汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第4章--空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、第四章空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)概述第二節(jié) 空氣的特性第三節(jié) 伯努利方程第四節(jié) 壓力分布和壓力系數(shù)第五節(jié) 對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮第六節(jié) 空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)第七節(jié)汽車的空氣阻力第一節(jié)概 述當(dāng)汽車在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)受到空氣的作用力。與輪胎的作用力有些不同,空氣動(dòng)力隨車速的增加而迅速增加,從而對(duì)汽車高速行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能有著顯著的影響。例如,影響汽車高速行駛時(shí)動(dòng)力性的因素,包括最高速度、高速時(shí)的前進(jìn)加速度及制動(dòng)減速度。除了空氣動(dòng)力的直接影響外,空氣動(dòng)力和輪胎力的相互作用對(duì)車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性的影響也很顯著。例如,若能產(chǎn)生向下的氣動(dòng)壓力可增加輪胎載荷,從而增加輪胎產(chǎn)生側(cè)向力的能力,以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。汽車空氣動(dòng)

2、力學(xué)問題的研究內(nèi)容主要分為對(duì)車外流與對(duì)車內(nèi)流的分析,研究目的包括減少風(fēng)阻、提高側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)合理的風(fēng)壓及其分布、提高發(fā)動(dòng)機(jī)第一節(jié)概 述進(jìn)氣管道的效率、提高車輛各部分(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、油液、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和差速器)的冷卻和駕駛室通風(fēng),以及解決汽車表面塵土污染、氣動(dòng)噪聲、刮水器上浮等問題。汽車空氣動(dòng)力學(xué)的主要研究內(nèi)容可概括為1,2:1) 通過車身外部造型、流體控制和內(nèi)部流通管道的設(shè)計(jì)來減小車輛的空氣阻力。2) 在空氣阻力一定的情況下,盡可能增加向下的氣動(dòng)壓力以提高輪胎附著性,但同時(shí)減小對(duì)輪胎側(cè)偏力的影響。第一節(jié)概 述3) 開展比例模型或全尺寸汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。4) 研究空

3、氣動(dòng)力與底盤設(shè)計(jì)及汽車使用情況之間的相互關(guān)系及影響。本章首先對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的基本概念和理論進(jìn)行介紹,然后針對(duì)實(shí)際問題,介紹汽車空氣動(dòng)力學(xué)基本知識(shí),包括研究方法、試驗(yàn)手段及結(jié)果分析和標(biāo)準(zhǔn)等。第二節(jié)空氣的特性當(dāng)研究空氣動(dòng)力學(xué)時(shí),首先必須考慮空氣的特性,如空氣的物理特性、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和其他一些重要的空氣特性(如空氣的密度和黏性等)?？諝馐怯啥喾N氣體混合而成的,由于氣體分子的運(yùn)動(dòng),各氣體微團(tuán)間存在著相互作用力。根據(jù)產(chǎn)生方式的不同,作用力可分為兩種形式:兩微團(tuán)相互碰撞時(shí)交界面上沒有相對(duì)滑動(dòng)發(fā)生,僅產(chǎn)生法向應(yīng)力;由于微團(tuán)間相互滑動(dòng),存在分子間的動(dòng)量交換,產(chǎn)生切向應(yīng)力,其大小取決于空氣的黏性和微團(tuán)的剪切變形速

4、度。若假設(shè)微團(tuán)為立方體,兩種不同形式的相互作用力如圖4-1所示。通常情況下,兩種形式的應(yīng)力會(huì)同時(shí)存在,只是所占比例第二節(jié)空氣的特性不同。與壓應(yīng)力相比,物體周圍大部分氣流中的剪切力都很小,空氣微團(tuán)間相互作用力垂直于接觸面,表現(xiàn)為法向壓力。當(dāng)流體繞物體流動(dòng)時(shí),在物體壁面附近受流體黏性影響顯著的薄層稱為“邊界層”(boundary layer)。在邊界層中,剪切力相當(dāng)重要。貼近物體的氣流粘附于物體表面,而較遠(yuǎn)的氣流則自由流過。由于存在一個(gè)較大的速度梯度,導(dǎo)致邊界層相應(yīng)存在較大的剪切力。此外,在繞流物體的后部和理想氣流之間存在著相互作用,邊界層會(huì)產(chǎn)生所謂的“分離氣流”(separated flow)。

5、分離氣流的特征是存在由第二節(jié)空氣的特性切向力產(chǎn)生的氣流急速旋轉(zhuǎn),以及阻力提高和升力損失。在討論這些流體的流動(dòng)特性之前,首先對(duì)空氣的力學(xué)特性給予簡單介紹。第二節(jié)空氣的特性一、空氣密度空氣分子做不規(guī)則運(yùn)動(dòng),其能量受溫度的影響,溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)速度越高,移動(dòng)距離越遠(yuǎn)。若單位體積內(nèi)的分子數(shù)目保持不變,則空氣質(zhì)量和壓強(qiáng)也將保持恒定。因而單位體積內(nèi)的分子數(shù)量也隨溫度的不同而不同,單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量和空氣密度會(huì)隨溫度發(fā)生變化。因此,為了便于在不同條件下比較,需定義一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)空氣密度”,即在標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的空氣密度。按NACA/NASA標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于海平面上的干燥空氣,規(guī)定:標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)為1.013105

6、N/m2,標(biāo)準(zhǔn)溫度為15,重力加速度g為9.8m/s2,而在上述規(guī)定的條件下標(biāo)準(zhǔn)空氣密度等于第二節(jié)空氣的特性一、空氣密度1.225kg/m3。在研究空氣動(dòng)力學(xué)時(shí),通常以上述標(biāo)準(zhǔn)值作為參照基準(zhǔn)。實(shí)際上,空氣大多處于非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),空氣密度的變化遵循理想氣體狀態(tài)方程,即:式中,p為大氣壓強(qiáng),單位為Pa;T為熱力學(xué)溫度,單位為K;為空氣密度,單位為kg/m3;下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)或任一初始狀態(tài)。第二節(jié)空氣的特性一、空氣密度1.空氣密度隨溫度的變化大氣溫度或某局部條件變化都會(huì)導(dǎo)致空氣溫度變化。在壓力不變的情況下,溫度變化引起的空氣密度變化可由初始絕對(duì)溫度與當(dāng)前熱力學(xué)溫度的比值乘以初始空氣密度求得。例如,

7、當(dāng)散熱器排出的空氣比標(biāo)準(zhǔn)的周圍環(huán)境空氣高50時(shí),可計(jì)算出其密度為:=(15+273.15)/(65+273.15)1.225kg/m3=1.044kg/m3第二節(jié)空氣的特性一、空氣密度2.空氣密度隨壓強(qiáng)的變化在溫度不變的情況下,由于空氣壓力直接與大氣壓力成正比關(guān)系,因而天氣狀況或海拔的改變將引起大氣壓力的改變。海拔越高,空氣越稀薄,空氣密度越低。第二節(jié)空氣的特性二、空氣黏度黏度用來表述流體的黏性,流體黏性力由氣體的黏性和內(nèi)部速度梯度共同決定。黏性力在流體間相互傳遞,通過依附于固體表面很薄的邊界層作用于物體表面。流體越黏,流體傳至物體的力也越大。黏度可分為動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度。氣體的動(dòng)力黏度會(huì)隨溫

8、度緩慢變化,通常隨溫度的增加而增加。定義溫度為15時(shí)的空氣動(dòng)力黏度為標(biāo)準(zhǔn)值,其值為1.82210-5Pas。第二節(jié)空氣的特性二、空氣黏度運(yùn)動(dòng)黏度定義為動(dòng)力黏度與密度的比值,即=/,單位為m2/s。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,空氣的運(yùn)動(dòng)黏度為1.42810-4m2/s。運(yùn)動(dòng)黏度是后面將要討論的雷諾數(shù)表達(dá)式中的一個(gè)參數(shù)。雷諾數(shù)的微小改變就會(huì)引起空氣動(dòng)力的顯著變化,這也意味著流體特性發(fā)生了改變。第三節(jié)伯努利方程當(dāng)理想不可壓縮流體做定常運(yùn)動(dòng)時(shí),可采用伯努利方程(Bernoullis Equation)來描述其力學(xué)特性。伯努利方程以理想流體和能量守恒為基礎(chǔ)而建立,它忽略了空氣重力的影響,用于描述流體速度和壓強(qiáng)之間的關(guān)

9、系。在正常車速范圍內(nèi),可假設(shè)空氣是不可壓縮的。根據(jù)伯努利方程,可以預(yù)測不同形體的表面壓力和升力,對(duì)不存在氣流分離或邊界層變化小的形體尤其適用。由于只考慮空氣的法向壓力,因此由黏性切向力(邊界層效應(yīng))決定的空氣阻力在伯努利方程中沒有涉及。第三節(jié)伯努利方程如前所述,物體邊界層以外的流體被簡化為非黏性流體,所以空氣各微團(tuán)間主要以法向壓力相互作用。對(duì)以亞聲速行駛的車輛來說,空氣密度變化通常不大(散熱等內(nèi)流場情況除外),因此在汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中,通?？梢院雎攒嚿碇車鷼怏w密度的變化?，F(xiàn)舉例說明如下:(1)隨溫度的變化例如,假設(shè)車身周圍氣流的溫度平均增加量t為10,若初始溫度T0為293.15K,則其密度

10、比為:第三節(jié)伯努利方程現(xiàn)根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理來研究空氣動(dòng)力學(xué)問題。例如假定空氣靜止不動(dòng),令物體在空氣中運(yùn)動(dòng);或假定物體不動(dòng),空氣流過物體(如風(fēng)洞試驗(yàn)的情況)。但不管哪種情況,壓強(qiáng)與速度的相對(duì)關(guān)系都是一樣的。在下面的推導(dǎo)中,假設(shè)空氣流動(dòng)。第三節(jié)伯努利方程圖4-2所示的一根空氣管道可看成是由若干流線(表示定常連續(xù)流體的流向,流線越密的區(qū)域表示流速越大)構(gòu)成的流管。由于管道表面無氣流穿過,其表面就相當(dāng)于固體邊界。流管中微小流束的速度可由伯努利方程來描述。設(shè)流束是一個(gè)由理想不可壓縮的流體組成的獨(dú)立系統(tǒng)(即無流體通過邊界),因此系統(tǒng)總能量沿軸向保持恒定,只是存在的形式可以不同,能量的形式可以是:第三節(jié)伯努利

11、方程(1) 勢能與流體高度變化有關(guān),與流體密度和高度成正比,對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究來說,通?？梢院雎?。(2) 動(dòng)能等于mv2,其中m為質(zhì)量(單位為kg),v為速度(單位為m/s)?？紤]流束中重量為W、速度為v、體積為V0的一流體微團(tuán)(圖4-2),其動(dòng)能表達(dá)式如下:(3) 壓力能由于流束位于邊界表面具有一定靜壓力的流體內(nèi),且靜壓在各向均勻作用,因而流體內(nèi)部必須有相等的壓力來保持平衡,如圖4-3所示。流體微元的壓力能等于它克服外界壓力保持自身體積所需的功,即外部壓強(qiáng)p乘以第三節(jié)伯努利方程自身體積V0。綜上所述,所討論的流體微團(tuán)總能量為壓力能與動(dòng)能之和,即:第三節(jié)伯努利方程當(dāng)氣流與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),環(huán)繞

12、物體的氣流總會(huì)被分成兩個(gè)或更多的方向流動(dòng),如圖4-4所示的分流點(diǎn)O稱為駐點(diǎn),其壓力等于靜壓與動(dòng)壓之和,稱為駐點(diǎn)壓力。對(duì)實(shí)際行駛中的車輛而言,圖中所示駐點(diǎn)處的靜壓p是一特殊情況,駐點(diǎn)處的流線則是車輛上部氣流和下部氣流的分界線。第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)一、壓力分布由伯努利方程可知,若動(dòng)壓增加,則流體的靜壓必定減小,反之亦然。翼剖面是一種利用壓力變化來產(chǎn)生動(dòng)力的裝置,如圖4-5所示?？諝鈴囊砥拭嫔喜亢拖虏苛鬟^時(shí)速度都會(huì)加快,但由于上表面曲率更大和長度增加,因此流過上部的空氣速度增加得更多。根據(jù)前面對(duì)空氣不可壓縮和連續(xù)性條件的假定,通過翼前端附近橫截面的空氣體積要等于流過翼后端橫截面的體積。因此,在翼

13、剖面較厚之處流管變細(xì),空氣流速增加,典型的情況如圖4-6所示。第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)一、壓力分布第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)一、壓力分布由圖4-6可見,流管特性表現(xiàn)出“彈性”特性,即由于空氣速度的提高而導(dǎo)致靜壓下降,從而流管截面變小。當(dāng)流向翼剖面后端的空氣速度減小后,流管便在壓強(qiáng)增加的情況下擴(kuò)張,這就是所謂的“壓力恢復(fù)”。在這種情況下,若翼剖面頂部的壓降(表現(xiàn)為負(fù)壓力)大于底部壓降,則形成了升力,此時(shí)頂部空氣流動(dòng)更快,相對(duì)負(fù)壓力的分布如圖4-7所示。因?yàn)檫@里假設(shè)理想流體不存在剪切力,因此描述壓力分量的箭頭與翼剖面表面是垂直的。由圖4-7可見,由于翼剖面頂部區(qū)域的負(fù)壓力要比底部負(fù)壓力大,因此產(chǎn)生了

14、向上的升力。若將所有矢量表示的壓力第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)一、壓力分布分量相加,得到的總的合力在沿氣流方向的分力可認(rèn)為就是“壓差阻力”。這里所討論的只是理想情況,即壓力可完全恢復(fù),上述情況還是會(huì)發(fā)生在真實(shí)的翼剖面上,且遠(yuǎn)處氣流方向上的壓力總和為零。當(dāng)然,實(shí)際中翼剖面所受到的升力考慮了與氣流垂直方向上壓力總和不為零的情況。由伯努利方程可知,氣流的動(dòng)壓可轉(zhuǎn)化為靜壓。靜壓在表面施加作用力,就可以產(chǎn)生升力(或下壓力),其大小由所能得到的動(dòng)壓值決定,與速度的平方和空氣密度成正比,體現(xiàn)了可利用能量的多少。將動(dòng)壓轉(zhuǎn)化成靜壓和升力的效率與第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)一、壓力分布物體的形狀有關(guān)。若要將動(dòng)壓有效地轉(zhuǎn)化

15、為靜壓和升力,還取決于物體的形狀。例如,當(dāng)翼剖面形狀與理想氣流流向一致時(shí),如圖4-8所示,對(duì)產(chǎn)生下壓力是非常有效的。第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)二、壓力系數(shù)Cp第四節(jié)壓力分布和壓力系數(shù)二、壓力系數(shù)Cp第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮上節(jié)中介紹的是理想氣流流經(jīng)光滑物體時(shí)速度與壓力的關(guān)系。實(shí)際中的空氣并非理想氣流,車身設(shè)計(jì)也很少能達(dá)到完美的流線型,且流動(dòng)條件復(fù)雜多變。因而這里也只能對(duì)實(shí)際的氣流的特性及影響給予一般性的介紹。首先要考慮的是物體表面的空氣邊界層。由黏滯作用產(chǎn)生的剪切力對(duì)邊界層影響顯著,剪切力使空氣流速和能量降低,其作用與空氣沿物體表面的距離有關(guān)。邊界層沿物體逐漸變厚,氣流由層流(流線很平順,各層

16、之間層次分明,互不影響)變?yōu)橥牧?流線脈動(dòng),層次不分明)。即便物體輪廓形狀非常平滑也是如此。實(shí)際上,絕大多數(shù)邊界層處的第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮氣流是湍流,這意味著邊界層內(nèi)部的空氣微團(tuán)以隨機(jī)速度運(yùn)動(dòng),且與物體表面的距離也相應(yīng)變化,并對(duì)整個(gè)邊界層動(dòng)能的分布產(chǎn)生影響。由于空氣連續(xù)沿物體表面流動(dòng),湍流邊界層會(huì)因邊界層能量在表面摩擦力作用下變小而進(jìn)一步增厚。邊界層厚度可采用下式近似計(jì)算3:第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮式中,k為比例系數(shù),與物體形狀和表面特性有關(guān);為運(yùn)動(dòng)黏度;v為來流速度;x為沿物體長度方向上的距離。邊界層厚度的增加使氣流速度減慢、壓力回升,物體后部形成壓力恢復(fù)區(qū)。邊界層壓力的增加與能量的

17、損失實(shí)際上在表面形成了逆流,逆流排擠主流從而使之脫落壁面,這種現(xiàn)象稱為邊界層分離,如圖4-9所示。對(duì)汽車而言,其后部邊界層通常會(huì)從車身上分離出來,并且氣流會(huì)形成所謂的擾動(dòng)尾流,邊界層變厚過程及尾流形成過程如圖4-10所示。第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮由圖4-11所示的風(fēng)洞試驗(yàn)可知,只有在圖中所示的擴(kuò)散角10的情況下空氣流才會(huì)膨脹并貼緊邊界面。如果過大,那么氣流就會(huì)從風(fēng)洞壁上脫離并伴有隨機(jī)湍流生成。與飛機(jī)機(jī)身相比,車輛車身相對(duì)較短,且為非流線型體,因而上述現(xiàn)象常出現(xiàn)在車輛后部。圖4-12a所示的煙霧流說明了這類的分離情況。尾流處的白色煙霧因湍流的

18、混合而變得稀薄,從而尾流處的流線消失。第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮第五節(jié)對(duì)實(shí)際氣流特性的考慮第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)在研究車身這類非流線體特性時(shí),空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)已成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。風(fēng)洞測試中,可采用整車模型或比例模型進(jìn)行試驗(yàn),也可進(jìn)行道路實(shí)車試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)車輛的空氣動(dòng)力特性,對(duì)某些設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)或部件進(jìn)行改進(jìn),完善設(shè)計(jì)。本節(jié)首先討論風(fēng)洞試驗(yàn)和雷諾數(shù),然后介紹各種用于實(shí)車試驗(yàn)的測試技術(shù),最后對(duì)空氣阻力和力矩系數(shù)進(jìn)行介紹,這些參數(shù)廣泛應(yīng)用于不同車輛的特性比較。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)首先要做出車輛模型,然后安裝在風(fēng)洞的人工流場中,用儀器測量作用在模型上的力和力矩,以及用噴煙或氣流染

19、色或貼絲線等辦法來觀察模型附近流線的變化。風(fēng)洞一般由動(dòng)力段、收縮段、試驗(yàn)段以及擴(kuò)散段組成,如圖4-13所示。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)力段的作用是鼓動(dòng)空氣在風(fēng)洞中流動(dòng),以調(diào)節(jié)試驗(yàn)段中的風(fēng)速。收縮段的作用是使氣流加速,使其達(dá)到試驗(yàn)要求的速度。氣流沿收縮段流動(dòng)時(shí),洞壁上不出現(xiàn)氣流分離,阻止旋轉(zhuǎn),消除渦流,保證出口的氣流均勻、平直且穩(wěn)定。試驗(yàn)段是放置被測車輛實(shí)車或模型的部分,是風(fēng)洞的中心,其應(yīng)能盡可能地模擬車輛的真實(shí)流場。擴(kuò)散段是使氣流速度降低,把氣流的動(dòng)能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能,以減少洞壁的摩擦損失,節(jié)省風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的功率。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)根據(jù)內(nèi)部空氣導(dǎo)向設(shè)計(jì)的不同,風(fēng)洞可分為直

20、流式(埃菲爾式)風(fēng)洞(圖4-13)和回流式(哥廷根式)風(fēng)洞(圖4-14)。前者在送風(fēng)方向和排氣方向都是開口的,而后者的空氣構(gòu)成封閉的回路。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)直流式風(fēng)洞其真正的優(yōu)點(diǎn)在于非常有效地采用了無回風(fēng)道和無冷卻裝置設(shè)計(jì)。但是由于直接從大氣中吸入空氣,經(jīng)過試驗(yàn)段后又排入大氣,所以試驗(yàn)段內(nèi)的流體狀態(tài)受風(fēng)和周圍環(huán)境溫度的影響,致使這種風(fēng)洞的應(yīng)用僅局限于歐洲。另外,直流式風(fēng)洞由于會(huì)受周圍的高噪聲污染和吹入空氣的污染,以及雨雪等自然現(xiàn)象的影響,因而需要安裝附加的過濾系統(tǒng);又由于動(dòng)能很大的氣流直接排入大氣中,所以送風(fēng)裝置的功率也較大;試驗(yàn)段、噴管和送風(fēng)裝置等部件影響了風(fēng)洞的性能。第六節(jié)空

21、氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)回流式風(fēng)洞中要求氣流在一個(gè)閉合的回路中循環(huán)流動(dòng),因而受外界因素影響較小,從而使人工氣候易于控制。若在閉式回路中加熱空氣,對(duì)非耐熱材料制成的車輛模型而言,則需要冷卻裝置來保護(hù),由于冷卻裝置存在壓力損失,而且需要冷卻能量,因此總能耗相對(duì)較大。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)整個(gè)風(fēng)洞的尺寸基本上由風(fēng)洞試驗(yàn)段的尺寸決定,而試驗(yàn)段的尺寸由車輛迎風(fēng)面積和風(fēng)洞送風(fēng)橫斷面面積的關(guān)系(通常為固定比例關(guān)系,稱為“堵塞比”)決定。為了盡可能減小堵塞效應(yīng),堵塞比應(yīng)小于0.07,因而風(fēng)洞尺寸更大,致使風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用極高。在汽車工業(yè)應(yīng)用中,通過調(diào)整相應(yīng)的送風(fēng)橫斷面來盡量減小車用風(fēng)洞的尺寸,以降低試驗(yàn)

22、成本。橫斷面壁面類型如圖4-15所示。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)直流式試驗(yàn)段中通常在上壁和側(cè)壁開口,其優(yōu)點(diǎn)在于流體運(yùn)動(dòng)方向上的壓力基本保持恒定,可以保證測量精度和較小的堵塞效應(yīng)。其缺點(diǎn)是有效長度小、損失系數(shù)高、聲音輻射無阻礙。當(dāng)用作人工氣候風(fēng)洞時(shí),由于送風(fēng)的延伸需要大的捕捉喇叭,對(duì)圍繞試驗(yàn)段空間的空氣條件要求苛刻。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)回流式試驗(yàn)段的優(yōu)點(diǎn)是能量損失少、噪聲小、有效長度大。由壁面摩擦阻力導(dǎo)致的壓力降低,使氣流速度增大,從而產(chǎn)生一個(gè)額外的速度增量。這可由流體流動(dòng)方向橫斷面的微幅減少來補(bǔ)償。然而,即便對(duì)簡單的洞壁樣式,也需要大量的測量來

23、校正。因此,這也促進(jìn)了流線型試驗(yàn)段的開發(fā)設(shè)計(jì)。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)在流線型試驗(yàn)段設(shè)計(jì)中,洞壁的形狀可根據(jù)車輛(或模型)外形的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。它既克服了直流式試驗(yàn)段有效長度小的缺點(diǎn),又有效地減少了回流式試驗(yàn)段的摩擦效應(yīng)。開槽式試驗(yàn)段在壁面上開設(shè)一定數(shù)量的條形槽,條形槽起試驗(yàn)段內(nèi)外通氣的作用。因此它是介于直流式和回流式試驗(yàn)段之間的一種試驗(yàn)段。開槽式試驗(yàn)段非常接近所要求的實(shí)際流體,只是槽的數(shù)量和布置比較復(fù)雜。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)此外,收縮段和擴(kuò)散段形狀對(duì)流體的均勻性和穩(wěn)定性也有著重要的影響。大的收縮比(噴管入口橫截面和出口橫截面面積之比)意味著小功率送風(fēng)輸出裝置出口速度的均

24、勻分布。然而,對(duì)功率較大的送風(fēng)裝置而言,意味著昂貴的建筑費(fèi)用。送風(fēng)機(jī)的輪廓設(shè)計(jì)必須滿足送風(fēng)時(shí)流體在壁面上不分離,并在出口處沒有冗余的湍流產(chǎn)生的要求。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)過去,流體速度主要通過送風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來調(diào)整。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是送風(fēng)驅(qū)動(dòng)裝置較為簡單;但明顯的缺點(diǎn)是干涉靈敏度、大支座的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)困難,以及運(yùn)行狀況下具有強(qiáng)烈的噪聲污染。雖然風(fēng)洞試驗(yàn)的效能已被廣泛承認(rèn),但因?yàn)橐M車輪轉(zhuǎn)動(dòng)與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)/排氣及散熱和空調(diào)等因素,且堵塞效應(yīng)修正和速度修正較為復(fù)雜,因此風(fēng)洞試驗(yàn)方法也不盡完善。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)在車輛設(shè)計(jì)的初期,空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)通常在規(guī)模較小、成本較

25、低的風(fēng)洞中進(jìn)行模型測試。但有兩個(gè)問題需特別注意,即地面層模型的建立和確保車輛模型的流場與最終實(shí)車的流場相似,具體說明如下:現(xiàn)代汽車的車底凈空間很低,因而車身底部和其相鄰四周的氣流成為影響升力與俯仰力矩大小的關(guān)鍵因素。2) 關(guān)于“流體相似性”或風(fēng)洞試驗(yàn)中與全尺寸車輛模型有關(guān)的流體特性的模擬問題。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)由于沿著平板流動(dòng)的空氣會(huì)產(chǎn)生邊界層,邊界層的厚度隨著離前端距離的增大而增大,如圖4-16所示。如在相同的氣流條件下對(duì)該平板的14比例模型進(jìn)行試驗(yàn),那么其后端處的邊界層厚度是t2,而不是t1,這表示可能發(fā)生的車輛后部壓力梯度的邊界層分離由邊界層的實(shí)際厚度所決定,任何發(fā)生在全尺

26、寸下的分離位置都必須出現(xiàn)在比例模型的相應(yīng)位置處,所以用模型來模擬全尺寸情況顯然不夠。要“證實(shí)”模型上的氣流流動(dòng)具有相似的性質(zhì),就必須在模型上用到諸如“絲線”這類裝置。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)一、風(fēng)洞試驗(yàn)第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)二、雷諾數(shù)滿足模型和實(shí)際車輛流體特性相似(即具有相似的摩擦力和慣性力關(guān)系)的基本條件是:二者應(yīng)具有相同的雷諾數(shù)。雷諾數(shù)常用Re來表示,定義如下:式中,v是氣流速度;L是適當(dāng)選擇的描述流體特性的長度;是流體的運(yùn)動(dòng)黏度。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)二、雷諾數(shù)雷諾數(shù)相似性的基礎(chǔ)是:如果這兩種交互作用的比值為常數(shù),則流體特性應(yīng)相似。對(duì)雷諾數(shù)Re的物理解釋如下:動(dòng)壓等于v2/2,是運(yùn)動(dòng)粒子與物體相

27、撞后動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能所引起的單位面積受到的力。所以,慣性力為:式中,L是選擇的描述流體特性的長度。由此可見,慣性力與動(dòng)壓和作用面積之積成正比。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)二、雷諾數(shù)單位面積所受到的摩擦力為:所以,慣性力與摩擦力的比值正比于雷諾數(shù),即:式中,是動(dòng)力黏度;v/L是隨流體層距離改變的速度變化率。根據(jù)單位面積的摩擦力,可計(jì)算出實(shí)際面積的摩擦力為:第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)三、流場可視化最簡單的是絲線法。將柔軟的短細(xì)絲線、尼龍線或羊毛等的一端粘在試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫔?另一端能隨著氣流自由擺動(dòng)。如絲線太長,就會(huì)產(chǎn)生“旗飄”現(xiàn)象。有時(shí)絲線被附裝在3cm左右長的銷釘上以消除邊界層效應(yīng)。圖4-17所示為在風(fēng)洞中裝絲

28、線的機(jī)翼模型。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)三、流場可視化絲線也可固連在風(fēng)洞中垂直于氣流的平面的格柵上,以確定模型尾端的尾流情況,尾流的范圍及特性與模型所受的阻力密切相關(guān)。圖4-18是一個(gè)典型的格柵裝置以及由后掠式機(jī)翼干擾后的絲線形態(tài)的照片,它顯示機(jī)翼尖端存在渦流。在車體后端的尾流中也常存在渦流,長絲線有時(shí)用來確定進(jìn)口氣流的狀態(tài)。第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)三、流場可視化第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)三、流場可視化第六節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)三、流場可視化另一種流場可視化方法是在模型表面涂煙黑與煤油的混合物。煙道開啟直到流體穩(wěn)定后再關(guān)閉。這樣就可以觀察模型表面的煙黑條紋,并可用照片記錄下來。根據(jù)前面介紹的裝置以及空氣速度、靜壓、

29、動(dòng)壓以及總壓力、溫度的測量方法,運(yùn)用流場可視化技術(shù),可使實(shí)車模型空氣動(dòng)力學(xué)測試及結(jié)果分析變得簡便而直觀。第七節(jié)汽車的空氣阻力一、SAE標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系如圖4-20所示,SAE標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于輪距中心線和軸距中心線在地面投影的交點(diǎn)處。x向前為正;y向右為正;z垂直向下為正。第七節(jié)汽車的空氣阻力一、SAE標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系由空氣動(dòng)力產(chǎn)生的力矩與參考長度和軸距有關(guān)。SAE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)作用在車身上的六分力定義及計(jì)算公式的總結(jié)見表4-1。符號(hào)六分力符號(hào)定義計(jì)算公式FL升力(Lift)向上為正FL=CLqA=-FzFD阻力(Drag)向后為正FD=CDqA=-FxFS側(cè)向力(Side Force)向右為正FS=CsqA=

30、+FyPM俯仰力矩(Pitch Moment)向右為正PM=CPMqAL=MyYM橫擺力矩(Yaw Moment)向下為正YM=CYMqAL=MzRM側(cè)傾力矩(Roll Moment)向前為正RM=CRMqAL=Mx表4-1SAE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)作用在車身上的六分力定義及計(jì)算公式的總結(jié)第七節(jié)汽車的空氣阻力二、空氣阻力系數(shù)汽車受到的空氣阻力主要由車身表面的壓力變化引起,而車身表面的壓力變化與理想流體的動(dòng)壓q直接相關(guān)。實(shí)際作用力與作用面的面積成正比。最后,必須考慮車身外形對(duì)車身速度的影響。因此,SAE J1594標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個(gè)無量綱的空氣阻力系數(shù)CD為:式中,FD為空氣阻力,單位為N;A為參考面積,單位為

31、m2,通常采用汽車的迎風(fēng)面積;q為動(dòng)壓,單位為Pa,等于v2/2。第七節(jié)汽車的空氣阻力二、空氣阻力系數(shù)系數(shù)CD就是單位動(dòng)壓單位面積的空氣阻力,體現(xiàn)了氣流可獲得的動(dòng)能所轉(zhuǎn)化的壓力和阻力,它是代表汽車空氣阻力動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)參數(shù)。采用空氣阻力系數(shù)的好處是:風(fēng)洞試驗(yàn)中一旦動(dòng)壓q、參考面積A以及車輛軸距WB確定后,對(duì)其他速度、空氣密度以及車身尺寸的車輛來說,不需再進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)就能計(jì)算出相應(yīng)的空氣阻力和力矩。第七節(jié)汽車的空氣阻力1.形狀阻力形狀阻力占?jí)翰钭枇Φ拇蟛糠?主要與邊界層流態(tài)和車身后端流體分離產(chǎn)生的尾渦有關(guān)。因而車身后端分離區(qū)尺寸的大小很大程度上決定了壓差阻力的大小。如圖4-21所示,在汽車迎風(fēng)面積A相同的條件下,不同流速氣流經(jīng)過不同車身表面后獲得的后端分離橫截面面積Aa有很大的不同。第七節(jié)汽車的空氣阻力1.形狀阻力通常要盡量減小分離區(qū),以使車身表面產(chǎn)生較小的真空區(qū)域,從而獲得較小的壓差阻力。后端邊界層的“吸出效應(yīng)”同樣會(huì)使壓差阻力顯著降低。后端氣流的分離經(jīng)常