流体力学在汽车车身设计中的应用

卢红举　万剑峰

摘要：在汽车的车身设计中，汽车行驶中的阻力需要全面的考虑。由于流体力学的发展，在汽车设计中可以借助流体力学优化车身的设计。

关键词：汽车设计；流体力学；技术应用

流体力学主要是研究物体在流动状态下的受力情况。近年来由于流体力学和数理分析的融合，流体工程得到了快速地发展，推动了多个行业的发展。在汽车制造领域，借助流体力学可以优化车身的设计，降低车身的空气阻力，提高燃油的经济性。

1 借助流体力学分析汽车的空气阻力

汽车在行驶过程中，会受到空气的阻力，空气阻力和汽车行驶的方向相反，由于阻力的存在，影响汽车行驶时的燃油消耗。空气阻力分为两种，分别是摩擦阻力和压力阻力，而期中压力是空气阻力的主要组成部分，通常所占的比例可以达到90%以上，对汽车的行驶产生影响。空气具有流动性，并且空气有粘性，粘性物质在发生流动时层和层之间会发生作用。汽车行驶时，空气和车身接触在车身表面会有切向力产力，这种情况产生了摩擦阻力，摩擦阻力是汽车在行驶时产生的分力；车身的表面存在法向压力，这些合力形成了压力阻力，阻力可以分为多种形式，如形状、干扰、内循环和诱导等。在所有的阻力中，形状阻力起到了最主要的作用，因此这也是构成压力阻力的主要内容，形状阻力和车身的形状有关，汽车的空气阻力主要和车身的形状有关；干扰阻力与车身的表面凸起形状有关。内循环阻力是车体内部空气流动时产生的阻力；诱导阻力是由于空气在车顶和车底的流动速度差产生的。

空气阻力可以直接影响到汽车的油耗，因此为了降低汽车的油耗就要尽可能降低汽车在行驶时的空气阻力，油耗的降低可以降低有害物的排放，汽车的行驶成本也可以降低。空气阻力和阻力系数有着直接的关系。在当前的汽车设计中，计算空气阻力通常采用流体仿真的方式，依据动力学，建立流体物理模型，分析流体运动时的阻力情况。当前，由于计算机技术的发展，可以借助软件完成相关的分析。

2 借助流体力学分析汽车的表面压力

汽车在行驶中，车身前方的气流要和车身发生作用，由于气流产生的阻力，汽车的行驶速度会降低，由于气流会产生压力作用，车头部位会有正压区存在。正压区的气流可以分成两部分，一部分气流会顺着发动机罩和前挡风玻璃向后方流走；而另一部分气流会经过车身的下部流向车尾。上部的气流会车身的缘角区域产生吸力，气流会附在发动机罩的表面。

由于分析汽车外形的气流变化过程非常复杂，因此可以借助计算流体力学，这门学科借助计算机的数值分析完成流体力学的相关分析和科学。在专用软件的支持下，汽车的气动分析可以直观化。软件通过对车身流体的计算，可以精确地显示出车身外部的气流分布，汽车表面的压力可以数据化。

3 借助流体力学分析汽车的气动升力

汽车行驶中的气动升力和飞机近似。由于汽车在行驶中和地面直接接触，地面效应会直接影响到气动升力。气动升力可以分为两种不同的类型，压差升力与粘性升力。压差升力是气动升力中的主要组成部分。压差升力和汽车车身的表面曲率变化有关，上下表面由于压力差因此产生升力；此外汽车在行驶时底部与地面会产生气流通道，汽车的底部因此产生负升力。

汽车的气动升力和车速有着直接的关系，并且会影响到汽车的穩定性和经济性。由于存在气动升力，汽车轮胎对于地面的摩擦力降低，汽车的动力和制动因此受到了影响。由于存在气动升力，轮胎的侧向摩擦力会降低，操纵的稳定性因此受到了影响。

汽车在高速行驶的状态下，气动力会直接影响到汽车的性能。由于行驶速度的增加，汽车受到的阻力会随气动升力的影响发生变化。特别是汽车在高速状态下，气动升力的影响更为直接，会直接影响到行车安全。

在汽车设计中，流体力学中的受力分析主要针对于空气。车身的气流变化会依据流体质量守恒。流体力学的计算基础是通过控制方程完成车身四周的流场变化分析。对于气动阻力和气动升力理论分析借助伯努利流体方程。理论分析中要结合实际分析雷诺数的影响和流态的直接作用；对于气流的实际计算也要依据通过气动力学建立的流体模型。

4 借助流体力学分析汽车的气动侧力

汽车在高速行驶时，会存在气动侧力的影响。理想条件下，气流和汽车的纵向平行时，气动侧向力不会产生。但实际的情况是，汽车在行驶中气流难以和汽车的纵向保持平行。如果气流和汽车有横向偏角存在时，汽车有气动侧向力存在。引发侧向力主要是由于侧向气流的作用。在汽车的行驶中，侧向气流的状况比较复杂，如阵风、超车等都会产生侧向气流。

气动侧力对于汽车的影响是多方面的，汽车由于侧向风的作用，车身的侧面会存在强烈的气流。由于气流的作用影响到车身的涡流状态，如果气流区面积的增大，车身在正前方受到的阻力会增大，汽车在直线行驶中容易发生偏移，产生安全隐患，所以汽车设计中要考虑到气动侧力的影响。行驶中的汽车还会受到侧向风的影响，通过计算流体动力学可以分析侧向风的状态，可以获取瞬态发生的变化，有助于深层次的研究行驶中气动性。

5 结语

在当前的汽车车身设计中，由于发动机性能的提升，汽车的设计速度也在提升。而汽车的空气阻力会直接影响到燃油经济性。借助流体力学可以有效分析出汽车在行驶中的受力情况。由于计算机技术的发展，借助相关的软件可以完成流体分析，通过分析有助于提升汽车设计的效果。

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基金项目：河南省科技攻关项目（162102210067）