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【汽车空气动力学-胡兴军】第4章 轿车气动特性研究

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【汽车空气动力学-胡兴军】第5章 商用车的气动特性研究

【汽车空气动力学-胡兴军】第5章 商用车的气动特性研究

在分析箱体高度对气动阻力的影响时，由于货车驾驶室的形状对箱体的气 流、压力分布和气动阻力有很大的影响。因此，必须对不同的驾驶室形状分别 加以讨论。在图5-9中列出了方形驾驶室和上边角倒圆驾驶室两种情况下，当 箱体高度增大时，其气流的流动状态。
பைடு நூலகம்
由图5-9可见，对方形驾驶室，由于在驾驶室上边角处气流分离早，中等高度 的箱体，能得到较为贴附的箱体气流，因此气动阻力系数较小。对上边角倒圆 的驾驶室，由于通过驾驶室上方的气流基本上没有分离，因此低高度的箱体， 可以获得较小的气动阻力，随着箱体高度的增大，作用在箱体上的迎面气流的 分离程度增加，因而导致了气动阻力的增加。正是由于这种不同的气流流动状 态，导致了不同的气动阻力随高度的变化曲线（图5-10）。
图5-5示出了4种客车后车体形状对气动阻力的影响。由图可见，由于客车气动 阻力主要是由车头形状决定的，并严重影响着后车体上的气流流动情况，将车头的 上边角和侧边角倒圆，可以大大改善后车体修形的效果。将后车体上边角倒圆后， 气动阻力系数下降了4%～8%；将后车体上缘和侧缘倾斜5º的倾角后，阻力系数下 降了6%～20%；再将5º倾斜面的下边角倒圆后，阻力系数下降了9%～22%；最后 将后车体延长，并使后车体上部具有较大的倾斜面，可使气动阻力系数下降14%～ 35%。但是最后这种方案会使客车后悬增长并影响内部的空间利用，所以它很难在 公共汽车上采用。
3．稳涡装置 它是安装在货箱（货车或拖车）前围上部的附加装置(图5-19)，目的是使货车 驾驶室与货箱之间涡流受阻滞甚至破碎，稳定相对气流在驾驶室与货箱之间产生 的非定常涡，以达到减阻的目的。
除了以上介绍的三种，还有一些装置可以降低CD，如水箱面罩（因内流对CD
有影响），发动机底面护板的最佳设计，前柱流水槽形状的最佳设计等。更为广 泛利用的降低CD的装置，如荷兰的DAF牌货车采用了导风板兼做卧舱的方法，有 效的利用了导风板下面的空间。轿车上广泛采用的前阻流板，对于货车也被认为 是有效的。此外，封闭车厢和货箱大部分是方形的，所以新的空气动力装置将有 所发展。

汽车空气动力学性能研究

汽车空气动力学性能研究

汽车空气动力学性能研究第1章引言随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的安全性能要求越来越高，特别是对汽车的空气动力学性能有了更高的要求。

汽车的空气动力学性能直接影响了车辆的稳定性、燃油经济性和行驶舒适性，是汽车设计中不可忽视的重要因素。

本文将主要讨论汽车的空气动力学性能及其相关研究。

第2章汽车空气动力学性能概述汽车的空气动力学性能主要包括气动力、阻力和升力。

气动力是指车辆在行驶时所受到的空气力，包括阻力和升力，阻力是指空气对车辆前进的阻力，而升力则是指空气对车辆垂直升力的作用。

汽车的空气动力学性能是由多种因素共同影响的，包括车身造型、气动系数、车与路面的接触、车辆速度和车辆尺寸等。

汽车的空气动力学性能研究起源于20世纪30年代，随着计算机技术的进步和气动力学实验技术的发展，汽车气动力学研究也逐步深入。

目前，汽车空气动力学研究主要集中在两个方面，一方面是通过计算机模拟来研究汽车在不同速度下的气动力学性能，另一方面是通过实验来验证模拟结果和优化汽车气动设计。

第3章汽车空气动力学性能计算方法现代汽车空气动力学性能计算方法主要包括两种，一种是通过数学模型来计算汽车的气动力学性能，另一种是通过计算流体力学方法来模拟汽车在不同速度下的空气流动情况。

数学模型是指通过数学公式来计算汽车的气动力学性能，该方法主要根据理论计算方法和试验数据来建立数学模型，然后使用数学模型对汽车的气动力学性能进行预测和优化。

数学模型的优点是计算速度快，而且可以在车辆设计的早期阶段进行优化，缺点是无法完全模拟汽车的复杂流态。

计算流体力学方法是一种通过计算机模拟来研究流体力学问题的数值方法。

它通过离散化流体问题来拟合模型，并利用高精度数值算法来求解模型方程。

该方法的优点是能够精确模拟汽车的复杂气动流动情况，得到非常准确的结果，但其缺点是计算时间较长，需要大量的计算资源和高性能计算机。

第4章汽车空气动力学性能实验方法汽车空气动力学性能实验方法主要包括隧道实验和道路试验。

基于顶部与侧部扰流器的轿车气动减阻

基于顶部与侧部扰流器的轿车气动减阻

基于顶部与侧部扰流器的轿车气动减阻杨瀚博;胡兴军;安阳【摘要】汽车空气动力学性能是车身设计中需要着重考虑的方面,针对某国产快背式轿车的简化模型,应用计算流体力学原理与方法,研究了轿车尾部气动附件对于快背式轿车气动阻力系数的影响.采用三棱柱半结构化网格和Realizable k-ω SST模型,对不同尺寸的顶部及侧部扰流器的外流场进行数值模拟,得到不同情况下该车的气动阻力系数、表面压力分布等气动特性.对比分析了各种方案的流动特性及阻力系数.结果表明:加装不同尺寸的扰流器,通过适当的匹配与优化,可以改善轿车的气动特性,降低气动阻力.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】6页(P504-508,515)【关键词】扰流器;气动减阻;湍流特性;空气动力学;数值模拟【作者】杨瀚博;胡兴军;安阳【作者单位】吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】U461.1汽车空气动力学性能是车身设计中需要着重考虑的方面，汽车的气动阻力产生的主要根源是汽车行驶过程中所产生的压差阻力，压差阻力在总的阻力构成中占据了85%，在压差阻力的构成中，汽车前部设计仅占9%，而另外的91%则取决于汽车尾部，汽车尾部造型对于整体气动阻力有重要的影响，从形成机理上来看，由尾部造型引起的气动阻力主要由2部分构成:造型本身产生的阻力和尾流形成的涡造成的涡阻［1］.近年来，汽车外流场的研究在国内外都已经有了大量的成果.上汽集团对于桑塔纳轿车的气动性能进行了研究，发现涡流发源于气流发生分离的位置，主要有发动机罩与挡风玻璃之间的转角、发动机罩的3维曲率和结构及挡风玻璃的3维曲率和结构，最主要的分离位置位于汽车尾部［2］.日本三菱汽车公司通过研究发现空气阻力产生的重要原因是由于汽车尾部的流动发生分离，为了缓解流动分离的程度，使由流动分离产生的负压区变窄，因此安装涡发生器附件.通过研究发现涡发生器正确安装后可以有效降低气动阻力系数，尤其是安装三角翼涡发生器［3］之后阻力系数降低了0.000 6.笔者以某国产快背式轿车作为研究对象，应用计算流体力学原理与方法，研究轿车尾部气动附件对快背式轿车气动阻力系数的影响.对原始车型进行详细的分析，着重分析尾部的气流流动结构，找到涡流发生的位置，最后在汽车尾部各个位置加装各种不同种类的附件，找到适合该车型的附件安装方式.1 几何模型顶部扰流器作为稳定汽车行驶的附件已经在汽车上应用较广泛，近年来对于顶部扰流器的减阻效果也有研究，M.Koike等［3］对3种不同形式的顶部扰流器进行了研究，得到了普通形式的布置在车尾顶部狭长的扰流器会有较好的综合性能.普通形式的顶部扰流器主要由2个因素控制:① 扰流器的攻角α;②扰流器最长的弦长L.普通形式扰流器以及控制参数的选取如图1所示.图1 普通扰流器形状与尺寸定义方式图顶部扰流器的尺寸形状由参数L与α共同确定，弦长变化范围为120～250 mm，攻角变化范围为3°～23°.在此范围内弦长每隔65 mm选取试验点，攻角每隔10°选取试验点，不同尺寸扰流器几何模型如图2所示.在这2个参数变化所组成的样本空间内，共选取8个样本点，通过8组不同的试验得到L120α03，L120α13，L120α23，L185α03，L185α13，L185α23，L250α03，L250α13 的阻力系数分别为 -0.002，0.008，-0.016，0.008，0.013，0.011，0.005，0.005.图2 不同尺寸扰流器几何示意图通过分析可以发现:8种方案中只有L120α23起明显的减阻效果，其他尺寸的顶部扰流器反而起恶化作用，因此将L120α23与L185α13这2种方案进行详细的流场分析对比.本研究的侧部扰流器的建模思路和顶部扰流器的类似，也由2个主要参数弦长和攻角控制，对于侧部扰流器的攻角与弦长的定义与顶部扰流器的相同.侧部扰流器的形状如图3所示.图3 侧部扰流器示意图分析了7种不同尺寸的尾部侧部扰流器，其尺寸形状由L与α共同确定，弦长变化范围为160～240 mm，攻角变化范围为75°～85°，在此范围内均匀选取试验点.RSS(rear side spoiler)为侧部扰流器.试验得到RSS-L160α75，RSS-L160α80，RSS-L200α75，RSS-L200α80，RSS-L200α85，RSS-L240α75，RSSL240α80 的相对阻力系数分别为0.006，0.015，0.023，0.014，-0.007，0.005，0.003.在7种不同的尺寸中，只有RSS-L200α85起到减阻效果，其余都对气动性能产生恶化影响，与该尺寸相似的 RSS-L200α80也是阻力系数增加，RSS-L160α80的阻力系数相比原型也有所增大.因此重点分析上述3种情况与基本型的车尾部件表面速度分布与流线分布.2 数值模拟2.1 流场网格采用非结构网格求解，车身表面采用三棱柱单元，计算域内部由四面体填充，然后通过四面体合并转换成多面体，从而减少计算时间，在车身周围建立尺寸较小的网格，同时在车尾部设置加密区域，以更加精准地捕捉尾部流动，计算域采用较大尺寸的网格，在该区域的流动接近平稳状态，所以大尺寸的网格并不会影响计算精度.2.2 湍流模型通过查阅大量的文献，参考了课题组内的大量外流场风洞试验与数值仿真资料，通过对该车型试用不同湍流模型的仿真试验结果进行分析，最终选择了k-ω SST湍流模型进行数值仿真，该模型可广泛应用于各种压力梯度下的边界层问题的模拟，同时还能够较好模拟远离壁面充分发展的湍流流动，尤其对于边界层中相对于主流区具有逆向压力而造成的剥离现象具有较高的精度.本仿真对于边界层的流动较为关心，因此需要能够较好地模拟边界层流动的湍流模型，在外流场中通常被应用的k-ε模型就不能满足要求.在k-ω模型中，湍流黏度为式中α*为对湍流黏度进行低雷诺数修正的系数.k和ω的输运方程分别为式中:Gk为对应平均速度梯度的湍动能产生项;Gω为ω的产生项;Yk和Yω为k和ω由于湍流而产生的耗散;σk和σω为k方程和ω方程对应的湍流Prandtl数;Sk 和Sω为自定义的源项.为了使k-ω模型可以近似等效于k-ε模型，需要添加交叉扩散项:k-ω SST模型通过一个混合函数实现了从近壁面的k-ω模型到远离壁面的k-ε模型的过渡，该混合函数以近壁面函数和湍流量为参数，乘以交叉扩散项(4).因此k-ω SST模型可以通过下列湍流黏度方程来表达:式中:a1=0.31;Ω为平均涡量.式(1)以壁面距离和湍流量为变量的混合函数差值来求解.通过对算例的检验，发现采用k-ω SST模型，再配合合理的边界层网格就可以较好地模拟边界层表面的流动，可以满足计算精度［4-5］.3 结果分析3.1 顶部扰流器对轿车气动性能的影响为了更深刻了解涡发生器对于该车型的影响，探究继续改进的方式，分别对原车及加装顶部扰流器后的车型进行分析［6-7］.原车型后风窗表面速度分布如图4所示，后风窗表面剪切速度流线如图5所示.图4 基本型后风窗表面速度分布云图图5 基本型后风窗表面剪切速度流线图L120α23的顶部扰流器的后风窗表面速度分布如图6所示，表面剪切速度流线分布如图7所示.图6 L120α23后风窗表面速度分布云图图7 L120α23后风窗表面剪切速度流线图可以发现:加装L120α23形式的顶部扰流器后，后风窗附近的涡流得到了有效的抑制，仅在边缘处形成了2个小的纵向涡.通过和原车型进行对比，可以发现L120α23起到了很好的导流作用.通过仿真试验发现加装了L185α13的顶部扰流器会产生恶化气动性能的效果.该种情况的后风窗表面速度分布如图8所示，后风窗表面流线分布如图9所示.图8 L185α13后风窗表面速度分布云图图9 L185α13后风窗表面剪切速度流线图L185α13后风窗表面的流动比基本型更加不规则，整个后风窗最后形成了2个大的斜纵向的涡旋，产生了较为强烈的相互作用，这样的流动状态直接体现在尾部的涡旋上.由图9可知:从车顶的来流使得在车尾上部形成的涡流进一步扩大，车底来流的涡旋继续存在，因此阻力系数与基本型相比也产生了较大增加［8］.而L120α23通过给车顶来流补充了能量，该股气流向车后流动时，气流方向并没有产生突变，而是较为柔和地逐渐向下并未在后车窗与车顶处产生分离，这样的流动和尾部产生的涡流相互融合，最后在尾部仅形成了2个小的纵向涡旋，且该涡旋流动的强度较低，因此损耗的能量较少，所以L120α23起到了较好的减阻效果.L120α23和L185α13后风窗上的压力分布云图分别如图10，11所示.从图10，11可以发现:L120α23后部的压力明显大于L185α13的后部，因此这也是通过顶部扰流器对流场改善后产生的效果.图10 L120α23后风窗压力分布云图图11 L185α13后风窗压力分布云图3.2 侧部扰流器对轿车气动性能的影响基本型与 RSS-L200α85，RSS-L160α80，RSSL200α80的车尾部件表面速度分布和流线分布图如图12所示.图12 车尾部件表面速度云图及流线图对比起到减阻作用的RSS-L200α85使得基本型在后风窗处形成的2个强度较高的纵向涡旋扰动区域变小，减小了后风窗中部的能量损失，进而降低了气动阻力.RSS-L200α80并没有很好地减小后风窗处的2个强度较高的纵向涡旋扰动区域，在后风窗处依然有较大的能量消耗，所以不但没能起到足够的减阻效果，反而增加了气动阻力系数［9-10］.RSS-L160α80使得后风窗处的2个纵向涡在强度和影响范围上都有所扩大，因此使得阻力系数反而有较大的增加.该车型后风窗与C柱、车顶部之间留有一定的间隙，经过调研发现大部分气动性能较好的跑车后风窗与周围都不存在较小的间隙.通过改变后风窗的安装位置分析间隙对气动性能的影响，新的后风窗安装方式减小了后风窗与C柱、车顶间的装配间隙.通过计算，缩小装配间隙的后风窗阻力系数减小了0.004.减小装配间隙后的几何形状与基本型的对比如图13所示.2种情况下车尾部件表面速度分布云图及速度流线对比如图14所示.图13 几何形状对比图图14 车尾部件表面速度云图及流线图对比通过减小后风窗与C柱、车顶之间的装配间隙可以消除基本型中后风窗上的2个横向涡动，由于在车顶与后风窗交接处的几何突变较小，因此保证了流动分离被推迟，但是由于2个纵向涡之间产生了相互作用，阻力系数减小有限.4 结论1)不考虑其他因素，安装顶部及侧部扰流板可以有效降低汽车空气阻力.2)攻角和弦长控制着扰流器的几何外形与尺寸，在已选择的8种不同尺寸中进行仿真得出最佳的尺寸组合为弦长120 mm，攻角23°，该种扰流器的组合方式阻力系数减小了0.016倍.3)通过添加侧部扰流板和减小后风窗与C柱、车顶之间的装配间隙都可以缩小汽车原后风窗处形成的涡流，使后风窗及轿车尾部的流动更加有规律.参考文献(References)【相关文献】［1］傅立敏，刘锡国.典型汽车尾流结构的研究［J］.汽车工程，1996，18(6):343-347.Fu Limin，Liu Xiguo.A study on the wake structure of typical automobile shapes［J］.Automotive Engineering，1996，18(6):343-347.(in Chinese)［2］王务林，张菊，曾发林，等.一种进一步降低轿车空气阻力的方法［J］. 汽车工程，2000，22(1):21-24.Wang Wulin，Zhang Ju，Zeng Falin，et al.A new method of further reducing aerodynamic drag of passenger cars［J］.Automotive Engineering，2000，22(1):21-24.(in Chinese)［3］Koike M，Nagayoshi T，Hamamoto N.Research on aerodynamic drag reduction by vortex generators［J］.Mitsubshi Motors Technical Review，2004，16:11-16.［4］江洪，唐鹏.轿车车身外流场的CFD仿真与实验验证［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(3):470-475.Jiang Hong，Tang Peng.CFD simulation and experiment verification of exterior flow fieldof a car body［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(3):470-475.(in Chinese)［5］胡兴军，李腾飞，王靖宇，等.尾板对重型载货汽车尾部流场的影响［J］.吉林大学学报:工学版，2013，43(3):595-601.Hu Xingjun，Li Tengfei，Wang Jingyu，et al.Numerical simulation of the influence ofrear-end panels on the wake flow field of a heavy-duty truck［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2013，43(3):595-601.(in Chinese)［6］Ishihara Y，Takagi H，Asao K.Aerodynamic development of the newly developed electric vehicle［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2011-39-7230.［7］熊超强，臧孟岩，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值仿真及其误差分析［J］.汽车工程，2012，34(1):36-39.Xiong Chaoqiang，Zang Mengyan，Fan Qinyin.Numerical simulation of external flow field around low drag car and its error analysis［J］.Automotive Engineering，2012，34(1):36-39.(in Chinese)［8］Mayer W，Wickerm G.The new audi A6/A7 family-aerodynamic development of different body types on one platform［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2011-01-0175.［9］Tortosa N，Karbon K.Aerodynamic development of the 2011 chevrolet volt［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2011-01-0168. ［10］Ando K，Takamura A.Automotive aerodynamic design exploration employing new optimization methodology based on CFD［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2010-01-0513.。

具有不同辐板车轮的空气动力学特性研究

具有不同辐板车轮的空气动力学特性研究

具有不同辐板车轮的空气动力学特性研究
胡兴军;傅立敏;张世村;张英朝
【期刊名称】《同济大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(034)012
【摘要】应用计算流体力学的方法,对具有不同辐板的车轮外流场进行了数值模拟,并与试验相对照,讨论不同的车轮辐板所引起的气动特性的变化.根据车轮上辐板的不同,对于同一型号的8种车轮模型分成3组进行研究.通过对比分析不同车轮的表面压力系数以及车轮周围的涡流等流场特性,可以得知:车轮辐板的改变不仅影响车轮的局部流场,还会影响整车的气动特性.模拟结果表明,车轮阻力系数改变是由其周围流场中涡流特征的变化所致.
【总页数】5页(P1684-1688)
【作者】胡兴军;傅立敏;张世村;张英朝
【作者单位】吉林大学,汽车工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,汽车工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,汽车工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,汽车工程学院,吉林,长春,130022
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1
【相关文献】
1.具有不同辐板布置斜齿轮传动系统的动态特性研究 [J], 沈允文;朱均
2.具有弹性辐板的并车齿轮传动系统动力学特性研究 [J], 于东洋;尹逊民;王琳杰;
王三民
3.考虑不同辐板的城市轨道车轮热力耦合特性研究 [J], 文永蓬;郑晓明;尚慧琳;徐小峻;李琼
4.不同轮轨粗糙度激励下辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响 [J], 王超;肖新标;金学松;房建英
5.辐板屏蔽式阻尼车轮振动声辐射特性试验研究 [J], 薛弼一;王谛;肖新标;韩健;王瑞乾;屈磊;周强
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汽车空气动力学

汽车空气动力学

发展期的汽车空气动力学造型
受二战影响，整个40年代上半期的汽车工业基本处于停滞状态。美 国在战后的几十年时间里，汽车设计的方向是强调动力性而不是空 气动力学。技术成熟的V8发动机和便宜的汽油价格，使得流线型设 计的车型得不到公众的认可。
由于战后在燃油成本和经济上的显著差异，相比美国人，欧洲人此 时更青睐于方便，经济、便宜的小型车，欧洲厂商在小型车上看到 了更多可以采用空气动力学设计的地方。1948年款的中置发动机三 座Wimille两门轿车，明确的表明了欧洲人是怎样继续推动汽车空气 动力学发展的。
连续性方程和伯努利方程
（1）连续性方程 汽车周围的空气流动基本可以假设为定常流动。由于汽车周 围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变，因此流 过流束任一截面的流量彼此相等。即：
1V1A1 2V2A2 C 1
式面中上，的平1均和流2速是；1A、1 2和截A面2 是上1的、平2均截密面度的；面V积1 ；和是V 常2 是数1。、2截
第四章 汽车空气 动力学
汽车空气动力学 概述
汽车所受的气动 力及力矩
气动力对汽车性 能的影响
汽车外形与气动 特性关系
风洞试验
汽车空气动力学造型发展历程
初期的理想空气动力学造型探索
汽车领域里，首先向空气动力学寻求了帮助的是赛车，1899 年金纳茨设计出“子弹型”汽车，最高时速超过了105km/h， 是历史上首次突破100km/h时速的汽车。
第四章 汽车空气 动力学
汽车空气动力学 概述
汽车所受的气动 力及力矩
气动力对汽车性 能的影响
汽车外形与气动 特性关系 风洞试验
汽车空气动力学 造型发展历程
空气动力学基础 知识
汽车周围的流场

汽车超车过程的空气动力特性研究

汽车超车过程的空气动力特性研究

汽车超车过程的空气动力特性研究傅立敏;贺宝琴;吴允柱;胡兴军;张英朝【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2007(025)003【摘要】采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究.采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟.通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响.研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律.通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟.【总页数】6页(P351-356)【作者】傅立敏;贺宝琴;吴允柱;胡兴军;张英朝【作者单位】吉林大学汽车空气动力学研究所,吉林,长春,130012;吉林大学汽车空气动力学研究所,吉林,长春,130012;吉林大学汽车空气动力学研究所,吉林,长春,130012;吉林大学汽车空气动力学研究所,吉林,长春,130012;吉林大学汽车空气动力学研究所,吉林,长春,130012【正文语种】中文【中图分类】U461.1【相关文献】1.奇瑞公司中央研究院混合动力部部长方运舟:新能源汽车期待"弯道超车" [J], 姜妮2.高速公路智能汽车自动超车控制算法仿真研究 [J], 吴付威;秦加合;任超伟;牛增良;张俊磊3.汽车超车安全辅助判断系统的研究 [J], 许颖;岳大军;赵洋;张广志4.汽车多攻角尾翼的空气动力特性研究 [J], 傅中正5.汽车多攻角尾翼的空气动力特性研究 [J], 傅中正因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究

侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究王夫亮;胡兴军;杨博;傅立敏
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2010(032)006
【摘要】分别采用稳态方法和基于动网格技术的动态方法对侧风作用下的汽车外流场进行了3种情况的数值模拟,将3种模拟结果进行对比,同时将部分模拟结果与试验值进行了对比.结果表明合理选用数值模拟方案可获得较满意的计算结果;地面边界层对计算结果影响较大;稳态方法和动态方法的流场分布、阻力系数和升力系数以及较弱侧风条件下的侧向力系数有较好的一致性,强侧风条件下的侧向力系数则差别较大.
【总页数】5页(P477-481)
【作者】王夫亮;胡兴军;杨博;傅立敏
【作者单位】吉林大学汽车工程学院,长春,130022;吉林大学汽车工程学院,长春,130022;吉林大学汽车工程学院,长春,130022;吉林大学汽车工程学院,长
春,130022
【正文语种】中文
【相关文献】
1.底部结构对轿车侧风气动特性的影响分析 [J], 袁志群;谷正气;杨明智;彭倩;刘显贵
2.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究 [J], 龚旭;谷正气;李振磊;姜乐华;贾新建;宋昕
3.非稳态侧风条件下车辆气动特性研究 [J], 鲍欢欢;王勇;周龙;曾翌;陈阵
4.侧风对轿车气动特性影响的数值模拟研究 [J], 王夫亮;傅立敏
5.侧风对螺旋桨气动特性影响的数值模拟 [J], 边若鹏;昝丙合;朱建勇;何淼
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汽车系统动力学第4章 空气动力学基础


第三节 伯努利方程
如前所述,物体边界层以外的流体被简化为非黏性流体,所 以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对以亚声速行 驶的车辆来说,空气密度变化通常不大(散热等内流场情况 除外),因此在汽车空气动力学研究中,通常可以忽略车身 周围气体密度的变化。现举例说明如下: (1)随温度的变化 例如,假设车身周围气流的温度平均增 加量Δt为10℃,若初始温度T0为293.15K,则其密度比为:
第二节 空气的特性
一、空气密度 1.225kg/m3。 在研究空气动力学时,通常以上述标准值作为参照基准。 实际上,空气大多处于非标准状态,空气密度的变化遵循理 想气体状态方程,即:
式中,p为大气压强,单位为Pa;T为热力学温度,单位为K;ρ 为空气密度,单位为kg/m3;下标“0”表示标准状态或任一 初始状态。
第三节 伯努利方程
(1) 势能 与流体高度变化有关,与流体密度和高度成正 比,对汽车空气动力学研究来说,通常可以忽略。 (2) 动能 等于mv2,其中m为质量(单位为kg),v为速度 (单位为m/s)。考虑流束中重量为W、速度为v、体积为 V0的一流体微团(图4-2),其动能表达式如下:
(3) 压力能 由于流束位于边界表面具有一定静压力的流 体内,且静压在各向均匀作用,因而流体内部必须有相等的 压力来保持平衡,如图4-3所示。流体微元的压力能等于它 克服外界压力保持自身体积所需的功,即外部压强p乘以
第三节 伯努利方程
自身体积V0。 综上所述,所讨论的流体微团总能量为压力能与动能之和, 即:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ三节 伯努利方程
当气流与物体相对运动时,环绕物体的气流总会被分成两 个或更多的方向流动,如图4-4所示的分流点O称为驻点, 其压力等于静压与动压之和,称为驻点压力。 对实际行驶中的车辆而言,图中所示驻点处的静压p是一特 殊情况,驻点处的流线则是车辆上部气流和下部气流的分 界线。

第四章+低速翼型的气动特性(3)


π
迎角-弯度绕流问题气动特性
点取距， 对c/4点取距，得到 点取距
Cm ,1 4 = Cm , LE
1 π + CL = ( A2 − A1 ) 4 4
这个式子里没有迎角，说明这个力矩是常数（ 这个式子里没有迎角，说明这个力矩是常数（不随迎 角变），即使升力为零仍有此力矩， ），即使升力为零仍有此力矩 角变），即使升力为零仍有此力矩，可以称为剩余力 只要对1/4弦点取矩，力矩都等于这个零升力矩。 弦点取矩， 矩。只要对 弦点取矩 力矩都等于这个零升力矩。 这说明1/4弦点就是气动中心的位置。 弦点就是气动中心的位置。 这说明 弦点就是气动中心的位置
迎角-弯度绕流问题
这是因为，按照泰勒级数展开， 这是因为，按照泰勒级数展开，有
∂v′ v′ = v′ ( x, y f ) = v′( x,0) + y f + ... w w ∂y 略去小量， 略去小量，得到
v′( x, y f ) = v′( x,0)
迎角-弯度绕流问题
在一级近似条件下，求解薄翼型的升力和力矩的问题， 在一级近似条件下，求解薄翼型的升力和力矩的问题， 可归纳为在满足下列条件下，面涡强度沿弦线的分布。 可归纳为在满足下列条件下，面涡强度沿弦线的分布。
扰动速度势、边界条件可以分解成弯度、厚度、 扰动速度势、边界条件可以分解成弯度、厚度、 迎角三部分单独存在时的扰动速度势、 迎角三部分单独存在时的扰动速度势、边界条件 之和。 之和。
w
dy f
压强系数
p − p∞ Cp = 1 ρV∞2 2
1 1 2 p + ρV = p∞ + ρV∞2 2 2
薄翼型理论
弯度问题（中弧线弯板零迎角绕流） 薄翼型绕流 = 弯度问题（中弧线弯板零迎角绕流） + 厚度问题（厚度分布 c对称翼型零迎角绕流） 厚度问题（厚度分布y 对称翼型零迎角绕流） + 迎角问题（迎角不为零的平板绕流） 迎角问题（迎角不为零的平板绕流）

第四章+低速翼型的气动特性(2)


环量形成过程
（2）当翼型在刚开始启动时，因粘性边界层尚未在 翼面上形成，绕翼型的速度环量为零，后驻点不在后 缘处，而在上翼面某点，气流将绕过后缘流向上翼面。
环量形成过程
（3）随时间的发展，翼面上边界层形成，下翼面气流 绕过后缘时将形成很大的速度，压力很低，从后缘点到 后驻点存在大的逆压梯度，造成边界层分离，从而产生 一个逆时针的环量，称为启动涡。
绕翼型的数值计算法---面元法
面元法
面源法
面涡法
第4章 低速翼型的气动特性(2)
翼型的压强分布
压强系数:将所测量出的翼面各点压强与远前方来流 的压强之差(称为剩余压强)，与远前方来的相对气流 动压之比。
翼型的压强分布
两种表示法:向量表示法或坐标表示法 向量表示法: 剩余压强为负值，称为吸力，箭头方 向朝外；剩余压强为正值，称为正压 力，箭头方向指向翼表面。将各向量 外端用光滑曲线连接起来。
迎角大过临界角之后，短泡突然破裂， 变成长泡，气流不能再附，上翼面突 然完全分离，升力达最大值后陡然下 降。
前缘短泡分离： (b)
力矩
飞机受力示意图 气动中心也称焦点 零升力矩：相对焦点的力矩。不受攻角影响， 即使升力为0，该力矩大小不变
力矩
飞机受力示意图
对于低速翼型，焦点一般在1/4弦长附近
力矩
库塔条件
（2）若翼型后缘角为0，后缘点的速度为有限值。 即V1=V2=V，V为有限值。
库塔条件
（3）无论翼型后缘角是否为0，后缘点处都满足: V1=V2 P1=P2
库塔条件
理想流体，后驻点A在上翼面，尾缘处速度无穷大， 速度梯度为无穷大
库塔条件
理想流体
实际流体
实际流体，因粘性作用，速度梯度不为无穷大。在 攻角不是特别大时，上下两股流体在后缘相会。
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目前的研究中，有学者指出，可以在汽车尾部涡流区域安装气体 喷射装置，通过喷出的气流来破坏汽车的尾涡，从而起到降低风阻的 目的，但实用性还有待研究。
从减小气动升力的角度，楔形造型比甲壳虫型、船型和鱼型都好。楔形造 型上曲面平缓的压强变化使得它能产生较小的气动升力，甚至能产生负升力。 各种使车身表面和横剖面圆滑过渡以增加两侧气流量的措施，都有利于降低气 动升力。
安装在下车体的车轮，总是 有一部分暴露在空气之中，气流 遇到车轮后就会向两侧流去，在 车轮两侧通常伴有气流分离，在 此处必然会产生气动阻力。车轮 气会在车轮 与轮罩之间的缝隙处通过，空气 在通道入口处加速，通过通道后， 在出口喷出，这就导致了车轮周 围气流的复杂性，如图4—25所 示。
汽车行驶时，由于空气的黏性 作用，在汽车下底面将产生边界层， 随着气流向车身后部移动，边界层 的厚度也不断增加。如果离地间隙 过小，边界层有可能延伸至地面， 使汽车下底面与地面之间的空气有 可能被带动随着汽车一起向前运动， 空气与地面之间产生相对速度，进 而在地面形成了次生边界层。两个 边界层交错在一起，会缩小底部气 流的通道，使底部气流流动受到阻 碍，增大了升力及诱导阻力。当离 地间隙过大时，底部的气流速度也 会降低，同样导致升力和诱导阻力 的增加。对于光滑底板的汽车而言， 存在一个最佳的离地间隙高度。实 际车型不同，底部的复杂结构不同， 因而离地间隙对气动阻力的影响也 不相同。图4-21是几种不同轿车离 地间隙对气动阻力系数的影响。
第４ 章 轿车气动特性研究
４. １ ４. ２ ４. ３ ４. ４ 轿车外形与气动阻力的关系 减小气动升力的主要措施 汽车总体参数对气动力的影响 轿车气动设计的整体趋势
车头边角主要指车头上缘边角和横向两侧边角。对于非流线型的车头， 存在一定程度的尖锐边角，气流流过尖角以后就会分离，产生涡流区。车头 横向边角的倒圆有利于减小车头的气动阻力。气流流过车头横向的尖锐边角 以后，形成涡流，产生很大的湍流动能，适度倒圆可以减小气流的分离，减 小分离区，降低湍流动能，进而导致气动阻力的降低。
大多数轿车的顶部都趋近于平面，也有呈上鼓形状的。适当的上鼓可以使驾驶室 内有较为宽敞的空间，改善乘坐的舒适性，并使气流顺畅地流过车顶，减小气流在顶 盖前缘和后缘分离的可能性，从而改善气动特性，减小气动阻力。但顶盖的上鼓会增 加汽车的正投影面积，又会使气动阻力增大，所以，对气动阻力系数而言，存在一个 最佳的顶盖上挠系数，如图4-11所示。
尾部造型不同，尾部的气流状态也不 同，图4-35给出了3种车尾造型对后部气 动升力的影响，可以看出，图4-35a)方案 最好。
为了降低汽车的气动阻力，设法获得尽可能低的气动阻力系数固然重要， 但是依据气动阻力与汽车的正投影面积成正比的关系，着眼于减小汽车的正 投影面积，同样可以可降低气动阻力。 减小整车正投影面积的主要措施是降低车身高度，如日本的Subaru XT 汽车总高仅为1255mm，为了保证室内空间，该车的乘员均采取半躺的姿势 。图4-57为车身低矮的Pontiac车型。另外，车身上凸出件尽量缩回，如保险 杠端头、转向灯、后视镜、门把手等，发动机油底壳与底盘零部件应尽量隐 藏在前阻风板高度之内，通过种种措施，来减小汽车的正投影面积，进而降 低气动阻力。
通常情况下，车身底部凸凹不平，这会阻碍底部气流的流动，增大 气动阻力。通过在车身底部增加一个盖板，实现平滑化处理，能够降低 整车的气动阻力，但对散热有一定影响，需要综合考虑。图4-22为某款 车底部加装盖板以后的情况，蓝色部分为底部增加的薄板。
车身底部的纵倾角对气动阻力系数有 很大的影响。底部的纵倾角越大，汽车下 底面的迎风面积就越大，因而气动阻力系 数也增加，因此，底板要尽量具有负的纵 倾角。图4-23为纵倾角对气动阻力系数 的影响。
以空气动力学为主导进行造型设计，并不意味着墨守陈规千篇一律地采用空气 动力学的原则进行造型设计，更不意味着汽车造型大同小异，空气动力学给造型设 计师以足够的施展才华的空间，使设计师们能够创造出更多的具有个性化的汽车造 型。 随着社会的发展，人们对汽车样式的要求越来越高，更要求汽车具有不同的样 式，具有个性化和多样化。只有不断推出新车型，满足人们不断提高的造型需求， 才能使汽车更具有生命力。目前，汽车市场细化，每个汽车公司都有自己设计的针 对不同的受众群体的车型。微型轿车小巧精致，满足了人们实用性和方便性的需求 ；年轻人的家庭轿车造型时尚、色彩明快，中年人的家庭轿车大气稳重；商务用车 豪华舒适，SUV视野开阔，越野性好……随着人们生活的改善，需求的增多，各种 各样个性化的新车将不断出现，现实生活也将激发汽车设计师更多的灵感，创造出 造型风格千变万化的新颖造型。
第一种[图4-5a)]使气流两侧的转折过于激烈，在侧缘处产生较大的气流 分离区，气动性能恶化，第二种[图4-5b)]形状可以使气流比较平顺地转折， 避免了气流分离，可以使气动性能得到很大的改善，第三种[图4-5c)]形状从 空气动力学的角度来看，是最佳形状，大幅度的减小了气流向侧面转折时的 阻碍作用，气动性能最好，但这种形状在美学和机械性能上不符合设计要求， 在实际中很少应用，最常见的是第二种形式。
由于汽车底部的气流较两侧的气流受到了更多的限制，所以底部气流的速 度低于两侧气流的速度，根据伯努利方程，底部的压强大于侧面的压强，在这 个压强差的作用下，底部气流会沿底板向两侧运动。车身下部如果具有横向曲 率，有助于底部气流流向两侧，减小车身底部气流的总阻塞度，使底部区域压 力降低，从而减小阻力和升力。
车身侧面应尽可能保持平滑，使气 流能够平顺地流过车身的侧面，侧窗 框高出侧窗玻璃的程度越小，阻力就 越低。这是因为没有凸起物的阻碍， 气流能更顺畅地流动。
前柱（A柱）指前风窗与侧窗的交接部位， 正好是前方来流向侧面流动的拐角部位。
轿车的前柱不会简单的设计成直角型，而是 设计成有圆滑过渡的外形。图4-14为5种前柱造 型对气动阻力系数的影响，1方案为原型，导致了 较大的气流分离，5方案减阻效果最佳。
在轿车车顶尾部增加一些附件，使汽车行驶时的尾流分离后移， 从而减小气动阻力，这种附加装置被称作尾部涡产生器。由于涡产生 器产生的分离点后移对车身气动阻力的减小起着双重作用，其一是减 小了分离区，其二是增加了气流分离区的静压，涡产生器的减阻作用 就来自于这两个作用的结合，而且涡产生器的形状、安装位置等也对 气动阻力有很大的影响。但在车身表面安装附件，会在一定程度上增 加车身的气动阻力，涡产生器的减阻效果要取决于它产生的小涡带来 的减阻效果和本身作为附件增加的气动阻力的相互作用，不合理的涡 产生器会使气动阻力增加。
从现有的汽车外形出发，通过其各个部分的细部优化，逐步改进，使其接近理 想的流线型外形。在细部优化阶段，空气动力学工作者和造型设计师，可以充分利 用风洞这一工具，对汽车局部细节进行优化设计，以达到降低气动阻力系数的目的。 研究表明，汽车的各个部位的外形改进都有可能降低汽车的气动阻力系数，将汽车 的主要部位外形加以改进，细部优化使其气动阻力降低的综合效果是非常客观的。 作者的导师曾用红旗CA774轿车在风洞中进行外形优化的试验，经过12次改型以后， 气动阻力从原来的0.42降低到0.25，降低了40%，效果非常明显，这表明，汽车外 形的细部优化是减小汽车气动阻力、改进其气动特性的有效手段。