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主编
第二章 汽车空气动力学概述
第一节 气动力和力矩 第二节 汽车的阻力特性 第三节 与汽车相关的流场 第四节 汽车空气动力学特点 第五节 汽车空气动力学的相关学科 第六节 汽车外形与空气动力特性的关系 第七节 汽车最佳气动外形的设计途径
第一节 气动力和力矩
一、气动力和力矩 二、车身表面的压力分布
1.气动阻力
图2-2 FD—09风洞测得的红旗CA774轿车的 气动阻力系数的横摆角特性(v=60m/s)
1.气动阻力
表2-3 各类汽车气动阻力系数的
2.气动升力及纵倾力矩
• 由于汽车车身上部和下部气流的流速不同，使车身 上部和下部形成压力差，从而产生升力。由于升力 而产生绕y轴的纵倾力矩。
• 侧风作用下的轻型高速汽车，车身前部可能有较大 的局部升力，汽车进风口处的冷却气流会使流过车 身的气流发生明显的变化，导致对升力的影响。作 用在汽车上的空气，有35％～40％从车身上面流过， 10％～15％从下面流过，25％从侧面流过，所以减 小车身上下部分的压力差，使大量的气流流经侧面， 可以减小升力;使底板下部流线形化，压低发动机罩 前端，减缓前风窗倾角，都可减小前端的升力。
• 作用于运动汽车上的气动力和力矩,如图2-1 所示，分为相互垂直的三个分力和三个绕 轴的矩。
一、气动力和力矩
图2-1 汽车稳定坐标系
1.气动阻力
• 气动阻力D是与汽车运动方向相反的空气力。 D=qCDA，其中q代表气流动压12ρv2∞。气动 阻力D取决于正面投影面积A和气动阻力系 数CD，而汽车外形的空气动力特性由气动阻 力系数CD来描述。通常正面投影面积取决于 汽车的外形尺寸，这是由设计需要决定的， 因此减小气动阻力就是要减小气动阻力系 数。
一、阻力分类
图2-10 气动阻力的分类
二、压差阻力与表面摩擦阻力
压差阻力和表面摩擦阻力的本质来自于气流的 粘性。绕流作用在车身表面，产生了压力场和 切应力场，如果当地的逆压梯度超过了一定的 陡度，则造成气流从车身表面分离。当气流分 离时，产生的压力分布与无粘流不同，随着产 生的边界层厚度的增加，切应力减小，直至分 离点减至零。
2.气动升力及纵倾力矩
图2-3 各种外形汽车的前后轮负荷随横摆角变化的状况
2.气动升力及纵倾力矩
图2-4 各种外形汽车升力系数的横摆角特性
3.侧向力及横摆力矩
侧向力和横摆力矩都影响汽车的行驶稳定性。在非对称气流中， 横摆力矩有使汽车绕垂直轴(z轴)转动的趋势。如果所产生的横 摆力矩有减小横摆角的作用，那么汽车具有稳定的气动性能， 上述结果可表示为
2 驾驶室内的气流
• 穿过驾驶室内气流有如下三个作用： • 1）保证足够的通风，使驾驶室内所有污染
的空气和尘土排出，同时更新呼吸消耗的 氧气。 • 2）在车外气候极大的变化范围内，保证驾 驶室内气候舒适。 • 3）内部气流必须穿过车窗，以除霜。
第四节 汽车空气动力学特点
• 一、汽车空气动力学的重要结论来自于实验 • 二、数值计算不能取代风洞实验
3.侧向力及横摆力矩
图2-5 风压中心的位置
3.侧向力及横摆力矩
图2-6 各种外形汽车的侧向力系数的横摆角特性
3.侧向力及横摆力矩
图2-7 不同外形汽车的横摆力矩特性
3.侧向力及横摆力矩
图2-8 尾翼对侧向力系数的影响
4.侧倾力矩
• 侧倾力矩对汽车左右车轮的重量分配有较大 的影响，并且直接影响到汽车的侧倾角。侧 倾力矩主要是由车身侧面形状决定的，一般 侧面流线形好的汽车，侧倾力矩相对较小。 汽车的高度和宽度对侧倾力矩影响很大，一 般低而宽的汽车侧倾力矩系数比高而狭长的 汽车的侧倾力矩系数小。汽车设计时，应尽 量使风压中心接近侧倾轴线。
三、诱导阻力
图2-11 不同尾部外形汽车的尾流
第三节 与汽车相关的流场
• 一、 与汽车相关的流场分类 • 二 、汽车外部流场 • 三、 汽车内部流场
一、 与汽车相关的流场分类
• 与汽车相关的流场分为汽车周围的外部流 场、穿过汽车车身内部的流场，以及发动 机室及变速器等机体内的流场三类。
二 、汽车外部流场
一、汽车空气动力学的重要结论来自于实验
• 飞机空气动力学在相当大的范围内采用理 论分析。当今飞机的空气动力学设计从理 论分析亦即从数值计算开始，然后进行小 模型的风洞实验，最后才进行样机的飞行 试验。
二、数值计算不能取代风洞实验
• 飞机的记忆、机身和尾翼可以单独考虑， 因此飞机周围的气流计算就得到了简化， 各部分的相互作用也可以用理论方法来评 价。
二、车身表面的压力分布
• 图2-9 车身表面压力分布图图2-9为某国产 轿车的车身表面压力分布图。车身表面的 压力系数用Cp表示，即
（2-1）
二、车身表面的压力分布
图2-9 车身表面压力分布图
第二节 汽车的阻力特性
一、阻力分类 二、压差阻力与表面摩擦阻力 三、诱导阻力
一、阻力分类
行驶中的汽车受到的气动力是非常复杂的，如本章第一节所 述，它可由平行于x，y，z各轴的力和绕各轴的力矩来表示。 气动阻力可分为外部阻力和内部阻力,如图2-10所示。 外部阻力系数CD′可表示为
第五节 汽车空气动力学的相关学科
• 一、建筑空气动力学 • 二、火车（列车）空气动力学 • 三、船舶空气动力学
一、建筑空气动力学
• 与汽车空气动力学相关的学科有建筑空气 动力学，它研究的主要内容是：
• 汽车的外部流场使汽车受到力和力矩的作 用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定 性产生极大的影响。
三、 汽车内部流场
• 1 发动机冷却系统的气流 • 2 驾驶室内的气流
1 、发动机冷却系统的气流
• 发动机冷却系的作用是散掉与发动机有用 功大致相当的热量。随着汽车设计技术的 发展，对冷却系设计也提出了更高的要求。
一、气动力和力矩
1.气动阻力 2.气动升力及纵倾力矩 3.侧向力及横摆力矩 4.侧倾力矩
一、气动力和力矩
• 汽车行驶时，除了受到来自地面的力外， 还受到其周围气流的气动力和力矩的作用。 来自地面的力取决于汽车的总重、滚动阻 力和重心位置。气动力和力矩则由行驶速 度、车身外形和横摆角决定。图2-1 汽车 稳定坐标系