流體力學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張樹玲+郭曉云+王昱潭+田宇+高垚垚+張波

摘要：隨著汽車技術(shù)不斷的革新與進(jìn)步，人們對(duì)汽車的安全性、環(huán)保性提出了更高、更嚴(yán)的要求，同時(shí)汽車設(shè)計(jì)要符合人機(jī)工程學(xué)的要求，滿足人性化的需求。因此，在汽車設(shè)計(jì)中必須全面考慮所受到的空氣阻力、表面壓力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)力等力學(xué)問題，分析這類力學(xué)問題的影響，多采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高。隨著流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)逐漸在汽車設(shè)計(jì)中起到了重要的作用，本文旨在分析流體力學(xué)在汽車分析中的應(yīng)用，確定流體力學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中的重要地位和作用。

關(guān)鍵詞：汽車；空氣動(dòng)力；計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）20-0180-03

流體力學(xué)是人們?cè)诶昧黧w的過(guò)程中逐漸形成的一門學(xué)科，它起源于阿基米德對(duì)浮力的研究，由于數(shù)理學(xué)科和流體工程學(xué)科相互推動(dòng)而得到發(fā)展[1]。現(xiàn)如今已經(jīng)成為航空航天、車輛、機(jī)械、環(huán)境生物等工程學(xué)科的基礎(chǔ)之一。通過(guò)對(duì)流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，結(jié)合汽車工況，發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用。

汽車自19世紀(jì)末誕生至今，汽車工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。當(dāng)今21世紀(jì)科技突飛猛進(jìn)，汽車工業(yè)已成為與人類生活息息相關(guān)的時(shí)代驕子。近年來(lái)，國(guó)家加大交通設(shè)施的投資建設(shè)，高速公路、高架橋等交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)，不僅縮短了城市之間的距離，更極大地改善了人們的日常生活。為減少汽車的能耗、汽車的操縱穩(wěn)定性以及改善汽車的動(dòng)力性，對(duì)汽車設(shè)計(jì)中的安全性、環(huán)保性提出了更高的要求[2]。為此，本文以流體力學(xué)基本理論，對(duì)汽車行駛時(shí)的空氣阻力、汽車表面受到的壓力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)力等不可忽視的關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析，探討流體力學(xué)在汽車研究方面的應(yīng)用。

一、基于流體力學(xué)的汽車空氣阻力分析

汽車直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇χ饕譃槟Σ磷枇蛪毫ψ枇Γ谥袎毫ψ枇s占空氣阻力的91%，成為汽車阻力的主要作用?？諝庾鳛榱黧w，具有粘性，根據(jù)牛頓定律，粘性流體在流動(dòng)過(guò)程中層與層之間存在相互作用，空氣在車身表面產(chǎn)生的切向力即為摩擦阻力，這是合力在行駛方向的分力；而作用在汽車車身表面上的法向壓力的合力稱之為壓力阻力，可分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。其中，形狀阻力是壓力阻力的主要部分，并與車身形狀有直接關(guān)系，是影響空氣阻力的主要因素；干擾阻力是車身表面凸起物引起的氣流干擾而產(chǎn)生的阻力，只占?jí)毫ψ枇Φ?4%；內(nèi)循環(huán)阻力（12%）是空氣流經(jīng)車體內(nèi)部時(shí)構(gòu)成的阻力；誘導(dǎo)阻力（7%）也叫壓差力，是由于流經(jīng)車頂?shù)臍饬魉俣却笥诹鹘?jīng)車底的氣流速度，使得車底的空氣壓力大于車頂，從而空氣作用在車身上的垂直方向的壓力形成壓力差[3，4]，如圖1所示。

空氣阻力是影響燃油消耗的重要因素。最大限度地減小整車空氣阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同時(shí)也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。因此，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數(shù)的減小[4]。目前，汽車空氣阻力的計(jì)算或仿真多以流體仿真為基礎(chǔ)，從動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)，利用相應(yīng)的物理模型，建立相關(guān)流體運(yùn)動(dòng)模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來(lái)，PowerFLOW分析軟件是汽車行業(yè)中空氣動(dòng)力學(xué)的重要工具。利用此軟件可以分析整車的總體空氣阻力數(shù)據(jù)外，也可以充分利用流場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究環(huán)繞整個(gè)車身的空氣流體動(dòng)力學(xué)行為，研究阻力的細(xì)化、量化等，以此來(lái)指導(dǎo)汽車設(shè)計(jì)并優(yōu)化[5]。

二、基于流體力學(xué)的汽車表面壓力分析

汽車行駛時(shí)，前方氣流首先與車身前部作用，使氣流受阻，降低速度，在氣流壓力作用下，車頭前部形成一個(gè)正壓區(qū)，汽車周圍的壓強(qiáng)分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股，一部分通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、駕駛室頂向后流去；另一部分，通過(guò)車身下部，向車尾流去，如圖2 b）中所示。流向上方的這股氣流在流經(jīng)車頭上緣時(shí)，由于緣角半徑相對(duì)較小，氣流來(lái)不及轉(zhuǎn)折，導(dǎo)致局部分離，所以在上緣角附近存在很大的吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上。

傳統(tǒng)的汽車外形設(shè)計(jì)、壓力分析等以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究為主，實(shí)驗(yàn)成本極高[4，6]，對(duì)汽車外形的氣動(dòng)特性研究十分困難。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，以計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展為基礎(chǔ)，是流體力學(xué)理論分析、計(jì)算科學(xué)及數(shù)值計(jì)算方法共同發(fā)展的產(chǎn)物。伴隨著CFD方法的不斷發(fā)展、進(jìn)步，利用CFD軟件分析汽車氣動(dòng)性能成為可能。采用這一軟件對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，能夠較為精確地分析汽車三維外流場(chǎng)，準(zhǔn)確的研究汽車表面壓力，可以幫助工程技術(shù)人員直觀、深入地分析汽車氣動(dòng)特性；更重要的是相對(duì)于實(shí)驗(yàn)分析，CFD軟件研究可以縮短汽車設(shè)計(jì)研發(fā)周期、降低成本。

三、基于流體力學(xué)在氣動(dòng)升力分析中的應(yīng)用

汽車氣動(dòng)升力的來(lái)源與機(jī)翼類似，由于汽車是在地面上行駛，地面效應(yīng)是影響汽車氣動(dòng)升力的重要因素。汽車氣動(dòng)升力包括壓差升力和粘性升力，其中壓差升力占主要部分。壓差升力一方面是由于汽車上下表面曲率不同，形成上下表面壓差產(chǎn)生；另一方面是由于地面效應(yīng)，汽車底部和地面之間形成了一個(gè)類似于漸縮噴管的氣流通道，使得汽車底部形成負(fù)升力。

研究表明，當(dāng)汽車速度超過(guò)70km/h，車身所受的氣動(dòng)力成為影響汽車性能的主要因素之一[7]。汽車在行駛中，氣動(dòng)升力隨車速的提高，對(duì)汽車的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。氣動(dòng)升力的存在降低了汽車輪胎對(duì)地面的壓力，影響了汽車的動(dòng)力性和制動(dòng)性能；同時(shí)，氣動(dòng)升力的存在降低了輪胎的側(cè)向附著力和側(cè)偏剛度，從而影響了汽車的操縱穩(wěn)定性[8]。

當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)汽車各性能的影響占主要地位。隨著汽車速度的增加，汽車的滾動(dòng)阻力受氣動(dòng)升力的影響逐漸減??；而汽車的氣動(dòng)阻力則隨著車速的增加迅速提高。研究表明，當(dāng)汽車車速為70km/h左右時(shí)，汽車所受的氣動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力幾乎相同。當(dāng)汽車車速大于150km/h后，所受的氣動(dòng)阻力是滾動(dòng)阻力的2—3倍。顯然，汽車高速行駛時(shí)，氣動(dòng)升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全，對(duì)高速行駛時(shí)的氣動(dòng)升力提出了更高的要求[9]。

空氣作為汽車受力分析中的主要流體，在流過(guò)汽車車身的整個(gè)過(guò)程都受流體質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等流體力學(xué)的支配。計(jì)算流體力學(xué)就是通過(guò)這些基本的控制方程來(lái)分析汽車周圍流場(chǎng)中空氣的運(yùn)動(dòng)。在理論方面，對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力的研究是根據(jù)伯努利提出的“路徑理論”為基礎(chǔ)進(jìn)行分析[10]，這一理論基礎(chǔ)便是流體動(dòng)力學(xué)，理論中要充分考慮雷諾數(shù)、流態(tài)等基本流體動(dòng)力學(xué)要素；在數(shù)值計(jì)算上，也主要是基于氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的流體模型進(jìn)行分析。當(dāng)今社會(huì)，車輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車速度越來(lái)越快，所以解決高速行駛時(shí)發(fā)飄的問題是非常有必要而且是保障駕駛安全的重要舉措。

四、流體力學(xué)在氣動(dòng)側(cè)力分析中的作用

危險(xiǎn)不一定來(lái)自背后，危險(xiǎn)也會(huì)來(lái)自側(cè)面。在高速下發(fā)生的交通事故，除了氣動(dòng)升力的作用外，還有相當(dāng)一部分是由于氣動(dòng)側(cè)力的作用。當(dāng)氣流與汽車的縱對(duì)稱面平行時(shí)，是不存在氣動(dòng)側(cè)向力的。但在汽車實(shí)際行駛中，氣流不會(huì)總是與汽車的縱對(duì)稱面平行，當(dāng)氣流與汽車存在橫偏角時(shí)，汽車都會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)側(cè)向力。也就是說(shuō)側(cè)向力的來(lái)源就是由于受到了側(cè)向氣流的作用。在實(shí)際環(huán)境中側(cè)向來(lái)流的來(lái)源比較復(fù)雜，如自然界陣風(fēng)、汽車駛過(guò)大橋、車輛超車等情況。

氣動(dòng)側(cè)力對(duì)汽車性能影響的研究是一個(gè)較廣泛的領(lǐng)域，而且對(duì)汽車主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車受側(cè)向風(fēng)時(shí)，在車身側(cè)板處就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流。這一氣流的存在不但破壞了駕駛室與車身之間正常的小渦流狀態(tài)，而且還會(huì)形成旋渦稠密氣流區(qū)，增大車身正前方的阻力，使汽車相對(duì)原直線行駛方向發(fā)生偏移，造成潛在危險(xiǎn)[12]，因此，氣動(dòng)側(cè)力也是汽車設(shè)計(jì)中必須分析的一個(gè)重要因素之一。

自然界中的側(cè)向風(fēng)變化非常復(fù)雜，側(cè)風(fēng)的方向、波長(zhǎng)的變化等都對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響，所以氣動(dòng)側(cè)力的分析相對(duì)更加復(fù)雜。采用復(fù)雜的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法可以對(duì)側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，但利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)汽車遇到側(cè)風(fēng)的復(fù)雜工況是非常困難的。而采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法研究瞬態(tài)側(cè)風(fēng)是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態(tài)變化信息，可對(duì)實(shí)際行駛過(guò)程中的汽車氣動(dòng)性能進(jìn)行更深入的研究[13]。

五、結(jié)語(yǔ)

流體力學(xué)相關(guān)理論及對(duì)應(yīng)的軟件在汽車研究設(shè)計(jì)中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，不但可以節(jié)約成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，相關(guān)軟件的使用也使設(shè)計(jì)更科學(xué)、安全、環(huán)保和人性化?，F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，車輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車速度越來(lái)越快，空氣阻力是影響車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等汽車性能的重要影響因素，汽車的安全性能是當(dāng)今人們高質(zhì)量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學(xué)在汽車空氣阻力、壓力、氣動(dòng)力等方面的應(yīng)用來(lái)提高車輛各方面的性能。流體力學(xué)與汽車設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)的交叉，將對(duì)汽車實(shí)車造型與分析評(píng)價(jià)產(chǎn)生重大影響，逐漸成為汽車產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)的主要理論知識(shí)。

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