汽车空气动力学

　　汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各性能影响的一门科学。　　

　　汽车依据其外形和用途可分为三类：乘用车(轿车)、商用车(客车及货车)和赛车(高性能汽车)。

　　轿车的演变，反映了汽车空气动力学的发展过程。

　　从第一辆汽车问世，至今已有一百多年的历史。通过人们的不断创造和改进，汽车从只有车架和车轮等简单的行驶系统，逐步地具备了较完善的传动机构和制动机构，并装上了发动机，终于发展成今天这样结构复杂而精密的现代汽车。道路车辆的雏形继承了马车形状，其设计只能先解决机械问题。由于这些汽车的速度很低，所以还不存在空气动力特性方面问题。把空气动力学的概念与研究成果引入汽车设计中，形成独特的汽车空气动力学学科，是从20世纪20年代开始的。

　　在第一辆汽车发明后约二十五年，人们开始对汽车空气动力特性有了一定的认识。最初只注意降低气动阻力，随着车速的提高，人们开始注意到气动升力及侧风稳定性问题。近期汽车空气动力学的发展又注意了驾驶室内流、发动机冷却、空气动力噪声及消除车身上泥土附着等问题。

　　汽车空气动力学的发展历史表明，它是伴随着由于道路状况的变化和使用要求的提高而引起汽车造型的变化而发展起来的，可以说，汽车造型变化的历史就是汽车空气动力学发展的历史。如下图：

　　1．汽车空气动力学的重要结论来自于试验

　　飞机空气动力学在相当大的范围内采用理论分析。当今飞机的空气动力学设计从理论分析亦即从数值计算开始，然后进行小模型的风洞试验，最后才进行样机的飞行试验。

　　汽车空气动力学研究主要是通过试验，包括各种模拟试验、验证和改进各种改型措施，同时模拟试验又不断揭示各种气动现象，通过试验数据的分析和推理，得出大量的重要结论，这又推动了汽车空气动力学研究的发展。

　　汽车空气动力学设计与飞机设计步骤不同。汽车不仅要考虑空气动力学，同时还要考虑造型风格、操纵稳定性、安全性、舒适性以及生产工艺的合理性。人们正不断致力于把飞机空气动力学的结论应用到汽车上，并且在解决某些问题时，取得了巨大的成就，但二者还是有很大差别的。

　　2．数值计算不能取代风洞试验

　　飞机的机翼、机身和尾翼可以单独考虑，因此，飞机周围的气流计算就得到了简化，各部分的相互作用也可以用理论方法来评价。由于气流通常是“附着的”(连续的)，计算可以分两步进行。首先确定非粘性流场，然后用“边界层”理论计算粘度效应，这个步骤所依据的理论和方法在不断发展，目前已扩展到更高速下的计算(马赫数效应)。

　　汽车周围的气流存在着显著的分离现象，粘性的影响不再局限于车身表面较小的范围内。另外，对于汽车来说，无法区分出几个或多或少的相互独立的流场，因此汽车周围的流场不可以像飞机流场那样处理，对汽车的流场只能作为一个整体来考虑。

　　多年来，人们一直以德国著名空气动力学家w．H．Hucho的论述来说明汽车空气动力学的研究内容。本书仍以此来说明。下图说明了汽车空气动力学的研究内容：

　　①研究影响车辆行驶性能和方向稳定性的气动力和力矩。

　　②研究发动机冷却的最佳化。

　　③研究驾驶室

　　内的空调特性。

　　④研究气动噪声、泥土上卷等流场特性。近年来，更注重了与热流场和气动噪声相关的汽车空气动力特性的研究，其研究手段主要是风洞试验。随着计算机的发展，数值流体力学也得到了广泛应用。

　　与汽车相关的流场主要分为外部流场和内部流场，W．H．Hucho用下图说明了汽车的流场。外部流场是决定汽车空气动力特性的主要因素，一部分为沿发动机、顶盖、后行李箱的车身上部气流，这一部分气流在车身后部分离，在车身尾部形成复杂的流动；另一部分气流由车身前端经车身底部和轮罩流向车身尾部，在车尾形成马蹄涡。

　　内部流场主要是发动机室内和驾驶室内的流动，发动机室的流动与外部流场同时作用影响发动机的冷却，驾驶室内的流动与空调相关联，两者不仅影响气流流动问题，同时引起 与冷却相关联的问题。

　　汽车空气动力学的重要性在于：在确定汽车外形初步方案阶段，就需对汽车的空气动力学特性进行估计，在进行汽车造型设计和确定汽车的式样时，应当综合考虑美学造型和气动造型，在实验样车进行结构设计和试制之前，应先解决空气动力学特性问题，并在全尺寸模型上进行验证。否则很难，甚至不可能预言汽车的性能和一般道路特性。