汽车造型与空气动力学(共9页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上汽车造型与空气动力学 2010-03-28 16:23:52 阅读11 评论0 字号：大中小 前言：受辽宁省自然科学基金的资助，本人正在主持“汽车轻量化虚拟样机关键技术研究”项目，该项目以国内某著名汽车制造有限公司正在设计制造中的汽车为应用对象，包括汽车碰撞安全性、汽车外形的计算流体力学仿真（CFD）、面向日本用户的日系车汽车音响轻量化设计、汽车关键部件轻量化设计等若干核心子课题。    合作单位包括：大连奥托汽车、日本独资大连阿尔派汽车音响制造有限公司、大连理工大学、一汽奥迪等。 计算流体力学（CFD）是一门研究液体和气体和它周围的固体如何相互作用的学问：考虑高速气体流过形状复杂的汽车的情况。近年来CFD的发展可以让计算机在计算机中模拟虚拟汽车-而汽车制造商不再只能依靠简单的风洞去了解气流是如何影响汽车的！制造商可以在制造金属部件之前先研究模拟数据，这会大大节省时间和资金。    从事此项研究时，所需要学习及应用到的软件：CATIA（或I-DEAS或UG或PRO/E或SOLIDWORKS）、FLUENT。        汽车的CFD仿真  汽车造型与空气动力学的关系一、轿车前部车头造型对气动阻力影响因素很多，主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小、格栅形状等。"  车头边角的影响：车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。"  对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。"  车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。"  车头形状的影响"  整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。"  车头高度的影响"  头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化。"  车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。"  车头下缘凸起唇的影响"  增加下缘凸起唇后，气动阻力变小。减小的程度与唇的位置有关。"  发动机罩与前风窗的影响"  发动机罩的三维曲率与斜度。（ 1 ）曲率：发动机罩的纵向曲率越小（目前大多数采用的纵向曲率为 0.02m -1 ），气动阻力越小；发动机罩的横向曲率均有利于减小气动阻力。（ 2 ）斜度：发动机罩有适当的斜度（与水平面的夹角）对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步加大对将阻效果不明显。（ 3 ） 发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。"  风窗的三维曲率与斜度。（ 1 ）曲率：风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则导致工艺难实现、视觉视真、刮雨器的刮扫效果。前风窗玻璃的横向曲率均有利于减小气动阻力。（ 2 ）斜度：前风窗玻璃的斜度（与垂直面的夹角） <=30 0 时，降阻效果不明显，但过大的斜度，使视觉效果和舒适性降低。前风窗斜度 =48 0 时，发动机罩与前风窗凹处会出现一个明显的压力降，因而造型时应避免这个角度。  (3) 前风挡玻璃的倾斜角度（与垂直面的夹角）越大，气动升力系数略有增加。"  发动机罩与前风窗的夹角与结合部位的细部结构。6. 汽车前端形状"  前凸且高不仅会产生较大的阻力而且还将会在车头上部形成较大的局部负升力区。"  具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。二、轿车客舱"    A 柱"  前立柱上的凹槽、小台面和细棱角，处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和测窗污染。应设计成圆滑过渡的外形。"  侧壁"  轿车侧壁略有外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数。但外鼓系数（外鼓尺寸与跨度之比）应避免在 0.020.04 之间。"  顶盖"  综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的上扰系数（上鼓尺寸与跨度之比）应在 0.06 以下。   4. 客舱长度"  对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由 0.93 增至 1.17 ，会较大程度的减小气动升力系数。三、轿车尾部车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。"  后风窗斜度"  后风窗斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）对气动阻力影响较大，对斜背式轿车，斜度等于 30 0 时，阻力系数最大；斜度小于 30 0 时，阻力系数较小。"  后挡风玻璃的倾斜角控制在 25 度之内。"  尾窗与车顶的夹角介于 28 至 32 度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。2. 尾部造型式样"  典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方（平）背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说，小斜背（角度小于 30 0 ）具有较小的气动阻力系数。3. 车尾高度"  流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。"  后车体的横向收缩"  一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度受具体车型而定。5. 车尾形状"  车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。四、轿车底部"  车身底部离地高度"  一般虽车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升，但高度过小，将增加气动升力，影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。"  车身底部纵倾角"  车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角。"  将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。"  车身底板的曲率"  纵向曲率：适度的纵向曲率可以减小压差阻力。"  横向曲率：适度的横向曲率可以减小气动升力。最佳曲率视具体车型而定。"  扰流器对气动阻力的影响富康是典型的半水滴造型，这样的造型符合当今汽车设计的最新潮流，充分运用了空气动力学的最新成果。经过严格的风洞试验，富康的风阻系数仅为0.31。风阻系数在过去的轿车手册中从未出现过，今天则是介绍轿车的常用术语之一，在国外已经成为人们十分关注的一种参数了，它是指汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生的纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，它的系数值是由风洞测试得出来的。汽车行驶速度越快其所受到的空气阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性。雪铁龙ZX系列的风阻系数只有0.305，是普及型汽车里面最优秀的，而如今的帕萨特B5德国版已达到0.28。据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。因此，当你决定选择一种经济实用的私家车时，这也是不可或缺的考量因素。当然，并不是所有的轿车都会公布自身的风阻系数，除非它在这方面很优秀。汽车空气动力学知识阻力和升力     阻力    一辆轿车的气动效率是由其阻力系数(Cd)所决定的。而阻力系数与面积无关，它仅仅是反映出物体的形状对于气动阻力的影响。理论上来讲，一个圆形的平板的阻力系数为1.0，但是如果考虑到其边缘周围的湍流效应，它的阻力系数将会变为1.2左右。气动效率最高的形状是水滴，它的阻力系数只有0.05。不过，我们不可能制造出一辆水滴形状的轿车。一辆典型的轿车的阻力系数大致为0.30。     阻力的大小是与阻力系数(也叫牵引系数、风阻系数)、正面接触面积和车速的平方成比例的。你会发现一辆时速120英里的轿车所遇到的阻力是一辆时速60英里的轿车的四倍。你还可以发现阻力对于最高时速的影响。如果我们不改变一辆Testarossa的形状，而将其最高时速从180英里提高到Diablo的 200英里的话，我们需要将其最大输出功率从390马力提升到535马力。如果我们宁愿把时间和资金花在风洞的研究上，只要将其阻力系数从0.36降低到0.29就能够达到同样的效果。    斜背式车身     在20世纪60年代，赛车工程师们开始认真对待空气动力学。他们发现如果他们将轿车后背的斜度减小到20度或更小的话，气流就会非常平稳地流过车顶线，从而大大减小了阻力。他们将这种设计命名为“斜背式车身”。这种关注的结果是很多赛车都增加了一个比较夸张的长长的尾翼，并把后背的高度降低了，比如这里展示的1978年的935 Moby Dick。    对于一辆三厢式轿车，气流会直接从车顶线的尾部离开轿车。而后挡风玻璃的突然下降会在周围的区域形成低压，这就吸引了一些气流重新流入该区域进行补充，并因此形成了湍流。而湍流总是会损害到阻力系数。    然而，这依然比可能出现在三厢式车身和斜背式车身之间的一些情况要好。如果后挡风玻璃的斜度为3035度的话，气流就会变得非常不稳定，而这将很损害到高速行驶时车辆的稳定性。在过去，轿车厂商对此知之甚少，所以生产了很多类似的轿车。    升力    另一个重要的空气动力学因素是升力。由于轿车顶部的气流移动的距离要长于轿车底部的气流，所以前者的速度会比后者快。根据柏努利(瑞士物理学家)原理，速度差会在上层表面产生一个净负压，我们将其称为“升力”。     像阻力一样，升力也是与面积(不过是表面积而不是正面面积)、车速的平方和升力系数(Cl)成比例的，而升力系数是由形状决定的。在高速行驶时，升力可能会被提升到一个足够高的程度，从而让轿车变得很不稳定。升力对于车尾的影响更为重要，这一点很好理解，因为后挡风玻璃的周围存在一个低压。如果升力没有被充分抵消，后轮就很容易发生滑移，这对于一辆以时速160英里飞驰的轿车是很危险的。     就这个方面来讲，斜背式车身是非常不利的，因为它与气流接触的表面积非常大。看起来良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同时拥有它们。不过，由于过去我们对空气动力学进行了更多的研究，所以我们还是发现了一些办法，可以解决同时拥有两者的问题    空气动力学辅助设备    尾翼(后扰流器)    在20世纪60年代早期，的工程师们发现通过在轿车的尾部增加一个气翼(我们简单地将其称为“尾翼”)，可以大幅度减小升力甚至产生一个完全向下的压力。同时，阻力只是略微有所增加。     尾翼的作用是引导大部分的气流直接离开车顶而不发生回流，这就会使升力减小。(如果我们加大尾翼的角度，甚至可能产生一千公斤向下的压力。) 当然，依然会有一小部分气流会回流到背部并从尾翼下的车尾处离开。这就避免了在非斜背式轿车上出现的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空气沿这个路线流动，所以它们对于升力的影响可以轻松地被尾翼消除。     为了受益于绝大部分的气流，尾翼安装的位置必须比较高。的Escort RS Cosworth在这一点上做得不错但对于墨丘利的Cougar来说，尾翼看起来只是一个装饰品罢了。     第一辆安装尾翼的轿车是1962年产的246SP长距离赛车。仅仅一年以后，250GTO道路用车就加入了这一行列，安装了一个小型的鸭尾式尾翼，这当然是第一辆安装尾翼的道路用车。然而，尾翼并没有因此就流行开来，直到1972年发布了其911 RS 2.7情况才有了转机，该车巨大的鸭尾式尾翼将高速行驶时的升力减小了75%。仅仅一年以后，RS 3.0就开始使用一个鲸尾式尾翼，这种尾翼可以将升力完全消除掉，它也因此成为了此后所有911轿车的标志。    新款996 Carrera为我们提供了一些有用的数据：     前面的升力（时速 157 英里） 后面的升力（时速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打开尾翼 5 公斤 14 公斤     扰流器     扰流器是改变车身下面气流的空气动力学装备。我们将安装在前保险杠底部边缘的扰流器称为“下颚扰流器”或者“气坝”，而将安装在车身两侧底部边缘的扰流器称为“侧裙”。要了解扰流器的原理，我们必须先谈谈车身下面的气流。     车身下面的气流总不是我们希望存在的。在轿车车身的下面有很多暴露在外的组件，比如发动机、变速箱、传动轴、差速器等。这些设备会阻碍气流，不仅仅造成增大阻力的湍流，还会因使气流慢下来而增大升力。（还记得柏努利定理吗？）     扰流器通过促进空气从车身两侧离开达到减小车身下面气流的目的，其结果是减小了因车身下面的气流造成的阻力和升力。一般来说，扰流器安装的位置越低，能达到的效果就越好。因此你会发现长距离赛车的扰流器几乎是擦着地面的。当然，道路轿车不可能做到这样。车身下面的光滑底板    我们还有一种减小车身下面气流影响的办法，那就是用一个光滑的底板将轿车的下面全部覆盖，就像这一辆F355一样。这可以避免湍流和升力。     地面效应    对于赛车工程师们来说，尾翼可能是对付升力的好办法，但距离他们真正想要的效果还很遥远。典型的一级方程式赛车转弯时的加速度大约是4g，这需要巨大的向下的压力保持轮胎紧贴赛道的地面。当然，安装一个角度很大的巨大尾翼可以满足这种需求，不过同时也会损害到阻力系数。     在20世纪70年代，考林查普曼(又一次)发明了一种全新的概念，在提供向下的压力的时候并不会改变阻力的大小，这种概念就是“地面效应”。他在自己的72赛车的底部安装了一个空气通道。通道在前面的部分相对狭窄，但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部几乎是触地的，所以通道和地面实质上形成了一个封闭的管道。当赛车飞驰时，空气从车头进入，然后线性扩散到车尾。显然，接近车尾处的气压会降低，从而产生了向下的压力。     与尾翼相比，地面效应的优势太多明显，所以很快一级方程式赛车就禁止使用地面效应了。1978年，Brabham车队的戈登默里又尝试使用扩散通道之外的其他方式，他使用了一个大功率的风扇在接近车尾的地方产生向下的压力。当然，这种创新又一次在一级方程式赛车中被禁止了。     地面效应对于道路用车来说不太合适，因为它要求车身底部特别贴近地面才能形成一个封闭的管道。对于赛车来说，这没有任何问题。但是道路用车需要留出高很多的离地间隙以适应不同的起伏路面、爬坡和下坡路面等。这种较高的离地间隙会大大减小地面效应的效力。McLaren F1道路用车沿用了Brabham车队的技巧，该车使用两台电扇来产创造地面效应，不过说实话，没有哪位试车者对它产生的向下的压力发表过赞美之词。Dauer 962号称是“道路用车”，不过它实际上是一辆获准在道路上驾驶的962长距离赛车，该车就安装有赛车通常使用的空气通道地面效应。它行驶时的离地间隙可以调节，在起伏路面就低速行驶，但到了德国的高速公路上，就充分利用地面效应畅快地飞驰。即使这样，它所产生的向下的压力也只有赛车的40%而已。专心-专注-专业