汽车空气动力学流线分析

汽车空气动力学流线分析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，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。

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动力合力在这个坐标系上的分解。

气动阻力由五部分组成：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%。

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。

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。

由于空气的粘性作用，使与平板表面接触的那层空气粘附在平板表面上，于是这层气流的速度v降为零。

紧靠这层气流上面部分的气流，由于空气微团之间的摩擦作用，部分地降低了它的运动速度，在它更上面的那部分，气流由于受到的影响更小，因而其运动速度减小量也更小。

这样最下面的那层气流速度ⅴ为零，随着距平板距离的增加，气流的速度逐渐增大，一直增至与来流速度v相等，形成了薄薄的附面层。

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。

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%。

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%。

气动力对汽车性能的影响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。

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。

2发动机功率与车速关系对于一般轿车来说，当车速Va=80km/h时，滚动阻力功率等于气动阻力功率；当车速再大时，气动阻力功率迅速上升，往往大于滚动阻力功率。

可见，当汽车在高速公路上行使时，降低气动阻力很有现实意义。

3气动阻力与最高车速的关系如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力。

4气动阻力对加速度的影响加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究气动阻力对汽车加速度的影响。

气动阻力对燃油经济性的影响汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。

在中国及欧洲，燃油经济性指标的单位为L/100km,即行驶100km所消耗的燃油升数，其数值越大，汽车燃油经济性越差。

美国为MPG线mile/USgal,指的是每加仑燃油能行驶的英里数，这个数值越大，汽车燃油经济性越好。

影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选择和使用保养等。

汽车操纵稳定性的概念汽车操纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。

在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个控制系统，给出汽车曲线行驶的时域响应与频率响应特性，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。

汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在方向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。

外界侧向干扰输入主要是指侧向风与路面不平度产生的侧向力。

汽车操纵稳定性的基本评价内容有：直线行驶性、回正性、转向半径、转向轻便性、典型行驶工况性能、极限行驶能力、横摆角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应。

其中直线行驶性包括侧向风稳定性、路面不平度稳定性和微曲率弯道行驶性。

侧向风稳定性主要评价参量为侧向偏移。

影响汽车操纵稳定性的气动力可分为三组：(1)升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力；(2)侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性；(3)侧倾力矩：关系到侧向稳定性；提高操纵稳定性的汽车造型措施1.克服升力和纵倾力矩的措施升力和纵倾力矩都将减小车轮与路面间的压力，因而它将使转向轮失去转向力，驱动轮失去牵引力。

如果汽车的风压中心处于重心之前，则更会对前端的“抬头”十分敏感，这时，速度愈快前轮升力愈大，致使“摆头”也愈难控制，最终将导致失去操纵性。

实验表明，对于流线型较差，外形方正的汽车，风压中心大约在汽车的中部；流线型愈好的汽车，风压中心愈靠近前部，这是因为气流在汽车后部能够平顺地流动，不受阻碍因而对汽车后部压力较小的缘故。

可见，流线型较好的汽车（空气阻力较小），其升力和纵倾力矩反而较大，这是一对共生的矛盾。

克服升力和纵倾力矩的汽车造型措施：(1)总体设计时，尽量做到风压中心与重心接近。

(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的纵倾角，借车身前部的倾斜而将迎面气流压向路面，以抵抗因车底空气的挤压力而产生的升力。

采用后置或中置发动机的总布置方案可使汽车前部十分低矮，这是目前跑车和赛车流行的布置形式。

(3)在车顶后端或车尾做成翘起来的形状，可以很好地起到降低升力的作用。

克服侧向力和横摆力矩的措施：横摆力矩关系到行驶时的直线性和侧风稳定性，它具体表现在侧向力对重心的关系上。

(1)侧向力作用于重心之前，这时汽车头部将随侧向风向外侧转动，它趋向于使侧向力增大，导致稳定性恶化。

(2)侧向力作用于重心之后时，汽车头部将向内侧转动，有利于减弱侧向力，提高稳定性。

(3)侧向力作用在重心点上时，汽车将有侧移，但能基本保持行驶方向。

克服横摆力矩的汽车造型措施：(1)总体设计时，尽量合理安排各总成，做到风压中心处于重心之后，以提高稳定性。

(2)尽量压低车身高度，处理好横截面的流线型性，以降低横摆力矩。

(3)车身后端加尾翘或采用方背式布置，使风压中心后移，以减小横摆力矩的不安定成分。

但加尾翘后，汽车承受的侧向风将增大，此点不容忽视。

般前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车测往往因其车身重心后移，因侧向风的作用而产生不安定性。

箱型车比一般小轿车的侧风稳定性要好一些，因箱型车的车身截面后部较大，风压中心在重心之后，当遭受侧风时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。

侧倾力矩侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并对左右侧车轮重量分配影响也较大。

侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，一般地，侧面流线型好的汽车，侧倾力矩就相对小。

克服侧倾力矩的汽车造型措施：(1)在总体设计时，尽量使风压中心在高度方向上接近于侧倾轴线。

(2)尽量降低重心。

(3)采用长度较小、宽度较大、车身低矮的布置形式。