汽车系统动力学
一、风洞试验
风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞
的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和 力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来 观察模型附近流线的变化。
风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段
组成。(图4-13/14分别为两种常见的风洞形式)
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1、直流式风洞（埃菲尔式风洞）
第四章 空气动力学基础
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第一节 概述
当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用
力，空气动力随车速的增加而迅速增加，从 而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著 的影响。 研究的主要内容：对车外流和对车内流 研究的目的：减少风阻、提高侧风稳定性、 提高发动机进气管道的效率等等。
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2、空气密度随压强的变化
在温度不变的情况下，由于空气压力直接与大气压力
成正比关系，因而天气状况或海拔的改变将引起大气 压力的改变。海拔越高，空气越稀薄，空气密度越低
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二、空气粘度
粘度用来表述流体的粘性，流体粘性力由
气体的粘性和内部速度梯度共同决定。粘 性力在流体间相互传递，通过依附于固体 表面很薄的边界层作用于物体表面。
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由于沿着平板流动的空气会产生边界层，边
界层的厚度随着离前缘距离的增大而增大， 如图4-16所示：
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二、雷诺数
满足模型和实际汽车流体特性相似（即具
有相似的摩擦力和惯性力关系）的基本条 件是，二者应具有相同的雷诺数。 雷诺数常用Re来表示，定义如下
Re vL
在车辆设计的初期，空气动力学试验通常在规模较小、
成本较低的风洞中进行模拟测试。但以下两个问题值得 注意： 1、现代汽车的车底净空间很低，因而车身底部和其相邻 四周的气流称为影响升力与俯仰力矩大小的关键因素。 2、关于“流体相似性”或风洞试验中与全尺寸车辆模 型有关的流体特性的模拟问题。
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由图4-11所示的风洞试验可知，只有在图总
所示的扩散角α＜100的情况下才会膨胀并贴 紧边界面。
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如果α角过大，那么气流就会从风洞壁上脱离并伴有随
机湍流生成。车辆车身较短，且为非流线型，因而上述 现象常出现在车辆后部。图4-12a所示的烟雾说明了这 类的分离情况。
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由于空气连续沿物体表面流动，湍流边界层会因边
界层能量在表面摩擦力作用下变小而进一步增厚。 边界层厚度可采用下列公式近似计算：
k5
4 v 5 x v
式中，k为比例系数，与物体形状和表面特性有关；v 为运动粘度；v∞为来流速度；x为沿物体长度方向 上的距离。
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3、压力能。由于流束位于边界表面具有一 定静压力的流体内，且静压力在各向均匀作 用，因而流体内部必须有相等的压力来保持 平衡，如图4-3所示。
流体微元的压力能等于它克服外界压力保持自 身体积所需的功，即外部压强P乘以自身体积V0
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综上所述，所讨论的流体微团总能量为压力能 与动能之和，即：
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当气流与物体相对运动时，环绕物体的气流
总会被分成两个或更多的方向流动，如图4-4 所示的分流点O为驻点，其压力等于静压与动 压之和，称为驻点压力。
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第四节 压力分布和压力系数
一、压力分布
由伯努利方程可知，如动压增加，则流体的静压必定 减小，反之亦然。翼剖面就是一种利用压力变化来产 生动力的装臵，如图4-5所示。
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第二节 空气的特性
空气是由多种气体混合而成的，由于气体分子的
运动，各气体微团间存在着相互作用力。根据产 生方式的不同，作用力可分为两种：
法向应力：两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生
切向应力：微团间相互滑动，存在分子间的动量交换
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两种不同形式的相互作用力如下图所示
1 ( pV0 ) ( V0 v 2 ) 2
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为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等 于： 1 2
p
2
v
上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压， 第二项定义为动压q。
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伯努利方程表达了在理想流场中沿流束
的能量守恒定律，即流体静压和动压之 和为常数：
p q H 常量
设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的 独立系统（即无流体通过边界），因此系统 总能量沿轴向保持恒定，只是存在的形式可 以不同，能量的形式可以是以下三种：
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1、势能。与流体高度变化有关，与流体密度 和高度成正比，对车辆空气动力学研究来说， 可以忽略不计。
2、动能。其表达式如下：
1W 2 1 2 1 EK v mv V0v 2 2 g 2 2
空气动力学的主要研究内容可概括为： 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道 的设计来减小车辆的空气阻力。 在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的 气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮 胎侧偏力的影响。 比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及 对试验结果的分析。 研究空气动力与底盘设计及汽车使用情况之间 的相互关系及影响。
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第六节 空气动力学试验
在研究车身这类非流线体特性时，空气动力
学试验已成为一种标准方法。风洞测试中， 可采用整车模型或比例模型进行试验，也可 进行道路实车试验。通过模型试验确定设计 车辆的空气动力特性，对某些设计环节或部 件进行改进，完善设计。 本节首先讨论风洞试验和雷诺数，然后介绍 各种用于实车试验的测试技术，最后对空气 阻力和力矩系数进行介绍。
现根据相对运动原理来研究空气动力 学问题。在下面的推导中，假设空气 流动。
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图4-2所示的一根空气管道可看作是由若干流 线（表示定常连续流体的流向，流线越密的区 域标识流速越大）构成的流管。
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由于管道表面无气流穿过，其表面就相当于 固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努 利方程来描述。
流体越粘，流体传至物体的力也越大。

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粘度分为：动力粘度 和运动粘度

动力粘度会随温度缓慢变化，通常随温度的增加
而增加。定义温度为15℃时的空气动力粘度为标 准值，大小等于1.822×10-5Pa· s 运动粘度定义为动力粘度与密度的比值 即： / 单位为m2/s 在标准状态下，空气的运动粘度为 1.428×10-4m2/s
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第三节 伯努利方程
当理想不可压缩流体作定常运动时，可采用 伯努利方程来描述其力学特性。 伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而 建立，它忽略了空气重力的影响，用于描述 流体速度和压强之间的关系。
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物体边界层以外的流体简化为非粘性流体，所
以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对 以亚声速行驶的车辆来说，空气密度变化通常 不大（散热等内流场情况除外），因此在车辆 空气动力学研究中，通常可以忽略车身周围气 体密度的变化。

v L
是动力粘度， / L是随流体层距离改变的速度变化率 式中，
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根据单位面积的摩擦力，可计算出实际面积的摩擦
力为
v 2 L vL L
所以，惯性力与摩擦力的比值正比于雷诺数
即：
v 2 L2 vL vL Re vL
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二、压力系数 C
p
设车身某点的局部压力位p及速度为v，远处气流 的压力及速度分别为p∞、v∞,由伯努利方程有：
1 2 1 p v p v2 2 2
p q p q
p v 1 ( )2 q v
若定义 p / q 为压力系数Cp ，可得C
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由伯努利方程可知，气流的动能转化为静压。静压在
表面施加作用力，就可以产生升力（或下压力），其 大小由所能得到的动压值决定，与速度的平方和空气 密度成正比。若要将动压有效的转化为静压和升力， 还取决于物体的形状。 例如，当翼剖面形状与理想气流流向一致时，如图 48所示，对产生下压力是非常有效的。
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根据前面对空气不可压缩和连续性条件的假定
，通过翼前端附近横截面的空气体积要等于流 过翼后端横截面的体积。因此，在翼剖面较厚 之处流管变细，空气流速增加，典型的情况如 图4-6所示:
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由图4-6可见，流管特性表现出“弹性”特性，即由
于空气速度的提高而导致静压下降，从而流管截面变 小。当流向翼剖面后端的空气速度减小后，流管便在 压强增加的情况下扩张，这就是所谓的“压力恢复” 。这种情况下，若翼剖面顶部的压降大于大部压降时 ，则形成升力，此时顶部空气流动更快，相对负压力 的分布如图4-7所示：
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通常情况下，两种形式的应力同时存在，只是所 占的比例不同。与压应力相比，物体周围大部分 气流中的剪切力都很小，空气微团间相互作用力 垂直于接触面，表现为法向压力。
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一、空气密度
空气做不规则运动，其能量受温度的影响，温
度越高，分子速度越高，移动距离越远。若单 位体积内分子数目保持不变，则空气质量和压 强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量 也随温度的不同而不同，单位体积内空气质量 和空气密度会随温度发生变化。

v 是气流速度；L是适当选择的描述 式中， 流体特性的长度； 是流体的运动粘度。
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2 对雷诺数Re的物理解释如下：动态压强等于 v / 2 ，是运
动粒子与物体相撞后动能转换为压力所引起的单位面积 受到的力。所以，惯性力和动压的作用面积之积成正比 ，即：