第三章汽车空气动力学.
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空气动力学第三章
⎡ ⎤ ⎥ ρ ⎢ γ +1 = ⎢ ⎥ ρ * ⎢ 2(1 + γ − 1 M 2 ) ⎥ 2 ⎣ ⎦
（3.13）
γ /( γ −1)
（3.14）
⎡ ⎤ ⎥ γ +1 c ⎢ = ⎢ ⎥ c* ⎢ 2(1 + γ − 1 M 2 ) ⎥ ⎣ ⎦ 2
1/2
（3.15）
考虑能量方程：
V = 2c p (T0 − T ) = 2γ R (T0 − T ) γ −1
& m G * = ( ) max A
R (1 + γ − 1 M 2 )(γ +1)/[2(γ −1)] 2 & p γ 2 (γ +1)/(γ −1) m = *= 0 ( ) A T0 R r + 1
γ
M
A G 1 2 γ − 1 2 ( γ +1)/[ 2( γ −1)] M )] = = [( )(1 + * A G M γ +1 2
γ − 1 *2 M γ +1
马赫数和临界马赫数的关系曲线如图3.6所示：
当M<1时,M*<1; 当M=1时,M*=1; 当M>1时,M*>1; 当M趋近无穷时;
M* = r +1 r −1
• 3.4 由马赫数表示的质量流流率
& m G = = ρV A
ρ = p / RT
c = γ RT
V γ G = p( ) c RT
V2 = M2 γ RT
T0 γ −1 2 = 1+ M T 2
（3.4 ）
cp =
γR γ −1
公式（3.4）实用于绝热流动和等熵流动。
对于完全气体的等熵流动，其压力和密度与温度的关系 为： p0 T0 γ /(γ −1) ρ0 T0 1/(γ −1) =( ) =( ) T ρ p T 将上述公式与（3.4）结合起来，可以得到压力和密度由 马赫数来表示的关系式如下：
（3.13）
γ /( γ −1)
（3.14）
⎡ ⎤ ⎥ γ +1 c ⎢ = ⎢ ⎥ c* ⎢ 2(1 + γ − 1 M 2 ) ⎥ ⎣ ⎦ 2
1/2
（3.15）
考虑能量方程：
V = 2c p (T0 − T ) = 2γ R (T0 − T ) γ −1
& m G * = ( ) max A
R (1 + γ − 1 M 2 )(γ +1)/[2(γ −1)] 2 & p γ 2 (γ +1)/(γ −1) m = *= 0 ( ) A T0 R r + 1
γ
M
A G 1 2 γ − 1 2 ( γ +1)/[ 2( γ −1)] M )] = = [( )(1 + * A G M γ +1 2
γ − 1 *2 M γ +1
马赫数和临界马赫数的关系曲线如图3.6所示：
当M<1时,M*<1; 当M=1时,M*=1; 当M>1时,M*>1; 当M趋近无穷时;
M* = r +1 r −1
• 3.4 由马赫数表示的质量流流率
& m G = = ρV A
ρ = p / RT
c = γ RT
V γ G = p( ) c RT
V2 = M2 γ RT
T0 γ −1 2 = 1+ M T 2
（3.4 ）
cp =
γR γ −1
公式（3.4）实用于绝热流动和等熵流动。
对于完全气体的等熵流动，其压力和密度与温度的关系 为： p0 T0 γ /(γ −1) ρ0 T0 1/(γ −1) =( ) =( ) T ρ p T 将上述公式与（3.4）结合起来，可以得到压力和密度由 马赫数来表示的关系式如下：
第三章 汽车空气动力学
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气动阻力由五部分组成：
1. 2. 3. 4. 形状阻力，占总阻力58%； 诱导阻力，占总阻力7%； 摩擦阻力，占总阻力9%； 干扰阻力，占总阻力14%； 这几部分阻力的大致比例 如图3-2所示。
图3-2
5. 内循环阻力，占总阻力12%。
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3.2.1
形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程中，在 汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流， 如图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产 生负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力 是压差阻力，又因为这都和车身形状有关，也称为 形状阻力，它占整个阻力的58 0 。
2 C xi C y
C xi Fxi
1 Vr2 A 2
（3-1）
b2 A
式中，b为汽车宽度，m ；
为空气密度，kg
m3 m2 。 A为汽车正投影面积，
诱导阻力占总空气阻力的 7 0 0 。
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3.2.3
摩擦阻力
汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气 的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。 空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流 过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板 表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的 流动，形成一种阻力称为摩擦阻力，约占总 空气阻力的 9 0 0。
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第六节
侧风作用下的气动阻力系数
在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度产 生的行驶风 (负号表示与行驶速度方向相反)和侧 风 r 的影响，气流流入合成速度 w 就是两者的矢量 和： w
其合成速度 与汽车轴线成 角 ( 图3-6 )。
r
r w 2w cos 式中 ' ——风与汽车轴线夹角。
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
空气动力学
四、空气的压缩性、膨胀性和流动性
1．压缩性（弹性） 当温度不变时， 一定质量气体的体积会随压强的大小 而变化，这种特性称为压缩性或称弹性。 2．可压缩流体和不可压缩流体 在流速不高，压强变化小的情况下，可以忽略压缩性的影 响，把气体视为不可压缩流体。在汽车空气动力学中我们 把空气当作不可压缩流体来处理， 这样在公式推导中可以 大为简化。 3．膨胀性 一定质量的气体其体积随温度变化的属性称为膨胀性。 4．流动性 气体的流动性是指在空气中运动的物体的通过性。 五、作用在气流微团上的力 1．质量力 某种力场作用在流体所有质点上的力称为质量力。 质 量力是非接触力，其大小与流体的质量成正比。如重力就 是力学中常见的质量力，它是由重力场所施加的。 单位质量所受的质量力称为单位质量力，它可表示 为：
ρ P = lim
Δv→ 0
Δm dm = ΔV dV
2．压强和温度 （1）任一点的压强
PP = lim (ΔN / ΔS ) =
Δs →0
（2）任一点的温度 1）基本型时期 (两个阶段) a 原始型阶段 b 基本型阶段 2）流线型时期（两个阶段） a 长尾流线型阶段 b 短尾流线型阶段 3）最优化时期 a 细部最优化阶段 b 整体最优化阶段 三、汽车空气动力学发展趋势 1. 气动造型与美学造型完美结合 2. 表面光顺平滑 3. 以低阻形体开发的整体气动造型与低车身高度 4.空气动力学附加装置与整体造型协调融合 5.车身表面无附件化 6.充分利用后出风口隔栅及发动机排放改善后尾流状况 7．楔形造型基础上的具有最佳弯曲线的贝壳型 第二章 空气动力学基本理论 第一节 空气的基本物理属性 第二节 气流运动的有关基础
目 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
录 绪论 汽车空气动力学基本理论 汽车的气动力 气动力对汽车性能的影响 汽车空气动力学设计 汽车车身表面污染与气动噪声 汽车空气动力学试验
汽车空气动力学性能研究
汽车空气动力学性能研究第1章引言随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的安全性能要求越来越高，特别是对汽车的空气动力学性能有了更高的要求。
汽车的空气动力学性能直接影响了车辆的稳定性、燃油经济性和行驶舒适性，是汽车设计中不可忽视的重要因素。
本文将主要讨论汽车的空气动力学性能及其相关研究。
第2章汽车空气动力学性能概述汽车的空气动力学性能主要包括气动力、阻力和升力。
气动力是指车辆在行驶时所受到的空气力，包括阻力和升力，阻力是指空气对车辆前进的阻力，而升力则是指空气对车辆垂直升力的作用。
汽车的空气动力学性能是由多种因素共同影响的，包括车身造型、气动系数、车与路面的接触、车辆速度和车辆尺寸等。
汽车的空气动力学性能研究起源于20世纪30年代，随着计算机技术的进步和气动力学实验技术的发展，汽车气动力学研究也逐步深入。
目前，汽车空气动力学研究主要集中在两个方面，一方面是通过计算机模拟来研究汽车在不同速度下的气动力学性能，另一方面是通过实验来验证模拟结果和优化汽车气动设计。
第3章汽车空气动力学性能计算方法现代汽车空气动力学性能计算方法主要包括两种，一种是通过数学模型来计算汽车的气动力学性能，另一种是通过计算流体力学方法来模拟汽车在不同速度下的空气流动情况。
数学模型是指通过数学公式来计算汽车的气动力学性能，该方法主要根据理论计算方法和试验数据来建立数学模型，然后使用数学模型对汽车的气动力学性能进行预测和优化。
数学模型的优点是计算速度快，而且可以在车辆设计的早期阶段进行优化，缺点是无法完全模拟汽车的复杂流态。
计算流体力学方法是一种通过计算机模拟来研究流体力学问题的数值方法。
它通过离散化流体问题来拟合模型，并利用高精度数值算法来求解模型方程。
该方法的优点是能够精确模拟汽车的复杂气动流动情况，得到非常准确的结果，但其缺点是计算时间较长，需要大量的计算资源和高性能计算机。
第4章汽车空气动力学性能实验方法汽车空气动力学性能实验方法主要包括隧道实验和道路试验。
汽车工程学-图文-2-3 汽车空气动力学
鱼型汽车
•1970～1980 •CD ～0.35
楔型汽车
•1980～1990 •CD ～0.3
后窗倾斜大，面 积大，降低了车身 强度 汽车高速行驶时 易产生很大的升力， 使汽车地面附着力 减小，使汽车行驶 稳定性和操纵稳定 性降低
16
车身整体向前 下方倾斜，车身 后部像刀切一样 平直，这种造型 能有效地克服升 力 楔型对于目前 的高速汽车，已 接近理想造型
14
14
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
思 考
夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？
15
15
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
箱型汽车
•1908~1931 •CD ～0.7
Automotive Engineering Research Institute
面与面交接处的棱角应为圆柱状。
19
19
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
面与面交接处的棱角应为圆柱状。
过渡不理想
20
20
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。
23
23
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
上掀式前照灯
24
24
汽车工程研究院
Automotive Engineering Research Institute
汽车空气动力学.
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，称为“非定常流场”；不随时间变化的流场， 称做“定常流场”。 “流线”——为了研究气流的运动，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。
基本原则：
1、降低高静压区气体静压，升高低静压区的气体静压；
2、延缓分离现象； 3、负迎角造型，疏导底部气流； 4、使风压中心位于汽车质心之后。
造型上改善空气动力性能的措施
1、汽车前部 使迎面气流顺畅的流过：车头部前端低矮，后倾圆化，保险
2.4 伯努利方程式
根据伯努利原理，气流静压强p与动压强pq之和 为常数。
2.4 附面层
理论上假设空气是非粘滞性的，而实 际上空气具有粘滞性，即当其相对于 表面运动时会产生内摩擦作用。与物 体表面接触的气体将受到该表面的阻 滞使相对速度变为零。邻近该表面的 空气层也被粘滞摩擦力所阻滞，其相 对于表面的运动速度也随与表面的距 离而变化。当与表面的距离超过一定 数值时，空气粒子的运动已不受粘滞 性的影响，其速度与外部气流速度相 等。因此，围绕着运动物体的一个相 对薄的空气层内，气流速度有着急剧 的变化，存在着速度梯度。该气流层 称为附面层，又称为边界层。
2.5 分离现象与涡流
汽车的空气动力学
150
200
速度 (Km/h)
（气动阻力系数）
CD= 0.30
0.25 时
日本JC08工况
3%
北美工况
5%
100km/h定速
8%
以某小型混动轿车为例
特别在高速走行时，低油耗开发是必不可少的技术。
汽车上的气动力
气动力(F) = ½ ρ V2 CD A
气动阻力系数(CD) =
F ½ ρ V2 A
ρ：空气密度 V：速度 A：正投影面积
涡街噪声的特点
风振
由前方来流撞击在天窗开口后部，产生涡 乘员舱内产生强烈震动，发出压迫耳朵的声音。
导风板
天窗开
涡 导风板 ル天ー窗フ前先端端部部分分
车顶钣金 车顶玻璃
特征
・涡较大时⇒ 频率低 ・涡的能量大 ・变化不大
笛吹音 由于压力变动产生、在狭小的空间发生共鸣
现象
发生部位
段差处的笛吹音
去除段差 增大段差
侧倾力矩（ＣＲ）
升力(Lift) 横摆力矩(ＣＹ)
横力(ＣＳ) 纵倾力矩 (ＣＰ)
空力性能对整车性能有非常大的影响。
气动阻力的贡献度
100km/h时占全部行驶阻力7成 200km/h时占全部行驶阻力9成
气动阻力降低，燃料经济性提升效果
行驶阻力
空气阻力
空气阻力
行
驶
90%
阻
力
空气阻力
70%
0
50
100
例如：
100km行驶时 ⇒ 140km时！？
50kg
〇98〇kgkg
速度增加1.4倍 ⇒ 那么、汽车行驶阻力增加约2倍
气动阻力较小的车辆
正面投影面积小
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3.2.4
干扰阻力
它是车身外面的凸起物如后视镜、流水槽、导流 板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所 造成的阻力，占总阻力的14%。
3.2.5
内循环阻力
它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空 气气流通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻 力12%。
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3.2.5
小结
减少气动阻力系数 CD C x 在车身造型设计中主要 采取下列措施 ： 1、 光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面 层剥离和涡流的产生； 2、 调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后 窗等造型的倾斜角度有效地减少阻力的产生； 3、 减少凸起物，形成平滑表面； 4、 设计空气动力附件，整理和引导气流流向。
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所有的空气力向上述坐标原点化简，产生三个分力和三个绕 坐标轴的力矩。各种气动力的数值都与动压力和迎风的汽车 正投影面积成正比，其比例系数称为气动力系数。 表3-1列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表
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表3-1
名
称
代
号 美、日规定
德国规定
系数公式
Cx
气动阻力 Drag
侧向力 Side force 升力 Lift 侧倾力矩 Rolling moment 俯仰力矩 Pitching moment 横摆力矩 Yawing moment
Fx C x
F C
y y
DC
D
DC
D
r2 A 2
FX
S Cs
DC y
Cy Cz C
Mx
r2 A 2
FY
F C
z
x
z
LCL M C
R RM
LC
L
r2 A 2
FZ
M C
M C
y
Mx
RC
R
r2 AL 2
MX
My
M C
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影响因素：
1、车身形状 把车身前后端形心用直线连接，称此直线为中 线，此中线与水平面的夹角称为迎角。 中线前高后低，迎角为正，反之为负。正迎角 越大升力越大。 如果汽车风压中心处于中心之前，则升力对中 心造成俯仰力矩，使前轮更加有离地趋势，所以最 新设计的车身形状采取以下措施：
（1 ） 尽量做到风压中心与重心CMy CMz
r2 AL 2
MY
M z CMz M y C yM
N C N
r2 AL 2
MZ
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第二节
气动阻力
空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动 阻力，这种阻力与车速平方成正比。为了克服气 动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急 剧增加的，当车速超过 100km/h 时，发动机功率 有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料。在 高速行驶时，如能减少10%的气动阻力，就可使 燃料经济性提高百分之几十。当前汽车设计师十 分重视降低气动阻力系数Cx，因为它对汽车动力 性、经济性和轻量化有很多好处。
2 C xi C y
C xi Fxi
1 Vr2 A 2
（3-1）
b2 A
式中，b为汽车宽度，m ；
为空气密度，kg
m3 m2 。 A为汽车正投影面积，
诱导阻力占总空气阻力的 7 0 0 。
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3.2.3
摩擦阻力
汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气 的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。 空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流 过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板 表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的 流动，形成一种阻力称为摩擦阻力，约占总 空气阻力的 9 0 0。
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第三节
升力和俯仰力矩
升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气 流速不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时 对汽车产生俯仰力矩。 升力使车轮有抬升的趋势，减少驱动轮上的附 着力，对转向车轮的影响是升力使侧向最大附着力 和侧偏刚度降低，而使转向性能变坏。
现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少 升力。
0
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图3-3
汽车表面气流图
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3.2.2 诱导阻力
诱导阻力是由于气流经
车身上下部时，由于空气质
点流经上下表面的路程不同， 流速不同从而产生压差，即 升力，升力在水平方向上的 分力称为诱导阻力，如图3-4 所示。
图3-4 汽车的诱导阻力
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诱导阻力系数 C xi 升力系数 C y 间有如下近似关系：
（2 ）采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾 部肥厚向上翘以产生负迎角；
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( 3 ) 车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起，如
第三章
3.1
汽车空气动力学
概述
3.2
3.3
气动阻力
升力和俯仰力矩
3.4
3.5
侧向力和横摆力矩
侧倾力矩
3.6
3.7
侧风作用下的气动阻力系数
汽车空气动力学试验
第一节
概述
定义：汽车在路面上行驶，除受到路面作用力外，还
受到周围气流对它作用的各种力和力矩。研究这些 力的特性及其对汽车性能所产生的影响的学科称为 汽车空气动力学。 汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、 侧向力及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆 力矩，他们的大小，大致都与空气对汽车的相对速 度的平方成正比，因此随着汽车行驶速度的日益提 高，其作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。
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气动六分力与坐标系：
汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作 用力在汽车上的作用点，我们通常称为风压中心，记 作C.P，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的 对称平面内，但它不一定与重心（CG）重合。 为了研究方便，建立一套坐标系，通常把汽车空 气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线 上，前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-1示：
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气动阻力由五部分组成：
1. 2. 3. 4. 形状阻力，占总阻力58%； 诱导阻力，占总阻力7%； 摩擦阻力，占总阻力9%； 干扰阻力，占总阻力14%； 这几部分阻力的大致比例 如图3-2所示。
图3-2
5. 内循环阻力，占总阻力12%。
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3.2.1
形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程中，在 汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流， 如图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产 生负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力 是压差阻力，又因为这都和车身形状有关，也称为 形状阻力，它占整个阻力的58 0 。