《汽车空气动力学-教学ppt课件--第三章-汽车空气动力学基础.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车空气动力学-教学ppt课件--第三章-汽车空气动力学基础.pptx（78页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、KQ3 主编第三章汽车空气动力学基础第一节流体的性质第二节流体阻力的理论第三节汽车的绕流特性第一节流体的性质一、真实流体和理想流体二、流体的密度、压强和温度三、流体的压缩性和膨胀性四、流体的粘性五、流体的面积热流量一、真实流体和理想流体真实流体与理想流体的主要差别如下：1)在速度分布不均匀的流场中，真实流体的质点与质点之间有切应力作用，而理想流体没有。2)在温度分布不均匀的流场中，真实流体的质点与质点之间有热量的传递，而理想流体没有。3)真实流体附着于固体表面，即在固体表面上的流体流速与固体的速度相同，而理想流体在固体表面上发生相对滑移。4)真实流体在固体表面上具有与固体相同的温度，而理想流体
2、在固体表面上与固体之间发生温度突跃。二、流体的密度、压强和温度1.密度2.压力3.温度4.完全气体的状态方程1.密度流体单位体积的质量称为其密度，以表示，流体的密度定义为：（3-1）2.压力流体的压力p定义为单位面积上的法向力，其单位是N/m2(或Pa)。在流场中，压力p的大小将随位置及时间而改变。3.温度温度表示流体的冷热程度，常用的温度表示法有两种，一为摄氏温度t()，另一为热力学温度T，两者的换算公式为：（3-2）4.完全气体的状态方程大量试验结果表明，气体的密度、压力和温度三者不是相互独立的，而是存在一定的关系。如果气体分子的体积与分子间的作用力可以忽略不计，则可视为完全气体，三者的关
3、系可用完全气体状态方程表示为：（3-3）三、流体的压缩性和膨胀性如果温度不变，流体的体积随压力增加而缩小，这种特性称为流体的压缩性。通常用压缩率表示。它指的是在温度不变时，压力增加一个单位，流体体积的相对缩小量，即（3-4）三、流体的压缩性和膨胀性 流体压缩率的倒数就是流体的弹性模量E。它指的是流体的单位体积的相对变化所需要的压力增量，即（3-5）（3-6）如果压力不变，流体的体积随温度升高而增大，这种特性称为流体的膨胀性。通常用体胀系数V表示。它指的是在压力不变时，温度增加一个单位，流体体积的相对增大量，即四、流体的粘性图3-1流体的粘性四、流体的粘性根据平行于平面流的牛顿定律有：在流动的问
4、题里，惯性力总是和粘性力并存的，和往往以/的组合形式出现：（3-7）（3-8）五、流体的面积热流量流体的特性是与它的导热能力相联系的，面积热流量就是相应于温度梯度的热量变动，由傅里叶定律：试验表明，大多数接近完全气体的气体，其导热系数与粘度几乎成正比，因而可以定义一个无量纲量Pr，即（3-9）（3-10）第二节流体阻力的理论一、流体阻力的试验现象二、流体运动的基础方程三、钝体物体的阻力理论一、流体阻力的试验现象(一)圆柱体与流线形物体的流态与阻力(二)流场中物体阻力的理论(一)圆柱体与流线形物体的流态与阻力图3-2置于理想流体中的圆柱体的流动a)Re1b)Re10c)Re100d)Re1000
5、(一)圆柱体与流线形物体的流态与阻力图3-3 置于理想流体中的流线体的流动a)Re1b)Re1(二)流场中物体阻力的理论用普朗特(Prandtl)的边界层理论，可完全解决第一个问题，即以圆柱体为代表的“钝头体”的问题。对于“钝头体”的低速状态，即对应于图3-2a、b所示的状态，可用纯理论的阻力计算法，求出其阻力；而对于图3-2c、d所示的状态，只能根据一定程度的经验事实作出假定，而引入半经验的理论。首先，引入雷诺数这一重要的无量纲系数（3-11）二、流体运动的基础方程(一)不可压缩流体的基础方程(二)低速流动，Re1(三)高速流动：Re1000(四)Re的定常流：层流状态(五)Re的湍流状态(
6、一)不可压缩流体的基础方程1)无限远处为定常流，即（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）(二)低速流动，Re1由式(3-14)可见，表示左边的加速度项是关于未知数v的二次方程，解这个方程是很难的。因此，用关于低速流动的假设，忽略关于v的二次项，则（3-18）（3-19）（3-20）（3-21）与能解决Re1的情况相反，考虑Re1000的极限情况。由Re数的定义可知：Re，这意味着0，而纳维尔斯托克斯(Nawron-Strokes)方程式(3-12)中，0时，得出(三)高速流动：Re1000（3-22）(三)高速流动：Re10001)亥姆霍兹(Hemholtz)的涡定理：在完全气体中涡
7、既不能产生，也不能消灭。2)达朗贝尔(Dalembert)疑题：置于完全气体的定常流中的物体，作用在其外表面上的压力之和等于零。(三)高速流动：Re1000根据亥姆霍兹的涡定理，流动中没有涡(rotv=0)，则流速矢量一般为：用速度势表示，并与连续方程式(3-13)组合，则得：式(3-24)的边界条件为和物体表面（3-23）（3-24）（3-25）（3-26）图3-4边界层的流动但因为层的厚度非常薄，不需要考虑压力p沿法线方向的变化，在层的外缘及无涡流动的内缘中的压力不可能相等，故对边界层，纳维尔斯托克斯方程式用：根据边界层方程式(3-27)和连续方程式(3-13)确定边界层的流动，即（3-2
8、7）（3-28）图3-5复杂涡流的流动(四)Re的定常流：层流状态1.流线体的阻力分析2.钝头体的阻力分析1.流线体的阻力分析首先，按照完全气体无涡的流动状态，计算出给定物体周围的流场，可得出物体表面的压力分布p(x)。用边界层方程式(3-27)和连续方程式(3-28)求出摩擦应力(x)和边界层的厚度(x)。2.钝头体的阻力分析图3-6钝头体(垂直放置于流体中的平板)的流动2.钝头体的阻力分析图3-7死水区的流动2.钝头体的阻力分析Re时的阻力系数为（3-29）（3-30）(五)Re的湍流状态图3-8平板背后的复杂流动三、钝体物体的阻力理论图3-9液态显示的一例a)水，流速0.20cm/s，圆
9、柱直径10mm，Re19，电解沉淀法铝粉法b)水，流速0.25cm/s，圆柱直径10mm，Re26，铝粉法c)水，流速0.55cm/s，圆柱直径10mm，Re55，铝粉法d)水，流速1.5cm/s，圆柱直径10mm，Re140，电解沉淀法三、钝体物体的阻力理论根据试验作如下假定(图3-9)：1)区域是无涡的流动；2)区域中平均流为涡粘性的定常流。那么，纳维尔斯托克斯方程式变为如下条件：1)在图3-10中，物体的前面区域中没有涡，即rotv0。2)在图3-10中，物体的背面区域中没有滑动。在上述条件下，存在如何确定涡的粘着率的问题。对各种形式的湍流运动，引用“有效雷诺数”的概念。有效雷诺数（3-
10、31）图3-10湍流流动三、钝体物体的阻力理论第三节汽车的绕流特性一、外部流问题二、流场中颗粒的运动三、内部流问题四、汽车外部绕流与内部绕流的关系第三节汽车的绕流特性图3-11汽车的外部流汽车的形状和雷诺数影响着汽车的粘性流特性。对于汽车，雷诺数是表征汽车周围粘性流特性的无量纲系数，即内部粘性流的改善，也取决于雷诺数，即第三节汽车的绕流特性（3-32）（3-33）一、外部流问题(一)非粘性不可压流体的方程(二)非粘性不可压流体的基本方程的应用(三)粘性的影响(四)特殊问题(一)非粘性不可压流体的方程图3-12内部流(一)非粘性不可压流体的方程根据质量守恒定律，对不可压流体(常数)最简单的表达形
11、式是：对不可压气体的动量方程沿流的积分得：汽车周围的所有流线都是从自由流开始，静压为p，流速为v，所以总压力为（3-34）（3-35）（3-36）(一)非粘性不可压流体的方程图3-13汽车的二维流场(二)非粘性不可压流体的基本方程的应用（3-37）（3-38）（3-39）（3-40）(二)非粘性不可压流体的基本方程的应用图3-14静压皮托管(三)粘性的影响1.边界层2.层流与湍流的转变3.流场、流线和流谱4.摩擦阻力5.压差阻力图3-15沿平板表面的边界层1.边界层1.边界层在图3-15中，由于BC所表示的过渡段极短，所以B点与C点为同一点。此外，图中y方向的尺寸被放大。根据粘性公式（3-41
12、）2.层流与湍流的转变图3-16表面边界层的分离示意图2.层流与湍流的转变在层流边界层内，粘性流在平板表面没有滑动，边界层气流稳定，其流向基本平行于平板。层流边界层的厚度，沿流线方向按下式增长，即层流边界层的厚度，沿流线方向按下式增长，即分离点A满足条件（3-42）（3-43）（3-44）3.流场、流线和流谱流场指的是流动在进行着的空间，是指流动参数的分布情况和随时间的变化情况，例如速度场、压力场和温度场等，其中速度场最重要。这些场均是位置和时间的函数，即流线按流线的定义，流线的微段ds的三个分量dx、dy、dz和流速的三个分量vx、vy、vz有如下的关系（3-45）（3-46）（3-47）（
13、3-48）3.流场、流线和流谱图3-17流场3.流场、流线和流谱图3-18流线3.流场、流线和流谱图3-19 流管4.摩擦阻力如果在壁面附近的粘性流体存在着速度梯度du/dy，则在物体的表面上将会产生切应力w，如图3-20所示。在自由流方向上定义一个无量纲的阻力系数为 动压（3-49）（3-50）（3-51）4.摩擦阻力图3-20在二维流动中的阻力分析4.摩擦阻力对于层流边界层，气动阻力系数为对于湍流边界层，气动阻力系数的近似公式为对于更大的雷诺数，气动阻力系数的近似公式为（3-52）（3-53）（3-54）4.摩擦阻力图3-21平板与翼面的气动阻力系数与雷诺数R的关系4.摩擦阻力对图3-21
14、的转变过程分析后，得出如下结论：1)在湍流边界层中，摩擦阻力要比层流中大得多。这是因为湍流边界层中湍流汇合，大的速度梯度使得壁面附近的气流速度范围比层流中大得多。2)在湍流边界层中，摩擦阻力随表面粗糙度值的增加而增加。随着相对粗糙度KS/l的增大，阻力系数也增大。粗糙平板与钝头体的阻力系数随雷诺数变化的特性相同。3)摩擦阻力Df主要取决于雷诺数。摩擦阻力的大小，与物体的表面粗糙度和物体的雷诺数直接有关。一般说来，表面粗糙度值越小，雷诺数越大，摩擦阻力就越小。图3-22圆柱体压力分布的情况5.压差阻力5.压差阻力对自由流分量进行积分，得出与式(3-31)相对应，一般气动阻力为对于钝头体，气动阻力
15、系数为（3-55）（3-56）（3-57）5.压差阻力图3-23钝头体的气动阻力系数变化与雷诺数的关系(四)特殊问题1.气动噪声2.气动弹性1.气动噪声 汽车的绕流是在周期性的气流分离中，涡从车身的两侧拖出。这些涡在尾部顺气流方向移动，并且可以看出它们拖出很长的距离。在随涡移动的坐标系中，可以发现规则的涡系，称为卡门涡。由于周期性涡的产生，整个流场是不稳定的，在流场的某一点，所有流的分量都随着车身的涡分离频率n发生变化，无量纲频率是一个重要的参数Sr(Strouhal)，即（3-58）1.气动噪声图3-24 流经物体气流的斯特劳哈尔数与雷诺数的关系2.气动弹性(1)静态弹性由于气动载荷引起变形
16、，而新的几何形状又修正了气动力，最后的变形使得气动力与弹性平衡。(2)动态弹性由动态弹性作用产生的振颤，会使弹性系统出现突发的不稳定性。图3-25包含热和阻尼振荡的能量平衡2.气动弹性二、流场中颗粒的运动图3-26在流场中的微粒运动a)速度矢量b)作用力二、流场中颗粒的运动绕流流场中，任意一点的局部流vs与流线相切，而颗粒的vp与飞行路线相切，所以颗粒周围的气流是由相对速度决定的，即（3-59）（3-60）（3-61）（3-62）三、内部流问题1.基本方程2.内部流理论的应用1.基本方程首先，对于图3-12，质量守恒定律可以写作它表示沿x方向，通过截面S(x)的质量是恒定的，引入平均速度则连续
17、方程可以写作（3-63）（3-64）（3-65）1.基本方程图3-27管中流体的湍流和层流考虑p，伯努利方程扩展为二、流场中颗粒的运动（3-66）（3-67）（3-68）2.内部流理论的应用气流流入管子某一距离后，整个截面的速度分布将不再改变，满足方程式(3-65)。对于一个水平管，h1=h2、vm1=vm2，则方程式(3-67)变为（3-69）（3-70）（3-71）（3-72）2.内部流理论的应用（3-73）（3-74）（3-75）（3-76）（3-77）图3-28尼古拉兹试验曲线四、汽车外部绕流与内部绕流的关系汽车的外部绕流和内部绕流是紧密相连的。例如：发动机冷却系利用汽车前部滞留区和底部低压区之间的外部流压差，吸入冷却气流。驾驶室内的通风系统利用汽车风窗前的滞留区和出风口之间在驾驶室后部的压力差进行空气调节。