流体力学在汽车设计中的应用
作者：张树玲，郭晓云，王昱潭，田宇，高垚垚，张波
来源：《教育教学论坛》 2017年第20期
汽车风洞    流体力学是人们在利用流体的过程中逐渐形成的一门学科，它起源于阿基米德对浮力的研究，由于数理学科和流体工程学科相互推动而得到发展[1]。现如今已经成为航空航天、车辆、机械、环境生物等工程学科的基础之一。通过对流体力学的基础理论的学习，结合汽车工况，发现流体力学在汽车设计中具有重要的应用。
    汽车自19世纪末诞生至今，汽车工业以惊人的速度发展。当今21世纪科技突飞猛进，汽车工业已成为与人类生活息息相关的时代骄子。近年来，国家加大交通设施的投资建设，高速公路、高架桥等交通网络四通八达，不仅缩短了城市之间的距离，更极大地改善了人们的日常生活。为减少汽车的能耗、汽车的操纵稳定性以及改善汽车的动力性，对汽车设计中的安全性、环保性提出了更高的要求[2]。为此，本文以流体力学基本理论，对汽车行驶时的空气阻力、汽车表面受到的压力、气动升力、气动侧力等不可忽视的关键因素进行理论分析，探讨流体力学在汽车研究方面的应用。
    一、基于流体力学的汽车空气阻力分析汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气
阻力。空气阻力主要分为摩擦阻力和压力阻力，期中压力阻力约占空气阻力的91%，成为汽车阻力的主要作用。空气作为流体，具有粘性，根据牛顿定律，粘性流体在流动过程中层与层之间存在相互作用，空气在车身表面产生的切向力即为摩擦阻力，这是合力在行驶方向的分力；而作用在汽车车身表面上的法向压力的合力称之为压力阻力，可分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。其中，形状阻力是压力阻力的主要部分，并与车身形状有直接关系，是影响空气阻力的主要因素；干扰阻力是车身表面凸起物引起的气流干扰而产生的阻力，只占压力阻力的14%；内循环阻力（12%）是空气流经车体内部时构成的阻力；诱导阻力（7%）也叫压差力，是由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度，使得车底的空气压力大于车顶，从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压力差[3，4]，如图1所示。空气阻力是影响燃油消耗的重要因素。最大限度地减小整车空气阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同时也能减少排放并降低使用成本[5]。有试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。因此，减小空气阻力主要依赖于空气阻力系数的减小[4]。目前，汽车空气阻力的计算或仿真多以流体仿真为基础，从动力学理论出发，利用相应的物理模型，建立相关流体运动模型。采用的软件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以来，PowerFLOW分析软件是汽车行业中空气动力学的重要工具。利用此软件可以分析整车的总体空气阻力数据外，也可以充分利用流场数据，研究环绕整个车身的空气流体动力学行为，研究阻力的细化、量化等，以此来指导汽车设计并优化[5]。
    二、基于流体力学的汽车表面压力分析汽车行驶时，前方气流首先与车身前部作用，使气流受阻，降
低速度，在气流压力作用下，车头前部形成一个正压区，汽车周围的压强分布如图2所示。这部分气流分为两股，一部分通过发动机罩、前挡风玻璃、驾驶室顶向后流去；另一部分，通过车身下部，向车尾流去，如图2 b）中所示。流向上方的这股气流在流经车头上缘时，由于缘角半径相对较小，气流来不及转折，导致局部分离，所以在上缘角附近存在很大的吸力峰。随后，气流又重新附着在发动机罩上。
    传统的汽车外形设计、压力分析等以风洞实验研究为主，实验成本极高[4，6]，对汽车外形的气动特性研究十分困难。计算流体力学（CFD）是流体力学的一个重要分支，以计算机科学、数值计算方法的发展为基础，是流体力学理论分析、计算科学及数值计算方法共同发展的产物。伴随着CFD方法的不断发展、进步，利用CFD软件分析汽车气动性能成为可能。采用这一软件对空气动力学的计算，能够较为精确地分析汽车三维外流场，准确的研究汽车表面压力，可以帮助工程技术人员直观、深入地分析汽车气动特性；更重要的是相对于实验分析，CFD软件研究可以缩短汽车设计研发周期、降低成本。
    三、基于流体力学在气动升力分析中的应用汽车气动升力的来源与机翼类似，由于汽车是在地面上行驶，地面效应是影响汽车气动升力的重要因素。汽车气动升力包括压差升力和粘性升力，其中压差升力占主要部分。压差升力一方面是由于汽车上下表面曲率不同，形成上下表面压差产生；另一方面是由于地面效应，汽车底部和地面之间形成了一个类似于渐缩喷管的气流通道，使得汽车底部形成负升力。研究表明，当汽车速度超过70km/h，车身所受的气动力成为影响汽车性能的主要因素之一[7]。汽车在行驶中，气动升力随车速的提高，对汽车的稳定性和经济性有一定的影响。气动升力的存在降低了汽车轮胎
对地面的压力，影响了汽车的动力性和制动性能；同时，气动升力的存在降低了轮胎的侧向附着力和侧偏刚度，从而影响了汽车的操纵稳定性[8]。当汽车高速行驶时，气动力对汽车各性能的影响占主要地位。随着汽车速度的增加，汽车的滚动阻力受气动升力的影响逐渐减小；而汽车的气动阻力则随着车速的增加迅速提高。研究表明，当汽车车速为70km/h左右时，汽车所受的气动阻力和滚动阻力几乎相同。当汽车车速大于150km/h后，所受的气动阻力是滚动阻力的2—3倍。显然，汽车高速行驶时，气动升力的影响则更为显著。所以为了保证安全，对高速行驶时的气动升力提出了更高的要求[9]。
    空气作为汽车受力分析中的主要流体，在流过汽车车身的整个过程都受流体质量守恒、动量守恒和能量守恒等流体力学的支配。计算流体力学就是通过这些基本的控制方程来分析汽车周围流场中空气的运动。在理论方面，对气动阻力和气动升力的研究是根据伯努利提出的“路径理论”为基础进行分析[10]，这一理论基础便是流体动力学，理论中要充分考虑雷诺数、流态等基本流体动力学要素；在数值计算上，也主要是基于气动力学计算的流体模型进行分析。当今社会，车辆的设计速度和公路允许的行车速度越来越快，所以解决高速行驶时发飘的问题是非常有必要而且是保障驾驶安全的重要举措。
    四、流体力学在气动侧力分析中的作用危险不一定来自背后，危险也会来自侧面。在高速下发生的交通事故，除了气动升力的作用外，还有相当一部分是由于气动侧力的作用。当气流与汽车的纵对称面平行时，是不存在气动侧向力的。但在汽车实际行驶中，气流不会总是与汽车的纵对称面平行，当气流与汽车存在横偏角时，汽车都会产生气动侧向力。也就是说侧向力的来源就是由于受到了侧向气流的作用。
在实际环境中侧向来流的来源比较复杂，如自然界阵风、汽车驶过大桥、车辆超车等情况。气动侧力对汽车性能影响的研究是一个较广泛的领域，而且对汽车主要性能有着不可忽略的影响[11]。
    汽车受侧向风时，在车身侧板处就会产生强烈的气流。这一气流的存在不但破坏了驾驶室与车身之间正常的小涡流状态，而且还会形成旋涡稠密气流区，增大车身正前方的阻力，使汽车相对原直线行驶方向发生偏移，造成潜在危险[12]，因此，气动侧力也是汽车设计中必须分析的一个重要因素之一。自然界中的侧向风变化非常复杂，侧风的方向、波长的变化等都对流场产生重要影响，所以气动侧力的分析相对更加复杂。采用复杂的风洞实验方法可以对侧风进行研究，但利用风洞实验再现汽车遇到侧风的复杂工况是非常困难的。而采用计算流体动力学（CFD）方法研究瞬态侧风是非常有效的，且能够提供更多的瞬态变化信息，可对实际行驶过程中的汽车气动性能进行更深入的研究[13]。
    五、结语流体力学相关理论及对应的软件在汽车研究设计中的应用受到越来越多的关注，不但可以节约成本、优化设计效果，相关软件的使用也使设计更科学、安全、环保和人性化。现代汽车设计中，车辆的设计速度和公路允许的行车速度越来越快，空气阻力是影响车辆动力性、燃油经济性等汽车性能的重要影响因素，汽车的安全性能是当今人们高质量生活水平能得以保证的前提。充分利用流体力学在汽车空气阻力、压力、气动力等方面的应用来提高车辆各方面的性能。流体力学与汽车设计相关知识的交叉，将对汽车实车造型与分析评价产生重大影响，逐渐成为汽车产品开发、设计的主要理论知识。