汽车空气动力学【精品讲义课件】
合集下载
《汽车理论》汽车轮胎力学与空气动力学 ppt课件
轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。
大尺寸轮胎
大尺寸轮胎
子午线轮胎
侧偏刚度大
钢丝子午线轮胎
斜交轮胎 纤维子午线轮胎
侧偏刚度小
小尺寸轮胎
ppt课件
60
（1）扁平率小，k大
B H
扁平率=(H/B)×100%
ppt课件
61
一些车型轮胎的型号及扁平率
车型 新雅阁
奔驰 S320
奔驰 LORINSER
Tt r
Tf r
Ft Ff
ua
Tt
FX2 F Z
W
F p2
a
r
➢即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小。
ppt课件
20
3）影响Ff的因素
（1）车速 ua
ua高 f 大 货车
f=0.0076+0.000056ua
轿车
f f0f11ua00f41ua004
ppt课件
21
ppt课件
fz
22
（2）轮胎结构
ppt课件
36
➢由 b 、 l 与 s 之间的关系可知，当滑动率 s=100% 时，
l 0.1，即地面能产生的侧向力FY很小。
➢如果汽车直线行驶，在侧向外力作用下，容易发生侧滑； ➢如果汽车转向行驶，地面提供的侧向力不能满足转向的需 要，将会失去转向能力。
ppt课件
37
思考
什么情况下汽车会受到侧向外力的作用？
ppt课件
65
（3）轮胎气压高，k大
ppt课件
66
（4）FX 越大，FY 越小
FY1
FY2
FX2
FX1
ppt课件
67
经典汽车空气动力学课件.ppt
确定边界类型及边界条件： 入口边界选取远端来流方向为速度入口，速度为X
方向60m/s，出口边界为压力出口，出口相对压力为0。 湍流动能k 和湍流耗散度ε 分别为0.024 和0.01 求解计算
改变车头前缘发动机罩的高度值H，即改变发动机 罩的倾角(图2.3a) ，同时改变发动机罩与挡风玻璃交接 的位置， 从而改变挡风玻璃的倾角γ (图2.3b)，对多组 不同参数下的模型进行外流场的数值模拟。
图1.9 1:1模型并加车轮
图1.10 考虑附属空隙设计
.精品课件.
22
1.4 车身整体优化造型概况
2000年我国华南理工大学黄 向东教授所领导的研究小组，也 进行了有关最佳车身气动造型方 面的研究。
在提出相关参数和要求的前 提下，运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出 一个完全数字化的理想基本形体， 如图1.11，并在此基础上制成 1:3模型进行风洞试验，如图 1.12模型实测最小气动阻力系数 为0.122。
图1.7 “鲸状”理论模型
.精品课件.
20
1.4 车身整体优化造型概况
5、Morelli模型
1976年，由意大利科学 院资助，在平宁法力那 （Pininfarina）风洞中进行一 项旨在探求最优化的轿车外形 研究工作，当时的目标是力图 创造出一种具有优异气动性能 的轿车外形。
以A.Morelli教授为首的课 题组在深入研究的基础上首先 获得一个比例为1:2的基本形 体，如图1.8所示，其为阻力 系数0.049。
数值工具的发展取决于对气流复杂流动特性的更深入的了 解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全替 代物理试验，两者是互补的关系。
.精品课件.
29
方向60m/s，出口边界为压力出口，出口相对压力为0。 湍流动能k 和湍流耗散度ε 分别为0.024 和0.01 求解计算
改变车头前缘发动机罩的高度值H，即改变发动机 罩的倾角(图2.3a) ，同时改变发动机罩与挡风玻璃交接 的位置， 从而改变挡风玻璃的倾角γ (图2.3b)，对多组 不同参数下的模型进行外流场的数值模拟。
图1.9 1:1模型并加车轮
图1.10 考虑附属空隙设计
.精品课件.
22
1.4 车身整体优化造型概况
2000年我国华南理工大学黄 向东教授所领导的研究小组，也 进行了有关最佳车身气动造型方 面的研究。
在提出相关参数和要求的前 提下，运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出 一个完全数字化的理想基本形体， 如图1.11，并在此基础上制成 1:3模型进行风洞试验，如图 1.12模型实测最小气动阻力系数 为0.122。
图1.7 “鲸状”理论模型
.精品课件.
20
1.4 车身整体优化造型概况
5、Morelli模型
1976年，由意大利科学 院资助，在平宁法力那 （Pininfarina）风洞中进行一 项旨在探求最优化的轿车外形 研究工作，当时的目标是力图 创造出一种具有优异气动性能 的轿车外形。
以A.Morelli教授为首的课 题组在深入研究的基础上首先 获得一个比例为1:2的基本形 体，如图1.8所示，其为阻力 系数0.049。
数值工具的发展取决于对气流复杂流动特性的更深入的了 解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全替 代物理试验，两者是互补的关系。
.精品课件.
29
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ppt课件
8
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。
12
迎风面积的定义
13
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
气动力分量：Ｆx气动阻力、Ｆy侧向分力、Ｆz气动升力。
相应的阻力系数Ｃd、侧力 系数Ｃy、升力系数Ｃz
14
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
3.2 气动力矩
气动力的三个分力转化到汽车的质心上，则气动力矩如下： 纵倾力矩又称附仰力矩Ｍy
M y Fx Zc Fz X c pq S (Cd Zc Cz X c ) pq SLCMy
30
实际应用
31
较成功的整体气动造型轿车
32
33
34
35
气流速度V
边界条件气流速度为零 边界条件气流速度为零
边界条件出 口压力p
边界条件气流速度为零
36
参数设置：气流属性＼大气环境参数＼迭代参数等
37
38
39
40
汽车最优化设计过程
41
车头边角对CD的影响
42
车头流线型式对CD的影响
17
无粘流绕二元圆柱的流动
18
粘流绕二元圆柱的流动
19
车身表面压强分布特性
20
4、汽车气动阻力的组成
2、摩擦阻力 它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力， 其数值取决于车身表面的面积和光滑程度，约占气动 阻力的9％左右。
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。
12
迎风面积的定义
13
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
气动力分量：Ｆx气动阻力、Ｆy侧向分力、Ｆz气动升力。
相应的阻力系数Ｃd、侧力 系数Ｃy、升力系数Ｃz
14
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
3.2 气动力矩
气动力的三个分力转化到汽车的质心上，则气动力矩如下： 纵倾力矩又称附仰力矩Ｍy
M y Fx Zc Fz X c pq S (Cd Zc Cz X c ) pq SLCMy
30
实际应用
31
较成功的整体气动造型轿车
32
33
34
35
气流速度V
边界条件气流速度为零 边界条件气流速度为零
边界条件出 口压力p
边界条件气流速度为零
36
参数设置：气流属性＼大气环境参数＼迭代参数等
37
38
39
40
汽车最优化设计过程
41
车头边角对CD的影响
42
车头流线型式对CD的影响
17
无粘流绕二元圆柱的流动
18
粘流绕二元圆柱的流动
19
车身表面压强分布特性
20
4、汽车气动阻力的组成
2、摩擦阻力 它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力， 其数值取决于车身表面的面积和光滑程度，约占气动 阻力的9％左右。
汽车空气动力学 教学课件 傅立敏 第八章 汽车空气动力学数值计算
（8-51）
（8-52）
（8-53）
（8-54）
（8-55）
1.不可压流非线性方程的解
图8-8 各种时间步长后，在车尾下底边处，涡的边缘和剪切层上卷的发展 a)5个时间步长 b)10个时间步长 c)15个时间步长
2.可压流欧拉方程的解
图8-9 CFD结果与试验结果的比较
2.可压流欧拉方程的解
图8-10 二维欧拉方程解的一例
第五节 N—S方程的解法
图8-23 车身周围的压力分布
第五节 N—S方程的解法
图8-24 地板下部的流速矢量
第六节
结
束
语
本章介绍的许多数值计算方法，在航空工业领域已是常规的设计工具，而 到目前为止，还没有一种计算方法能对汽车的真实绕流进行既定性又定量 的描述。其原因之一是汽车的设计和使用都没有像航空界那样对CFD有迫
（8-36）
用ϕ、ϕ0和ϕp分别表示结果流动、原始流动和干扰流动的势，上述 两个边界条件可表示为
（8-37）
五、涡格法
图8-5 涡格法 a)涡流网格表面分割 b)分离表面的马蹄涡的排列
五、涡格法
（8-38）
（8-39）
（8-40）
五、涡格法
图8-6 沿轿车上表面中心线的压力分布
六、面元法
图8-7 用面元法进行汽车模型数值模拟的基本特征
KQ4
主编
第八章
第一节 第二节 第三节
汽车空气动力学数值计算
空气动力学数值计算概述 CFD在汽车空气动力学中的应用 非粘性流方法
第四节 第五节 第六节
N—S方程的简化 N—S方程的解法 结 束 语
第一节
空气动力学数值计算概述
一、空气动力学的研究方法 二、CFD的一般方法 三、计算流体力学的发展过程
（8-52）
（8-53）
（8-54）
（8-55）
1.不可压流非线性方程的解
图8-8 各种时间步长后，在车尾下底边处，涡的边缘和剪切层上卷的发展 a)5个时间步长 b)10个时间步长 c)15个时间步长
2.可压流欧拉方程的解
图8-9 CFD结果与试验结果的比较
2.可压流欧拉方程的解
图8-10 二维欧拉方程解的一例
第五节 N—S方程的解法
图8-23 车身周围的压力分布
第五节 N—S方程的解法
图8-24 地板下部的流速矢量
第六节
结
束
语
本章介绍的许多数值计算方法，在航空工业领域已是常规的设计工具，而 到目前为止，还没有一种计算方法能对汽车的真实绕流进行既定性又定量 的描述。其原因之一是汽车的设计和使用都没有像航空界那样对CFD有迫
（8-36）
用ϕ、ϕ0和ϕp分别表示结果流动、原始流动和干扰流动的势，上述 两个边界条件可表示为
（8-37）
五、涡格法
图8-5 涡格法 a)涡流网格表面分割 b)分离表面的马蹄涡的排列
五、涡格法
（8-38）
（8-39）
（8-40）
五、涡格法
图8-6 沿轿车上表面中心线的压力分布
六、面元法
图8-7 用面元法进行汽车模型数值模拟的基本特征
KQ4
主编
第八章
第一节 第二节 第三节
汽车空气动力学数值计算
空气动力学数值计算概述 CFD在汽车空气动力学中的应用 非粘性流方法
第四节 第五节 第六节
N—S方程的简化 N—S方程的解法 结 束 语
第一节
空气动力学数值计算概述
一、空气动力学的研究方法 二、CFD的一般方法 三、计算流体力学的发展过程
第四章_汽车外形设计与空气动力学 PPT
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。
5.侧向气流和空气动力稳定性
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
发动机盖应向前下倾
风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。
调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造 型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。
后轮前导板 后轮后导板 前轮前导板
前轮前导板
后轮前导板 后轮后导板
c、轮罩 为了减轻轮子转动对气流的干扰，安 装如图4－55所示的轮罩，有的车在侧面加金 属盖板将侧面屏蔽起来，也可起到屏蔽作用，
对于前轮，为了灵活转向在盖板周围设有特
殊橡胶，可不妨碍转向。这种盖板或轮罩可 使下降9％。
6.汽车空气动力学装置
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
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。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。
前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
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。
5.侧向气流和空气动力稳定性
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
发动机盖应向前下倾
风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。
调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造 型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。
后轮前导板 后轮后导板 前轮前导板
前轮前导板
后轮前导板 后轮后导板
c、轮罩 为了减轻轮子转动对气流的干扰，安 装如图4－55所示的轮罩，有的车在侧面加金 属盖板将侧面屏蔽起来，也可起到屏蔽作用，
对于前轮，为了灵活转向在盖板周围设有特
殊橡胶，可不妨碍转向。这种盖板或轮罩可 使下降9％。
6.汽车空气动力学装置
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
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。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。
前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
汽车空气动力学课件 第二章
8. 现代SONATA御翔：没查到? 9. 丰田锐志：0.28 10.丰田普锐斯：0.26 11.新Mazda6：没查到? 12.三菱戈蓝：0.32 13.上汽荣威750：没查到?
30万以上热点车型
1. 丰田皇冠：0.27 2. 奥迪 A4 ：0.28 3. 奥迪 A6L：0.30 4. 华晨宝马新3系：0.28 5. 华晨宝马5系：0.28 6. 奔驰 E级：0.26 7. 凯迪拉克CTS：0.31 8. 现代Azera(雅尊)：0.29 9. Acura讴歌RL：0.29
不考虑空气动力学的卡车流场
分离流的扩展区
考虑空气动力学的卡车流场
分离流的区域变小
摩擦阻力
由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身
表面产生摩擦而形成的阻力。约占汽车总 气动阻力的6％～11％。
与车身表面面积和粗糙度有关
宾利
诱导阻力
诱导阻力由车身附着涡诱导而成，实际上是汽 车升力在水平方向的分力。约占汽车总气动阻 力的8％～15％。
汽车正投影面积A的测量
汽车的正投影面积A应 包括车身、轮胎、发动 机及底盘等零部件的前 视投影。其测量方法是 将汽车置于平行光源与 屏幕之间，此时其正投 影面积便既不放大也不 缩小地投在屏幕上。
气动阻力
D
=
1 2
ρv∞2
ACD
D取决于正面投影面积A和气动阻力系数CD；通
常正面投影面积A取决于汽车的外形尺寸，这是由
绕y轴的纵倾力矩MP
绕z轴的横摆力矩MY
阻力系数
CD
=
1 2
D ρυ∞2
⋅
A
升力系数
CL
=
1 2
L ρυ∞2
⋅
A
侧向力系数
汽车空气动力学
• 省能源與空氣動力之關係 • 風向與空氣阻力係數之關係
賽車的空氣動力
• 車底面與路面間產生的強烈下壓力 • 底盤下的氣流 • 不同角度的底盤下的氣流 • 雨天可觀查到可視化氣流 • 賽車上面的空氣流動狀況 • 前方來的空氣流動狀況 • Up sweep 的氣流情形
環境 乘坐舒適性能
• 1. 噪音 --- (引擎、齒輪、排氣管、輪胎、
•
車身共振、風切聲)
• 2. 座椅及內裝
• 3. 空氣調節性能
何謂空氣動力學
• ans: 討論空氣流動之學問
• 影響車身穩定性、 • 阻礙汽車前進 • 飄浮車輛
空氣阻力實驗
• 依重鎚落下時 間長短決動空 氣阻力大小
風洞
裝置各種空氣動力零件其空氣動力 如何變化
• 裝置擾流器及下屏實驗 • 未裝置空氣動力零件實驗 • 裝置後擾流器實驗 • 裝置前擾流器實驗 • 裝置前、後擾流器實驗 • 裝置前、後擾流器及下屏實驗 • 裝置前、後擾流器、下屏及側護裙實驗
設計不同空氣動力特性如何變化
空氣阻力
• 邊界層厚度 • 空氣阻力係數(Cd)
摩擦阻力
• 摩擦阻力：空氣貼於車身表面產生之阻力
•
與表面積成正比
• 誘導阻力：當揚力發生就產生之阻力，上 下壓差形成渦流，
揚力減少→空氣阻力減少(風閘裙、鴨尾)
壓力阻力
• 壓力阻力：作用於車輛表面空氣壓力進行 方向分力總合
物體表面空氣被剝離→渦流
•
=(μrcosθ+sinθ)W+kAV2
• 加速性能 = Rg+ Rac • 油耗性能 = 燃油消耗量與行駛里程關係
• 最高速度性能=無風狀況、水平路面、最高
•
賽車的空氣動力
• 車底面與路面間產生的強烈下壓力 • 底盤下的氣流 • 不同角度的底盤下的氣流 • 雨天可觀查到可視化氣流 • 賽車上面的空氣流動狀況 • 前方來的空氣流動狀況 • Up sweep 的氣流情形
環境 乘坐舒適性能
• 1. 噪音 --- (引擎、齒輪、排氣管、輪胎、
•
車身共振、風切聲)
• 2. 座椅及內裝
• 3. 空氣調節性能
何謂空氣動力學
• ans: 討論空氣流動之學問
• 影響車身穩定性、 • 阻礙汽車前進 • 飄浮車輛
空氣阻力實驗
• 依重鎚落下時 間長短決動空 氣阻力大小
風洞
裝置各種空氣動力零件其空氣動力 如何變化
• 裝置擾流器及下屏實驗 • 未裝置空氣動力零件實驗 • 裝置後擾流器實驗 • 裝置前擾流器實驗 • 裝置前、後擾流器實驗 • 裝置前、後擾流器及下屏實驗 • 裝置前、後擾流器、下屏及側護裙實驗
設計不同空氣動力特性如何變化
空氣阻力
• 邊界層厚度 • 空氣阻力係數(Cd)
摩擦阻力
• 摩擦阻力：空氣貼於車身表面產生之阻力
•
與表面積成正比
• 誘導阻力：當揚力發生就產生之阻力，上 下壓差形成渦流，
揚力減少→空氣阻力減少(風閘裙、鴨尾)
壓力阻力
• 壓力阻力：作用於車輛表面空氣壓力進行 方向分力總合
物體表面空氣被剝離→渦流
•
=(μrcosθ+sinθ)W+kAV2
• 加速性能 = Rg+ Rac • 油耗性能 = 燃油消耗量與行駛里程關係
• 最高速度性能=無風狀況、水平路面、最高
•