流體力學在汽車車身設計中的應用

盧紅舉　萬劍峰

摘要：在汽車的車身設計中，汽車行駛中的阻力需要全面的考慮。由于流體力學的發展，在汽車設計中可以借助流體力學優化車身的設計。

關鍵詞：汽車設計；流體力學；技術應用

流體力學主要是研究物體在流動狀態下的受力情況。近年來由于流體力學和數理分析的融合，流體工程得到了快速地發展，推動了多個行業的發展。在汽車制造領域，借助流體力學可以優化車身的設計，降低車身的空氣阻力，提高燃油的經濟性。

1 借助流體力學分析汽車的空氣阻力

汽車在行駛過程中，會受到空氣的阻力，空氣阻力和汽車行駛的方向相反，由于阻力的存在，影響汽車行駛時的燃油消耗。空氣阻力分為兩種，分別是摩擦阻力和壓力阻力，而期中壓力是空氣阻力的主要組成部分，通常所占的比例可以達到90%以上，對汽車的行駛產生影響。空氣具有流動性，并且空氣有粘性，粘性物質在發生流動時層和層之間會發生作用。汽車行駛時，空氣和車身接觸在車身表面會有切向力產力，這種情況產生了摩擦阻力，摩擦阻力是汽車在行駛時產生的分力；車身的表面存在法向壓力，這些合力形成了壓力阻力，阻力可以分為多種形式，如形狀、干擾、內循環和誘導等。在所有的阻力中，形狀阻力起到了最主要的作用，因此這也是構成壓力阻力的主要內容，形狀阻力和車身的形狀有關，汽車的空氣阻力主要和車身的形狀有關；干擾阻力與車身的表面凸起形狀有關。內循環阻力是車體內部空氣流動時產生的阻力；誘導阻力是由于空氣在車頂和車底的流動速度差產生的。

空氣阻力可以直接影響到汽車的油耗，因此為了降低汽車的油耗就要盡可能降低汽車在行駛時的空氣阻力，油耗的降低可以降低有害物的排放，汽車的行駛成本也可以降低。空氣阻力和阻力系數有著直接的關系。在當前的汽車設計中，計算空氣阻力通常采用流體仿真的方式，依據動力學，建立流體物理模型，分析流體運動時的阻力情況。當前，由于計算機技術的發展，可以借助軟件完成相關的分析。

2 借助流體力學分析汽車的表面壓力

汽車在行駛中，車身前方的氣流要和車身發生作用，由于氣流產生的阻力，汽車的行駛速度會降低，由于氣流會產生壓力作用，車頭部位會有正壓區存在。正壓區的氣流可以分成兩部分，一部分氣流會順著發動機罩和前擋風玻璃向后方流走；而另一部分氣流會經過車身的下部流向車尾。上部的氣流會車身的緣角區域產生吸力，氣流會附在發動機罩的表面。

由于分析汽車外形的氣流變化過程非常復雜，因此可以借助計算流體力學，這門學科借助計算機的數值分析完成流體力學的相關分析和科學。在專用軟件的支持下，汽車的氣動分析可以直觀化。軟件通過對車身流體的計算，可以精確地顯示出車身外部的氣流分布，汽車表面的壓力可以數據化。

3 借助流體力學分析汽車的氣動升力

汽車行駛中的氣動升力和飛機近似。由于汽車在行駛中和地面直接接觸，地面效應會直接影響到氣動升力。氣動升力可以分為兩種不同的類型，壓差升力與粘性升力。壓差升力是氣動升力中的主要組成部分。壓差升力和汽車車身的表面曲率變化有關，上下表面由于壓力差因此產生升力；此外汽車在行駛時底部與地面會產生氣流通道，汽車的底部因此產生負升力。

汽車的氣動升力和車速有著直接的關系，并且會影響到汽車的穩定性和經濟性。由于存在氣動升力，汽車輪胎對于地面的摩擦力降低，汽車的動力和制動因此受到了影響。由于存在氣動升力，輪胎的側向摩擦力會降低，操縱的穩定性因此受到了影響。

汽車在高速行駛的狀態下，氣動力會直接影響到汽車的性能。由于行駛速度的增加，汽車受到的阻力會隨氣動升力的影響發生變化。特別是汽車在高速狀態下，氣動升力的影響更為直接，會直接影響到行車安全。

在汽車設計中，流體力學中的受力分析主要針對于空氣。車身的氣流變化會依據流體質量守恒。流體力學的計算基礎是通過控制方程完成車身四周的流場變化分析。對于氣動阻力和氣動升力理論分析借助伯努利流體方程。理論分析中要結合實際分析雷諾數的影響和流態的直接作用；對于氣流的實際計算也要依據通過氣動力學建立的流體模型。

4 借助流體力學分析汽車的氣動側力

汽車在高速行駛時，會存在氣動側力的影響。理想條件下，氣流和汽車的縱向平行時，氣動側向力不會產生。但實際的情況是，汽車在行駛中氣流難以和汽車的縱向保持平行。如果氣流和汽車有橫向偏角存在時，汽車有氣動側向力存在。引發側向力主要是由于側向氣流的作用。在汽車的行駛中，側向氣流的狀況比較復雜，如陣風、超車等都會產生側向氣流。

氣動側力對于汽車的影響是多方面的，汽車由于側向風的作用，車身的側面會存在強烈的氣流。由于氣流的作用影響到車身的渦流狀態，如果氣流區面積的增大，車身在正前方受到的阻力會增大，汽車在直線行駛中容易發生偏移，產生安全隱患，所以汽車設計中要考慮到氣動側力的影響。行駛中的汽車還會受到側向風的影響，通過計算流體動力學可以分析側向風的狀態，可以獲取瞬態發生的變化，有助于深層次的研究行駛中氣動性。

5 結語

在當前的汽車車身設計中，由于發動機性能的提升，汽車的設計速度也在提升。而汽車的空氣阻力會直接影響到燃油經濟性。借助流體力學可以有效分析出汽車在行駛中的受力情況。由于計算機技術的發展，借助相關的軟件可以完成流體分析，通過分析有助于提升汽車設計的效果。

參考文獻：

[1]方小琴.流體力學在汽車車身設計中的應用[J].四川職業技術學院學報，2016，（06）：7273.

[2]張潔，張明山，范萍華，李成峰.空氣動力學對汽車性能的影響[J].拖拉機與農用運輸車，2016，（05）：2728.

[3]張林楠.計算流體力學軟件在汽車氣動問題研究中的應用[J].重慶電子工程職業學院學報，2016，（02）：105106.

[4]張林鳳.汽車空氣阻力和散熱性能的仿真及優化[J].汽車科技，2015，（2）：2122.

基金項目：河南省科技攻關項目（162102210067）