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汽车空气动力学的一些基本概念

作者:币游 发布时间:2020-07-19 19:01 点击数:

  汽车空气动力学的一些基本概念_工学_高等教育_教育专区。汽 车 空 气 动 力 学 第一部分 汽车空气动力学研究内容 汽车空气动力学是研究行驶的汽车与其周围空气之间相互作用及其对汽车 性能影响的科学。 汽车行驶过程与空气产生复杂的相互作用而产生的驱动力不

  汽 车 空 气 动 力 学 第一部分 汽车空气动力学研究内容 汽车空气动力学是研究行驶的汽车与其周围空气之间相互作用及其对汽车 性能影响的科学。 汽车行驶过程与空气产生复杂的相互作用而产生的驱动力不仅影响汽车的 行驶状态,同时影响汽车性能的发挥,体现在以下众多方面:通过汽车空气动力 学研究来改善汽车外形降低汽车气动阻力,提高发动机燃烧效率,改善发动机冷 却效果,不仅可以改善汽车的动力性,还可以提高汽车的燃油经济性;汽车在高 速行驶中, 来自空气的反作用力会对汽车产生很大的影响,包括因空气动力作用 而引起的汽车稳定性和操作性问题, 而良好的汽车稳定性和操作性对于其保证汽 车安全行驶有着重要的意义; 通过空气动力学途径来改善侧风稳定性以及提高制 动器制动效能为汽车高速行驶提供安全保障;在以人为本的今天,改善汽车内部 通风、取暖、除霜和空调气流等特性,减少尘土污染和降低气动噪声,是乘坐舒 适性的基本保证。 总的归纳, 汽车空气动力学的研究内容包括外观 (污染、 水、 镜面、 雨刷器) 、 行驶性能(耗油量、排放物、最大车速、加速性能) 、冷却(发动机、增压空气、 废气、辅助设备、机油、变速箱、制动器、冷凝器) 、舒适性(通风、暖风、空 调、风噪、轰鸣) 、行驶方向稳定性(直线行驶稳定、转向自回正能力、侧风稳 定性) 、作用于部件的力(车门、舱盖/箱盖、覆盖件、车顶载荷)等。 1、车身外观上,以汽车尘土污染为例。 汽车周围的流场会卷起路面或者环境中的尘土, 这些尘土可能会附着在车身 上,可能对能见度、汽车美观等造成不好的影响,比如两厢车的后挡风玻璃上一 般设有雨刷; 在雨雪等恶劣天气,雨水与泥土的混合会对汽车外表造成更加严重 的污染。 尘土或其他污染物可能附着在发动机舱和车身底部,影响汽车关键总成 或者零部件的性能,甚至产生腐蚀,因此合理地利用空气流来除尘很有必要。 -1- 大多数情况下,汽车头部存在较大的滞区,一般会在这个位置设置进气栅, 为发动机进气歧管、散热器等提供空气,与此同时汽车前方的尘土、雨水等也会 进入格栅, 进气歧管通过空气滤清器来过滤掉尘土,但其它进入的空气将会附着 在发动机舱其余部件和总成上,当尘土积累到一定程度时,可能会影响到其散热 等功能; 此外车头前方的车灯也受尘土污染比较严重,可能导致车灯无法提供足 够的光线照明。 汽车侧面后视镜附着的雨水、尘土会直接影响侧后方的视野,可以通过改变 汽车后视镜的外形特征, 减小空气尾流对侧窗的污染。商用车驾驶室的侧面也容 易收到尘土的污染,通常在驾驶室前端与侧面过渡的区域,设计导流装置,既有 利于引导较高流速的气流在一定程度上带走泥土污染, 又可以减小此处的流动分 离现象,从而减小气动阻力。 导流装置 2、行驶性能,以耗油量为例。 据有关研究,当汽车行驶速度超过 100 km/h 时,80%左右动力输出被空气 阻力所消耗, 这充分说明合理的空气动力学外形对汽车的节能有重要意义,当采 用较低的空气阻力系数外形时, 一方面可以使汽车在高速行驶时大大减少燃料消 耗; 另一方面较低的空气阻力系数还可以使汽车在装用功率较小的发动机时同样 能达到令人满意的效果, 这样发动机功率变小后其尺寸也相应减小,导致传动系 统各总成尺寸缩小和整车轻量化,又进一步导致悬架、轮胎等部件尺寸缩小,从 -2- 而大大提高了汽车综合技术性能, 可见较低的气动阻力系数带来的好处是显而易 见的。 自汽车工业诞生以来,车身造型经历了马车型、箱型、甲壳虫型、船型、鱼 型、楔型等, 从汽车出现之初气动阻力系数 Cd=0.8, 到经历数百年的发展, 汽车空气阻力 系数已经下降到 0.3 左右,甚至部分超前设计的跑车、概念车等的阻力系数已经 达到 0.14 左右,极大地节约了燃油消耗,然而人类在追求更加极致的低阻力汽 车造型的脚步永不会止步, 未来的汽车车身造型将会在细节设计、技术创新上有 更加深刻的表达。 3、冷却,以发动机冷却系统分析为例。 车身前端的主要部件是发动机,发动机的冷却系统包括散热器、冷却风扇和 水泵, 冷却系统用来保证发动机在工作时的温度不超过设计的上限温度,从功能 上讲,要求冷却系统造价低,质量轻,能耗小,气动阻力小且可靠,因此充分利 用空气流来带走发动机散发的热量对冷却系统而言意义很大。 汽车在怠速状态下和行驶状态下的气流分布有很大不同。怠速状态下,外界 气流从散热格栅各个角度流入发动机舱,而在行驶状态下,气流更容易从保险杠 下方流入发动机舱, 流入发动机舱的气流一般由发动机舱下方排出,有时也由上 方排出,如图所示,冷却风迂回撞击发动机舱内零件,使发动机受到力的作用, 与地面平行的力成为内流阻力的一部分,与地面垂直的力成为升力的一部分,而 且冷却风排出以后,与车身周围的气流相互干涉,也会产生阻力,这表明冷却风 也会引起气动阻力的增加, 而在冷却风的流出方向上如果风向下排出则升力增加, 风向上排出则升力减小。 -3- 4、舒适性,以通风和风噪为例。 为了保证乘员的舒适性, 车内必须保持一定的温度、湿度以及空气的新鲜程 度。增大车内的风速,会让人感觉到凉爽,人在 1m/s 的风速下会感觉到温度下 降 1 ℃,当环境温度低于皮肤温度时,如果增加室内的温度,应同时增加气流速 度,这样才会使人有舒适感,但风也不宜过大,因为风会使人局部过渡散热而感 到难受,并且对于头部、喉部、眼睛等敏感部位不应吹风,舒适的气流温度分布 应该是头凉足热。 汽车在行驶过程中由于周围空气的流动而产生的噪音称为气动噪声。 当汽车 在高速行驶时,车身与周围的空气发生相互作用,在汽车表面形成一个边界层, 并且产生强大的分离流、涡流以及湍流,流动中的涡流和湍流相互作用,从而在 车身表面产生强大的脉动压力场, 而汽车表面脉动压力场是产生气动噪声的来源, 车外噪声透过车身外装附件、开启门窗、凹凸台阶、狭缝等传入车内引起人体不 适。从空气动力学角度,控制流动是降低气动噪声的主要思路,比如避免周期性 的二维分离流动可以在收音机天线上缠绕螺线, 天窗前缘设计导流板均可以降低 风噪; 还可以对三维流动分离采取干预措施, 比如在轿车的外后视镜上采用凹槽、 凸缘以影响后视镜尾流。 后视镜上的气流槽 5、改善汽车行驶阻力的装置 对于货车这样由于自身结构原因, 将不可避免地有不利于改善气动特性机制, 仅靠对自身的外形的进行优化已难以解决问题, 而在特定部位增加一定的气动附 件可获得满意结果。 货车常采用的空气动力附件有导流罩、 导流片、 间隙密封板、 侧裙板和稳涡装置等。 -4- 导流罩是安装在货车驾驶室顶盖上方的整流装置, 主要是为了改善迎面撞在 拖车前围上的气流特性以减小阻力。其减阻机理是,驾驶室与箱体之间存在高度 差时,通过导流罩来控制气流的分离,在箱体和驾驶室之间形成一个屏蔽区,引 导气流平顺地流向箱体, 而不至于直接冲击箱体, 使得箱体前的正压区变成负压 区,从而减小货车气动阻力。 导流罩 厢式货车驾驶室与箱体之间通常有间隙存在,当货车在侧风环境中运行时, 会有气流横穿该间隙,使前面迎风面积增大,正压区增大,后部尾涡区增大,气 动阻力增大因此需要在间隙处增加密封罩, 就可以防止这种横向穿流而起到减阻 作用。 此外当汽车在侧风环境中行驶时,有部分气流横穿底部,冲刷到底部粗糙物 和粗糙表面,使得气动特性恶化,为改善这种情况,减小阻力,一般在货箱底部 两侧增加侧裙板。 侧裙板 总的来说,汽车在行驶过程中,周围的空气流场很复杂,其对汽车的各个性 能指标影响很大,总的归纳如下: 燃料经济性 气动力 动力性能 操纵稳定性 换气性能 空气的流动 压力分布 冷却性能 风噪 刮水器上浮 流速分布 灰尘、泥土上卷 雨水流淌路径 -5- 第二部分 气动造型基本技术路线 汽车气动造型的初期, 人们的注意力多侧重于气动阻力的研究,随着车速的 提高, 特别是人们对汽车高速气动性能的日益重视,气动造型已经不再仅仅局限 于降低风阻, 而是在低风阻的前提下, 更加强调气动力作用下的直线行驶稳定性、 高速操纵稳定性和抗侧风稳定性。 目前汽车气动造型的技术路线主要包括:从基本流线型衍生演变;对出现扰 流的区域圆角化,完善出现扰流的区域——局部优化;整车气动性能优化;运用 仿生学手段造型等。 1、从基本流线型衍生演变 造型师通过初期简单的线条勾勒,逐步衍生演变, 绘制与新创意相符的汽车 轮廓,这依赖设计师丰富的想象能力和绘图功底。 -6- 2、气动造型局部最优化 该路线以满足功能、工艺学、美学、人体工程学为前提,初步定出车身基本 造型在基本造型的基础上, 对汽车车身进行局部修饰和增加空气动力学附加装置, 如改变圆角半径、曲面弧度、斜度和增加扰流器等,从而控制甚至阻止气流发生 分离,以减少气动阻力和提高行驶稳定性,充分体现了“造型服务于性能”的设 计目的, 70 年代的 VW-Scirocco I 和 60 年代我国的红旗 CA774 均采用这种方法, 并取 得较好的成效。 有工程师指出, 要增强一辆车的空气动力性能并减少其风阻系数需要在各个 细节上做出改善, 甚至每个细节部位仅仅改进千分之一,那么其合力也是非常可 观的。 因而工程师们利用风洞实验不断地在汽车各个部位进行测试,比如行李舱 盖调高一点,发动机罩条纹改变一些等等,以求达到局部最优的造型。 但是,对于 Cd 0.45 的汽车,该方法能取得明显的效果,如果要想使汽车 的 Cd 值降到 0.4 以下, 则必须做出相当大努力, 甚至需要寻找更加高级的技术。 3、气动造型的整体最优化 该路线是以某种具有低风阻和高气动稳定性的“流线型”基体为出发点,再 根据人体工程学、制造工艺、美学、安全法规以及整车布置等要求逐步走向实用 化车型,即体现“性能服务于造型”的设计思想,在整个设计过程中,从一开始 就确定一个比较理想且符合总布置要求的低阻型体, 在其发展成实用化车的过程 里都严格保证形体的光顺性,使气流不从汽车表面分离。 80 年代开发的奥迪 100 C3 型轿车就是这一技术路线的产品。第一步是按照 总布置要求制成具有阶梯背式造型风格,并且具有比较理想的流线体特征,例如 具有极其光顺的曲面、圆滑的车头、大弧度风窗等,其气动阻力 Cd 值为 0.18; 第二步是将基本形体转变为基本汽车外形,所有与空气动力学的细部,如车底部 件、冷却系统气流、保险杠、连接点和细缝等,都要进行细部最佳化处理,当然 阻力系数也增加到 0.24,;第三步是将基本汽车外形精制成式样模型,车身结构 设计师参与大量细节工作, 使模型车基本接近产品车, Cd 值也进一步增加到 0.29; 第四步将基本模型试制成产品车,Cd 值比式样模型略高点,为 0.3,这在当时是 相当不错的空气动力学设计效果,引起了世界汽车界的轰动。 -7- 4、运用仿生学手段造型 设计师从自然界的生物体态上寻找灵感,将其注入汽车造型的思路当中,往 往能获取出乎意料的设计效果。 从最开始 1933 年德国的波尔舍博士设计了一种类似甲壳虫外形的汽车造型 时,最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处,并且成功推向市场受到好评(尽管后 来在空气动力学层面上证明甲壳虫造型的空气阻力系数并不小) 。此后船型、鱼 型、楔型等汽车造型都是设计者们从自然界事物里找寻灵感,突破传统思维,创 造经典。 现代汽车造型,尤其是跑车、概念车等超前卫的汽车作品更加如此。比如宝 马前大灯的仿鹰眼的造型,堪称经典中的经典。 -8- 鹰的眼神给人以犀利、 专注和炯炯有神的感觉, 宝马取材于鹰眼的大灯设计, 传达和凸显宝马品牌的精髓:豪华、勇猛、凛然不可侵犯的王者之气,无疑会为 整个车身增添更多的运动和力量感,一个眼神,就征服了一切! 再比如玛莎拉蒂的前脸设计,仿真鲶鱼的大嘴流线型外形,独特的进气格栅 显示出与众不同, 扁而长的前脸给人精致而小巧的感觉,豪华贵族的气息跃然而 出,让人爱不释手,同时扁小修长的车身曲线带给人无限的动感。 再如丰田雷凌同样也是仿鹰眼的造型,但与宝马犀利感觉不同的是,雷凌尽 显白头鹰的强悍之风,其前脸大灯设计棱角分明,静中有动,紧盯猎物,不怒自 威,展示出超强的气质与型动美学,极具辨识度,令人印象深刻。 -9- 第三部分 小结 汽车产品的美学特征一是由以其内在的理性形式所呈现的技术美或科技美, 技术美包括性能美、结构美、工艺美、材质美、尺度美、舒适美等;二是产品以 其外在的感性形式所呈现的形式美或艺术美, 因为汽车作为一种满足人们物质和 精神上的需求产品,其造型必须遵循形式美学法则的普遍形式,形式美包括:形 态美、比例美、色彩美、和谐美等。 汽车空气动力学在某上意义上来说,不仅仅是一门简单的流体计算力学,更 多的还有美学艺术等层面的考究。汽车作为一种大众消费品,它除了在技术层面 上要满足有低阻力、稳定性等看不见的性能外,对于消费者来说,看得见的更多 的是车身外在造型、颜色、舒适性等,甚至这些因素直接会导致消费者的购买欲 望, 所以作为汽车造型师来说, 如何将低阻力的造型与美学上能为大众所喜爱的 设计融合起来,这是一件并不容易的事。 - 10 - 参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] [6] 韩建保.汽车空气动力学[M].2015.12 胡兴军.汽车空气动力学[M]. 北京:人民交通出版社,2014.2 王慧军.汽车造型设计[M].北京:国防工业出版社,2007.1 邓书涛.汽车概论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.8 谷正气. 汽车气动造型浅释[J]. 上海汽车,2000 谷正气.汽车空气动力学[M]. 北京:人民交通出版社,2005.7 - 11 -


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