2010/12/2东南大学机械工程学院第五章、汽车空气动力学设计主讲人：王金湘Email：.cn汽车空气动力学ch2空气动力学基础空气的物理属性气流运动方程气流粘性性质Ch6 表面污染与气动噪声Ch5汽车空气动力学设计2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehiclesch3汽车的气动力气动阻力气动升力气动侧力纵倾气动力矩横摆气动力矩侧倾气动力矩Ch4气动力对汽车性能的影响汽车动力性燃油经济性操纵稳定性高速直线行驶汽车转向特性汽车气动造型造型历史演变造型与气动阻力造型与流谱造型与表面压强轿车空气动力学设计赛车空气动力学设计商用车空气动力学设计2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles本章概述 气动造型演变历史 最佳气动造型 汽车外部和内部流谱、汽车表面气动压强分布 汽车空气动力学设计原则 轿车空气动力学设计 赛车空气动力学设计 大客车和货车空气动力学设计本章大作业：以“赛车的空气动力学设计”（学号尾数为奇数）或“大客车和货车的空气动力学设计” （学号尾数为偶数）为题，在“中国期刊网”、“google学术搜索”或“万方”上查阅资料，做时间约1015分钟的ppt介绍。要求11月30日之前将ppt发到邮箱气动造型的演变历史马车型2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles1892年的标志汽车加上车篷挡雨1886年的戴姆勒奔驰马车型特点：无完整车身气动造型的演变历史遮挡风雨完整封闭车身箱型车CD0.60.72010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles19081927 的福特T型车第一次采用流水线生产共卖了1500多万辆价格低廉，性能稳定使汽车走进普通家庭1928年英国奥斯汀T型车特点：封闭车身：提高安全性和舒适性前后翼子板降低风阻未考虑空气动力学且迎风面积大气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试1：航空理论中具有最小风阻的是纺锤形但是：风阻系数随相对离地面积减小而增大2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles但是：汽车部件的布置、安装i=0气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试1：具有一定弯度的流线体在相对离地面积小时有比较小的风阻系数i=a/L2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles以及乘员空间安排有困难i=9气动造型的演变历史弯度线2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles考虑空气动力学特性的尝试1：1921年德国Jaray的J造型专利：在具有一定弯度的翼形上加上半纺锤体体甲壳虫型2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles气动造型的演变历史甲壳虫型汽车优点：优美流畅的流线型两侧完整曲面阻力降低19392003年产2300万辆老甲壳虫CD = 0.49新甲壳虫CD = 0.38缺点：上表面弯度导致升力大车尾造型使气流易分离阻力比较大后排空间低矮发动机冷却存在问题气动造型的演变历史其它的J型车雪铁龙DS1955年于巴黎车展初次亮相当天收到12000张订单仅0.38的风阻系数19551975年，生产了1456115辆雪铁龙DS2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles最具世界影响力的“20世纪汽车”排名第三，被誉为“公路女皇”。气动造型的演变历史考虑空气动力学特性的尝试2：K型车2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles1937年Kamm和Koening同时申请K型车专利车总长相同时，K型车的尾部形状阻力不比J型车大，且诱导阻力减小截尾部位占总长的百分比2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles气动造型的演变历史K型车是“快背式”的鼻祖，但快背式到1970年代才出现：雪铁龙CX生产年限：1974-19911985年7月，参加中国首届上海车展，是法国走进中国市场的第一款车型奥迪Quatrro1991年大众 Scirocco侧风作用点后移高度低弯度小，升力减小适用于大型豪华轿车缺点：高速升力和风阻较大气动造型的演变历史二战后：美国的豪华型优点：宽敞、舒适、视野好考虑人机工程学和操稳船型车（三厢）1952年的福特2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles1956年的雪佛兰1959年的凯迪拉克气动造型的演变历史空气动力学特性考虑之三：鱼型车尾部优化船型车阶梯状尾部高速时产生涡流压差阻力大鱼型车1952年别克2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles1963年雪铁龙DS19鱼型车鱼型车比甲壳虫的优势：背部更溜滑老甲壳虫侧围更平滑车身高度更低，横截面小侧风作用点滞后鱼型车缺点：高速时气动升力仍较大气动造型的演变历史空气动力学特性考虑之四：楔型车鱼型车高速时气动升力仍较大前、后部优化楔型车该方案最早由1963年意大利司蒂倍克阿本提设计，却被冷落2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles1970年 雪铁龙SM奥兹莫比尔，1966气动造型的演变历史楔型车怎样减小升力？鱼型车船型车2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles楔型车甲壳虫型鱼型升力大小：甲壳虫 鱼型 船型 楔形升力随车速变化曲线船型气动造型的演变历史楔型车优点：车身前部呈尖形且向下倾斜，高速行驶时可产生向下压力。车身尾部平直，可减小车顶以后部分的负压，防止后轮飘保时捷9112010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles起。这种造型最大限度解决了升力问题楔型车成为高级轿车的基本造型法拉利5211996年莲花最佳气动造型意大利Pininfarina公司与意大利国力科研所进行的一项汽车造型的研究成果表明，未来汽车造型将以空气动力学为主导该公司所倡导的汽车造型设计主导思想是：完全从空气动力学出发，根据风洞试验，确定车身外形，使汽车造型具有优异的空气动力特性，同时又能满足各种使用和生产工艺的严格要求即：在满足空气动力特性要求基础上，再满足使用和生产工艺要求2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles的例子最佳气动造型1976年意大利最佳气动造型 A.Morelli提出的基本造型CD0.049整2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road VehiclesA.Morelli提出的车身模型CD0.16A.Morelli提出考虑更多细节的车身模型CD0.17实车CD0.23体最优化方法汽车周围流场基本流场 A：驻点，高压 B:低压区 C：分离 D：重新附着再附着2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles CD间为“分离气泡”船型(阶背)三厢较高压 EF：流速较高，低压 F以后：分离，涡流斜背两厢气流分离线2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles汽车周围流场1、斜背型车后风窗倾角和气流分离的关系：CD0.440.3428在后风窗倾角为30度左右时，为临界斜度，此时风阻系数较大2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles汽车周围流场2、前风窗倾角和“气泡区”分离点与再附着点的位置倾角减小分离点和再附着点靠近，当倾角30时风阻下降不明显当倾角48时会出现局部压力的下降，应当避开还有哪些减小“气泡”尺寸的方法？2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles汽车周围流场3、汽车底部与地面之间的气流当底部与地面间隙较小：A 驻点AH 随汽车移动的边界层GHL的空间：分离涡（分离气泡）L点以后：次生附面层当底部与地面间隙较大：未发生分离的情况：提高汽车底面离地间隙和改善底面不平度都可降低风阻系数2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles汽车周围流场4、汽车周围涡系和尾部涡系1、下表面气流经车身左右两侧向上表面流动，形成车身左右两侧面附着涡2、两侧的附着涡被来流向后拖向远方，在车身后部形成两个方向旋转的的尾涡1、斜背型车的尾涡和尾涡区比直背型较小2、阶梯背型的尾部风阻系数可更小？怎样实现？汽车周围流场5、汽车内部流谱乘员舱自然通风和发动机、制动器散热散热器气流使风阻增大冷却气流向下排出，升力增加冷却气流向上排出，升力减小2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles纵倾角发动机冷却系和乘员舱通风系的空气动力学设计原则和方法详见：汽车空气动力学 ，傅立敏著， 2006年9月版，第五章汽车空气动力学 ，傅立敏著， 1998年11月版，第五章、第六章汽车周围流场6、车轮转动对周围流场的影响OAB无地面影响时，产生负升力2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles受地面影响时，产生正升力，且风阻更大轮罩遮住部分车轮可以减小风阻汽车空气动力学设计程序1)总布置设计空气动力特性及其它性能分析2)外形效果图车身线图模型风洞试验3)要求性能：动力性经济性操纵稳定性空气动力特性（风噪声）（换气性能）No2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles样车试制样车分析性能是否符合要求完成设计样车风洞试验分析NoOK性能是否符合要求OK设计2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles汽车空气动力学设计原则汽车空气动力学设计基本准则：在满足结构设计、美学、人体工程学以及法规要求的同时，降低气动阻力，具有良好的高速性能。机械工程学+人体工程学+美学+空气动力学=完美的汽车造型汽车空气动力学设计准则1. 造型满足气流沿光滑表面流动，以减小气动阻力和噪声2. 保证车身表面曲线的曲率和曲率变化的连续性光滑车身3. 减小车身外露附件，必要附件也须流线型化减小干涉阻力4. 车身底板平整光顺5. 车身左右对称避免外形气动侧力6. 减小升力或产生负升力的附件（特别是赛车）7. 风压中心位于重心之后，加提高操纵稳定性的附件8. 降低气动造型和尘土污染的设计方法？（下一章）2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计1、轿车前部（车头）气动造型设计 车头边角适度倒圆可减小风阻 整体弧面车头比边角倒圆更好 车头高度底的风阻小（应不影响发动机布置）东风雪铁龙凯旋2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计2、发动机罩与前风窗的影响 发动机罩与前风窗夹角为30度时，效果最好， 增大发动机罩倾角有助于减小阻力和升力（应不影响发动机布置 发动机罩采用小的三维曲率（0.02m-1）,防止S提前 前风窗采用较大三维曲率，使得R提前，但应不影响外景失真2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计3、客舱外表面气动造型设计 A柱造型A柱与周围应该设计成圆滑过渡的外型，并且向内倾斜收缩，气流沿表面流动，防止产生涡流A柱与周围造型俯视图2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计3、客舱外表面气动造型设计 侧壁外鼓侧壁稍外鼓可降低风阻系数，但也增大迎风面积，综合效果使阻力增大， 因此外鼓系数在0.020.04较好2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计3、客舱外表面气动造型设计 顶盖上挠上挠度大，空间增大，但风阻增大，一般上挠系数小于0.06奥迪A8轿车空气动力学设计CD0.440.342010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles4、轿车尾部气动造型设计 后风窗斜度后风窗倾斜30度（临界斜度）左右时风阻系数最大当斜度小于30度时风阻系数可较小28轿车空气动力学设计4、轿车尾部气动造型设计 尾部造型样式直背、阶背和斜背式尾部造型产生尾涡和对风阻系数影响的区别？2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles奔驰B级奔驰2003 C320轿车空气动力学设计4、轿车尾部气动造型设计 鸭尾造型 尾部倾角大于30度时鸭尾造型可减小尾涡，降低风阻系数 鸭尾造型可减小尾部升力2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles轿车空气动力学设计5、轿车底部气动造型设计 车身底部离地高度：适当提高汽车底面离地间隙可降低风阻系数，但间隙过大会提高升力(为什么?） 车身底部纵倾角：纵倾角越大，风阻系数越大，因此尽量有负的底部纵倾角奔驰2003 C320高性能车的空气动力学设计减小升力的主要方法:1、改善车身整体造型(楔形、过度圆滑以增加两侧气流量)2、车头造型修形，增大斜倾角、减小车头缘高度3、改善车尾造型4、底部造型：增大底部气流速度、采用负的底板纵倾角5、减小气动升力的附加装置： 前扰流器，后扰流器， 前、后负升力翼、 扩散器针对底部气流6、将车轮覆盖在轮腔里减小气动升力2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles高性能车的空气动力学设计改善侧风稳定形主要措施:采用垂直尾翼使侧风作用的后移2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles第五章：作业题1、画出甲壳虫型车、船型车、鱼型车和楔形车表面压强分布图；为什么鱼型代替甲壳虫型、楔型代替船型在改善气动阻力或气动升力影响方面具有优势？2、简述采用整体最优化方法进行最佳气动造型设计的过程。3、参考图5-25,画出轿车外部空间的基本流谱，包括车头、引擎罩、前风窗、车顶、尾部、车底和侧面流谱，并依据该流谱图解释气动阻力和气动升力是怎样产生的。4、列举一般轿车的气动造型设计中，用于降低气动阻力的方法。2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road VehiclesThank you！Have a good time2010/12/2汽车空气动力学Aerodynamics of Road Vehicles