流体力学在车辆设计的应用研究

衡展鹏 郭康龙 周擎 赵世佳 商泽民

摘要：现代汽车设计中，车辆的设计速度和公路允许的行车速度越来越快，空气阻力是影响车辆动力性、燃油经济性等汽车性能的重要影响因素，汽车的安全性能是当今人们高质量生活水平能得以保证的前提。流体力学与汽车设计相关知识的交叉，将对汽车实车造型与分析评价产生重大影响，逐渐成为汽车产品开发、设计的主要理论知识。

关键词：流体力学 车辆设计 车身

一、流体力学的定义概述分析

流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动（包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学;从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。

二、降低汽车行驶过程中遇到的空气阻力

汽车在行驶中会受到滚动阻力、空气阻力、坡路阻力以及加速阻力等各种阻力的作用，其中的空气阻力指汽车行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。空气阻力是一个变量，它的大小其与车速成正比，车速越快空气阻力越大。車速在30km/h以下的时候，空气阻力只占总阻力很小的一部分;当车速超过80km/h的时候，空气阻力大约占总阻力的50%以上，成为车辆需要克服的首要阻力;当当车速超过120km/h的时候，空气阻力大约占总阻力的80%以上;当车速超过160km/h的时候，空气阻力大约占总阻力的95%以上，其它阻力几乎可以忽略不计了。

另外汽车的外形、表面光洁度、车表面各种突出物、底盘的平整度等也会影响空气阻力。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。由于空气阻力会极大的影响汽车的行驶性能和油耗，因此各大车企都极为重视汽车外形的设计。评价汽车空气阻力的主要参数是汽车的风阻系数，现在的轿车风阻系数一般都在0.28左右，最低的可以做到0.24，SUV车型的风阻系数一般在0.32左右，这也是SUV车型油耗更高的原因之一;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。 结合着汽车的外形演变加以分析，可以明确流体力学对汽车车身的设计影响。伴随着车速的稳步提升，汽车的外形除了结合机械工程学和人机工程学等基本学科之外，还应该重视空气动力学的相关问题，以便减小阻力。

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。

三、可视化数据让汽车稳定性提高

结合着汽车的外形构造来说，应该在考虑行车稳定的前提下，正视下压力的相关问题，尤其是在高速场合。利用流线型的设计可以有效改变空气对于车体上部及地盘下部的气流流速，这样可以适当的控制好相应的下压力。赛车在高速拐弯或者是进行急加速的时候，应该重视轮胎对于地面本身的附着力，这样才能避免出现打滑的问题。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。

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。

四、降低汽车的气动升力

纵观世界汽车的发展史，我们可以看出现代汽车车身形式的发展是沿着马车、箱型、流线、船型、鱼型和楔形车身一步步发展而来的。这个发展过程很大程度上是取决于当时的科技水平和物质条件，而推动汽车车身发展 的就是我们的流体力学，准确的说应该是流体力学的一个分支空气动力学。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。流体力学是人们在利用流体的过程中逐渐形成的一门学科，它起源于阿基米德对浮力的研究，由于数理学科和流体工程学科相互推动而得到发展。现如今已经成为航空航天、车辆、机械、环境生物等工程学科的基础之一。通过对流体力学的基础理论的学习，结合汽车工况，发现流体力学在汽车设计中具有重要的应用。

首先我们先说明下伯努利原理。伯努利原理实质是流体的机械能守恒，即：动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。即由不可压、理想流体沿流管作定常流动时，流动速度增加，流体的静压将减小;反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。空气质点流经上表面的路程比下表面的路程长，而流经后的空气质点又必须同时在机翼后缘汇合，因此流经上翼面的空气质点速度比流经下翼面的空气质点速度高。根据伯努利定理可知，上翼面的静压比下翼面的静压小，从而在上下翼面间产生压差。这也就是气动升力产生的基本原理。随着科技的进步“流体力学”在汽车的研究设计中的应用越来越广泛，从汽车车身的变化史中我们不难看出，汽车车身的每一次变革都和流体力学息息相关.未来的汽车朝着智能、低碳环保的方向发展，通过科技的不断进步和流体力学的进一步发展，人们对车身的要求将越来越高，将会有更多更好的车身形式出现。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稳定性和经济性。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;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。

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。

参考文献：

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[2]黄泰明，谷正气，丰成杰，陈阵.不同波长瞬态侧风对汽车气动性能影响分析[J].中国机械工程，2016，27（22）：3111-3117.