Chapter 6 汽车的空气动力性能

6-1 概述

6-2 汽车行驶时所受到的气动力和力矩

气动力和气动力矩

流场

空气动力学中，可把流经物体的气流的属性，如速度 v，压强 p，密度 ρ 等，表示为空间坐标 ( x , y , z ) 和时间 t 的函数，例如 v = v ( x , y , z , t ) ; p = p ( x , y , z , t ) ; ρ = ρ ( x , y , z , t ).
分别称为 速度场、压强场、密度场。所有这些场的总和，为流场。

速度场：是由每一时刻、每一点上的速度矢量组成的物理场。Velocity field
流线：为研究气流的流动而引入的假想的曲线，在这条曲线上，任何一点切线的方向都与该时刻气流质点速度向量的方向相同。
流谱：在某一瞬时的流场中，许多流线的集合，称为该瞬时气流的流谱。

连续性方程：

对于定常的流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即

ρ1V1A1 = ρ2V2A2 = ...... = 常数 其中 A 为截面面积

对于不可压缩流体 ρ1 = ρ2 = ... = 常数 ，有

V1A1 = V2Z2 = ...... = 常数 汽车周围空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。

伯努利方程 Bernoulli's Law

低速空气动力学问题，忽略重力效应，并假设气流为无粘又无旋，对于不可压缩流体，则可得伯努利方程的简化形式：

即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数

当气体速度不太高时，密度 ρ 可视为不变，且气体的重力很小，则：

伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。

汽车的空气阻力

其大小与空气阻力系数、迎风面积、空气密度、车速的平方成正比。
汽车的空气阻力由五部分组成：
- 形状阻力：占气动阻力的60per左右。车身各个表面的形状及其交接处的转折方式是影响它的主要因素。（表面压差阻力）
- 摩擦阻力：由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力，数值取决于车身表面的面积和光滑程度。（9per）
- 诱导阻力：是气动升力所产生的纵向水平分力。（5-7per）
- 干扰阻力：由暴露在汽车外部的各种附件引起气流互相干扰而形成的阻力。（15per）（附件阻力）
- 内部阻力：由冷却发动机等的气流和车内通风气流而形成的阻力。（10-13per）（内循环阻力）

汽车的气动升力

中线：指汽车横截面中心点的联线。

迎角：指弦线与水平线之间的夹角。（正迎角下，迎角越大，升力越大）

降低气动升力的措施：

采用负迎角造型
在汽车前端底部加一个扰流板
使汽车底板的尾部向上翘起一个角度，以疏导底部气流，降低升力系数
汽车地板向两侧面略微翘起，使底部气流有一部分流向两个侧面

汽车的空气动力稳定性

如何确定风压中心的位置？
解释为什么(a)的空气动力稳定性差而(b)的好？
课本 Page113 图 6-5
图a中，风压中心在质心之前，横摆力矩使汽车绕Z轴顺时针方向转动，即顺侧向风转动，进一步增强侧向风力的作用，从而导致恶性循环使汽车失稳；图b中，风压中心在质心之后，横摆力矩使汽车逆侧向风转动，削弱了侧向风力的作用，使汽车趋于稳定。

6-3 空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布

附面层

由于流体的粘性，靠近物体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，又叫边界层。 *Boundary Layer*

顺压梯度

顺流动方向压力降低。

逆压梯度

顺流动方向压力升高。

气流分离现象 Flow Separation

结合课本Page115（图6-9）《汽车表面的附面层》、连续性方程、伯努利方程、顺压梯度、逆压梯度，分析气流分离现象产生的原因。

当气流越过物体表面的最高点后，气流流束扩大，根据连续性方程，流速减小，压力增大，具有逆压梯度。气体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，流动困难。

在物面法向速度梯度为0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物面隔开。

汽车的内部气流与表面压强分布

车身表面的压强：

P —— 车身表面压力，单位 Pa

P0 —— 标准大气压，单位 Pa

v —— 气流速度，单位 m/s

ρ —— 空气密度，单位 kg/m^3

进风口：Cp=0，常设在前围及前风窗上部及车顶开设顶窗进风。（正压区域）
出风口；常设在后窗柱上（负压区域）

6-4 改善汽车空气动力性能的措施

汽车外形设计的局部优化

采用各种气动附加装置

轿车车身后部设置后扰流器的目的：

推迟涡流的产生
减弱涡流的强度，形成局部正压以降低阻力系数和升力系数

外形设计的整体优化

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当气流越过物体表面的最高点后，气流流束扩大，根据连续性方程，流速减小，压力增大，具有逆压梯度。气体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，流动困难。在物面法向速度梯度为0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物面隔开。