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流體力學(xué)在汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用

2019-07-22 21:53:03·  來源：啟飛汽車設(shè)計  作者：盧紅舉 萬劍峰  
　
流體力學(xué)主要是研究物體在流動狀態(tài)下的受力情況。近年來由于流體力學(xué)和數(shù)理分析的融合，流體工程得到了快速地發(fā)展，同時也推動了多個行業(yè)的發(fā)展。在汽車制造領(lǐng)域
流體力學(xué)主要是研究物體在流動狀態(tài)下的受力情況。近年來由于流體力學(xué)和數(shù)理分析的融合，流體工程得到了快速地發(fā)展，同時也推動了多個行業(yè)的發(fā)展。在汽車制造領(lǐng)域，借助流體力學(xué)可以優(yōu)化車身的設(shè)計，降低車身的空氣阻力，提高燃油的經(jīng)濟性。
一、借助流體力學(xué)分析汽車的空氣阻力
 
汽車在行駛過程中，會受到空氣的阻力，空氣阻力和汽車行駛的方向相反，由于阻力的存在，影響汽車行駛時的燃油消耗。
 
空氣阻力分為摩擦阻力和壓力阻力兩種，其中壓力是空氣阻力的主要組成部分，通常所占的比例可以達到90%以上，對汽車的行駛產(chǎn)生影響?？諝饩哂辛鲃有?，并且空氣有粘性，粘性物質(zhì)在發(fā)生流動時，層和層之間會發(fā)生作用。汽車行駛時，空氣和車身接觸在車身表面會有切向力產(chǎn)生，這種情況產(chǎn)生了摩擦阻力，摩擦阻力是汽車在行駛時產(chǎn)生的分力；車身的表面存在法向壓力，這些合力形成了壓力阻力。阻力可以分為多種形式，如形狀、干擾、內(nèi)循環(huán)和誘導(dǎo)等，在所有的阻力中，形狀阻力起到了最主要的作用，因此這也是構(gòu)成壓力阻力的主要內(nèi)容。形狀阻力和車身的形狀有關(guān)，汽車的空氣阻力主要和車身的形狀有關(guān)；干擾阻力與車身的表面凸起形狀有關(guān)。內(nèi)循環(huán)阻力是車體內(nèi)部空氣流動時產(chǎn)生的阻力，誘導(dǎo)阻力是由于空氣在車頂和車底的流動速度差產(chǎn)生的。
 
空氣阻力可以直接影響到汽車的油耗，因此為了降低汽車的油耗就要盡可能降低汽車在行駛時的空氣阻力，油耗的降低可以降低有害物的排放，汽車的行駛成本也可以降低?？諝庾枇妥枇ο禂?shù)有著直接的關(guān)系。在當(dāng)前的汽車設(shè)計中，計算空氣阻力通常采用流體仿真的方式，依據(jù)動力學(xué)，建立流體物理模型，分析流體運動時的阻力情況。當(dāng)前，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，可以借助軟件完成相關(guān)的分析。
 
二、借助流體力學(xué)分析汽車的表面壓力
 
汽車在行駛中，車身前方的氣流要和車身發(fā)生作用，由于氣流產(chǎn)生的阻力，汽車的行駛速度會降低，由于氣流會產(chǎn)生壓力作用，車頭部位會有正壓區(qū)存在。正壓區(qū)的氣流可以分成兩部分，一部分氣流會順著發(fā)動機罩和前擋風(fēng)玻璃向后方流走；而另一部分氣流會經(jīng)過車身的下部流向車尾。
 
由于分析汽車外形的氣流變化過程非常復(fù)雜，因此可以借助計算流體力學(xué)，這門學(xué)科借助計算機的數(shù)值分析完成流體力學(xué)的相關(guān)分析和科學(xué)。在專用軟件的支持下，汽車的氣動分析可以直觀化。軟件通過對車身流體的計算，可以精確地顯示出車身外部的氣流分布，汽車表面的壓力可以數(shù)據(jù)化。
三、借助流體力學(xué)分析汽車的氣動升力
 
汽車行駛中的氣動升力和飛機近似。由于汽車在行駛中和地面直接接觸，地面效應(yīng)會直接影響到氣動升力。氣動升力可以分為壓差升力與粘性升力兩種不同的類型。壓差升力是氣動升力中的主要組成部分，與汽車車身的表面曲率變化有關(guān)，上下表面由于壓力差因此產(chǎn)生升力。此外，汽車在行駛時，底部與地面會產(chǎn)生氣流通道，汽車的底部因此產(chǎn)生負(fù)升力。
 
汽車的氣動升力和車速有著直接的關(guān)系，并且會影響到汽車的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。由于存在氣動升力，汽車輪胎對于地面的摩擦力降低，汽車的動力和制動因此受到了影響；輪胎的側(cè)向摩擦力會降低，操縱的穩(wěn)定性因此受到了影響。
 
汽車在高速行駛的狀態(tài)下，氣動力會直接影響到汽車的性能。由于行駛速度的增加，汽車受到的阻力會隨氣動升力的影響發(fā)生變化，特別是汽車在高速狀態(tài)下，氣動升力的影響更為直接，會直接影響到行車安全。
 
在汽車設(shè)計中，流體力學(xué)中的受力分析主要針對于空氣。車身的氣流變化會依據(jù)流體質(zhì)量守恒。流體力學(xué)的計算基礎(chǔ)，是通過控制方程完成車身四周的流場變化分析。對于氣動阻力和氣動升力理論分析借助伯努利流體方程，理論分析中要結(jié)合實際分析雷諾數(shù)的影響和流態(tài)的直接作用，對于氣流的實際計算也要依據(jù)通過氣動力學(xué)建立的流體模型。
四、借助流體力學(xué)分析汽車的氣動側(cè)力
 
汽車在高速行駛時，會存在氣動側(cè)力的影響。理想條件下，氣流和汽車的縱向平行時，氣動側(cè)向力不會產(chǎn)生。但實際的情況是，汽車在行駛中氣流難以和汽車的縱向保持平行。如果氣流和汽車有橫向偏角存在時，汽車有氣動側(cè)向力存在。引發(fā)側(cè)向力主要是由于側(cè)向氣流的作用，在汽車的行駛中，側(cè)向氣流的狀況比較復(fù)雜，如陣風(fēng)、超車等，都會產(chǎn)生側(cè)向氣流。
 
氣動側(cè)力對于汽車的影響是多方面的，汽車由于側(cè)向風(fēng)的作用，車身的側(cè)面會存在強烈的氣流。由于氣流的作用影響到車身的渦流狀態(tài)，如果氣流區(qū)面積的增大，車身在正前方受到的阻力會增大，汽車在直線行駛中容易發(fā)生偏移，產(chǎn)生安全隱患，所以汽車設(shè)計中要考慮到氣動側(cè)力的影響。行駛中的汽車還會受到側(cè)向風(fēng)的影響，通過計算流體動力學(xué)可以分析側(cè)向風(fēng)的狀態(tài)，可以獲取瞬態(tài)發(fā)生的變化，有助于深層次的研究行駛中氣動性。

五、結(jié)語
在當(dāng)前的汽車車身設(shè)計中，由于發(fā)動機性能的提升，汽車的設(shè)計速度也在提升。而汽車的空氣阻力會直接影響到燃油經(jīng)濟性。借助流體力學(xué)可以有效分析出汽車在行駛中的受力情況。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，借助相關(guān)的軟件可以完成流體分析，通過分析有助于提升汽車設(shè)計的效果。 
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