汽車流場分類與研究方法丨AutoAero202026期

2020-12-03 騰訊網

流場是指在進行著的空間裡流動參數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，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動機艙的內部流場和汽車零部件如發動機、變速器等的內部流場。

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、經濟性和操縱穩定性都有很大的影響。目前，汽車空氣動力學的研究已經從氣動力和力矩擴展到更廣闊的方面，包括風窗的清潔、降低風噪、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，後視鏡-側窗區域的湍流等。如圖1為汽車的外部流場圖，可以看出汽車在車頂後緣處發生分離，形成一個很大的滯區，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為後視鏡-前側窗區域的流線圖，可以顯示該區域的湍流。

圖1汽車的外部流場

圖2後視鏡-前側窗區域的流線

2. 汽車內部流場

汽車內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，內部氣流場還包括對冷卻系統的設計，應考慮消耗最小的功率就可以滿足冷卻氣流的需要。對於駕駛室內熱氣流主要有以下幾個作用：

（1）保證通風效果，使駕駛室內的汙染空氣和塵土排出，同時更新呼吸消耗的氧氣。

（2）在汽車外部環境發生極大的變化時，保證駕駛室內的環境舒適。冬天要有暖風系統，夏天要有冷風系統，同時通過駕駛員附近的氣流不要使駕駛員產生不適的感覺。

（3）內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. 內外部耦合流場

汽車的外部流場和內部流場並不是互相孤立的，通過發動機艙的氣流最後也要經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，這就是內外部耦合流場。

4. 汽車周圍的瞬態流場

汽車在行駛過程中，速度並不是一直不變的，它的大小和方向要隨著具體的環境而發生改變。由於地形地貌複雜，汽車在實際駕駛時經常受到氣動擾流的影響，使汽車周圍的流場隨時間而變化，形成了瞬態流場，造成這種氣流變化的因素有很多，比如自然風、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洞試驗和實車道路試驗，風洞試驗又分為模型風洞試驗和實車風洞試驗。

汽車的風動使風洞試驗可以模擬大氣流動的狀態，來測試汽車的安全性和操縱穩定性，為設計汽車提供條件。汽車的流場可以通過液態顯示試驗方法顯示出來。液態顯示方法就是藉助外部的手段讓氣流繞著汽車的流動狀態顯示出來，能夠觀察汽車流場中的複雜的湍流等三維運動。流態顯示試驗可以分為汽車表面流態顯示和空間流態顯示。表面流態顯示常用方法有油膜法和絲帶法；空間流態顯示多採用煙流法，如圖3所示。

圖3煙流法示意圖

2. 仿真分析方法

數值模擬技術應用在汽車產品開發的各個方面，採用的是空間領域內有限元分割的流體數值計算方法，稱為計算流體力學方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）。CFD本質上是將實驗對象放置在虛擬風洞中，利用計算機設置邊界條件來模擬吹風，用以模擬真實的流體流動情況。利用CFD可以模擬風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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