Aerodynamics of road vehicle-汽车空气动力学-中文版.pdfVIP

1. 引言 行驶的汽车处在复杂的空气流动中。流动可分为三种类型： 外流 内流 发动机、变速箱等内部的流动 外流场和内流场密切相关。例如，流入发动机舱的空气流量与汽车外流场直接关联。研究者 必须综合考虑这两个流场，即考虑这两个流场的耦合作用；这两者都是汽车空气动力学研究 的对象。但发动机和变速器内部的流动与以上两个流场基本没有关联，我们在这里不讨论这 类流动。 在公众的理解中，空气阻力是汽车空气动力学关注的焦点。空气阻力和风阻系数几乎成为汽 车空气动力学的同义词。事实上，我们不能否定空气阻力在空气动力学中的代表性地位，这 类似于压缩比在内燃机学中的地位。汽车的行驶性能，即燃油经济性、最高车速和加速性都 与空气阻力有关，同时风阻系数也是一个影响消费者购买决定的重要的产品特征。 但是汽车空气动力学的内容并不仅仅只是这些，见图 1.1。 图1.1 外流对汽车的行驶稳定性也有决定性的影响：直线行驶稳定性、转向特性和侧风稳定性都受 到外流的影响。此外，外流场的设计应该保证车窗和车灯不会受到污物和雨水的影响、不会 产生令人厌烦的风噪、雨刷不会浮起、机油和刹车得到充分可靠的冷却。 车身的内流应能保证在所有运行工况下将发动机产生的热量带走；在车厢内保持舒适的热环 境。外流场和内流场都附加有温度场。 空气动力学不仅仅对汽车的外形，也对于很多设计细节有很大影响。跨学科性造就了汽车空 气动力学的特殊魅力。只有理解另外两个学科，即造型和设计，才能真正成为一名合格的空 气动力学工程师。 从图1.2 我们可以看到空气动力学研究是如何被整合在新车型开发中的。空气动力学开发流 程与汽车造型紧密相关：空气动力学考量与造型设计是并行的，包括硬件和软件两个方面。 当若干设计概念还在竞争中的时候，汽车模型，例如 1：2.5 的模型，已经开始进行模型风 洞试验。当车型确定以后，就进行1：1 的风洞试验。在车型开发的前40%空气动力学工程 师和造型师共同工作，从功能和美学角度进行设计。从时间节点“造型冻结（Design Freeze ）” 开始，就在风洞中空气动力学细节优化和测量，以进一步减小风阻。 图1.2 计算流体力学软件是空气动力学工程师的一个流场可视化工具。图1.3 是一个轮罩内的流场 的计算结果。 图1.3 图1.4 介绍了汽车空气动力学的历史。早期汽车空气动力学的发展主要由个人的工作推动。 之后汽车空气动力学的发展主要与车型的开发相结合，在汽车公司内进行。现在空气动力学 现象主要以类型描述和车型名称命名，而不是用汽车空气动力学的探索着的名字。 图1.4 摩托车空气动力学研究开始较晚。尽管对纪录车辆来说外壳的优点非常明显，但外壳对操纵 性的负面影响也同样不可忽视。其中包括对车辆侧风稳定性的影响。H. Schlichting 和 N. Scholz 在 1950 年对NSU 公司的纪录摩托的1：5 模型进行研究的时候，讨论了外壳和侧风 稳定性之间的关系。通过安装鱼形的全包式外壳，车辆的行驶性能得到了显著的提高，如图 1.5 所示。 图1.5 但是此时车辆还需要一个鳍来保证车辆有足够的侧风稳定性。部分覆盖的外壳随着赛车的发 展也在普通摩托车上得到了应用。 当我们说“从技术角度”的时候，往往指的是该技术发展的顶峰。但实际情况通常远远落后 于此。对汽车空气动力学来说情况也是这样。如图1.6 所示，尽管一些乘用车的风阻系数已 经达到 0.3 以下，但乘用车的市场平均风阻系数依然维持在0.322 。总的来说，改进的空间 还很大。 图1.6 图1.7 展示了不同车型风阻系数的分布情况。其分布范围覆盖从纪录车辆的0.1 到卡车的0.9 。 图1.7 如图 1.8 所示为Audi 新车型的风阻系数目标值。从这张图我们可以看到，对新车型的风阻 系数的要求从0.4 提高到了0.27 。