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汽車流場分類與研究方法
2020-10-30 15:17:35· 來源：AutoAero 作者：王宇琪
流場是指在進(jìn)行著的空間里流動參數(shù)的分布情況和隨時間的變化情況，例如速度場、壓力場和溫度場等。這些場均是位置和時間的函數(shù)，即汽車的流場按分布位置可以分為
流場是指在進(jìn)行著的空間里流動參數(shù)的分布情況和隨時間的變化情況，例如速度場、壓力場和溫度場等。這些場均是位置和時間的函數(shù)，即
汽車的流場按分布位置可以分為汽車周圍的外部流場、穿過汽車駕駛室以及發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)部流場和汽車零部件如發(fā)動機(jī)、變速器等的內(nèi)部流場。
一、汽車流場分類
1. 汽車外部流場
汽車的外部流場指的是車身表面的流場，使汽車受到力和力矩的作用，對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性都有很大的影響。目前，汽車空氣動力學(xué)的研究已經(jīng)從氣動力和力矩擴(kuò)展到更廣闊的方面，包括風(fēng)窗的清潔、降低風(fēng)噪、防止刮水器上浮、制動器冷卻等。通過汽車外部流場的流態(tài)分析，能夠理解車外的重要流動過程，例如車身尾部的氣流分離，后視鏡-側(cè)窗區(qū)域的湍流等。如圖1為汽車的外部流場圖，可以看出汽車在車頂后緣處發(fā)生分離，形成一個很大的滯區(qū)，以及車身尾部的氣流分離。從圖中還可以看出，流線之間不是等間距的，各個流線之間間距的差異，表明了升力的來源。如圖2為后視鏡-前側(cè)窗區(qū)域的流線圖，可以顯示該區(qū)域的湍流。
圖1 汽車的外部流場
圖2 后視鏡-前側(cè)窗區(qū)域的流線
2. 汽車內(nèi)部流場
汽車內(nèi)部流場中的駕駛室氣流是駕駛員以及乘員直接接觸到的氣流，內(nèi)部氣流場還包括對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)考慮消耗最小的功率就可以滿足冷卻氣流的需要。對于駕駛室內(nèi)熱氣流主要有以下幾個作用：
（1）保證通風(fēng)效果，使駕駛室內(nèi)的污染空氣和塵土排出，同時更新呼吸消耗的氧氣。
（2）在汽車外部環(huán)境發(fā)生極大的變化時，保證駕駛室內(nèi)的環(huán)境舒適。冬天要有暖風(fēng)系統(tǒng)，夏天要有冷風(fēng)系統(tǒng)，同時通過駕駛員附近的氣流不要使駕駛員產(chǎn)生不適的感覺。
（3）內(nèi)部氣流必須要流過車窗，確保在冬季時的除霜和除霧效果，以保證駕駛員具有良好的駕駛視野。
3. 內(nèi)外部耦合流場
汽車的外部流場和內(nèi)部流場并不是互相孤立的，通過發(fā)動機(jī)艙的氣流最后也要經(jīng)由底盤的縫隙流入到外部流場中，必然會對外部流場的氣流帶來一定影響，這就是內(nèi)外部耦合流場。
4. 汽車周圍的瞬態(tài)流場
汽車在行駛過程中，速度并不是一直不變的，它的大小和方向要隨著具體的環(huán)境而發(fā)生改變。由于地形地貌復(fù)雜，汽車在實際駕駛時經(jīng)常受到氣動擾流的影響，使汽車周圍的流場隨時間而變化，形成了瞬態(tài)流場，造成這種氣流變化的因素有很多，比如自然風(fēng)、超車、會車等。
二、汽車流場的研究方法
1. 試驗研究方法
汽車流場的試驗方法分為風(fēng)洞試驗和實車道路試驗，風(fēng)洞試驗又分為模型風(fēng)洞試驗和實車風(fēng)洞試驗。
汽車的風(fēng)動使風(fēng)洞試驗可以模擬大氣流動的狀態(tài)，來測試汽車的安全性和操縱穩(wěn)定性，為設(shè)計汽車提供條件。汽車的流場可以通過液態(tài)顯示試驗方法顯示出來。液態(tài)顯示方法就是借助外部的手段讓氣流繞著汽車的流動狀態(tài)顯示出來，能夠觀察汽車流場中的復(fù)雜的湍流等三維運動。流態(tài)顯示試驗可以分為汽車表面流態(tài)顯示和空間流態(tài)顯示。表面流態(tài)顯示常用方法有油膜法和絲帶法；空間流態(tài)顯示多采用煙流法，如圖3所示。
圖3 煙流法示意圖
2. 仿真分析方法
數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用在汽車產(chǎn)品開發(fā)的各個方面，采用的是空間領(lǐng)域內(nèi)有限元分割的流體數(shù)值計算方法，稱為計算流體力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）。CFD本質(zhì)上是將實驗對象放置在虛擬風(fēng)洞中，利用計算機(jī)設(shè)置邊界條件來模擬吹風(fēng)，用以模擬真實的流體流動情況。利用CFD可以模擬風(fēng)洞實驗難以模擬的情況，比如汽車的超車、會車、隊列行駛等情況。
汽車的流場按分布位置可以分為汽車周圍的外部流場、穿過汽車駕駛室以及發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)部流場和汽車零部件如發(fā)動機(jī)、變速器等的內(nèi)部流場。
一、汽車流場分類
1. 汽車外部流場
汽車的外部流場指的是車身表面的流場，使汽車受到力和力矩的作用，對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性都有很大的影響。目前，汽車空氣動力學(xué)的研究已經(jīng)從氣動力和力矩擴(kuò)展到更廣闊的方面，包括風(fēng)窗的清潔、降低風(fēng)噪、防止刮水器上浮、制動器冷卻等。通過汽車外部流場的流態(tài)分析，能夠理解車外的重要流動過程，例如車身尾部的氣流分離，后視鏡-側(cè)窗區(qū)域的湍流等。如圖1為汽車的外部流場圖，可以看出汽車在車頂后緣處發(fā)生分離，形成一個很大的滯區(qū)，以及車身尾部的氣流分離。從圖中還可以看出，流線之間不是等間距的，各個流線之間間距的差異，表明了升力的來源。如圖2為后視鏡-前側(cè)窗區(qū)域的流線圖，可以顯示該區(qū)域的湍流。
圖1 汽車的外部流場
圖2 后視鏡-前側(cè)窗區(qū)域的流線
2. 汽車內(nèi)部流場
汽車內(nèi)部流場中的駕駛室氣流是駕駛員以及乘員直接接觸到的氣流，內(nèi)部氣流場還包括對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)考慮消耗最小的功率就可以滿足冷卻氣流的需要。對于駕駛室內(nèi)熱氣流主要有以下幾個作用：
（1）保證通風(fēng)效果，使駕駛室內(nèi)的污染空氣和塵土排出，同時更新呼吸消耗的氧氣。
（2）在汽車外部環(huán)境發(fā)生極大的變化時，保證駕駛室內(nèi)的環(huán)境舒適。冬天要有暖風(fēng)系統(tǒng)，夏天要有冷風(fēng)系統(tǒng)，同時通過駕駛員附近的氣流不要使駕駛員產(chǎn)生不適的感覺。
（3）內(nèi)部氣流必須要流過車窗，確保在冬季時的除霜和除霧效果，以保證駕駛員具有良好的駕駛視野。
3. 內(nèi)外部耦合流場
汽車的外部流場和內(nèi)部流場并不是互相孤立的，通過發(fā)動機(jī)艙的氣流最后也要經(jīng)由底盤的縫隙流入到外部流場中，必然會對外部流場的氣流帶來一定影響，這就是內(nèi)外部耦合流場。
4. 汽車周圍的瞬態(tài)流場
汽車在行駛過程中，速度并不是一直不變的，它的大小和方向要隨著具體的環(huán)境而發(fā)生改變。由于地形地貌復(fù)雜，汽車在實際駕駛時經(jīng)常受到氣動擾流的影響，使汽車周圍的流場隨時間而變化，形成了瞬態(tài)流場，造成這種氣流變化的因素有很多，比如自然風(fēng)、超車、會車等。
二、汽車流場的研究方法
1. 試驗研究方法
汽車流場的試驗方法分為風(fēng)洞試驗和實車道路試驗，風(fēng)洞試驗又分為模型風(fēng)洞試驗和實車風(fēng)洞試驗。
汽車的風(fēng)動使風(fēng)洞試驗可以模擬大氣流動的狀態(tài)，來測試汽車的安全性和操縱穩(wěn)定性，為設(shè)計汽車提供條件。汽車的流場可以通過液態(tài)顯示試驗方法顯示出來。液態(tài)顯示方法就是借助外部的手段讓氣流繞著汽車的流動狀態(tài)顯示出來，能夠觀察汽車流場中的復(fù)雜的湍流等三維運動。流態(tài)顯示試驗可以分為汽車表面流態(tài)顯示和空間流態(tài)顯示。表面流態(tài)顯示常用方法有油膜法和絲帶法；空間流態(tài)顯示多采用煙流法，如圖3所示。
圖3 煙流法示意圖
2. 仿真分析方法
數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用在汽車產(chǎn)品開發(fā)的各個方面，采用的是空間領(lǐng)域內(nèi)有限元分割的流體數(shù)值計算方法，稱為計算流體力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）。CFD本質(zhì)上是將實驗對象放置在虛擬風(fēng)洞中，利用計算機(jī)設(shè)置邊界條件來模擬吹風(fēng)，用以模擬真實的流體流動情況。利用CFD可以模擬風(fēng)洞實驗難以模擬的情況，比如汽車的超車、會車、隊列行駛等情況。
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