基于空气动力学的车身设计改进(最新)

基于空气动力学的车身设计改进

刘远臻 左亚会 姜康 高兴良

(襄樊学院 机械与汽车工程学院 湖北 襄樊 441053)

【摘要】：基于空气动力学，通过多种方法对汽车进行模拟实验并

提出车身设计改进方法。从而减小汽车的气动阻力系数，提高汽车的动力性和燃油经济性并全面提升汽车的性能。

【关键词】：气动阻力 气动阻力系数 风洞实验 数值仿真分析 引言

本文针对小轿车设计时造型面进行气动阻力计算,主要通过风洞测试法和数值仿真分析法分析车身表面气动阻力、三维车身压力云图、外流场流线图等结果。找到影响气动阻力大小的关键因素,然后根据其不同部位所受阻力大小的不同对车身的设计进行改进。从而减小总体的气动阻力，提升汽车的整体性能。

正文

一、气动阻力对汽车性能的影响

气动阻力是汽车在行驶的过程中，汽车车身上部和下部结构差异导致上下气流的不同而形成的压强差，这种压强差直接阻碍了汽车的运行，我们称之为气动阻力。气动阻力主要由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和内流阻力组成。其中, 压差阻力约占汽车总气动阻力的50%～65%, 是气动阻力的主要组成部分。由于压差阻力的大小主要取决物体的形状, 所以又称为形状阻力; 摩擦阻力是由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身表面产生摩擦而形成的阻力, 约

占汽车总气动阻力的6%～11%; 诱导阻力是有车身附着涡诱导而成的, 约占汽车总气动阻力的8%～15%; 干涉阻力是由于汽车外表面上的各附件和孔眼、凹槽及缝隙所引起的气流干涉而导致的阻力, 约占汽车总气动阻力的5%～16%; 内流阻力是指由汽车发动机和制动器冷却气流以及乘员舱通风和空调的气流引起的阻力, 约占汽车总气动阻力的10%～18%。气动阻力的表达式是：

Fx2SCd/2

式中，为汽车速度，S为汽车的迎风面积，Cd为汽车的气动阻力系数。 气动阻力系数Cd是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个标准。Cd越小，说明它受空气阻力影响越小，反之亦然，因此说气动阻力系数越小越好。 一般来讲，我们在马路上看到的大多数轿车的风阻系数在0.28～0.4间，流线性较好的汽车如跑车等，其气动阻力系数可达到0.25左右，一些赛车可达到0.15左右。

汽车所受到气动阻力直接影响到汽车的操纵稳定性,并会减弱汽车动力的发挥，进而影响汽车的动力性和燃油经济性。根据测试，当一辆轿车以80公里/时前进时，有60%的耗油是用来克服气动阻力的，因此，减小汽车的气动阻力是非常重要的。 很显然，在气流速度一定情况下想要减小气动阻力系数只能对车身设计进行改进。目前，研究车的身造型设计的实验方法有风洞实验法和数值仿分析法。 二、研究方法

㈠风洞试验法：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

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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。汽车风洞的主要实验功能的主要包括：1.测量气动力和气动力矩。2.测量汽车表面压强。3.模拟风洞地面效应。4.空气动力学激光三维流态显示试验。

风洞试验包括模型试验和全尺寸实验两种

（1）模型试验:先使用相当于实际体积30%或者 60%的汽车模型来进行初期的风洞试验。通过这个环节，可以快速判断出车身线条的空气动力学表现如何，并且对体积较大的部分进行调整——比如风挡的角度、弧度，还有保险杠的形状，直到汽车整体线条的元素得到确定。 （2）全尺寸试验:制造出一个与实际大小相同的试制车，在风洞中对车身上每一个细小的部分进行详细的测试和改进。包括中网的形状、制动盘片能否获得足够的气流用于冷却等等。在车速不断升高的情况下，每个部件的形状对气流造成的影响都会成倍放大。所以，全尺寸试验中对外观细节的改进积累在一起之后，足以极大的改变汽车性能。

风洞测试时要注意的技术问题

(1)用模型在风洞中测试的汽车空气阻力系数Cd值有10％～20％误差，因为试验所用的模型很难与汽车原型做到几何相似和空气动力学相似。

(2)汽车沿道路行驶时，空气相对于路面的速度为零(假设无自然风时)，在路面上不存在边界层．而在风洞中空气相对于模型或原型

支承面有运动，从而形成了边界层，使Cd值的测试有误差． 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熏量分析法印证泥垢附着状态等．

风洞测试实验是测量汽车空气阻力系数的最有效方法之一，为汽车车身设计提供了比较全面的数据，为研究和分析汽车的空气阻力系数提供了一种便捷的途径。国内外一些先进的汽车制造和设计企业都非常重视风洞试验对于汽车空气动力学的研究，新产品也大都是在风洞中开发出来的。

㈡ 数值仿真分析法

数值仿真分析法是目前空气动力学中最重要的一种方法，也是目前对汽车外形变化对三维流场特性的影响方面预测最有效的方法，非常适合用于对汽车外形的造型分析。虽然运用软件在理想情况下对汽车模型进行仿真分析有一定的误差和不确定因素存在，但这种方法的确给我们提供了大量的有效的数值，并且根据模拟数据绘出的三维车身压力云分布图和外流场流线图能让我们更直观的对无形的空气阻力进行分析。

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根据试验的CAD模型，在STAR软件总生成600万的单元节点，模拟行驶中的车身周围气流的变化，用非结构网格算法算出的车身前部、车底、地面和中心对称面上压力的分布以及；横截面的速度矢量分布、纵向涡量、总压损失等数值。然后利用STAR-CD处理器对模拟结果进行处理，可得到模型受到的气动阻力、三维车身压力云图、外流场流线图等结果, 分析这些结果, 可以了解该模型车的气动阻力性能。 三．车身设计的空气动力学改进

通过风洞实验和数值仿真分析法我们发现显示虽然这两种实验方法都有一定的误差，但是车身表面的压强分布以及车身流线分析结果却大致相同。因此，我们就对这两组数据进行分析和研究，以改进气动阻力系数。

由车身表面的压强分布情况可知。车头保险杠部位是高压区，承受着来自正面气流产生的压力，发动机室盖前缘、前探照灯一小部分受到负压力，这是结构上的转角，气流在此处产生分离，而使其附近产生真空地段，从而出现负压。同时，该车的尾部表面也出现一个高压区，由于在车顶盖与后窗玻璃光滑圆角过渡，气流在顶盖后边缘没表现出明显的气流分离，而是沿着玻璃向下流，直到玻璃下边缘位置，与车身侧面流过的气流混合形成复杂涡系。

对车身的流线分析，从流经车身上部的流线的稳定性，不难发现，车顶部气流在后窗玻璃部位并没有形成涡街，这种影响是有益的，它在某种程度上减少了后部表面上过早发生气流分离现象。通过仔细观察车后部出现的涡流，发现涡旋来源于侧面气流的分离及车底部气流

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的分离。该涡流随着气流的流动向两边分散，并且在上部气流的压力作用下越来越靠近地面。这种靠近地面的呈螺旋状的涡，在汽车调整行驶时，会吸起地面灰尘，对后保险杠造成污染，加速它的老化。 对应研究中发现的问题，我们提出改进方案如下：

改进后的车身整体高度降低，一些连续处修改得相对平滑，车顶曲线相对高一些能够降低空气阻力系数，但也可能增加迎风面积，具体车型还需作更详细分析。在车头、引擎盖和车尾等处做较大改动，前后风窗与水平面的夹角修改到了合适角度，前风窗为28°左右，后风窗的适当角度在10°～ 28°，前风窗与引擎盖和后风窗与车尾也作了平滑处理，使气流运动平稳，减小了气动阻力，提高车身的稳定性和安全性。

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结语

以空气动力学为基础，通过风洞测试实验对汽车进行分析。同时，

用数值仿真发进行补充和验证。得到了比较有效地数据，从而得出了细致的改进方法来减小气动阻力系数。虽然改进结果不够完善，但是这种实验探究方法必定是今后重点发展的对象。

【参考文献】

[1]. A.J塞伯.里尔斯基.汽车空气动力学

[M]杨尊正 邹仲贤 译 北京：人民交通出版社 1988

[2]. 黄向东 汽车空气动力学与车身造型

[M]北京：人民交通出版社 2000

[3].庄继德 谢金法 高峰 三位湍流轿车外流场数值模拟

[M]吉林工业大学自然科学学报 1999 [4]. 王福军 计算流体动力学分析

[M]北京：清华大学出版社 2004

[5].张扬军 吕振华 汽车空气动力学数值仿真研究进展 [J]汽车工程 2001

[6].张国忠．现代设计方法在汽车设计中的应用 [M]．沈阳：东北大学出版社，2002． [7].吴亚良 现代轿车车身设计

[M]上海： 上海科学技术出版社 1999

【作者简介】：刘远臻（1990-），男（汉），襄樊学院机械与汽车工程学院，工业工程0911，学生。

单位地址：湖北襄樊学院 机械与汽车工程学院 邮编：441053

基金项目：襄樊学院大学生科研项目 指导教师：李和 襄樊学院与汽车工程学院