汽車動力學之空氣動力學

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1、汽車空氣動力學重慶大學汽車系前言汽車空氣動力學汽車受到的外力路面作用力空氣動力重力對動力性的影響影響高速時的加速性能;影響最高車速。對燃油經(jīng)濟性的影響對于CdA=0.8m2的轎車，v=65km/h時，55%的能量克服空氣阻力；v=90km/h時，70%的能量克服空氣阻力；轎車空氣動力性的差異可使空氣阻力相差別30%，燃油消耗相差達12%以上。對安全性的影響高速時的加速性能影響行車的安全；空氣升力影響汽車操縱穩(wěn)定性和制動性；空氣動力穩(wěn)定性影響汽車的操縱穩(wěn)定性。對汽車外觀的影響汽車的空氣動力特性主要取決于汽車外形；空氣動力學影響著人們的審美觀。前言空氣動力學對汽車性能的影響

2、汽車空氣動力學研究內(nèi)容研究汽車運動時，空氣對汽車的作用。包括：作用力（力矩）、噪聲、冷卻、通風換氣、車身表面清潔、對附件工作性能的影響等。前言1.空氣動力學基礎(chǔ)知識1.1連續(xù)性方程和伯努利方程(Bernoulli’sLaw)連續(xù)性方程對于定常流動，流過流束任一截面的流量彼此相等，即ρ1V1A1=ρ2V2A2=······=常數(shù)對于不可壓縮流體（ρ1=ρ2=······=常數(shù)），有V1A1=V2A2=······=常數(shù)連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)形式。汽車周圍的空氣壓力變化不大，可近似認為空氣密度不變。汽車空氣動力學伯努利方程對于不可壓縮流體，有：mgz+m

3、p/ρ+mV2/2=常數(shù)即流體的重力勢能、壓力勢能、動能之和為一常數(shù)。當氣體流速不太高時，密度ρ可視為不變，且氣體的重力很小，則p/ρ+V2/2=常數(shù)或p+ρV2/2=常數(shù)即靜壓力與“動壓力”之和為一常數(shù)。伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)形式。流速越大，動壓力越大，壓力（靜壓力）越小。1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)文丘里效應(yīng)(VentureEffect)：流體經(jīng)過狹窄通道時壓力減小的現(xiàn)象。吹紙條:熱水淋浴器:球浮氣流：發(fā)動機化油器喉管同向行舟:1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)1.2空氣的粘滯性和氣流分離現(xiàn)象達朗貝爾悖論(d’Alembert‘sParadox)對于上下對稱，

4、左右對稱的物體，在氣流中所受流體作用的合力應(yīng)為零。這顯然不符合客觀現(xiàn)實情況。(Irrotationalflowofanonviscousfluidaboutanobjectproducesnodragontheobject.Thispeculiarresultisknownasd'Alembert'sparadox.)第一章空氣動力學基礎(chǔ)知識在無粘性氣流中，所受合力為零。在粘性氣流中，所受合力不為零。附面層(boundarylayer)由于流體的粘性，靠近物面處的流體有粘附在物面的趨勢，于是有一流速較低的區(qū)域，即為附面層。附面層隨流程的增加而增厚。附面層的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)捩

5、為紊流。1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)順壓梯度和逆壓梯度順壓梯度：順流動方向壓力降低。（流速↑，壓力↓）逆壓梯度：順流動方向壓力升高。（流速↓，壓力↑）轎車的橫截面積分布和氣流壓力梯度1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)氣流分離現(xiàn)象(flowseparation)當氣流越過物面的最高點后，氣流流束擴大、流速減小，具有逆壓梯度。氣體是頂著壓力的增高流動。在因粘滯損失而使能量較低的附面層內(nèi)，流動尤為困難。在物面法向速度梯度為零(=0)時，氣流開始分離?？拷锩娴臍饬飨韧Ｖ沽鲃?，進而反向流動，形成渦流區(qū)，將繼續(xù)流動的氣流與物面隔開。ePYeY=01.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)尾流區(qū)在分離點后，是一不

6、規(guī)則流動的渦流區(qū)，總體上是靜止不動的“死水區(qū)”。物體向前運動時，它隨之運動，故稱“尾流”。尾流區(qū)內(nèi)各點壓力幾乎相等，與分離點處壓力相同。壓差阻力(pressuredrag)在物體背流面，流束的擴展受到尾流區(qū)的限制，使流束截面較比迎流面小，其壓力較迎流面低。而尾流區(qū)的壓力與相鄰流體壓力接近。這就使物體在主氣流方向上受到一個稱為“壓差阻力”的作用。影響氣流分離的因素壓力梯度只有在逆壓梯度條件下才會產(chǎn)生分離。逆壓梯度越大，越易分離。流態(tài)紊流可使主氣流中的能量更多地傳遞到附面層，比層流更不易分離。1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)減小形狀阻力的措施降低逆壓梯度減緩物體背流面的截面變化，使

7、分離點（分離線）向后移，減小尾流區(qū)。增大紊流度增大物面的粗糙度。分離是產(chǎn)生在附面層流體沒有粘度，就沒有附面層。沒有附面層，就不會產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象。汽車上的分離區(qū)氣流在前風窗下部、車頂前端、行李前部等處分離后，又重新附著，形成分離區(qū)（亦稱為“氣泡”(bubble)）。1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)1.3壓力系數(shù)定義常用壓力系數(shù)來表示物體在氣流流場中表面各點壓力的大小。壓力系數(shù)定義：　　　　　　　??；　可整理為：CP=P－P∞ρV2/2∞CP=1－()2V∞VＣＰ≤１。ＣＰ＝１處，Ｖ＝０，是駐點。表示方法矢量法坐標法1.空氣動力學基礎(chǔ)知識節(jié)2.汽車