流體力學在汽車設計中的應用

張樹玲+郭曉云+王昱潭+田宇+高垚垚+張波

摘要：隨著汽車技術不斷的革新與進步，人們對汽車的安全性、環保性提出了更高、更嚴的要求，同時汽車設計要符合人機工程學的要求，滿足人性化的需求。因此，在汽車設計中必須全面考慮所受到的空氣阻力、表面壓力、氣動升力、氣動側力等力學問題，分析這類力學問題的影響，多采用風洞實驗，而風洞試驗時間長、成本高。隨著流體力學和計算機技術的發展，計算流體力學逐漸在汽車設計中起到了重要的作用，本文旨在分析流體力學在汽車分析中的應用，確定流體力學在汽車設計中的重要地位和作用。

關鍵詞：汽車；空氣動力；計算流體力學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0180-03

流體力學是人們在利用流體的過程中逐漸形成的一門學科，它起源于阿基米德對浮力的研究，由于數理學科和流體工程學科相互推動而得到發展[1]。現如今已經成為航空航天、車輛、機械、環境生物等工程學科的基礎之一。通過對流體力學的基礎理論的學習，結合汽車工況，發現流體力學在汽車設計中具有重要的應用。

汽車自19世紀末誕生至今，汽車工業以驚人的速度發展。當今21世紀科技突飛猛進，汽車工業已成為與人類生活息息相關的時代驕子。近年來，國家加大交通設施的投資建設，高速公路、高架橋等交通網絡四通八達，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、汽車的操縱穩定性以及改善汽車的動力性，對汽車設計中的安全性、環保性提出了更高的要求[2]。為此，本文以流體力學基本理論，對汽車行駛時的空氣阻力、汽車表面受到的壓力、氣動升力、氣動側力等不可忽視的關鍵因素進行理論分析，探討流體力學在汽車研究方面的應用。

一、基于流體力學的汽車空氣阻力分析

汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力主要分為摩擦阻力和壓力阻力，期中壓力阻力約占空氣阻力的91%，成為汽車阻力的主要作用。空氣作為流體，具有粘性，根據牛頓定律，粘性流體在流動過程中層與層之間存在相互作用，空氣在車身表面產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、內循環阻力和誘導阻力。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生的阻力，只占壓力阻力的14%；內循環阻力（12%）是空氣流經車體內部時構成的阻力；誘導阻力（7%）也叫壓差力，是由于流經車頂的氣流速度大于流經車底的氣流速度，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，降低油耗的同時也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗表明，空氣阻力系數每降低10%，燃油節省7%左右。因此，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數的減小[4]。目前，汽車空氣阻力的計算或仿真多以流體仿真為基礎，從動力學理論出發，利用相應的物理模型，建立相關流體運動模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來，PowerFLOW分析軟件是汽車行業中空氣動力學的重要工具。利用此軟件可以分析整車的總體空氣阻力數據外，也可以充分利用流場數據，研究環繞整個車身的空氣流體動力學行為，研究阻力的細化、量化等，以此來指導汽車設計并優化[5]。

二、基于流體力學的汽車表面壓力分析

汽車行駛時，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，車頭前部形成一個正壓區，汽車周圍的壓強分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股，一部分通過發動機罩、前擋風玻璃、駕駛室頂向后流去；另一部分，通過車身下部，向車尾流去，如圖2 b）中所示。流向上方的這股氣流在流經車頭上緣時，由于緣角半徑相對較小，氣流來不及轉折，導致局部分離，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動機罩上。

傳統的汽車外形設計、壓力分析等以風洞實驗研究為主，實驗成本極高[4，6]，對汽車外形的氣動特性研究十分困難。計算流體力學（CFD）是流體力學的一個重要分支，以計算機科學、數值計算方法的發展為基礎，是流體力學理論分析、計算科學及數值計算方法共同發展的產物。伴隨著CFD方法的不斷發展、進步，利用CFD軟件分析汽車氣動性能成為可能。采用這一軟件對空氣動力學的計算，能夠較為精確地分析汽車三維外流場，準確的研究汽車表面壓力，可以幫助工程技術人員直觀、深入地分析汽車氣動特性；更重要的是相對于實驗分析，CFD軟件研究可以縮短汽車設計研發周期、降低成本。

三、基于流體力學在氣動升力分析中的應用

汽車氣動升力的來源與機翼類似，由于汽車是在地面上行駛，地面效應是影響汽車氣動升力的重要因素。汽車氣動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生；另一方面是由于地面效應，汽車底部和地面之間形成了一個類似于漸縮噴管的氣流通道，使得汽車底部形成負升力。

研究表明，當汽車速度超過70km/h，車身所受的氣動力成為影響汽車性能的主要因素之一[7]。汽車在行駛中，氣動升力隨車速的提高，對汽車的穩定性和經濟性有一定的影響。氣動升力的存在降低了汽車輪胎對地面的壓力，影響了汽車的動力性和制動性能；同時，氣動升力的存在降低了輪胎的側向附著力和側偏剛度，從而影響了汽車的操縱穩定性[8]。

當汽車高速行駛時，氣動力對汽車各性能的影響占主要地位。隨著汽車速度的增加，汽車的滾動阻力受氣動升力的影響逐漸減小；而汽車的氣動阻力則隨著車速的增加迅速提高。研究表明，當汽車車速為70km/h左右時，汽車所受的氣動阻力和滾動阻力幾乎相同。當汽車車速大于150km/h后，所受的氣動阻力是滾動阻力的2—3倍。顯然，汽車高速行駛時，氣動升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全，對高速行駛時的氣動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，在流過汽車車身的整個過程都受流體質量守恒、動量守恒和能量守恒等流體力學的支配。計算流體力學就是通過這些基本的控制方程來分析汽車周圍流場中空氣的運動。在理論方面，對氣動阻力和氣動升力的研究是根據伯努利提出的“路徑理論”為基礎進行分析[10]，這一理論基礎便是流體動力學，理論中要充分考慮雷諾數、流態等基本流體動力學要素；在數值計算上，也主要是基于氣動力學計算的流體模型進行分析。當今社會，車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快，所以解決高速行駛時發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、流體力學在氣動側力分析中的作用

危險不一定來自背后，危險也會來自側面。在高速下發生的交通事故，除了氣動升力的作用外，還有相當一部分是由于氣動側力的作用。當氣流與汽車的縱對稱面平行時，是不存在氣動側向力的。但在汽車實際行駛中，氣流不會總是與汽車的縱對稱面平行，當氣流與汽車存在橫偏角時，汽車都會產生氣動側向力。也就是說側向力的來源就是由于受到了側向氣流的作用。在實際環境中側向來流的來源比較復雜，如自然界陣風、汽車駛過大橋、車輛超車等情況。

氣動側力對汽車性能影響的研究是一個較廣泛的領域，而且對汽車主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車受側向風時，在車身側板處就會產生強烈的氣流。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，而且還會形成旋渦稠密氣流區，增大車身正前方的阻力，使汽車相對原直線行駛方向發生偏移，造成潛在危險[12]，因此，氣動側力也是汽車設計中必須分析的一個重要因素之一。

自然界中的側向風變化非常復雜，側風的方向、波長的變化等都對流場產生重要影響，所以氣動側力的分析相對更加復雜。采用復雜的風洞實驗方法可以對側風進行研究，但利用風洞實驗再現汽車遇到側風的復雜工況是非常困難的。而采用計算流體動力學（CFD）方法研究瞬態側風是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態變化信息，可對實際行駛過程中的汽車氣動性能進行更深入的研究[13]。

五、結語

流體力學相關理論及對應的軟件在汽車研究設計中的應用受到越來越多的關注，不但可以節約成本、優化設計效果，相關軟件的使用也使設計更科學、安全、環保和人性化。現代汽車設計中，車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快，空氣阻力是影響車輛動力性、燃油經濟性等汽車性能的重要影響因素，汽車的安全性能是當今人們高質量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學在汽車空氣阻力、壓力、氣動力等方面的應用來提高車輛各方面的性能。流體力學與汽車設計相關知識的交叉，將對汽車實車造型與分析評價產生重大影響，逐漸成為汽車產品開發、設計的主要理論知識。

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