汽车空气动力学
汽车空气动力学六分力
汽车空气动力学六分力
汽车空气动力学是研究汽车在空气中运动时所受到的力学效应及其
影响的学科。
其中的六分力是指汽车在空气中运动时所受到的六种力
学效应，它们分别是：
1. 阻力力：汽车行驶在空气中时，空气对汽车的阻力会产生摩擦作用，阻力力会使汽车的速度减慢或者保持恒定。
降低汽车的阻力力就能提
高汽车的速度和燃油经济性。
2. 升力力：当汽车在空气中行驶时，车体会对空气产生波动，这些波
动会形成气流，气流会产生向上的力量，也就是升力力。
升力力的大
小取决于汽车的速度、形状、车身倾斜角等因素。
3. 重力力：汽车在地球引力的作用下，受到的向下的力量就是重力力，它是使汽车沿着地面行驶的主要力量。
4. 侧向力：当汽车在高速行驶时，风力会对车身施加侧向切向力，这
个力量被称为侧向力。
侧向力的产生是由于车身的横向移动和风的侧
向作用力相互作用。
侧向力的大小取决于车速和侧向风的作用角度。
5. 即时力：即时力是汽车在高速行驶时所受到的一种向前的推力，它
的大小取决于汽车速度和空气密度。
6. 附着力：汽车在行驶时，轮胎需要与地面保持一定的接触力，这个
力被称为附着力。
附着力的大小与轮胎的材料、大小、胎压以及路面情况等因素有关。
以上就是汽车在空气动力学中的六个重要的力学效应。
研究这些效应可以帮助向我们更好地了解汽车在空气中的行驶原理和提高汽车的燃油经济性。
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。
汽车空气动力学课件
1.2 空气动力学基本理论
1.2.3 流体的基本方程
连续性方程：
1.2 空气动力学基本理论
伯努利方程：
1.2 空气动力学基本理论
1.2.4 边界层及其分离现象
雷诺数=惯性力/粘性力 当雷诺数极低时 ，惯性力影响可以忽略，粘 性力支配整个流场，此时阻力系数值较大； 当在中等雷诺数时 ，层流边界层形成，并 在流经物体后部脱体分离，此时阻力系数值变化不大； 当雷诺数较大时 ，在流动分离之前的边界层， 流动已经转化成湍流； 当雷诺数很大时 ，阻力系数则是个常数，与 Re无关。
图1.13 湖南大学2004年提出的类菱形概念车造型
2 车2.1 2.2 2.3 2.4 空气动力学数值计算的一般方法 车头基本尺寸对车身外流场影 简单类车体外流场的数值模拟 车头外形的车身外流场数值模拟
2.1 空气动力学数值计算的一般方法
CFD(Computational Fluid Dynamics)是以理论流体力学和计 算数学为基础，把描述空气运动的连续介质数学模型离散成 大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。 描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维不可压缩不定 常N-S方程组（Navier–Stokes），对其可用线性或非线性方 法进行求解。 数字仿真中的线性方法主要有涡格法和面元法；非线性方法 包括Euler法、雷诺平均N-S方程组法（RANS）、大涡模型 LES（Large Eddy Simulation）、和直接数值模拟DNS法等。
建立几何结构，生成计算网格（节点数 196059）
图2.1 参考车辆及基础模型尺寸示意图
图2.2 流场空间布置及网格划分
2.3 简单类车体外流场的数值模拟
汽车空气动力学性能的优化与改进
汽车空气动力学性能的优化与改进随着汽车行业的不断发展，人们对汽车性能的要求也越来越高。
其中，汽车空气动力学性能的优化与改进成为了一个重要的研究方向。
本文将从多个角度探讨汽车空气动力学性能的优化与改进方法，以及相关的技术和应用。
1. 空气动力学对汽车性能的影响汽车在行驶过程中，空气对其运动产生了显著的阻力和升力。
因此，空气动力学性能的优化可以增加汽车的稳定性，降低油耗，提高车辆的驾驶舒适性和安全性。
2. 外观设计的优化外观设计是影响汽车空气动力学性能的重要因素之一。
合理的车身线条和设计可以减少空气阻力，提高汽车的行驶稳定性。
通过使用流线型设计、降低前后挡风玻璃的倾斜度以及减少车身的棱角等方式，可以减少汽车在行驶中的空气阻力。
3. 底盘的优化底盘是汽车空气动力学性能的另一个重要组成部分。
通过对底盘的改进，可以减少车辆与地面之间的空气流动阻力，提高汽车的操控性和加速性能。
一种常见的底盘优化方式是降低底盘高度，减小车底与地面之间的间隙，从而降低了空气流动的阻力。
4. 空气动力学模拟与优化设计利用计算机辅助设计软件进行空气动力学模拟与优化设计是一种高效的方法。
通过建立数值模型，可以对汽车在不同速度下的空气动力学性能进行仿真分析。
根据仿真结果，可以优化设计汽车的外形和底盘结构，进一步提升其空气动力学性能。
5. 空气动力学装置的应用在一些高性能汽车中，空气动力学装置的应用可以进一步提升汽车的空气动力学性能。
例如，后扰流板、前唇和侧裙等装置可以增加下压力，提高汽车在高速行驶时的稳定性。
此外，利用尾翼和排气系统的引导装置，可以有效减小汽车在高速行驶时的升力和空气阻力。
6. 车辆安全性与空气动力学的平衡在追求汽车空气动力学性能的同时，还需要注意与车辆安全性之间的平衡。
过分追求空气动力学性能可能会降低汽车的通过性、抗侧风能力和避免碰撞时的保护能力。
因此，在进行汽车空气动力学性能的优化与改进时，需要综合考虑车辆的安全性能。
汽车设计 汽车空气动力学
空气动力学是物理学的一个分支，是研 究物体在空气中作相对运动时，物体与空气 间相互作用关系的一门学科。
应用于汽车的空气动力学基本原理
根据理想流体的伯努利(Bernoulli)压力平衡原
理，气流的动压力和静压力之和应是常数，即
p q 常数
式中，v为空气的流速(m／s)；
或
p
空气的分离现象及涡漩的形成
在汽车前部有一个很小的层流区域，其余部分都是湍流，故可以认为汽车的所有表面实 际上均由湍流附面层所覆盖。
不同车型的车身压力分布
汽车前端形状对气动力特性的影响
汽车前端的形状与结构对气动力特性的
影响甚大，最佳的车头形状应是不使气 流产生剥离。理论上汽车的前端应为流 线形最好，好的前端造型可使其气动阻 力系数变为负值，达-0．015 但γ角降到30°以下时再降低此角，对 降低气动阻力系数和升力系数的效果是 很小的，反而会牺牲车室内的空间。
2)外部气流在通过散热器内部空气通道等处时，由于摩擦、漏气及涡流而损失 了动量。 这些动量损失是内部气动阻力的主要来源，可用下式表示为
vt
vf va
1 C pe 1 g c r f e
式中，vt为通过散热器的平均风速； vf为散热器前的平均风速；va为车速； Cpe为出口的压力系数； ξg为散热器等价压力损失系数； ξc为冷却系水箱的等价压力损失系数； ξr为冷却系冷凝器的等价压力损失系数； ξf为冷却系风扇的等价压力损失系数； ξe为冷却系管道的等价压力损失系数。
承受各种侧向力的能力。
减小升力的措施
将汽车的各个横截面形 心的连线称为中线， 中线的最前端和最后端 分别称为前缘和后缘， 前缘和后缘的连线称为 弦， 弦与汽车行驶方向的夹 角称为迎角。 弦前高后低，则迎角为 正值；弦前低后高，迎 角为负值，
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表 1-1 名
Drag
六分力名称及系数公式 美日规定 D(CD) S(CS) 德国规定 D(CD) Y(CY) 系数公式
CX FX 1 Vr2 A 2 FY 1 Vr2 A 2 FZ 1 Vr2 A 2
称
气动阻力 侧向力
汽车空气动力学
汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相 对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律 的学科，它属于流体力学的一个重要部分。 汽车向前行使时与空气产生复杂的相互作用， 对汽车的行使状态影响很大，特别是汽车高速行 使时会承受强大的气动力作用。众所周知，汽车 行使时受到的气动力是与汽车速度平方成正比， 而汽车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，因此，使汽车具有
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 Va2 A (1-7) 2 气动阻力与车速平方成正比，与汽车正投影面积 成正比。
良好的形状以降低汽车的气动阻力，不但可以 提高汽车的动力性，而且还可以提高汽车的燃 料经济性。对于高速汽车来说，空气动力稳定 性是汽车高速安全行使的前提。 随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高， 汽车空气动力学亦愈来愈受到重视，其研究工 作日益深入，汽车空气动力学已发展成为流体 力学一个重要分支学科。汽车空气动力学与航 空、船舶、铁路车辆，在研究流场、空气动力 学方面有许多相似之处，但是汽车行驶在地面 上是种钝头体，汽车行驶状态异常复杂，因而 汽车空气动力学亦区别于上述分支学科，
1.3 气动力对汽车性能的影响
1.3.1 气动力对汽车动力性的影响
汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线 行使时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到 的平均行使速度。汽车的最高车速、加速时间 和最大爬坡度是汽车动力性的主要评价指标。 一、行驶阻力与车速的关系 汽车在实际道路上行使时，不仅会遇到气 动阻力，由于汽车是靠车轮在地面上滚动才能
N(CCN)
CMY
横摆力矩
Yawing moment
CMZ
1 Vr2 AL 2 MY 1 Vr2 AL 2 MZ 1 Vr2 AL 2
1.2 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，在高速行使时，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气动阻力系 数Cx，因为它直接关系到汽车动力性，经济 性和轻量化带来很多好处。
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，我们通常称作为 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。规定三个力 和三个力矩方向如图1-1所示。上述三个力和 三个力矩统称为六分力，六分力的数值就是气
1 1 (G FZ ) f Va C X AVa3 3600 7200
汽车行使阻力所消耗的功率（kw）为：
P
(1-10)
而发动机功率Pe与阻力功率∑P的关系为：Pe· η =∑P η 为汽车传动效率。通常作用在汽车上的升力FZ不大， 如忽略升力项，则有：
1 1 Pe ( GfVa C X AVa3 ) T 3600 7200 1
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。
dV a dPe dt dt 3600T 3 Gf C X AV a2 2
(1-14)
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。由式（1-14）可知，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气动阻力系数CX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。
图 1-2 汽车表面附面层
对于运动的物体，分离现象产生越晚，空 气阻力越小，所以在设计上力求将分离点向后 推移。在一定形体上作局部调整即可推迟涡流 的生成。从而减少形状阻力。 1.2.2 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。
横摆力矩
侧倾力矩
侧向力
图 1-1 汽车空气动力坐标系
动力合力在这个坐标系上的分解。 为了评价汽车的空气动力性能，引入气动 力系数的概念。如气动阻力系数CX定义为：
气动阻力 FX CX 动压 正投影面积 1 V 2 A r 2
(1-1)
式中，FX为X向气动阻力；ρ 为空气密度；Vr 为汽车与空气相对速度；A为汽车的正投影 面积。
1 Ft (G FZ ) f C X AVa2 2 1 Gf AVa2 (C X CZ ) 2
(1-12)
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(1-12) 1 得： 2
Va max Ft max Gf 1 A(C X C Z ) 2
图1-5所示为一个典型轿车的行驶阻力与车速的关系 曲线。在车速大于20km/h后，气动阻力急剧上升； 当车速达到80km/h左右时，气动阻力与滚动阻力将 各占一半；当车速再高时气动阻力在总行驶阻力中 所占比例就更大了。因此，对高速行驶的汽车都必 须尽量减小气动阻力。
2
1.3.2
发动机功率与车速关系
1 V2 A 2
2 b
A
图 1-4 汽车的诱导阻力
式中，b为汽车宽度，A为汽车正投影面积。
1.2.4
干扰阻力
它是车身外面的凸起物例如后视镜、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%。
1.2.5
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%。
1.2.3 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1-4所示。诱导阻力系数CXi升力系数CZ 间有如下近似关系：
C Xi
C Xi
2 CZ
FXi
(1-4)
(1-5) (1-6)
v 附面层内有速度梯度 ，所以产生有粘性 y
切应力τ ，摩擦阻力直接与气流底层y=0处的 v y 速度梯度 大小有关，如今y=0处的粘 性切应力为τ 0:
y 0
v 0 y y 0
(1-3)
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。
图 1-5 行驶阻力随车速的变化
2．滚动阻力 Ff 由汽车理论可知，轮胎在地面上滚动时产生的 滚动阻力为： Ff (G FZ ) f (1-8) 式中，G为汽车重力，FZ汽车升力。如果汽车在水平 路面上作等速行使，坡度阻力与加速阻力等于零， 那么行使阻力只有滚动阻力和气动阻力两项： 1 F (G FZ ) f C X Va2 A (1-9)
气动阻力由五部分组成：
1．形状阻力，占总阻力58%；
2．摩擦阻力，占总阻力9%；
3．诱导阻力，占总阻力7%；
4．干扰阻力，占总阻力14%；
5．内循环阻力，占总阻力12%。
1.2.1
形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在 汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流， 涡流产生意味着能量的消耗，使运动阻力增大， 汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处， 以及后部尾流都出现了气流分离区，产生涡流， 即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起 的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形 状有关，也称形状阻力，它占整个阻力的58%。 图1-2详细地显示了汽车周围流谱的情况，可见 汽车仅前部很小区域存在层流，其余大部分区域 中的气流状态是紊流。
Side force
代 号 FX(CX) FY(CY)
CY
升力
Lift
FZ(CZ)
MX(CMX)
L(CL)
MR(CRM)
L(CL)
R(CR)
CZ
侧倾力矩
Rolling moment
CMX
MX
俯仰力矩
Pitching moment
MY(CMY)