 态的能力。
气压中心在质心之前：
气压中心在质心之后：
气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。
车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力 稳定性越好。
形心
形心
2.3.4 侧倾力矩
¾侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并影响左右车轮负荷 重新分配。 ¾侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，减少侧倾力矩的措施 主要是 尽量降低车身；增大车宽； 使风压中心在高度上接近侧倾轴线
空气动力学总结
汽车空气动力学总结第一章绪言一、何谓汽车空气动力学：以流体力学和空气动力学的基本原理、基本方法，分析汽车绕流汽车时的速度场、压强场，来研究作用在汽车上的气动力、气动力矩及其对汽车造型和性能影响的一门学科。
二、研究内容：1•气动力和气动力矩2.流场3.内部设备的冷却4. 散热通风和空调三、促使汽车空气动力学迅速发展的几个重要原因1.实用车速的提高2.石油危机价格暴涨3.市场竞争日趋激烈，促使各汽车厂家注重汽车性能。
四、汽车设计外形的要素1.机械工程要素：满足构件的布局，易于制造，方便维修。
2.人体工程要素：保证乘员乘坐舒适，上下方便，视野广阔，安全。
3.流体力学要素：满足流体力学方面的要求。
4.商品学要素。
五、小轿车外形的演变1、箱型汽车2、甲虫型汽车3、船型汽车4、鱼型汽车5、楔型汽车6 、未来型汽车各种型号汽车的特点六、货车和客车的造型问题第二章空气动力学基本原理大多数问题在流体力学中都有所设计，不在作详细论述，重要问题：从空气动力学的观点考察作用在汽车上的气动力和气动力矩1、摩擦阻力以边界层反映出的摩擦阻力2、压差阻力形成的原因3、诱导阻力分析诱导阻力形成的原因4、汽车坐标系的建立第三章空气动力对汽车性能的影响一、牵引力必须克服的各种阻力1、气动阻力X二C x 1W2A22、滚动阻力X R=(G -Y)f R忽略Y则X R=Gf3、爬行阻力X c G sin -4、加速阻力X A」ag汽车在水平无风的路面上等速行驶时，总阻力只有滚动阻力和气动阻力12A Gf由前述知，气动阻力系数下降，燃油消耗率下降。
第四章小轿车的气动造型一、 小轿车表面气流的流动情况1、 以阶梯背为例进行分析各部位的流动情况阻力总阻力气动阻力滚动阻力― vN e总阻力气动阻力二、 功率和车速的关系1、 气动阻力消耗的功率和车速的三次方成正比2、滚动阻力近似和速度的一次方成正比 三、气动力和最大车速的关系r T max 一Gf R 行 書 ]TA(C x -C y f R )由上式知：气动阻力系数下降，最大速度增大。
车辆空气动力学
车辆空气动力学
车辆空气动力学是研究汽车在行驶过程中受到的空气力学影响的学科。
它主要涉及到汽车的空气阻力、升力、侧向力等方面。
首先，我们来谈谈汽车的空气阻力。
当汽车行驶时，空气会与汽车表
面发生摩擦，从而产生阻力。
这种阻力被称为风阻力或者空气阻力。
它是影响汽车行驶速度和燃油消耗的重要因素之一。
为了减少空气阻力，现代汽车设计中采用了各种手段，如改善流线型外观、增加负压
区域等。
其次，升力也是一个重要的问题。
在高速行驶时，汽车底部受到下方
流体的作用会产生负压区域，而顶部则会出现正压区域。
这种情况容
易导致汽车失去稳定性并造成危险。
因此，在设计过程中需要考虑增
加底部负压区域以提高稳定性。
最后，侧向力也是一个需要考虑的问题。
当风从侧面吹来时，会对汽
车产生侧向推力。
这种推力容易导致汽车失去平衡并产生侧翻等危险。
为了减少侧向力的影响，现代汽车设计中采用了各种手段，如增加侧
面风防护板、增加悬挂系统的稳定性等。
总之，车辆空气动力学是汽车设计中不可忽视的一个方面。
通过优化
设计可以减少空气阻力、提高稳定性和安全性，从而提高汽车的性能和效率。
车辆空气动力学
车辆空气动力学
车辆空气动力学是指车辆在行驶过程中，由于空气对车辆表面的影响而产生的力学现象。
在汽车设计中，空气动力学是一个至关重要的领域，它直接影响着汽车的性能、燃油效率和稳定性。
车辆空气动力学在汽车设计中起着至关重要的作用。
通过合理设计车辆外形和流线型，可以降低车辆的气动阻力，提高车辆的燃油效率。
同时，减小气动阻力还可以提高车辆的稳定性和行驶性能，使驾驶更加舒适和安全。
因此，汽车制造商在设计新车型时都会对车辆的空气动力学性能进行深入研究和优化。
空气动力学对汽车性能有着直接影响。
汽车在高速行驶时，空气阻力会变得更加显著，影响车辆的加速性能和最高速度。
通过优化车辆外形和流线型，可以减小气动阻力，提高车辆的动力性能，使汽车更具竞争力。
此外，空气动力学还可以影响汽车的稳定性和操控性，对于高速行驶和紧急制动有着重要作用。
再者，空气动力学还对汽车的燃油效率有着重要影响。
车辆在行驶过程中，空气阻力会消耗部分车辆的动力，导致燃油消耗增加。
通过优化车辆外形和减小气动阻力，可以降低车辆的燃油消耗，提高燃油效率。
这不仅有利于减少能源消耗，还可以降低汽车运行成本，对于环境保护和可持续发展具有重要意义。
总的来说，车辆空气动力学是汽车设计中一个至关重要的领域，它
直接影响着汽车的性能、燃油效率和稳定性。
通过优化车辆外形和流线型，可以降低气动阻力，提高车辆的性能和燃油效率。
汽车制造商在设计新车型时都会对车辆的空气动力学性能进行深入研究和优化，以确保汽车具有更好的性能和经济性。
因此，空气动力学对于汽车行业的发展具有重要意义，也是未来汽车设计的重要方向之一。
汽车空气动力学简介1
二
空气动力学特色
经典流体力学(Hydrodynamics)：流体不可压缩，控制 方程只涉及运动学（质量守恒）和动力学（牛顿定律） 空气动力学考虑可压缩性，涉及运动学、动力学、热 力学（能量守恒）和气体的状态方程共四个方面的相 互耦合。空气动力学涉及低速和高速，气体动力学只 涉及高速，汽车空气动力学研究低速运动，不考虑气 体的物理化学效应。 预备内容：热力学（状态方程、热力学定律、完全气 体的热力学特性、统计物理等）与流体力学基本方程
A点以前，压力沿车身长度方向是递减的，即吸力越来 越大。A点以后是递增的，分离多发生在A点以后，因 此排气口放在这一区域，可以起到吹除作用，延缓气流 分离。
负升力实际改善了高速时轮胎的抓地性能，所以也改善高 速时的加速性。空气动力对稳定性的影响：稳定性是指处于平 衡状态的系统（车辆和作用在上面的力就是一个系统），由于 外来干扰（有限度的）而使平衡破坏时，在干扰除去后，靠系 统自身力量，回复原来状态的能力。它是与操纵性相对的，后 者是指改变原来平衡状态的能力。过高的稳定性，会使操纵性 变坏。 不管是从刹车、稳定性以及过弯速度看，后平尾的负升力 都扮演着重要的有利角色。为了提高它的效率，常在两端加垂 直翼面，使平尾效率接近无限翼度，增加负升力，减小诱阻。 同时若使用开缝襟翼，还能在有限翼展长内，获得更好的 负升力效果。有些赛车，没有规定底部必须为平面时，也可利 用车身底部曲面来产生负升力。 甚至将车身侧壁向下伸出，阻断产生涡流的强度。但这些 流动都非常复杂，理论很难解决，往往是在试车中，不断完善 的。更细微的改进，有很多地方，还要接合每站赛道的特点， 专门进行改装，以取得最佳效果。
四
流场中物体所受空气动力
理想气体没有粘性，所以没有摩擦，没有能量损失， 只有动、静压的转换。流经物体后，速度可以完全恢 复，所以柱体上不产生阻力，也不产生升力。（物体 上所受的力在气流速度方向的分力称阻力，垂直速度 的称升力。）
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主编
第二章 汽车空气动力学概述
第一节 气动力和力矩 第二节 汽车的阻力特性 第三节 与汽车相关的流场 第四节 汽车空气动力学特点 第五节 汽车空气动力学的相关学科 第六节 汽车外形与空气动力特性的关系 第七节 汽车最佳气动外形的设计途径
第一节 气动力和力矩
一、气动力和力矩 二、车身表面的压力分布
1.气动阻力
图2-2 FD—09风洞测得的红旗CA774轿车的 气动阻力系数的横摆角特性(v=60m/s)
1.气动阻力
表2-3 各类汽车气动阻力系数的
2.气动升力及纵倾力矩
• 由于汽车车身上部和下部气流的流速不同，使车身 上部和下部形成压力差，从而产生升力。由于升力 而产生绕y轴的纵倾力矩。
• 侧风作用下的轻型高速汽车，车身前部可能有较大 的局部升力，汽车进风口处的冷却气流会使流过车 身的气流发生明显的变化，导致对升力的影响。作 用在汽车上的空气，有35％～40％从车身上面流过， 10％～15％从下面流过，25％从侧面流过，所以减 小车身上下部分的压力差，使大量的气流流经侧面， 可以减小升力;使底板下部流线形化，压低发动机罩 前端，减缓前风窗倾角，都可减小前端的升力。
• 作用于运动汽车上的气动力和力矩,如图2-1 所示，分为相互垂直的三个分力和三个绕 轴的矩。
一、气动力和力矩
图2-1 汽车稳定坐标系
1.气动阻力
• 气动阻力D是与汽车运动方向相反的空气力。 D=qCDA，其中q代表气流动压12ρv2∞。气动 阻力D取决于正面投影面积A和气动阻力系 数CD，而汽车外形的空气动力特性由气动阻 力系数CD来描述。通常正面投影面积取决于 汽车的外形尺寸，这是由设计需要决定的， 因此减小气动阻力就是要减小气动阻力系 数。
一、阻力分类
图2-10 气动阻力的分类
二、压差阻力与表面摩擦阻力
压差阻力和表面摩擦阻力的本质来自于气流的 粘性。绕流作用在车身表面，产生了压力场和 切应力场，如果当地的逆压梯度超过了一定的 陡度，则造成气流从车身表面分离。当气流分 离时，产生的压力分布与无粘流不同，随着产 生的边界层厚度的增加，切应力减小，直至分 离点减至零。
2.气动升力及纵倾力矩
图2-3 各种外形汽车的前后轮负荷随横摆角变化的状况
2.气动升力及纵倾力矩
图2-4 各种外形汽车升力系数的横摆角特性
3.侧向力及横摆力矩
侧向力和横摆力矩都影响汽车的行驶稳定性。在非对称气流中， 横摆力矩有使汽车绕垂直轴(z轴)转动的趋势。如果所产生的横 摆力矩有减小横摆角的作用，那么汽车具有稳定的气动性能， 上述结果可表示为
2 驾驶室内的气流
• 穿过驾驶室内气流有如下三个作用： • 1）保证足够的通风，使驾驶室内所有污染
的空气和尘土排出，同时更新呼吸消耗的 氧气。 • 2）在车外气候极大的变化范围内，保证驾 驶室内气候舒适。 • 3）内部气流必须穿过车窗，以除霜。
第四节 汽车空气动力学特点
• 一、汽车空气动力学的重要结论来自于实验 • 二、数值计算不能取代风洞实验
3.侧向力及横摆力矩
图2-5 风压中心的位置
3.侧向力及横摆力矩
图2-6 各种外形汽车的侧向力系数的横摆角特性
3.侧向力及横摆力矩
图2-7 不同外形汽车的横摆力矩特性
3.侧向力及横摆力矩
图2-8 尾翼对侧向力系数的影响
4.侧倾力矩
• 侧倾力矩对汽车左右车轮的重量分配有较大 的影响，并且直接影响到汽车的侧倾角。侧 倾力矩主要是由车身侧面形状决定的，一般 侧面流线形好的汽车，侧倾力矩相对较小。 汽车的高度和宽度对侧倾力矩影响很大，一 般低而宽的汽车侧倾力矩系数比高而狭长的 汽车的侧倾力矩系数小。汽车设计时，应尽 量使风压中心接近侧倾轴线。
三、诱导阻力
图2-11 不同尾部外形汽车的尾流
第三节 与汽车相关的流场
• 一、 与汽车相关的流场分类 • 二 、汽车外部流场 • 三、 汽车内部流场
一、 与汽车相关的流场分类
• 与汽车相关的流场分为汽车周围的外部流 场、穿过汽车车身内部的流场，以及发动 机室及变速器等机体内的流场三类。
二 、汽车外部流场
一、汽车空气动力学的重要结论来自于实验
• 飞机空气动力学在相当大的范围内采用理 论分析。当今飞机的空气动力学设计从理 论分析亦即从数值计算开始，然后进行小 模型的风洞实验，最后才进行样机的飞行 试验。
二、数值计算不能取代风洞实验
• 飞机的记忆、机身和尾翼可以单独考虑， 因此飞机周围的气流计算就得到了简化， 各部分的相互作用也可以用理论方法来评 价。
二、车身表面的压力分布
• 图2-9 车身表面压力分布图图2-9为某国产 轿车的车身表面压力分布图。车身表面的 压力系数用Cp表示，即
（2-1）
二、车身表面的压力分布
图2-9 车身表面压力分布图
第二节 汽车的阻力特性
一、阻力分类 二、压差阻力与表面摩擦阻力 三、诱导阻力
一、阻力分类
行驶中的汽车受到的气动力是非常复杂的，如本章第一节所 述，它可由平行于x，y，z各轴的力和绕各轴的力矩来表示。 气动阻力可分为外部阻力和内部阻力,如图2-10所示。 外部阻力系数CD′可表示为
第五节 汽车空气动力学的相关学科
• 一、建筑空气动力学 • 二、火车（列车）空气动力学 • 三、船舶空气动力学
一、建筑空气动力学
• 与汽车空气动力学相关的学科有建筑空气 动力学，它研究的主要内容是：
• 汽车的外部流场使汽车受到力和力矩的作 用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定 性产生极大的影响。
三、 汽车内部流场
• 1 发动机冷却系统的气流 • 2 驾驶室内的气流
1 、发动机冷却系统的气流
• 发动机冷却系的作用是散掉与发动机有用 功大致相当的热量。随着汽车设计技术的 发展，对冷却系设计也提出了更高的要求。
一、气动力和力矩
1.气动阻力 2.气动升力及纵倾力矩 3.侧向力及横摆力矩 4.侧倾力矩
一、气动力和力矩
• 汽车行驶时，除了受到来自地面的力外， 还受到其周围气流的气动力和力矩的作用。 来自地面的力取决于汽车的总重、滚动阻 力和重心位置。气动力和力矩则由行驶速 度、车身外形和横摆角决定。图2-1 汽车 稳定坐标系