【文章內容簡介】 卡車零部件減少了一半?，F(xiàn)在， Scania公司在整個卡車研制開發(fā)過程中，使用更多的分析仿真，以縮短開發(fā)周期，提高卡車的性能和維護性。 CATIA系統(tǒng)是 Scania公司的主要 CAD/CAM 系統(tǒng)，全部用于卡車系 統(tǒng)和零部件的設計。通過應用這些新的設計工具，如發(fā)動機和 車身底盤 部門 CATIA系統(tǒng)創(chuàng)成式零部件應力分析的應用，支持開發(fā)過程中的重復使用等應用，公司已取得了良好的投資回報?，F(xiàn)在，為了進一步提高產品的性能， Scania公司在整個開發(fā)過程中，正在推廣設計師、分析師和檢驗部門更加緊密地協(xié)同工作方式。這種協(xié)調工作方式可使 Scania公司更具市場應變能力，同時又能從物理樣機和虛擬數(shù)字化樣機 中不斷積累產品知識。 2 汽車空氣動力學氣動特性研究 汽車空氣動力學以空氣動力學為基本理論來分析汽車周圍的流場，研究作用在汽車上的氣動力和力矩，并運用空氣動力學研究的成果來改善汽車造型，提高汽車性能。因此，本章主要探討了空氣動力學的基本理論，為數(shù)值計算提供理論基礎。 空氣動力學基本理論 空氣的基本物理屬性 1）空氣的連續(xù)介質模型 通常我們用自由行程平均值 (氣體中所有分子 ) l 來表示氣體分子的間隙大小。對海平面大氣而言，在氣壓為 760mm汞柱，溫度為 15℃ 時，每 1 3mm 內有空氣分子 610 個，其平均自由行程 l =10mm，因而，從微觀上看空氣是離散的。這樣要研究空氣的相關規(guī)律將十分困難，因為我們不能把微分方程等數(shù)學工具直接用于離散介質中。但空氣動力學研究的不是微觀的分子運動，而是研究空氣與其中運動物體的宏觀機械運動，是大量分子的平均統(tǒng)計行為。所研究對（如汽車）的特征尺寸要遠遠大于分子的間距，因此在空氣動力學研究中，將實際由分子組成的空氣用一 種假想的彼此無任何間隙的空氣微團來代替，這種空氣微團被定義為由足夠量分子組成并連續(xù)充滿所占據(jù)的空間，這就是歐拉建立的連續(xù)介質模型。 在這個模型的前提下，空氣動力學把介質（空氣）看成無空隙存在，這種假設，稱為連續(xù)性假設。基于此假設，可將空氣特性的一系列參數(shù)，如壓強、溫度、密度、速度都可看作是連續(xù)分布的，因為他們可被看成空間坐標和時間的連續(xù)可分函數(shù)，故在研究中可采用微分方程等數(shù)學工具。 2）空氣的粘性和流動性 （ 1）粘性 把手浸入水中，抽出時就會有水珠黏附在手上，這表明水有黏性 ， 把手浸入甘油或蜂蜜中間，附著的就 更多，這表明它們的黏性比水大得多?？諝獾酿ば员人囊??？諝獾酿ば院蜏囟扔嘘P，溫度高，空氣的黏性大，反之就小。空氣的黏性可用其動力黏度來衡量。 應當強調的是，只有流動時才會表現(xiàn)出粘性，靜止的流體不呈現(xiàn)粘性。粘性的作用表現(xiàn)為阻礙氣流內部的相對滑動，進而阻礙氣流的流動。這種阻礙作用只能延緩相對滑動過程，這是粘性的重要特征。粘性的大小，可用單位面積上的摩擦力 —— 摩擦應力 τ 表示。 粘性系數(shù) μ 顯著地依賴于溫度，但很少隨壓力發(fā)生變化，它與溫度的關系對于液體和氣體來說是截然不同的。對于液體來說 ,隨著溫度升高，粘性系數(shù) μ 下 降；對于氣體而言，隨著溫度升高，粘性系數(shù)隨之上升。 由于空氣的粘性不大，在處理許多氣流問題時，有時往往會忽略粘性作用。忽略其粘性作用的流體稱為理想流體。 （ 2）流動性 氣體的流動性是指在空氣中運動的物體的通過性。亦即當運動的物體經過時，它流經過的路線上原來的空氣，必然會被排擠開去，這種被排擠開去的運動，稱為受擾運動。受擾動的并不僅僅是直接和運動物體相接觸的那些空氣微團，因為擾動會通過空氣微團的彼此作用，由近及遠地傳播開去的。擾動這樣層層傳播開去的傳播速度和氣體的彈性有關系，也就是說與音速有關，當擾動不 大時，這種傳播速度就等于音速。當運動物體的速度遠小于音速時，這時空氣的流動性很好。因為在運動物體還沒到達的路徑前方，空氣微團由于受到擾動而開始運動，當運動物體到達時，空氣微團就很容易地讓開路了。當運動物體的運動速度超過速之后，擾動傳播的速度仍是音速，只是運動物體到達時才突然被推開。這時流動性就很差了。當運動速度達到高超音速范圍時，空氣簡直就像沒有流動性一樣、空氣微團會像固體粒子那樣向運動物體打來。由于汽車的運動速度一般都低于音速，因而其空氣流動性較好。 氣流運動的基本方程 流體力學中的基本方程 為連續(xù)性方程和伯努利方程，前者表示兩過流斷面上的流動參數(shù)之間的關系，后者則表示能量轉換的關系。 1）連續(xù)性方程 如圖 ，當流體流經變截面時，如果是定常流動，則管道的任意截面 2 之間的流體質量不變，即： ρ 1V1A1 = ρ 2V2A2 = C1 （ ） 式中： ρ ρ 2 — 兩截面的平均密度，對于不可壓縮流體，其密度為常數(shù)； V V2— 兩截面的平均流速； A A2 — 兩截面的截面積； C1— 常數(shù)。 圖 流體在變截面管中的流動 2）伯努利方程 與流體的質量成正比的力被稱為質量力。對于不可壓縮流體作定常流動，當忽略質量力時，流體的流動速度和壓強也存在一定的關系，用伯努利方程描述如下： P + 21 ρ 2V = 0P （ ） 式中： P — 流體靜壓力； V — 流體流速； 0P — 總壓。 若將該方程用到圖 ，可表示為： 1P + 2121 V? = 2p + 2221 V? （ ） 由式（ ），在流動過程中，對于理想不可壓縮流體作定常流動時忽略其質量力，其總壓不變。同樣單位體積流體的動能（ 2221 V?）和流體所具有的壓力能（ P）之和保持不變即總機械能不變，即能量是守恒的。由上式可知 ,流速越高、動能越大，壓力能越?。环粗嗳?。 粘性流基礎 1）層流、湍流和雷諾數(shù) 流體分層流動，相鄰兩層流體間只作相對 滑動，流層間沒有橫向混雜，這種流動狀態(tài)叫做層流。 當流體流速超過某一數(shù)值時，流體不再保持分層流動，而可能向各個方向運動，各個流層將混淆起來，并有可能出現(xiàn)渦旋，這種流動狀態(tài)叫湍流。流體作湍流時所消耗的能量比層流多。 介于層流與湍流間的流動狀態(tài)很不穩(wěn)定 ,稱為過渡流動。 雷諾通過大量實驗和理論分析表明，流體運動的狀態(tài)不僅和速度有關，而且還與流體的性質、管徑的大小等有關。發(fā)現(xiàn)決定流態(tài)的是下列組合而成的判據(jù)數(shù) ,即雷諾數(shù)： Re=?vl （ ） 式中： v — 圓管橫截面上流體的平均速度， m/s； l — 圓管直徑，又稱特征長度， m； μ — 流體的運動粘性系數(shù)， 2m /s。 我們把層流變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)用 ReL 表示，稱上臨界雷諾數(shù)；由湍流變?yōu)閷恿鞯呐R界雷諾數(shù)用 Re L’ 表示，稱下臨界雷諾數(shù)，且 ReL ＞ Re L’ 。 因而用雷諾數(shù)來判斷流動狀態(tài)時，有三 種情況： (1)當 Re＜ ReL’時，流動為層流狀態(tài)； (2)當 Re＞ ReL 時，流動為湍流狀態(tài)； (3)當 ReL’ ＜ Re＜ ReL ，流動為不穩(wěn)定狀態(tài)，既可能是層流也可能是湍流，任何擾動都能使之破壞。 在實際應用中，臨界雷諾數(shù)往往采用 Re 39。 L ，因為若流動處于過渡狀態(tài)時，一般也湍流來考慮。 2）附面層 雷諾數(shù) Re=慣性力 /粘性力。當雷諾數(shù)很大時說明慣性力遠遠大于粘性力，此時流體粘性很小，流速很大。在處理這類問題時，為使問題得到簡化往往只考慮慣性力而忽略粘性力的作用。但當流體以較大的雷諾數(shù)流經物體時， 雖然流體的粘性很小，但物體的壁面附近的流場出現(xiàn)一個速度變化很快的薄層，使得在壁面法向方向上卻存在很大的速度梯度，表現(xiàn)出很大的粘性剪切力，此粘性力能達到和慣性力具有相同的數(shù)量級，在這種情況下考慮慣性力的同時需要考慮粘性力。當 Re1，流體繞過物體時在其壁面附近存在有受流體粘性影響很大的薄層，稱為邊界層。 由前述可知：粘性不可壓縮流體流經平板結構的物體時，在邊界層沿 x方向的速度 xv 不發(fā)生變化，根據(jù)前文所介紹的伯努利方程可知邊界層處的壓強 也不變化。而當物體表面是曲面，壓強隨著邊界層沿 x方向的速度 xv 的變化而變化，使得邊界層也相應改變，因此當流體流經曲面時會對邊界層內部的流場產生重要的影響。附面層內同樣存在兩種流態(tài)，即層流附面層和湍流附面層。在層流附面層和湍流附面層之間為過渡附面層，如圖 。在相同雷諾數(shù)下，湍流附面層厚度比層流的大，湍流附面層的厚度沿流動方向比層流附面層增加得快。在湍流附面層內，緊靠物體表面總是存在著一層極薄的粘性底層。在粘性底層內速度梯度極大。判別 流態(tài)的準則仍然是雷諾數(shù)。 圖 附面層內的不同流態(tài) 汽車的氣動力與氣動力矩 汽車在行駛過程中，除了受到來自地面對輪胎的附著力以外，還受到其周圍氣流的氣動力作用，氣流的作用主要產生的是阻力和升力，當有側風存在時，由于汽車橫擺角β 的存在，汽車還將受到一個側向力。這三個氣動力的合力在汽車的作用點稱為風壓中心 (Center of Pressure)，記作 。將氣動力的合力沿汽車坐標系分解為三個力和三個力矩，統(tǒng)稱為六分力，它們決定了汽車總的 氣動力矢量。六分力的大小及關系見表 。 表 氣動力和氣動力矩及系數(shù) 氣動力和氣動力矩 系數(shù) 氣動阻力 xF 氣動阻力系數(shù)SvFC XD 221?? ? 氣動升力 yF 氣動升力系數(shù)SvFC YL 221?? ? 氣動側力 zF 氣動側力系數(shù)SvFC ZZ 221?? ? 氣動側傾力矩 xM 氣動側傾力矩系數(shù)SlvMC Xq 221?? ? 氣動側傾力矩 YM 氣動側傾力矩系數(shù)SlvMC YN 221?? ? 氣動側傾力矩 ZM 氣動側傾力矩系數(shù)SlvMC ZM 221?? ? 表中，ρ — 空氣密度； ?v — 汽車與空氣的相對速度，即來流速度； S— 汽車的迎風投影面積，也稱正面面積； l — 汽車的特征長度，如軸距。 1）氣動阻力 氣動阻力對汽車的動力性和燃油經濟性有著直接的影響。隨著能源問題的日益突出，汽車的高速化以及公路運輸比重的不斷增加，減少氣動 阻力以提高汽車的燃油經濟性也變得越來越受關注。在汽車的六個氣動分力中，氣動阻力的構成和影響因素最復雜，也是汽車空氣動力學目前研究的重要內容之一。 氣動阻力由壓差阻力、摩擦阻力、誘導阻力、干涉阻力和內流阻力 5 部分組成 ,其方向與汽車運動方向相反。壓差阻力 作用在汽車外形表面上的沿汽車行駛方向的氣動力稱為壓差阻力，它是氣動阻力的主要組成部分。 壓差阻力是由于空氣在運動過程中的粘性在汽車車身前后產生壓力差而形成的阻力，約占汽車總氣動阻力的 50%65%。 摩擦阻力 汽車的摩擦阻力是由于空氣的粘性作用使得空氣與 汽車車身面產生摩擦而形成的阻力 ,約占汽車總氣動阻力的 6%11%。 誘導阻力 誘導阻力是由車身附著渦誘導而成的。約占汽車總氣動阻力的 8%15%。干涉阻力 干涉阻力即汽車外表面上的各附件和孔眼、凹槽及縫隙所引起的流干涉而導致的阻力 ,約占汽車總氣動阻力的 5％ — 16％。 內流阻力 內流阻力是指由汽車制動器冷卻氣流、發(fā)動機、空調以及駕駛室通風氣流引起的阻力。這些氣流通過氣流進出口的壓力差或風扇對外部氣流加以利用。在流動的過程中這些氣流會導致內流阻力造成車輛較大的能量損失 ,約占汽車總氣動阻力的10%18%。 由上可知，減小汽車的形狀阻力在車身設計時具有非常重要的意義，這就要求對車身外形進行“流線形”設計。車身長、寬、高基本尺寸以及它們的最佳比例關系也直接影響了車輛的空氣阻力系數(shù)。實踐證明，車身越長，越寬，越低，空氣阻力越小。但是除了對空氣動力特性的基本要求，還需要進行更全面地考慮包括交通法規(guī)、造型和結構上的要求、舒適性、乘坐空間等因素，不能單純地對車進行增加長度、增加寬度、減低高度的改進。所以在進行車身設計時要協(xié)調相互之間的關系，全面綜合地對各因素進行分析，最終得到最佳的設計效果。 2）氣動升力 氣動升力指的 是作用在汽車垂直方向上的氣動力，與汽車的行駛方向垂直。氣動升力的大小與來流速度的平方、汽車的迎風面積以及氣動升力系數(shù)成正比，方向與汽車重力方向相反。它直接影響 汽車的操縱穩(wěn)定性和動力性，同時也間接地影響燃油經濟性。 汽車特別是流線型較好的轎車，其外形是接近于有限翼展翼型的鈍形體。當空氣流經汽車上下表面時，空氣質點流經上表面的路程比下表面的路程長，而流經后的空氣質點又須同時在汽車后部匯合，因此流經汽車車身上表面的空氣質點速度比流經下表面的空氣質點速度快。根據(jù)伯努利定理可知，汽車車身上部會形成低壓區(qū)，而汽車車身 下部會形成高壓區(qū)，導致汽車上下部產生壓差。這也就是汽車產生氣動升力的基本原理。 由于氣動升力會降低輪胎的附著力從而影響汽車的驅動性、操穩(wěn)性，因此，在進行車身空氣動力造型設計時，應盡量減小氣動升力值，甚至為負值更為理想。 3）氣動側力 嚴格地說，當氣流