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汽车空气动力学

作者:滚球体育 发布时间:2020-07-24 04:00 点击数:

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  汽车空气动力学(Automobile aerodynamics)空气动力学的一个分支,研究汽车与周围空气在相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科,它属于流体力学的一个重要部分,主要研究汽车、火车等车辆的空气动力性能、行驶稳定性、操纵性和气动噪声等问题。

  随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高,汽车空气动力学亦愈来愈受到重视,其研究工作日益深入,汽车空气动力学已发展成为流体力学一个重要分支学科,逐渐受到各国主要车辆生产厂家和有关研究机关的重视,研究的结果对车型设计产生很大影响,对改进车辆的空气动力性能(如降低空气阻力系数)有显著效果。

  汽车空气动力学与航空、船舶、铁路车辆,在研究流场、空气动力学方面有许多相似之处,但是汽车行驶在地面上是种钝头体,汽车行驶状态异常复杂,因而汽车空气动力学亦区别于上述分支学科,具有自身的特点。

  中国对轿车、大客车和高速列车等开展空气动力学实验,为改进或选择车型提供科学依据。

  汽车行进时所受阻力大致可分为机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提高,空气阻力所占比例迅速提高。以美国60年代生产的典型轿车为例,车速为每小时60公里时,空气阻力为行驶总阻力的33%~40%;车速为每小时100公里时,空气阻力为行驶总阻力的50%~60%;车速为每小时150公里时,空气阻力为行驶总阻力的70%~75%。各类汽车的空气阻力系数Cd的范围见表2。

  ③干扰阻力,即由于安装在车体外的零部件,如后视镜、车门把手、车灯、车头装饰件等对气流干扰引起的阻力;

  现代轿车的空气阻力中,车型阻力和涡阻约占62%,表面摩擦阻力约占9%,干扰阻力约占17%,内部阻力约占12%。缩小车辆的迎风投影面积,改进车身外形,减少安装在车外的零部件,将车身下面的部件合理布置或用托板封闭,均可使空气阻力系数显著下降。空气阻力每减小10%,车辆燃料消耗大约可降低5%。

  ①汽车运行中所受的空气动力和力矩,包括阻力、举力、俯仰力矩、侧倾力矩和摆动力矩,其中举力和俯仰力矩的研究涉及车辆操纵稳定性;

  ②汽车运行中各部位的流场,包括雨水流的路径,污垢附着的过程和原理,风噪声和面板颤振,风挡玻璃上的作用力等;

  火车的空气动力学研究同汽车的空气动力学研究有许多类似的地方。但由于火车在固定轨道上运行,车身细长,因此也有自己的特点,主要有:

  ①火车横向稳定性:在大风地区,当火车受到超过某个临界值的横风作用时,会发生翻车事故。一般说来,运货棚车的临界翻车风速值小。而在运货棚车中空棚车最易翻车,载货重量越大越不易翻车。中国某地区典型地段上空棚车的临界翻车风速为32米/秒,相当于风力11级(风级)。

  ②火车通过隧道时的气动问题:由于隧道容积有限,火车进入隧道时,气流受到约束,使火车所受阻力比在开阔地行驶时增加1.6~3.4倍。这方面问题包括车体强度、通风、散热和两火车会车时气流的相互影响以及隧道截面设计等。

  ③电气列车受电弓的气动问题:列车高速行驶时受电弓所受空气阻力、负举力和动载荷引起的振动会影响受电弓与输电网之间的接触压力,而使受电性能变化,影响列车正常行驶。这方面的研究包括选择性能良好的受电弓弹簧,确定受电系统的固有频率和设计合理的悬挂结构等。

  ④火车行驶时边界层问题:火车行驶时边界层的作用范围和强度取决于火车的速度,这方面的研究包括轨道外安全距离的确定和双线铁路线路间距的确定等。

  车辆所受的空气阻力以及相应的空气动力系数可通过风洞实验和外场实验进行测定。缩小尺寸的车辆模型风洞实验一般用于车型空气阻力的测量。因为小尺寸模型很难反映实车的结构细节,不能准确测定表面阻力、干扰阻力和内部气流阻力等分量,测出的空气阻力系数往往低于全尺寸风洞实(汽)车实验的数据。在没有全尺寸风洞的情况下,可以利用汽车在道路上滑行实验测定的总阻力和转鼓试验中测定的机械阻力,来计算空气阻力。火车的外场实验包括缩尺模型实验和实车实验两种,均能得到有用的结果。但工作量大,数据重复性差,往往不够经济和安全。

  方昌烈、陈可兴、王悦然:国外改善列车气动性能的研究概况,《空气动力学》,第二期,1982。

  傅立敏等著:《小公共汽车模型风洞实验报告》,长春汽车研究所,长春,1978。

  进行汽车空气动力学试验的主要设施就是汽车风洞,汽车工程需要通过风洞试验解决的主要问题可以归纳成如下几个方面:空气动力稳定性、升力、空气阻力、通风、气流噪声、污染发动机和传动装置的散势、风窗雨刮器的功能、汽车的气候环境适应性等。

  用汽车比例模型在风洞中进行试验,模型的常用比例一般为3/8、1/4、1/5、1/10及全尺寸1﹕1模型。模型一般不动,空气流过模型,应满足必要的相似条件,与实车在静止空气中运行具有相同的物理规律。这种试验方法的优点是测量方便,气流参数如速度、压强等易于控制,试验不受气候变化的影响。其缺点是试验的流场一般不能与实车运行的流场完全相似,特别是洞壁和模型支架会对模型产生干扰,故试验数据一般都要进行修正。

  适用气动力天平测出作用在模型上的空气动力,即测出在直角坐标系中沿三个坐标轴的力和绕三个坐标轴的力矩,可测六分量亦可测其中一个或几个分量。气动力天平结构很多,有机械式天平和电阻应变片式两类。

  ⑴车身表面的静压测量,通常在模型表面上沿法向开小孔,测量局部静压,为提高测量准确度,应注意侧压孔直径d在0.52mm,h/d大于2,测压孔的轴线应与壁面垂直,孔内壁应光滑,孔口应无刺或导角,孔口表面无凹坑或凸起,顺流动方向物面上该点处的压强梯度不应很大。


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