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1、席乡空老动力学the vehicle aerodynamics2009.03.301空龟动力学基乙出1.1宅动力和力矩1.2空宅动力学基本理论 1.3车身表面的压力分布1.4车身整体优化色型概况出11老动力知力鉅汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及 其与汽车相互作用的一门科学。气动力由车辆行驶速度、车身外形和风向角决定。作 用于运动汽车上的气动力和力矩，分为相互垂直的三 个分力和三个绕轴的力矩。空气阻力指汽车直线行驶时气动力作用在行驶方向上 的分力。分为压力阻力（形状、干扰、内循环、诱导 阻力）和摩擦阻力两部分。空气阻力系数：fd/aCd = 5Pa U721-1乞动力和力鉅近地面流
2、线形车身毛动六分力合成气流相对速度,v»=(V/4-V；Vx 一一纵向气流相对速度；vy一一侧向气流相对速度(侧风速度)：0 横摆角,P =arctg(vy/Vx);F.车身纵向气动阻力A车身止投影面积或最大横截面积;F,一一车可侧向气动阻力；Fz 一一车身垂直方向气动阻力;M,一一侧倾力矩；1占一一纵倾力矩：图1.1 SAE空气动力学坐标糸Wz横摆力矩； a 轴距:M 1.2空乞动力学墓本理探1.2.1理想流体和不可压缩流体理想流体：假想的不具有粘性的流体，当空毛绕杨体流 动时，若速度不太大，温度变化很小时，可戏理为理 想流体；不可压缩流体：压强和温度变化不丸时可处理为不可压 缩流
3、体；不可压缩的流体密度设为帝数。M 1.2空乞动力学墓本理探1.2.2定常流流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若 流场中任何一点的流动参数均不随时间变化，则这种 流动称为定帝流，否则为非定帝流。在定常流的流场中，流动参数只是空间坐标的因 数，和肘间无关。例如在风洞中进行的毛动力试验，就是一个定常 流的流场。由于定帝流参数与时问无关，所以在流动 的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定帝流 来处理。弘12空老动力学基本理総1.2.3流体的基本方程连续性方程：式中:P、Q1、2截面上的平均密度%.岭一X 2截面上的平均流速 4、Aj1、2截面上的截面积 q-常数出12空乞动力学皋本理総爸务
4、利方程：宀 Po式中：P流体静压力卩一流体流动的速度p0 一总压出12空老动力学基本理総1-2.4边界层及其分雷现象番诺数=惯性力/粘性力当番诺数极低（Re<1）,惯性力影响可以忽略，粘性力支紀整个流场，此肘阻力糸数值较大； 当在中等雷诺数肘（103<Re<W层流边界层形成，并 在流经物体后部脱体分雳，此时阻力糸数值变化不大； 多雷诺数较夬肘佻>5x10），在流动分富之前的边界层, 流动己经转化成湍流； 当番诺数很大肘血>祁），阻力糸数则是个t<,与 Re无关。M 1.3乡身走而的压力分布如图所示为禁国产轿车 车身蔻面的压力分布。 压力糸数：图1.2车身表面
5、压力分布V车身M点处毛流速度厂V 00远处毛流压力及速度。M 1.3乡身走而的压力分布1发动机罩：负压力。这个区域中的逆向压力梯度趋向于 阻碍边界层毛流在这个区域中产生阻力。近年来，发动机罩 线条的细部设计主要着重于逹免毛流在发动机罩上的分雳及 其产生阻力的缺陷。2、在靠近扌当风玻癘和前隔壁板底部附近：毛压升高。 这个當毛压区域是通风，空调控制糸统吸入空毛或发动机进 毛通道的理想区域。这个区域中的當毛压帝帝徉随着较低的 速度，有助于防止扌当风玻璃上的挂水期菠毛动力所扰乱。3、车顶部区域：毛压再次吟为负。这个区域中的低毛压迹 象可以在故篷车车顶菱布的波动翻腾中看见。1.3乡©走而的压力
6、分布4、后窗玻璃到行李箔盖：由于持续连续的孤线，所以向下沿着后窗玻璃到行李箔盖上的压力保持较低。正是在这个区域中毛流分寓最可能发生。在这个区域的车身轮廊角度和 细节的设计要求密切关注空毛动力学。由于压力较低，汽车两側毛流将浹入这个区域，并促使毛流分寓O两側的毛流 彼拖入后部的低毛压区域，汇合流过汽车顶部毛流形成拖在 车尾部的涡流。分寓区域的丸小直接影响空宅阻力，同时宅流在车轲后方发生向下弯转的程度对后部的空毛升力产生影响。毛流向下青转，由于压力的减小导玫车后部产生更多的空毛13夕©表而的压力分布对车辆后部的空毛动力学役计的另一个要考虑的问题是 对后窗玻璃和尾灯上有灰尘沉积的可能。毛流
7、分爲区域當强 度的湍流夹带了轮於从道路扬起的水分和灰尘。如果分雳中 包含了这些水分和灰尘，会沉积在这些区域对视线产生障埒。图1.3车后部分富点对灰尘沉积的影响M 13夕©表而的压力分布图14车身表而涡流分布出14乡身整体誌亿遥童楼况从20世纪初叶起，人们一直不懈地努力研克能够减小毛 动阻力的乘用车型。这种目标是：寻找一种在接近地面情况 下，在满足机械工程学、人机工程学、操纵稳玄性、视野性 等各方面要求的具有最小毛动阻力的基本理想外形。1、纺锤状（水珠状丿的流线体 早期的航空理论认为，具有最小毛 动阻力的杨体的理想外形是纺锤状（ 水珠状丿的流线体。W 0540图1.4理想浇线型与实际车
8、体受其左发，人们研制出“炮弹”形， 如图所示，其毛动阻力糸数只有0.04。2、水珠体4 14乡身整体优亿遥型怨況研克表朗，水珠体只有 在运雳地面的旨由丸毛层中 才具有最低毛动阻力，一旦 接近地面，因周囲流场不再S1.5水珠形阻力糸教与地面距青对称，阻力糸数随相对地面 距富的减少而显著增丸，如 图所示当相对地面距寫 d=0.1肘,即为普通轿车的 相对地面距爲，这种理想体 的毛动阻力糸数。由此水满 状是类车体造型的理想形状。生14乡身整体従亿遥型轆况图16带弯度的水谪形与地面距富研克表朗一走弯度的水满 形状烫适合于汽车外形， 即选择在给走相对地面距 Wd=h/D时，是空毛阻力 糸数最小的弯度值。由
9、图 1.6可知，在d=Ol时，最 佳弯度线应在10%左右。出14乡身整体従亿遥型轆况3、卡曼背1937年Kamm和Koeing几乎同肘申请了 一种车身专利, 这种车身也称为截尾车，即他们通过是研克发现，将浸没于 尾流区内的车身后部#,不仅不会带来压差阻力的增加， 而且在总、长相同的情况T,反而会提壽皋身的横风稳走性。钝的车辆后端的形状允许车后座内更大的顶部空间且不 会显著增加阻力。具有这个特点的外形菠称为“卡曼背” CKamm-back丿。出14乡身整体従亿遥型轆况4、“鲸状”理爲模型1970年由英国人A.J.赛馅里余 斯基提出了 “鲸状”理论模型。该 模型为一个纵剖面成带弯度的翼型 ,横断面
10、是把两个相等的长轴连接起来的半桶圆形成的断面作为最丸的横截面，上半个桶圆的短轴比下半个郴圆的短轴要长，水平面呈纺图1.7 “鲸状”理论模型锤状流线型，如图所示。但这种形 状虽然毛动阻力较小，但毛动升力 和横风不稳走性都偏丸，而且相关 结构和乘员布置都较为囲难。j| 1.4乡身整体従亿遥型楼况5、Morelli模型1976年，由意丸利科学 院资助，在平寻法力那(Pininfarina丿 庵洞中进行一 项旨在探求最优化的轿车外形 研克工作，当时的目标是力图 创造.出一种具有优异毛动性能 的轿车外形O图1.8 A.Morelli提出的基本形体>xA. Morelli教授为首的课 题组在滓入研克
11、的基础上首先 获得一个比例为1:2的基本形 体，如图1.8所示，其为阻力 糸 <0.049 oj| 1.4乡身整体従铤遥理楼况此后按总部置要求，制成1:1模型并加车轮，如图1.9, 增至0.16,最后考虑通风进出口，并加上其它一些修正，毛 动阻力糸数上升至0.17,如图l.lOo若将此模型转换成卖车，估计其阻力糸数不会超过0.23。 该课题组提出的这种较理想的新型轿车外形表朗，卖际上能 够找到比带弯度流线形更合迨于作汽车车身的理想空毛动力 学流线体。图1.9 1:1模型并加车轮图1.10考虑附属空隙很计生14乡身整体従亿遥型轆况2000年我国华南理工大学黄 向东教授所领导的研克小组，也
12、进行了有关最佳车身毛动造型方图iii数字化理想形体图1.12最优气动外形风涧试验在提出相关参教和要求的前 提下,运用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模拟并提出 一个完全教字化的理想基本形体, 如图1.11,并在此基础上制成 1:3模型进行风洞试验，如图 1.12型卖测最小毛动阻力糸数 为 0.122。 14乡©整体従化遥型M7兄国内汽车空毛动力学领域著名专家湖南大学谷正 毛教授从事该领域的研克达二十多年，在最佳汽车毛 动外形方面的研克中做了丸量的研克工作，谷教授认 为完美车型的主要特点是整个车身的纵、横向截面的 几何形状按照一定的合乎空宅扰流原理
13、的规律光瞬间 变，整体佥型更加新颖，毛动综合性能最优。图1.13湖再大学2004年提出的类羡形概念车凌型2乡於皋本尺寸对夕©夕卜烷够21空毛动力学数值计算的一般方由 2.2车头基本尺寸对车身外流场影 2.3简单类车体外流场的教值模拟 2.4车头外形的车身外流场教值模拟嚳1空龟动力哮毅僵皆愆的一殽方怯 CFD(Computational Fluid Dynamics)是以理论流体力学和计 算数学为基础，把描述空毛运动的连续介质数学模型爲散成 大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维不可压缩不走 fN-S方程组(Navie-Stokes丿，对其
14、可用线性或非线性方 法进行求解。数字仿真中的线性方出主要有涡格由和面元由；非线性方出 包括Eule法、番诺平均NS方程组法CRANSJ、丸涡模型 LES CLarge Eddy Simulation；、和直接数值核拟DNS由等。虫21空龟动力学毅催皆愆的一緩方怯假设无粘.无旋无粘导出方程 线性 Laplace 方程Euler 法计算方法 涡格法/面元法湍流模型LES：小涡 模型化 DNS：无RANS 法LES/DNS 法求解Euler方程组，数值 迭代求解用有限体积或 有限元法离散的方程组 用有限体积或有限元法 求解RANS方程组和湍 流模型方程组 用有限体积或有限元法 N-S方程组求解方法
15、只需离散汽 车绕流表面 离散汽车绕 流表面和整 个计算域 离散汽车绕 流表面和整 个计算域 离散汽车绕 流表面和整 个计算域虫21空龟动力学毅催皆愆的一緩方怯湍流模型优缺点比较：模型名字优点缺点Spalart-A Hmaras计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果计算结果没有被广泛测试.缺少子模 型，如考虑燃烧或浮力问题标准i-£应用多，计算量合适，有较多数对于流向有曲率变化，较强压力梯度据积累和相当精度有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺RNG k_W能模拟射流撞击.分离流，二次 流，旋流零中等复杂流动受到涡旋粘性各向同性假设限制Realizable k-£和RNG模童
16、差不多，还可以模拟圆口射流问题受到涡旋粘性各向同性假设限制雷诺应力模型考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响CPU时间长（23倍人动量和湍流量高度耦合虫21空龟动力学毅催皆愆的一緩方怯数值模拟是一个极有前途的工具。但数值模拟方由也存在 些不足。如：因没有完全搞请楚湍流等毛流流动状态特性，对有些 问题没有普遍迨用的数学模型；在数值计算上收致速率和精度有待改进；RANS fRegnolds Averaged Naviel Stokes）代码中包 含了经验的输入参数、截断误差、网格相关近似、湍流模 型等因素，使得数值模拟结果和试验结果存在差异。数值工具的发畏取决于对毛流复杂流动特性的JL探入的
17、了 解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全棒 代杨理试验，两者是互补的关糸。尊2乡企基本尺寸対乡易夕卜浚侈彩响2006年南京航空航天夬学张奇硕士学住论丈壽速车辆车头改进的空宅动力学特性研兗对汽车在60m/s. 70m/s和80m/s速度下的外流场情况进行数值模拟和分析,得出高速对的外流场分布特性，并在此基础上，提出具 疽指导意义的车身前部改进方法。2.3简单类乡体夕卜浚够的毅個栈拟建立几何结构，生成计算网格（节血 -2B13 7BB fC/ff4113 £ UBSI点数 196059Jl70ctn/匚专一图2.1参考车辆及基础模型尺寸示意图图22流场空间布置及网格划分出2.
18、3简单类乡体外浚侈的数個栈拟选择求鮮器和方程：2D标准k _£湍流模型确之边界类型及边界条件：入口边界选取运端来流方向为速度入口，速度为X 方向60m/s,出o边界为压力出口，出口相对压力为0。 湍流动能k和湍流耗散度£分别为0.024和0.01求鮮计算改吏车头帝缘发动机罩的壽度值H,即改吏发动机 罩的倾角（图2.3a）,同时改变发动机罩与扌当风玻璃交接 的住置，从而改变扌当风玻璃的倾角丫（图2,3b）对多组 不同参教下的模型进行外流场的数值模拟。生2.3简单类乡体夕卜浚侈的数催栈拟(b)改变发动机罩水平总长图2.3基本车体模型及车头尺寸变化示意图不同车头尺寸条件下的阻力系
19、数值'、弋头紈 发無附平H=90cmH=85cmH=80cmH=75cmH=70cmH=65cmD=100cm0.41 S30.40890.40150.3957039110.3877D=90cm0.41430.40410.39720.3920038780.3845D=80cm0.4118C.4C2"0.39570.39020.38600.3832jp4乡头夕卜彩的弓 > 夕卜浚侈数僵儀拟改雯基础模型车头外形，并对其外流场«<拟Cd =0.3350 ”It 15mI »!>» I ”I Orra I小呻 1444*!*I«
20、;«nx» g 利tMi-a«3 «VO1> »t«1 >U.I11 >U.HKXHt 5Jw4O图2.4车头上缘使用大圆弧过渡的车身模型外流场速度分布图（20134个节点）Cd =03050II MenW3XUa.OB。么5 0S*-0« 0OX<M“yen 5 心 A«a>O!5A、5 5<*<H &工”oi M02I gnzi aat*oi o 心 ”80Q0g图2.5使用钝圆弧进气而外形的车身模型外流场速度分布图*2.4乡坯夕卜彩的乡身夕卜流侈数俺權拟Cd=
21、O0叶<1 <5»X« t«*X<.gY<WwX» liU.tldJteHI auti-ii aif”乂刚 0*g an*egG、S43*01M4S6协创e帕初0畑“9M«1SU»>«« 皿“MSHZ veu-iSU-14恢X0«X>图25抬高车头底部前缘的车身模型外流场气流速度分布图图2.6车头上缘凸头模型CD =0.287图27挡风玻璃和车顶交界而使用大过渡弧度的车身模型的外流场速度分布图血24乡先夕卜彩的乡身夕卜燧侈数俺儀拟结论：使用良好的孤度曲面可以吟低车头的逆
22、风阻力、减少压差阻力,改善汽车表面的毛流流动,减少摩擦阻力。试唸结果JI突出了丸孤过度对流场的改善作用。所以车头使用单一曲面应可以减少因表面 突变带来的宅流阻滞，使宅流流动JL为顺畅3湖囱大学3.1菱形新概念车宅动特性 3.2车辆横摆角与阻力糸教关糸 3.3车辆外流场教值仿真研克出31菱轸纸騷念乡乞动赭傕为了提高乘用车辆行驶的安全性、乘 坐舒迨性、燃油经济性、操纵方便性、外 形美观性，湖南丸学钟志华教授等2004年 提出了一种类菱形车，该车轮糸按照菱形 布置，前后各一个驱动轮，车中部为两个 从动轮这种结构。出31菱轸纸輙念乡乞动赭傕2005年湖南大学车辆工程专业吴军博士沦 丈汽车外流场湍流模型
23、与菱形新概念车宅动 特性的研兗内家为：看次对菱形新概念车车体通过建立低雷诺 数非线性涡粘性湍流模型(全应力输运湍流模 型 WST (whole stress transport turbulence model；)进行数值仿真，通过深入分析新概 念车车身的低阻宅动特性及其与典型汽车之间 的差异，运用了多种分析方法来揭示新概念车 拥有低阻性能的原因。3.1菱砂新楼含乡老动赭傕3.1.1庵洞试验图3.1概念车模型风洞 试验图3.2典型车辆模型 风洞试验出3.1菱轸纸騷念乡乞动赭傕侧滑角（度060-0450 40035030 025函0知015D100050D0OD5-010-0 50-0*3-0
24、40-034-0 30-oia-020-0 10-010-0如0 00 -ooa-010->0 Ifl- 力系敎Cd升力系戴Cl 一一（R仰力矩系校CmbI10I10一一阻力系敖一 一升力喲_一 3W 力拒 5® _._朗城融 俯仰方矩融侧滑角（度）图3.3典型汽车（左）与新概念汽车（右）气动力力矩和来流速度、侧偏角的关系出31菱轸纸騷念f乞动赭傕«咲只田0246 B 1012 14 1B 18 2022242826 30 32测点图3.4典型汽车（左）和新概念汽车（右）压力系数与不同侧偏角的关系图3.5后扰流板对压力系数的影响出31菱够新桧念乡乞动赭傕新概念车后扰流
25、板 的作用在于或坏了在车 后部即将形成的强大的 尾涡，玫使高速毛流彼 滞缓，使汽车的尾流结 构由大的炎涡变成了由 一些不规则的小漩涡构 成的湍流，强丸的尾涡 减弱了，湍流损夾也随 之减少，从而降低了压 差阻力。生31菱够新桧念乡乞动赭傕3.1.2数值模拟新概念车模型外流 场计算区域划分网格单 元总数为230万个体积 单元，典型汽车模型外 流场计算区域划分网格 单元总数为260万个体图3.6网格划分兀J O出31菱轸纸輙念乡乞动赭傕新概念汽车与典型汽车阻力糸数对比表3.1新概念汽车数值模拟阻力系数与实验值对比（V = 30m/s beta=O° 无扰流板系数计算值0.2710.345试
26、验值0.2780.360相对误差2.52%4.17%表3.2典型汽车数值模拟阻力系数与实验值对比（V = 30m/s beta=0° 无扰流板）系数计算值试验值相对误差阻力系数Cd0,30303122.88%升力系数G0.4170.43544%出3.1菱移新級念乡乞动赭傕试验值与仿真值对比结果1.0O.B060 40200-0 2-04-D6-0 8-10-1.20246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 I I ” I ” I Ir 1 r I I Ir ir Ir t024 B 010 12 14 16 18 20 22 24 26 2
27、8 30M点图3.7表而压力分布计算值和仿真值结果对比3.1菱衫新楼含乡老动赭傕3.1.3外流场性能数值仿真 前部和尾部流态仿真左图图3.8车辆后部速度对称面流线形态右图图3.9车辆 前部速度对称而 流线形态出31菱轸纸騷念乡乞动赭傕结果分析：根据车身尾部纵对称面上的毛流流态分析，新概 念车由于没有朗显的湍流现象，能够逹免尾部的泥土 上扬现象；而在典型车尾部纵对称面上有朗显的两股湍流， 尤其是由车身底部上溯的湍流，它将导玫汽车行驶过 后卷起地面灰尘和积水，分布到车尾整个滞区，并部 分附着到车身后部。出31菱轸纸輙念乡乞动赭傕3.1.4汽车模型尾部不同距雳横向截面上的速度矢量图3.10汽车尾部不
28、同横截而取值示意图章截而速度笑蚤孑瘙图章截而速度笑蚤孑瘙图图3.14截而4图3.15截而5图3.16截而6章截而速度笑蚤孑瘙图图3.17第7、8、9、10截面出31菱轸纸騷念乡乞动赭傕新概念车尾部仅有一对涡炎，其原因是由于新概念车优良的毛动遵型，弱化了汽车側面与车顶部来流汇聚成炎涡的能力，同时尾部中间的车 轮对*底部毛流上行也起到了阻碍作用；直到側面来流与车身底部来流交汇之后形成一对炎涡， 而此时其湍动能己经减少许多，农观上减小了涡 流携带的能量。出31菱轸纸輙念乡乞动赭傕3.1.5汽车模型尾部不同距离横向截面上的湍动能 汽车尾部不同伐置横截面的速度矢量只能说朗涡 炎在横向的强度、分布和方向，
29、而涡炎卖际上是全方 的 °图3.18第一截而湍流动能谣烷动能分布由以上湍动能分布图可以看到典型车和新概念 车尾部不同住置的湍动能强度的分布。在同样的住置处典型车相对于新概念车有Jt A 的湍动能分布，其杨理意义也就是在典型车尾部损 失了烫多的湍流能量，所以新概念车相对典型车的 阻力较小，这在两种车型的阻力糸数上得到了朗显 的体现。新統含孑凰侖筱J凤阻务紘车身前部由于毛流阻滯产生压向车身后部的合力，而车身后 部由于宅流速度吟低而使压力回升，产生压向车身前部的合 力。理想状况下是两个方向的合力平衡。但是由于车身尾部产生涡流失压，导致车身前部的压力占优 势，从而产生阻力。在压差阻力中，车身尾部的形状往往起到更丸的影响,尾部形状所导玫毛流分雳区域的丸小（尾流结构）决走了尾部压力回升的程度。新概念车的尾部宅流分寓区域以及湍动能强度丸丸小于典型 车的尾部分富区域，只损央较小的能量，所以尾部压力回升 较快，因此新概念车的阻力糸数小于典型车的阻力糸数。