流体力学在研究汽车性能中的应用

流体力学在研究汽车性能中的应用

姓班学日

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期：2010年11月20日流体力学在研究汽车性能中的应用

摘要：流体力学是人们在利用流体的过程中逐渐形成的一门学科，它起源于公元前3世纪阿基米德对浮力的研究，由于数理学科和流体工程学科相互推动而得到发展。现今它已经成为航空航天、动力、机械、环境生物等工程学科的基础之一，本文从流体力学中空气阻力、表面的压强、气动升力、气动侧力等方面分析了流体力学在汽车研究中的作用。

关键词：空气阻力

气动升力

汽车研究

0引言

汽车问世后的100多年间,科技突飞猛进,时至今日,已成为集当代高科技于一身且与人类生活息息相关的时代骄子。尤其是近年来,国家加大交通设施的投资力度,高速公路等交通网络四通八达,大大缩短了城市之间的距离,方便了人们的日常生活。欣喜之余,能否进一步提高汽车车速摆在了每一个汽车工作者的面前。为此,本文将对汽车行驶时的空气阻力空气阻力、表面的压强、气动升力、气动侧力等不可忽视的关键因素进行具体分析,以期探讨流体力学在汽车研究方面的应用。1汽车外流场分析

󰀀空气阻力的组成汽车行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。对于汽车车身,空气阻力分为摩擦阻力和压力阻力。摩擦阻力是由空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力;压力阻力则是作用在汽车车身表面上的正压力的合力在行驶方向的分力,它可分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。其中,形状阻力占压力阻力的大部分,与车身形状有直接关系;干扰阻力是车身表面突起部分引起的气流干扰而产生的阻力;诱导阻力则是空气升力在水平方向的分力。在空气阻力中,形状阻力约占60%,可见,车身形状是影响空气阻力的主要因素[1]。

汽车在行驶过程中，随着速度的提高，空气阻力也随之增加，在无风条件下空气阻力的计算[2]：

Fw

=

CAu

21.25

D2a

其中，Fw为空气阻力，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为汽车行驶速度。

可见,空气阻力与汽车的空气阻力系数、迎风面积和车速的平方成正比。为了减少

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汽车行驶时的空气阻力,主要应减小汽车的迎风面积和空气阻力系数。迎风面积在很大程度上取决于汽车的容量和尺寸大小,受到乘座使用空间的,不易进一步减小。因此,减小空气阻力主要依赖于空气阻力系数的减小。在实际使用过程中，汽车在高速路上行驶时，50％的能量用于克服空气阻力。同时，在汽车高速行驶中，气流产生的升力也会影响到汽车的附着力。基于汽车动力性、经济性和操作稳定性的考虑，世界各大汽车厂商都致力于降低空气阻力，改善气流升力，这就涉及到车身的合理造型,即使汽车外形接近最优。日本近年来研制成功的磁悬浮列车,其原理也是这样。它们的外形似火箭,迎风面积小,速度极快。2汽车表面的压强对汽车性能的影响

图一轿车模型表面压强分布图（β=00）图一轿车模型表面压强分布图轿车模型表面压强分布图（

0

β=20图二轿车模型表面压强分布图（）

汽车前下部为外凸轮廓导致表面气流加速，压力迅速降低。在汽车底部前缘处压力降至最低值后，由于汽车底部和地面之间的通道使得气流收到一定程度的滞止，汽车表面压力得到一定程度的回升。之后由于汽车底部粘性边界层和地面的拥塞作用，使得气流速度逐渐增大，压力逐渐降低。从压力分布图可见，除前脸部分、发动机罩与前风窗交界处、及后风窗与行李箱罩交界处出现正压外，其余部分均为负压。出现负值较大的地方是车身前面上端拐角及侧面拐角处，车身顶部都是负压区，且变化平缓[3]。

作用在汽车上的气动力与汽车周围的压力分布直接有关[4][5]，而压力分布又与气流流经汽车的流谱有紧密联系。汽车行驶时，前方来流首先遇到车身前部，使气流受阻，速度大大降低，气流的动压转变为静压，因此在车头前部形成一个正压区。这股气流分成两部分，一部分向上，通过发动机罩、前挡风玻璃、驾驶室顶向后流去；另一部分向下，通过车身下部，然后向车尾流去。流向上方的这部分气流在流经车头上缘时，由于缘角半径比较小，气流往往来不及转折，而出现局部分离，流速比较大，因此在上缘角附近有很大的吸力峰，随后，气流又重新附着在发动机罩上。由于发动机罩有一定的斜度，其上的气流速度仍然较快，因而压力仍为负值，所以在发动机罩的前部形成一个较

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大的负压区。当气流到达发动机罩和前挡风玻璃交界处时，由于档风玻璃的存在，气流速度降低，同时由于凹角的存在，在凹角处形成一个滞区，在滞区中又有内部涡流的存在，该区具有正压力。在气流到达挡风玻璃上缘时，在车顶前缘附近又出现一个吸力峰。由于车顶车身外形鼓起，流经它的气流速度低，因而负压有所减小。3气动升力对汽车的影响

气动升力对汽车性能的影响如图所示，当空气流经上下表面不对称的翼型时，空气质点流经上表面的路程比下表面的路程长，而流经后的空气质点又必须同时在后缘汇合，因此流经上翼面的空气质点速度比流经下翼面空气质点速度高。根据伯努利定理可知，上翼面的静压比下翼面的静压小，从而在上下翼面间产生压差，产生升力。气动升力将减小汽车轮胎对地面的压力，影响动力性和制动性能，同时，使轮胎侧向附着力和侧偏刚度降低，影响汽车的操纵稳定性。汽车所受的气动力和气动力矩大小均与车速的平方成正比。当汽车低速行驶时，汽车所受的气动力和气动力矩对汽车性能影响较小。当汽车高速行驶时，气动力对汽车各性能的影响已占主要地位。以气动阻力为例，汽车的滚动阻力受气动升力的影响是随汽车速度增加而减少的；而汽车的气动阻力则是随着车速的增加以二次方的速度增加。从大量的统计数据来看，当汽车车速等于70km／h左右时，汽车所受的气动阻力和滚动阻力几乎相等。当汽车车速达到150km／h后，汽车所受的气动阻力是滚动阻力的2～3倍。气动升力在汽车高速行驶时，对汽车各性能的影响则更为明显。特别是对赛车，气动升力对其性能的影响已成为最主要的问题。对汽车性能的影响4气动侧力气动侧力对汽车性能的影响

外形不对称、横偏角（气流与汽车纵对称面夹角）产生气动侧力。汽车列车受侧向风时,就会在车身侧板的侧向边缘处引起非常强烈的气流。此外,它还破坏了驾驶室与车身之间空隙处正常的小涡流状态,而从背风面沿车身侧壁移动,在范围内形成旋涡稠密气流区,这就使车身正前方的阻力明显地增大,从而使汽车列车迎风面积上的空气阻力大为增加，将使汽车相对原直线行驶方向发生偏移[6]。5结语

流体力学在汽车研究设计中应用越来越广泛，节约成本，缩短产品的开发周期，优化设计效果，使设计结果更具有科学性，对汽车进入实车造型与分析评价将产生较大影

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响，逐渐成为汽车产品开发的主要理论知识。6参考文献

[1].[2].

陈永光,李宁.空气阻力与车身造型研究.公路与汽运.2008唐鹏,江洪,曾珠.CFD在整车设计中的应用.重庆工业职业技术学

院.2010[3].

谢今明，张扬军，涂尚荣.地面效应对汽车外部流动的影响.机械工

程学报.2003.3.58[4].[5].[6].装厂

刘光宗，流体力学原理与分析方法，高教出版社，1992傅立敏，汽车空气动力学，机械工业出版社，1998年11月

颜增品.侧向风对汽车列车空气阻力的影响.浙江省丽水地区汽车改

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