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第四章第四章汽车外形设计与空气动力学汽车外形设计与空气动力学西华大学交通与汽车学院西华大学交通与汽车学院汽车空气动力学汽车空气动力学u汽车受到的外力汽车受到的外力u路面作用力路面作用力u空气动力空气动力u重力重力对动力性的影响对动力性的影响影响高速时的加速性能影响高速时的加速性能;影响最高车速。影响最高车速。对燃油经济性的影响对燃油经济性的影响对于对于CdA=0.8m2的轿车，的轿车，v=65km/h时，时，55%的能量克服空气阻力；的能量克服空气阻力；v=90km/h时，时，70%的能量克服空气阻力；的能量克服空气阻力；轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达，燃油消耗相差达12%以上。以上。对安全性的影响对安全性的影响高速时的加速性能影响行车的安全；高速时的加速性能影响行车的安全；空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。对汽车外观的影响对汽车外观的影响 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；空气动力学影响着人们的审美观。空气动力学影响着人们的审美观。前前 言言u 空气动力学对汽车性能的影响空气动力学对汽车性能的影响如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。1.1.空气动力学基础知识空气动力学基础知识1.1 连续性方程和伯努利方程连续性方程和伯努利方程(Bernoullis Law)u连续性方程连续性方程对对于于定定常常流流动动，流流过过流流束束任任一一截截面面的的流流量量彼彼此此相相等等，即即1V1A1=2V2A2=常数常数对于不可压缩流体（对于不可压缩流体（1=2=常数），有常数），有V1A1=V2A2=常数常数连续性方程是质量守恒定律在流体力学中连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。的表现形式。汽车周围的空气压力变化不大，可近似认汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变。为空气密度不变。汽车空气动力学汽车空气动力学u伯努利方程伯努利方程对对于于不不可可压压缩缩流流体体，有有：mgz+mp/+mV2/2=常常数数 即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。当当气气体体流流速速不不太太高高时时，密密度度可可视视为为不不变变，且且气气体体的的重重力很小，则力很小，则 p/+V2/2=常常数数 或或 p+V2/2=常常数数即即静静压压力与力与“动压力动压力”之和为一常数。之和为一常数。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节u文丘里效应文丘里效应(Venture Effect)：流体经过狭窄通道时压力减小的现象。流体经过狭窄通道时压力减小的现象。吹纸条:热水淋浴器:球浮气流：发动机化油器喉管同向行舟:1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节u附面层附面层(boundary layer)由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。速较低的区域，即为附面层。附面层随流程的增加而增厚。附面层随流程的增加而增厚。附面层的流态由层流转捩为紊流。附面层的流态由层流转捩为紊流。1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节1.2 空气的粘滞性和气流分离现象空气的粘滞性和气流分离现象u 顺压梯度和逆压梯度顺压梯度和逆压梯度顺压梯度：顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速顺流动方向压力降低。（流速，压力，压力）逆压梯度：逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速顺流动方向压力升高。（流速，压力，压力）轿车的横截面积分布和气流压力梯度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空气动力学基础知识节u气流分离现象气流分离现象(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。层内，流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零在物面法向速度梯度为零(=0)时，气流开始分离。靠近物面时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。物面隔开。ePYeY=01.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节尾流区尾流区 在分离点后，是一不规则流动的在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的涡流区，总体上是静止不动的“死水死水区区”。物体向前运动时，它随之运动，。物体向前运动时，它随之运动，故称故称“尾流尾流”。尾流区内各点压力几乎相等，与尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。分离点处压力相同。压差阻力压差阻力(pressure drag)在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为在主气流方向上受到一个称为“压差阻力压差阻力”的作用。的作用。影响气流分离的因素影响气流分离的因素压力梯度压力梯度 只有在逆压梯度条件下才会产生分离。只有在逆压梯度条件下才会产生分离。逆压梯度越大，越易分离。逆压梯度越大，越易分离。流态流态 紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节减小形状阻力的措施减小形状阻力的措施降低逆压梯度降低逆压梯度减缓物体背流面的截面变化，使分离减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。点（分离线）向后移，减小尾流区。增大紊流度增大紊流度 增大物面的粗糙度。增大物面的粗糙度。分离是产生在附面层分离是产生在附面层流体没有粘度，就没有附面层。流体没有粘度，就没有附面层。没有附面层，就不会产生气流分离现象。没有附面层，就不会产生气流分离现象。汽车上的分离区汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为为“气泡气泡”(bubble)）。）。1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节1.3 压力系数压力系数u定义定义常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。压力系数定义：；可整理为：压力系数定义：；可整理为：CP =PPV 2/2CP =1()2V V。处，是驻点。处，是驻点。u表示方法表示方法矢量法矢量法坐标法坐标法1.空气动力学基础知识节空气动力学基础知识节2.2.汽车空气动力与空气动力矩汽车空气动力与空气动力矩空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：空气阻力空气阻力(Drag)、空气升力、空气升力(Lift)、空气侧向力、空气侧向力(Side Force)。将空气动力平移至汽车质心将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：侧倾力矩侧倾力矩(Rolling Moment)MX、俯仰力矩、俯仰力矩(Pitching Moment)MY、横、横摆力矩摆力矩(Yow Moment)MZ。u空气动力的表达式空气动力的表达式 空气阻力与气流速度的平方空气阻力与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积成正比。常成正比，与汽车迎风面积成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：式中，空气阻力系数式中，空气阻力系数Cd d是表征汽车空气动力特是表征汽车空气动力特性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与流速有关。流速有关。空气升力、空气侧向力表示为空气升力、空气侧向力表示为汽车空气动力学汽车空气动力学u空气动力矩的表达式空气动力矩的表达式俯仰力矩俯仰力矩令令则则一般取汽车的轴距作为特征长度一般取汽车的轴距作为特征长度l。类似地，侧倾力矩类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩横摆力矩MZ也表示为也表示为2.汽车空气动力与空气动力矩汽车空气动力与空气动力矩3.3.空气阻力空气阻力3.1 空气阻力的分类空气阻力的分类形状阻力形状阻力(Form Drag)干扰阻力干扰阻力(Interference Drag)内部阻力内部阻力(Internal Flow Drag)诱导阻力诱导阻力(Induced Drag)摩擦阻力摩擦阻力(Skin Friction)前四种为压力阻力。前四种为压力阻力。汽车空气动力学汽车空气动力学Cd总值：0.45A形状阻力(Cd=0.262)；B干扰阻力(Cd=0.064)；C形状阻力(Cd=0.053)；D形状阻力(Cd=0.031)；E形状阻力(Cd=0.040)。3.空气阻力空气阻力3.2 形状阻力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。形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。u前风窗对空气阻力的影响前风窗对空气阻力的影响前风窗对气流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减小前风窗处空气阻力的措施增大风窗与发动机罩间的夹角；增大风窗与发动机罩间的夹角；风窗横向弯曲。风窗横向弯曲。u 车身后背对空气阻力的影响车身后背对空气阻力的影响几种典型的车身后背型式几种典型的车身后背型式直背式直背式(Fast back)：后背倾角后背倾角2020；舱背式舱背式(Hatch back)：后背倾角后背倾角20205050；方背式方背式(Square back)：后背倾角后背倾角5050；折背式折背式(Notch back)。3.空气阻力空气阻力后背倾角与空气阻力后背倾角与空气阻力分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小；分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小；分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。有一空气阻力最小的最佳后背倾角。有一空气阻力最小的最佳后背倾角。后背长度越大，空气阻力越小。后背长度越大，空气阻力越小。3.空气阻力空气阻力车身后背形状与空气阻力车身后背形状与空气阻力截尾式截尾式两厢式与三厢式两厢式与三厢式行李箱高度行李箱高度3.空气阻力空气阻力3.3 诱导阻力诱导阻力(induced drag)在侧面由下向上的气流形成的涡流在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。分力就是诱导阻力。洗流不易分离。洗流不易分离。3.空气阻力空气阻力气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大；气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大；后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。分离点前移，气流在后背的流程减小。分离点前移，气流在后背的流程减小。后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，最终减小，至消失；最终减小，至消失；随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背顶端时，不再增大。顶端时，不再增大。3.空气阻力空气阻力 车身后背上减小诱导阻力的措施车身后背上减小诱导阻力的措施选择适当的后背倾角选择适当的后背倾角后背后缘处为尖锐棱角后背后缘处为尖锐棱角 形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。设扰流器设扰流器 减小诱导阻力，同时减小空气升力。减小诱导阻力，同时减小空气升力。3.空气阻力空气阻力3.4 干扰阻力干扰阻力 干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。流动而引起的空气阻力。u车外小物件产生的干扰阻力车外小物件产生的干扰阻力 气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。3.空气阻力空气阻力u 车身表面凸起物对气流影响车身表面凸起物对气流影响凸起物可能引起气流分离。凸起物可能引起气流分离。凸起物使附面层加厚，气流容易分离。凸起物使附面层加厚，气流容易分离。3.空气阻力空气阻力u 车身表面凹槽产生的干扰阻力车身表面凹槽产生的干扰阻力门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。3.空气阻力空气阻力u 车轮旋转对气流的影响车轮旋转对气流的影响车轮旋转车轮旋转旋转车轮在气流中旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中马格纳斯效应马格纳斯效应(Magnus effect)：在流体中运动的旋转圆柱受到力作在流体中运动的旋转圆柱受到力作用而影响它的行进路线的一种现象。用而影响它的行进路线的一种现象。路面上滚动的车轮受到一升力作用。路面上滚动的车轮受到一升力作用。车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。3.空气阻力空气阻力轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。产生干扰。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。3.空气阻力空气阻力3.5 内部阻力内部阻力 流经车身内部的气流对通道的作用以及流流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。动中的能量损耗，产生了内部阻力。u内部气流内部气流发动机冷却气流：发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。通风气流：通风气流：流量约为冷却气流的流量约为冷却气流的1/10左右。左右。制动器冷却气流制动器冷却气流u理想的发动机空气冷却系统理想的发动机空气冷却系统气流通道为密封的直管道；气流通道为密封的直管道；散热器面积大，进入的气流速度低；散热器面积大，进入的气流速度低；全部气流都流经散热器；全部气流都流经散热器；通道面积变化缓和，无涡流产生；通道面积变化缓和，无涡流产生；流经散热器的气流为紊流；流经散热器的气流为紊流；可根据散热要求调节气流流量。可根据散热要求调节气流流量。3.空气阻力空气阻力4.4.空气升力空气升力4.1 4.1 空气升力空气升力翼型的迎角越大，空气升力越大。翼型的迎角越大，空气升力越大。汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。不同外形的汽车，其不同外形的汽车，其“迎角迎角”不同，空气升力系数也不同。不同，空气升力系数也不同。汽车空气动力学汽车空气动力学4.2 4.2 地面效应地面效应地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。当距离当距离h 较大时，随较大时，随h 减小，气流加速，压力减小；减小，气流加速，压力减小；当距离当距离h 较小时较小时，附面层的影响随，附面层的影响随h 减小而突出。随减小而突出。随h 减小，气减小，气流减速，压力增大。流减速，压力增大。4.空气升力空气升力u地效飞行器地效飞行器天鹅号地效飞行器天鹅号地效飞行器信天翁信天翁4型地效飞行器型地效飞行器苏联苏联KM地效飞行器地效飞行器4.空气升力空气升力4.3 4.3 汽车外形与空气升力汽车外形与空气升力u汽车前端高度汽车前端高度汽车前端高度影响流入底部的气流量。汽车前端高度影响流入底部的气流量。进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小；进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小；另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。4.空气升力空气升力u底部的前后遮挡的影响底部的前后遮挡的影响u底部气流的侧向流动底部气流的侧向流动减小了底部压力；减小了底部压力；加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。4.空气升力空气升力u后背倾角对空气升力的影响后背倾角对空气升力的影响u前风窗下部分离区对空气升力的前风窗下部分离区对空气升力的影响影响u行李厢上的分离区对空气升力的影响行李厢上的分离区对空气升力的影响4.空气升力空气升力5.5.侧向气流和空气动力稳定性侧向气流和空气动力稳定性5.1 侧向气流对空气动力特性系数的影响侧向气流对空气动力特性系数的影响u气流侧偏角与空气动力特性系数气流侧偏角与空气动力特性系数各种汽车的空气动力特性各种汽车的空气动力特性系数随侧偏角的变化而变化的系数随侧偏角的变化而变化的规律是不同的。多数汽车的空规律是不同的。多数汽车的空气动力特性系数是随气流侧偏气动力特性系数是随气流侧偏角的增加而增大。角的增加而增大。汽车空气动力学汽车空气动力学侧偏角5.2 汽车空气动力稳定性汽车空气动力稳定性 汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。态的能力。5.侧向气流和空气动力稳定性侧向气流和空气动力稳定性气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。气压中心在质心之前：气压中心在质心之前：气压中心在质心之后：气压中心在质心之后：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。稳定性越好。形心形心形心形心5.侧向气流和空气动力稳定性侧向气流和空气动力稳定性6.汽车空气动力学装置6.1 6.1 前阻风板（前阻风板（air dam)air dam)u阻风板的作用：阻风板的作用：减少进入底部的空气量。减少进入底部的空气量。阻风板后形成局部高压区。阻风板后形成局部高压区。u前阻风板的优化前阻风板的优化不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。汽车空气动力学汽车空气动力学u阻风板示例阻风板示例6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.2 6.2 后扰流器（后扰流器（spoilerspoiler）u后扰流器的作用后扰流器的作用在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力；使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力；使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力；使分离提前，可增大形状阻力；使分离提前，可增大形状阻力；有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。窗。u后扰流器的优化后扰流器的优化在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最佳值。佳值。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置u 后扰流器形式后扰流器形式6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.3 6.3 导流罩（导流罩（air deflector/air shieldair deflector/air shield）u导流罩的作用导流罩的作用避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置u货车的后导流罩货车的后导流罩6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.4 6.4 底板底板u底板的作用底板的作用使汽车底面平整光滑，以减小空气阻力和空气升力。使汽车底面平整光滑，以减小空气阻力和空气升力。降低车外噪声。降低车外噪声。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.5 6.5 裙边（裙边（side fairing)side fairing)u裙边的作用裙边的作用使前后轮之间的车身侧面下部平整，减少车轮与气流的相互作用，使前后轮之间的车身侧面下部平整，减少车轮与气流的相互作用，以降低空气阻力。以降低空气阻力。阻碍底部气流从侧面流出。减小侧面涡流强度；可能增大底部压阻碍底部气流从侧面流出。减小侧面涡流强度；可能增大底部压力。力。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置u货车的裙边货车的裙边6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.6 6.6 垂直尾翼垂直尾翼u垂直尾翼的作用垂直尾翼的作用使气压中心后移，改善空气动力稳定性。使气压中心后移，改善空气动力稳定性。增大空气侧向力。增大空气侧向力。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.7 6.7 车轮整流罩车轮整流罩(Wheel cover)(Wheel cover)u车轮整流罩的作用车轮整流罩的作用减小车轮转动引起的干扰阻力；减小车轮转动引起的干扰阻力；减小翼子板开口引起的干扰阻力。减小翼子板开口引起的干扰阻力。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.8 6.8 车轮导流板车轮导流板u车轮导流板的作用车轮导流板的作用减小车轮引起的空气阻力。减小车轮引起的空气阻力。前轮前导板前轮前导板后轮前导板后轮前导板后轮后导板后轮后导板前轮前导板前轮前导板后轮前导板后轮前导板后轮后导板后轮后导板6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.9 6.9 负升力翼负升力翼u 负升力翼的作用负升力翼的作用产生向下的空气升力，提高附着力。产生向下的空气升力，提高附着力。例：例：总质量总质量750kg，附着系数，附着系数1.4，转弯半径，转弯半径200m，无负升力装置，最大车速无负升力装置，最大车速190km/h，向心加速度，向心加速度1.4g；负升力为车重的负升力为车重的36%，最大车速，最大车速222km/h，向心加速度，向心加速度1.94g；负升力为车重的负升力为车重的106%，最大车速，最大车速270km/h，向心加速度，向心加速度2.88g。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.10 6.10 轮辐盖轮辐盖u轮辐盖的作用轮辐盖的作用防止气流进入车轮，减小轮辐对气流的干扰防止气流进入车轮，减小轮辐对气流的干扰,从而减小干扰阻力。从而减小干扰阻力。制动器散热效果差。制动器散热效果差。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置6.11 6.11 轮毂罩轮毂罩u轮毂罩的作用轮毂罩的作用引导气流，减小空气阻力，产生负升力，冷却制动器。引导气流，减小空气阻力，产生负升力，冷却制动器。6.汽车空气动力学装置汽车空气动力学装置汽车的楔形造型趋势汽车的楔形造型趋势u楔形楔形前低后高，后端垂直截断。前低后高，后端垂直截断。u楔形造型的空气动力学特点楔形造型的空气动力学特点前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小；前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小；发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小；发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小；后端上缘的尖棱，使诱导阻力较小；后端上缘的尖棱，使诱导阻力较小；前低后高，前低后高，“翼形翼形”迎角小，使空气升力小；迎角小，使空气升力小；侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。汽车空气动力学汽车空气动力学发动机盖应向前下倾发动机盖应向前下倾 风窗玻璃应尽可能风窗玻璃应尽可能“躺平躺平”，且与车顶圆滑过渡。，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。的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。越野车很难做到越野车很难做到 风窗玻璃应尽可能风窗玻璃应尽可能“躺平躺平”，且与车顶圆滑过渡。，且与车顶圆滑过渡。水平投影应为腰鼓形。水平投影应为腰鼓形。后端稍稍收缩，前端呈半圆形。后端稍稍收缩，前端呈半圆形。面与面交接处的棱角应为圆柱状。面与面交接处的棱角应为圆柱状。过渡不理想过渡不理想 面与面交接处的棱角应为圆柱状。面与面交接处的棱角应为圆柱状。尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。减少凸起物，形成平滑表面，如门把手改为凹式结构，刮水器改为减少凸起物，形成平滑表面，如门把手改为凹式结构，刮水器改为内藏式，车身侧面的窗玻璃与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面内藏式，车身侧面的窗玻璃与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面平滑。平滑。在保险杠下面，应安装合适的扰流板。在保险杠下面，应安装合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。车轮盖应与轮胎相平。思考：思考：F1方程式赛车为什么不用车轮盖？方程式赛车为什么不用车轮盖？整个车身应向前倾整个车身应向前倾12。2）整车）整车 最好最好采用方背采用方背式式或快背或快背式。式。若若用阶背用阶背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。后面应采用鸭尾式结构。后面应采用鸭尾式结构。所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。的盖板盖住底部。4）车身底部）车身底部底部比较凌乱底部比较凌乱底部比较凌乱底部比较凌乱 仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。5）发动机冷却通风系统）发动机冷却通风系统冷冷却却前前制制动动器器冷冷却却前前制制动动器器冷冷却却发发动动机机和和制制动动器器冷冷却却后后制制动动器器和和润润滑滑系系统统冷冷却却发发动动机机和和前前制制动动器器冷冷却却后后制制动动器器为发动机提供充足的空气为发动机提供充足的空气气动造型的整体最优化气动造型的整体最优化箱型：气动阻力系数平均值为箱型：气动阻力系数平均值为0.60.7；甲壳虫型：气动阻力系数约为甲壳虫型：气动阻力系数约为0.450.5，其高速气动性能明显优于箱型汽车，但，其高速气动性能明显优于箱型汽车，但“甲壳虫型甲壳虫型”汽汽车抗侧风干扰稳定性较差。之后经过更细致的风洞试验研究，发现车抗侧风干扰稳定性较差。之后经过更细致的风洞试验研究，发现“甲壳虫型甲壳虫型”的尾部气流涡区的尾部气流涡区较大；较大；船型：船型汽车抗侧风稳定性强，前、后翼子板与侧围形成一个整体，改善了车身两侧气流状船型：船型汽车抗侧风稳定性强，前、后翼子板与侧围形成一个整体，改善了车身两侧气流状态，气动阻力系数保持在态，气动阻力系数保持在0.40.45左右。但船型汽车尾部呈阶梯状，高速时会产生较强的空气涡左右。但船型汽车尾部呈阶梯状，高速时会产生较强的空气涡流；流；鱼型：把船型车的后背不断倾斜，成为背部像鱼的脊背式汽车；但存在后方视野和乘座舒适性鱼型：把船型车的后背不断倾斜，成为背部像鱼的脊背式汽车；但存在后方视野和乘座舒适性较差的缺点，且气动升力问题也比较突出；较差的缺点，且气动升力问题也比较突出；楔型车：把气动阻力的一部分化解为向下的负升力，整车表面的压强分布变化均衡，表面的分楔型车：把气动阻力的一部分化解为向下的负升力，整车表面的压强分布变化均衡，表面的分离涡较少，很好地解决了气动阻力与气动升力的矛盾，离涡较少，很好地解决了气动阻力与气动升力的矛盾，楔型轿车表面压强分布楔型轿车表面压强分布未来轿车的外形未来轿车的外形减小减小CD值要遵循的要点总结如下：值要遵循的要点总结如下：理想的气动外形理想的气动外形正面：尽可能采用宽而低的扁平型以及无棱角正面：尽可能采用宽而低的扁平型以及无棱角的圆滑过渡；的圆滑过渡；侧面：应尽量降低车身总高度；减小离地间隙；侧面：应尽量降低车身总高度；减小离地间隙；前端扁平、后端尽可能使阻力降低；加尾翼（从前端扁平、后端尽可能使阻力降低；加尾翼（从减小阻力和保证方向稳定两个方面考虑）减小阻力和保证方向稳定两个方面考虑）从顶面看，车身前端接近半圆形，而整车的俯从顶面看，车身前端接近半圆形，而整车的俯视形状尽可能接近腰鼓形视形状尽可能接近腰鼓形 现代汽车气动造型的研究和开发是上述两条技术路线的综合，即以整体最优化为气现代汽车气动造型的研究和开发是上述两条技术路线的综合，即以整体最优化为气动造型基础，再辅以局部优化造型，力求使气动造型尽善尽美。动造型基础，再辅以局部优化造型，力求使气动造型尽善尽美。理想的气动外形理想的气动外形现代汽车的空气动力学设计应满足下列要求：现代汽车的空气动力学设计应满足下列要求：将车身设计成楔形或快背式，尽量把前端压低、前风窗与发动机罩、顶将车身设计成楔形或快背式，尽量把前端压低、前风窗与发动机罩、顶盖与侧面的过渡部分尽可能圆滑光顺；盖与侧面的过渡部分尽可能圆滑光顺；设置前后扰流器等空气动力学装置，改善气流状态；设置前后扰流器等空气动力学装置，改善气流状态；车身底面平滑化，或设置光滑地板，以降低空气阻力；车身底面平滑化，或设置光滑地板，以降低空气阻力；尽可能减少车身外表面的凸凹面和凸出物，如采用电子后视镜；尽可能减少车身外表面的凸凹面和凸出物，如采用电子后视镜；合理设计并控制发动机的冷却气流，强制空气处于有理流动状态，提高合理设计并控制发动机的冷却气流，强制空气处于有理流动状态，提高冷却效果并减小内循环空气阻力。冷却效果并减小内循环空气阻力。6.1 汽车风洞汽车风洞风洞是产生人工气流的装置。风洞是产生人工气流的装置。u 风洞类型风洞类型按尺寸大小分为：按尺寸大小分为：整车风洞、模型风洞；整车风洞、模型风洞；按气流是否循环分为：按气流是否循环分为：直流式风洞直流式风洞(开式风洞开式风洞)、回流式风洞、回流式风洞(闭式风洞闭式风洞)。按气流速度分为：按气流速度分为：低速风洞、高速风洞低速风洞、高速风洞(亚音速、跨音速、超音速、高超音速亚音速、跨音速、超音速、高超音速)。6.6.汽车风洞试验汽车风洞试验汽车空气动力学汽车空气动力学u 风洞结构风洞结构 稳定段稳定段 由蜂窝器、阴尼网构成。其由蜂窝器、阴尼网构成。其作用是衰减涡流，提高气流品质。作用是衰减涡流，提高气流品质。收缩段收缩段 是一截面积逐渐缩小的通道。是一截面积逐渐缩小的通道。其作用是使气流加速。其作用是使气流加速。试验段试验段 是试件、测试装置安放区。是试件、测试装置安放区。有开式试验段和闭式试验段两种有开式试验段和闭式试验段两种类型。类型。扩散段扩散段 是一截面积逐渐扩大的通道。是一截面积逐渐扩大的通道。其作用是使气流减速，以减小流其作用是使气流减速，以减小流动的能耗。动的能耗。风扇及整流装置风扇及整流装置 风扇使空气流动。整流装置风扇使空气流动。整流装置将旋转气流导直。将旋转气流导直。对于回流式风洞，还有冷却装对于回流式风洞，还有冷却装置、换气装置、拐角导直片等。置、换气装置、拐角导直片等。6.汽车风洞试验汽车风洞试验除了保持较低的风阻系数以外，还需要寻找一个下压力和空气阻力之间的平衡点。u风洞的应用风洞的应用6.汽车风洞试验汽车风洞试验6.汽车风洞试验汽车风洞试验6.2 汽车风洞试验汽车风洞试验 空气动力及空气动力矩试验空气动力及空气动力矩试验测量汽车受到的空气动力及空气动力矩，得到动力系数有动力矩测量汽车受到的空气动力及空气动力矩，得到动力系数有动力矩系数。系数。压力分布试验压力分布试验测定汽车表面压力分布，得到表面的压力系数。测定汽车表面压力分布，得到表面的压力系数。流动显示试验流动显示试验观察气流流动状态，显示汽车周围气流流谱。观察气流流动状态，显示汽车周围气流流谱。烟流法烟流法 飘带法飘带法 油膜法油膜法 升华法升华法6.汽车风洞试验汽车风洞试验烟流法烟流法层流附面层，烟流的轮廓清晰；层流附面层，烟流的轮廓清晰；层流转捩为紊流时，烟流突然冲散；层流转捩为紊流时，烟流突然冲散；产生气流分离时，烟流离开物面。产生气流分离时，烟流离开物面。飘带法飘带法层流附面层，飘带顺气流方向几乎不动；层流附面层，飘带顺气流方向几乎不动；附面层转捩为紊流时，飘带明显抖动；附面层转捩为紊流时，飘带明显抖动；在气流分离区，飘带剧烈抖动并明显回卷。在气流分离区，飘带剧烈抖动并明显回卷。6.汽车风洞试验汽车风洞试验飘带法可用于道路试验。飘带法可用于道路试验。6.汽车风洞试验汽车风洞试验油膜法油膜法层流附面层，油膜形成的条纹均匀而层流附面层，油膜形成的条纹均匀而细致；细致；紊流附面层，油膜形成的条纹呈较粗紊流附面层，油膜形成的条纹呈较粗的沟条或似木纹；的沟条或似木纹；在气流分离线，油膜形成堆积带；在气流分离线，油膜形成堆积带；在气流分离区里，油膜基本无变化。在气流分离区里，油膜基本无变化。升华法升华法层流附面层，升华较慢；层流附面层，升华较慢；紊流附面层，升华较快；紊流附面层，升华较快；在气流分离区里，升华最慢。在气流分离区里，升华最慢。6.汽车风洞试验汽车风洞试验6.3 风洞试验的几个问题风洞试验的几个问题u阻塞效应阻塞效应试件周围的气流受到洞壁的限制。试件周围的气流受到洞壁的限制。阻塞效应带来了试验误差。阻塞效应带来了试验误差。减小阻塞效应误差的措施减小阻塞效应误差的措施采用开口式试验段。采用开口式试验段。阻塞比（试件迎风面积与试验段横截面积之比）小于阻塞比（试件迎风面积与试验段横截面积之比）小于5%，试件高，试件高度、宽度分别小于试验段高度、宽度的度、宽度分别小于试验段高度、宽度的1/3。对试验结果进行修正。对试验结果进行修正。6.汽车风洞试验汽车风洞试验u地板附面层地板附面层试验段地板与气流的相对运动与实际现象不一致。试验段地板与气流的相对运动与实际现象不一致。试验段地板附面层带来了试验误差。试验段地板附面层带来了试验误差。u减小地板附面层影响的措施减小地板附面层影响的措施镜象法镜象法将对称轴上的流线看作固体物面。将对称轴上的流线看作固体物面。离地间隙法离地间隙法将试件抬高于地板附面层之上。将试件抬高于地板附面层之上。吸入法吸入法地板前部开缝，将附面层吸除。地板前部开缝，将附面层吸除。传送带传送带 让让“地板地板”以与气流相同的速度运动。以与气流相同的速度运动。可使车轮转动。可使车轮转动。6.汽车风洞试验汽车风洞试验用传送带作试验段地板用传送带作试验段地板6.汽车风洞试验汽车风洞试验u支架干扰支架干扰支架用于安装试件，传递所受空气动力。支架用于安装试件，传递所受空气动力。支架对气流的干扰带来了试验误差。支架对气流的干扰带来了试验误差。减小支架干扰的措施减小支架干扰的措施用试验方法确定附加干扰阻力的大小，再对试验数据进行修正。用试验方法确定附加干扰阻力的