空气动力学复习资料完整版.docx

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空气动力学复习资料完整版

Aerodynamicdragisusuallyinsignificantatlowvehiclespeedbutthemagnitudeofairresistancebecomesconsiderablewithrisingspeed.（气动阻力在低速时并不重要，但随着车速的升高，它将越来越重要）

14.1Viscousairflowfundamentals（粘性气流基本原理）

●Whenairflowsoveranysurface,airparticlesinintimatecontactwiththesurfacelooselyattachthemselvessothatrelativeairvelocityatthesurfacebecomeszero.（与物体表面亲密接触的空气的相对速度为零）

●Therelativeairvelocityfurtheroutfromthesurfacerisesprogressivelybetweenairlayersuntilitattainstheunrestrictedmainairstreamspeed.

（相对空气速度会随着离物体表面距离的增加而增加，直到它达到空气来时的速度）

14.1.1Boundarylayer（边界层）

边界层又叫附面层，是指贴近固壁附近的一部分流动区域，在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。

在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化，速度梯度很大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中。

边界层内的流动也分为层流和紊流，相应的也分为层流边界层和紊流边界层。

对于又有层流又有紊流的边界层又称为混合边界层。

14.1.2Skinfriction（表面摩擦）

●Theskinfrictionistheviscousresistancegeneratedwithintheboundarylayerwhenairflowsoverasolidsurface.（表面摩擦其实就是空气流过固体表面边界层产生的粘性阻力）

●Skinfrictionisdependentonthesurfaceareaoverwhichtheairflows,thedegreeofsurfaceroughnessorsmoothnessandtheairspeed.（表面摩擦取决于空气流过的表面积、表面粗糙或平滑度以及气流速度）

14.1.3Surfacefinish（表面粗糙度）

●Thethicknessoftheboundarylayerisinfluencedbythesurfacefinish.（边界层厚度受表面粗糙度影响）

●Thethickerboundarylayerassociatedwitharoughsurfacewillcausemoreadjacentlayersofairtobesheared,accordinglytherewillbemoreresistancetoairmovementcomparedwithasmoothsurface.（越光滑的表面边界层越薄，而较粗糙表面的边界层更厚，产生的相邻层切变更多，因而阻力越大。

）

14.1.4Venturi（喉管）：

截面收敛处流速增大，压力随之减小。

14.1.5Airstreamlines（空气流线）

●Thesestreamlinesbroadlyfollowthecontourofthebodybutanysuddenchangeinthecar’sshapecompelsthestreamlinestodeviate,leavingzonesofstagnantairpockets.Thefurtherthesestreamlinesarefromthebodythemoretheywilltendtostraightenout.（车身形状的突变将带来流线的破坏，产生滞流气孔区；流线远离车身后将趋于伸直。

）

14.1.6Relativeairspeedandpressureconditionsovertheupperprofileofamovingcar（运动车辆外部轮廓的相对气流速度与压力情况）

可以参考喉管效应来解释，车辆中间上面部分可视为喉管的收敛部分；

车辆上部轮廓：

发动机罩后半部和前挡风窗前部为正压，后挡风窗中部到行李箱后部为正压（Thepressureovertherearhalfofthebonnettothemid-frontwindscreenregionwheretheairstreamspeedisslowerispositive）,其余部分为负压（thepressureoverthefrontregionofthebonnetandparticularlyoverthewindscreen/roofleadingedgeandthehorizontalroofareawheretheairstreamspeedisatitshighesthasanegativepressure）

车辆下部轮廓：

基本为一个较小的负压.

14.1.7Laminaboundarylayer（层流边界层）

在低速流动时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线，此种流

动状态称为在层流

14.1.8Turbulentboundarylayer（紊流边界层）

当流速大时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横

向运动，此种流动状态称为紊流。

14.1.9Lamina/turbulentboundarylayertransitionpoint层流紊流突变点（TP）

●Asthespeedofthevehiclerisesthetransitionpointtendstomovefurthertothefront,thereforelessoftheboundarylayerwillbelaminaandmorewillbecometurbulent;accordinglythiswillcorrespondtoahigherlevelofskinfriction.（车速上升——TP前移——层流减少，紊流增加——表面摩擦阻力上升）

气流再附着

14.1.10Flowseprationandreattachment（气流分离和再附着）

分离气泡

气流分离

除非有轮廓突变，否则气流将紧贴车辆轮廓运动。

流线型车辆的气流在将要到达行李箱位置处才分离，而一般车辆将经历气流分离（发动机罩和前挡风玻璃上），再附着（前挡风玻璃顶部或者车顶的前端），再分离（车顶后端，后挡风玻璃顶部）的过程，从而在发动机罩和前挡风窗间以及后挡风窗和行李箱之间产生分离气泡。

●Thespacebetweentheseparationandreattachmentwillthenbeoccupiedbycirculatingairwhichisreferredtoasaseparationbubble,andifthisrotarymotionisvigorousatransversevortexwillbeestablished.（分离处和再附着处之间充斥着分离气泡，如果旋转运动是剧烈的，那么建立一个横向的漩涡）这个后面会有提到

14.2Aerodynamicdrag（气动阻力）

14.2.1Pressuredrag（压差阻力）

固体前的气流压力>大气压力

产生一个沿气流方向的阻力

固体后的气流压力<大气压力

涡流

●Pressuredragcanbereducedbystreamlininganysolidformexposedtotheairflow,forinstancearoundtube（Fig.14.12（b））encouragestheairtoflowsmoothlyaroundthefronthalfandpartoftherearbeforeflowseparationoccurstherebyreducingtheresistancebyabouthalfthatoftheflatplate.Theresistanceofatubecanbefurtherreducedtoabout15%oftheflatplatebyextendingtherearofthecirculatingtubeintheformofacurvedtaperinglobe,seeFig.14.12（c）.Evenbiggerreductionsinresistancecanbeachievedbyproportioningthetubesection（seeFig.14.12（d））withafinenessratioa/bofbetween2and4withthemaximumthicknessbsetaboutone-thirdbackfromthenose,seeFig.14.12（e）.Thisgivesaflowresistanceofroughlyone-tenthofaroundtubeor5%ofaflatplate。

压差阻力可以通过使暴露在空气流动中的固体外形流线化而降低的。

例如，一个圆管可以使气流在发生分离前平滑地流过它的前半圆以及尾部的一部分，从而减少了大约一半的平板阻力（b图）。

在这基础上延伸一下它的尾部还可以降低15%的平板阻力（c图）。

选择合适的比例a/b，还可以进一步减少阻力。

14.2.2Airresistanceopposingthemotionofavehicle（阻碍车辆运动的空气阻力）

压差阻力仪器

●假设空气微粒撞到平板后速度变为零，通过撞击前后动量的变化求施加在板上的作用力，每秒动量损失为mv=pvAv=pAv²,故理论上板上的作用力为pAv²N

●实际上这个作用力F并非等于pAv²，而是与它成一定比例，即F=Cd*A*v²，Cd为空气阻力系数，取决于受到气流冲击的物体表面的形状。

14.2.3Afterflowwake（尾涡）

●Thisistheturbulentvolumeofairproducedattherearendofaforwardmovingcarandwhichtendstomovewithit.Thewakehasacross-sectionalareaequalapproximatelytothatoftherearverticalbootpanelplustherearwardprojectedareaformedbetweenthelevelatwhichtheairflowseparatesfromthedownwardslopingrearwindowpanelandthetopedgeoftheboot.（在运动中的车辆尾部产生的涡流，趋于与车辆一起运动，从汽车侧面看，包括行李箱的垂直部分加上行李箱顶部与后挡风玻璃连接处对应的部分）

14.2.4Dragcoefficient（空气阻力系数）

●Theaerodynamicdragcoefficientisameasureoftheeffectivenessofastreamlineaerodynamicbodyshapeinreducingtheairresistancetotheforwardmotionofavehicle.（空气阻力系数是衡量流线型车身形状减少运动车辆空气阻力的效果）

●Alowdragcoefficientimpliesthatthestreamlineshapeofthevehicle'sbodyissuchastoenableittomoveeasilythroughthesurroundingviscousairwiththeminimumofresistance;converselyahighdragcoefficientiscausedbypoorstreamliningofthebodyprofilesothatthereisahighairresistancewhenthevehicleisinmotion.

（低的阻力系数表示它的车身轮廓流线型好，有利于汽车克服周围的粘性气体而运动，反之，高的阻力系数将增大前进阻力）

14.2.5Dragcoefficientsandvariousbodyshapes（不同表面形状的阻力系数）

（a）Circularplate:

Airflowisheadon,andthereisanimmediateendonpressuredifference.Flowseparationtakesplaceattherim;thisprovidesalargevortexwakeandacorrespondinglyhighdragcoefficientof1.15

圆盘气流垂直冲击板面，即刻产生一个指向后端的压力差，边缘发生气流的分离，形成较大的尾涡和一个相应较大的阻力系数cd=1.15

（b）Cube:

Airflowisheadonbutaboundarylayeraroundthesidesdelaystheflowseparation;neverthelessthereisstillalargevortexwakeandahighdragcoefficientof1.05.

立方块表面受到气流的垂直冲击，侧面的边界层延缓了气流的分离，但仍有较大的尾涡和比较高的阻力系数cd=1.05

（c）Sixtydegreecone:

Withthepiecingconeshapeairflowstowardsthe

coneapexandthenspreadsoutwardsparalleltotheshapeoftheconesurface.Flowseparationhoweverstilltakesplaceattheperipherytherebyproducingawidevortexwake.Thisprofilehalvesthedragcoefficienttoabout0.5comparedwiththecircularplate

andthecubeblock.（六十度圆锥尖顶的存在使得气流沿圆锥的母线流动，但在底圆的边缘仍旧发生气流的分离，产生较大的尾涡，但其阻力系数相对于圆盘和立方块减少了约一半cd=0.5）

（e）Hemisphere:

Airflowtowardsandoutwardsfromthecentreofthehemisphere.Thecurvatureofthehemispheregraduallyalignswiththemaindirectionofflowafterwhichflowseparationtakesplaceontheperiphery.Forsomeunknownreason（possiblyduetotheverygradualalignmentofsurfacecurvaturewiththedirectionofairmovementneartherim）thehemisphereprovidesalowerdragcoefficientthantheconeandthesphereshapesthis,beingoftheorderof0.42

半球与球形的区别在于半球后部的轮廓曲面的走向与气流方向一致，因而其cd值进一步

下降，cd=0.42

（f）Teardrop（Fig.14.15（f））Iftheproportionoflengthtodiameteriswellchosen,forexample0.25,thestreamlineshapecanmaintainaboundarylayerbeforeflowseparationoccursalmosttotheendofitstail.Thustheresistancetobodymovementwillbemainlyduetoviscousairflowandlittletodowithvortexwakesuction.Withthesecontoursthedragcoefficientcanbeaslowas0.05.

泪滴形只要长度与直径的比例选择得当（0.25），其流线型可保证边界层在气流流经泪滴尾端时才发生分离，运动的阻力主要由气流的粘性作用产生，与尾涡基本无关，cd=0.05

14.2.6Basedrag底部阻力

●由尾涡的负压所引起的阻力

●itisimpracticaltodesignateardropbodywithanextendedtaperingrearend,butifthetailiscutoff（bobtailed）atthepointwheretheairflowseparatesfromthecontourofthebody（seeFig.14.16（b））,thesamevortex（negativepressure）existsasifthetailwaspermittedtoconverge.（设计一个带有逐渐变细的尾部的泪滴形车身是不实际的，但是如果把气流分离处尾部的车身去掉，尾涡还是一样的。

）

14.2.7Vortices（涡流）

圆柱状的旋转气流，边缘的旋转速度最小，而随着半径的增大，旋转速度减小，中心附近的旋转速度最大；粘性切变产生于静态的中心和快速运动的外层气旋之间的相邻层上，因而涡流内的压力低于大气压，中心附近的压力要更低一些。

14.2.8Trailingvortexdrag（后缘涡流阻力）

●Theairpressurewillthereforebehigherintheslowerunderfloorairstreamthanthatforthefasterairstreammovingoverthetopsurfaceofthecar.Nowairmovesfromhightolowpressureregionssothatthehighpressureairstreamunderneaththecarwilltendtomovediagonallyoutwardsandupwardstowardsthelowpressureairstreamflowingoverthetopofthebodysurface（seeFig.14.18（b））.Boththelowerandtheupperairstreamseventuallyinteractalongtheside-to-topprofileedgesonoppositesidesofthebodytoformaninwardrotaryairmotionthatcontinuestowhirlforsomedistancebeyondtherearendoftheforwardmovingcar,seeFig.14.18（aandb）.Themagnitudeandintensityofthesevorticeswilltoagreatextentdependupontherearstylingofthecar.Thenegative（belowatmospheric）pressurecreatedinthewakeofthetrailingvorticesattherearofthecarattemptstodrawitbackintheoppositedirectiontotheforwardpropellingforce;thisresistanceisthereforereferredtoasthe`trailingvortexdrag'（车辆底部气流压力大于顶部，高压气流向低压区移动，于是底部气流斜向朝外往车顶运动，在车辆的侧面和顶面交际处产生一个向内的旋转气流，这样的气流在离开车辆后端一段距离之后仍能保持运动，其大小很大程度上取决于车辆的尾部样式，后缘涡流的负压将使车辆的运动受阻，这个阻力就是后缘涡流阻力。

）

14.2.9Attachedtransversevortices（附加横向涡）

●Separationbobbleswhichformbetweenthebonnet（hood）andfrontwindscreen,therearscreenandboot（trunk）lidandthebootandrearlightpanelten