流体力学主要是研究物体在流动状态下的受力情况。近年来由于流体力学和数理分析的融合,流体工程得到了快速地发展,同时也推动了多个行业的发展。在汽车制造领域,借助流体力学可以优化车身的设计,降低车身的空气阻力,提高燃油的经济性。
一、借助流体力学分析汽车的空气阻力
汽车在行驶过程中,会受到空气的阻力,空气阻力和汽车行驶的方向相反,由于阻力的存在,影响汽车行驶时的燃油消耗。
空气阻力分为摩擦阻力和压力阻力两种,其中压力是空气阻力的主要组成部分,通常所占的比例可以达到90%以上,对汽车的行驶产生影响。空气具有流动性,并且空气有粘性,粘性物质在发生流动时,层和层之间会发生作用。汽车行驶时,空气和车身接触在车身表面会有切向力产生,这种情况产生了摩擦阻力,摩擦阻力是汽车在行驶时产生的分力;车身的表面存在法向压力,这些合力形成了压力阻力。阻力可以分为多种形式,如形状、干扰、内循环和诱导等,在所有的阻力中,形状阻力起到了最主要的作用,因此这也是构成压力阻力的主要内容。形状阻力和车身的形状有关,汽车的空气阻力主要和车身的形状有关;干扰阻力与车身的表面凸起形状有关。内循环阻力是车体内部空气流动时产生的阻力,诱导阻力是由于空气在车顶和车底的流动速度差产生的。
空气阻力可以直接影响到汽车的油耗,因此为了降低汽车的油耗就要尽可能降低汽车在行驶时的空气阻力,油耗的降低可以降低有害物的排放,汽车的行驶成本也可以降低。空气阻力和阻力系数有着直接的关系。在当前的汽车设计中,计算空气阻力通常采用流体仿真的方式,依据动力学,建立流体物理模型,分析流体运动时的阻力情况。当前,由于计算机技术的发展,可以借助软件完成相关的分析。
二、借助流体力学分析汽车的表面压力
汽车在行驶中,车身前方的气流要和车身发生作用,由于气流产生的阻力,汽车的行驶速度会降低,由于气流会产生压力作用,车头部位会有正压区存在。正压区的气流可以分成两部分,一部分气流会顺着发动机罩和前挡风玻璃向后方流走;而另一部分气流会经过车身的下部流向车尾。
由于分析汽车外形的气流变化过程非常复杂,因此可以借助计算流体力学,这门学科借助计算机的数值分析完成流体力学的相关分析和科学。在专用软件的支持下,汽车的气动分析可以直观化。软件通过对车身流体的计算,可以精确地显示出车身外部的气流分布,汽车表面的压力可以数据化。
三、借助流体力学分析汽车的气动升力
汽车行驶中的气动升力和飞机近似。由于汽车在行驶中和地面直接接触,地面效应会直接影响到气动升力。气动升力可以分为压差升力与粘性升力两种不同的类型。压差升力是气动升力中的主要组成部分,与汽车车身的表面曲率变化有关,上下表面由于压力差因此产生升力。此外,汽车在行驶时,底部与地面会产生气流通道,汽车的底部因此产生负升力。
汽车的气动升力和车速有着直接的关系,并且会影响到汽车的稳定性和经济性。由于存在气动升力,汽车轮胎对于地面的摩擦力降低,汽车的动力和制动因此受到了影响;轮胎的侧向摩擦力会降低,操纵的稳定性因此受到了影响。
汽车在高速行驶的状态下,气动力会直接影响到汽车的性能。由于行驶速度的增加,汽车受到的阻力会随气动升力的影响发生变化,特别是汽车在高速状态下,气动升力的影响更为直接,会直接影响到行车安全。
在汽车设计中,流体力学中的受力分析主要针对于空气。车身的气流变化会依据流体质量守恒。流体力学的计算基础,是通过控制方程完成车身四周的流场变化分析。对于气动阻力和气动升力理论分析借助伯努利流体方程,理论分析中要结合实际分析雷诺数的影响和流态的直接作用,对于气流的实际计算也要依据通过气动力学建立的流体模型。
四、借助流体力学分析汽车的气动侧力
汽车在高速行驶时,会存在气动侧力的影响。理想条件下,气流和汽车的纵向平行时,气动侧向力不会产生。但实际的情况是,汽车在行驶中气流难以和汽车的纵向保持平行。如果气流和汽车有横向偏角存在时,汽车有气动侧向力存在。引发侧向力主要是由于侧向气流的作用,在汽车的行驶中,侧向气流的状况比较复杂,如阵风、超车等,都会产生侧向气流。
气动侧力对于汽车的影响是多方面的,汽车由于侧向风的作用,车身的侧面会存在强烈的气流。由于气流的作用影响到车身的涡流状态,如果气流区面积的增大,车身在正前方受到的阻力会增大,汽车在直线行驶中容易发生偏移,产生安全隐患,所以汽车设计中要考虑到气动侧力的影响。行驶中的汽车还会受到侧向风的影响,通过计算流体动力学可以分析侧向风的状态,可以获取瞬态发生的变化,有助于深层次的研究行驶中气动性。
五、结语
在当前的汽车车身设计中,由于发动机性能的提升,汽车的设计速度也在提升。而汽车的空气阻力会直接影响到燃油经济性。借助流体力学可以有效分析出汽车在行驶中的受力情况。由于计算机技术的发展,借助相关的软件可以完成流体分析,通过分析有助于提升汽车设计的效果。
来源:启飞汽车设计
作者:卢红举 万剑峰