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汽车造型设计基础 ---空气动力学 综合作业（试卷）

序号1 2 3 4 5 6 项目内容 是否紧扣题目 论文的结构安排是否合理 论证是否严谨可靠 文法、修辞水平等 论文是否有新意 论文的的格式与打印效果 分值 得分 30 15 25 10 15 5 总计 100 评阅人 轿车的空气动力学

姓 名： 孟 浩 班级学号： T1013-12 课任教师： 李楚琳 时 间： 2013年 07月 04日

摘要：汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。所以，深入了解空气动力学对汽车造型设计汽车有很大的帮助。

关键词：汽车；空气动力学；汽车造型设计

一.汽车空气动力学概述

空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。

空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长。随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要性不断增加，应用范围不断扩大。下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。

二.汽车空气动力学的发展

国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。此学科在近3O年中得到了较大发展。7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。

国内在这方面的研究起步较晚，尽管也开过专题性的学术会议，但总体上说还处于起步阶段。从有关学术刊物上看到，有关汽车空气动力学方面的论文很少，也还没有见到国内学者编著有关汽车动力学方面的学术著作或教科书。也就是说，国内还没有有效地进行汽车空气动力学的研究。但是，鉴于这项课题研究的经济效益和社会效益，以及我国经济发展的中长期战略，都迫切地需要将这个课题的研究提到议事日程上来。就国内目前的情况看，无论从人力还是设备上都完全具备研究的条件与实力，关键是要引起国内学者对此项研究的重视以及有关部门的组织与必要的投资，从而有远见地对汽车空气动力学进行先期研究，以适应今后十年乃至更长期国民经济发展的需要，为国家创造较大的经济效益。

三.汽车空气动力学的研究方法

1.基础理论

研究空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。

2.风洞试验

风洞是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，再利用整流板及管孔渐小的设计，把吸进的空气加以整流和加速，使之达到所需的风速，然后再送

入风洞的试验段中。在设计和改进汽车时，作出相应的模型或实物，并放入风洞进行空气动力学测试。国内外大型汽车制造公司不惜耗费巨资建造汽车试验风洞，美国通用汽车公司研制出4 500 kW、叶片直径13．1 m的世界上最大的风洞

装置。风洞或实车道路空气动力学特性试验包括：①通过表面丝带法和网格丝带法测试车身表面流态；②通过烟度发生器实施烟流法测试汽车车身周围流态；③通过荧光添加剂喷雾法和水流模拟法进行流动模拟试验，以及用高速摄影法对雨水和灰尘流动特性进行印证；④通过肥皂泡法、丝带法和烟流法，对发动机室和驾驶室内的气流流态进行试验印证；⑤通过滑石粉法和泥土重量分析法印证泥垢附着状态等。 3.数值仿真

汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞试验；另一种是利用CFD程序进行数值模拟。传统的风洞试验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如风洞试验成本高、周期长、需要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中的应用。另外，在风洞试验时，我们只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整个流场中任意点的详细信息。为了观测整车的流场结构，只能依靠一些定性手段，如烟流法、油膜法和丝带法。要精确研究某些复杂流动现象，如层流向湍流的转变、拖拽涡形成与发展、尾部涡系结构等．测出这些流动的流场参数，测量截面选取很大程度上依靠经验，这样使得精确研究这些复杂流动及其机理变得非常困难。

与风洞试验相反，CFD精度比不上风洞试验，但却几乎克服了它的所有局限性。CFD是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的英文名称的简写。在过去的十几年中，随着计算机技术的发展，CFD被越来越多的应用到了汽车设计中。目前，CFD可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘

到有粘的几乎所有的流动现象。CFD最主要的问题在于精度不如风洞试验，但目前许多大型商业化通用软件已经很好地解决了这一问题。而某些专用CFD软件在解决某些汽车流场计算时可达到更高精度。

在内燃机的设计和开发中，CFD已被作为一种重要而有效的工具加以利用。内燃机的燃烧过程很大程度上受燃料与空气混合程度的影响，这种混合是一种复杂的瞬态流动。目前绝大多数CFD商用软件均可以解决此问题，它们均提供有求解多元混合流动的模块，且计算精度均较高。另外，在汽车室内气候调节、暖气、通风空调系统的设计中也大量使用CFD软件来帮助分析。在发动机冷却、排气系统的设计中，CFD分析结果也被大量地使用。在汽车制冷风扇的叶片设计以及液力变矩器、油泵和盘式制动器的冷却系统的设计中也大量地使用了CFD分析结果。

四、改善汽车空气动力学性能的措施

汽车具有良好的空气动力学性能，有利于提高汽车的动力性和燃油经济性、改善汽车的操纵性和行驶稳定性进而提高汽车的安全性、改善汽车的乘坐舒适性。随着汽车设计、制造技术的进步和对汽车性能的要求越来越高，汽车空气动力学性能已成为汽车车身设计中必须考虑的重要因素。 1. 车头造型的设计

车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多，如车头边角、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、进气口大小和格栅形状等。车头边角主要是指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，整体弧面车头产生的气动阻力比车头

边角倒圆产生的气动阻力小；车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。但气动阻力系数不是越低越好，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