汽车空气动力学基础

一、课程介绍

《汽车空气动力学》是工业设计专业的学科基础课，是一门理论性和实用性很强的课程。本课程首先介绍了汽车空气动力学的基本概念、重要性和汽车空气动力学的发展历史，分析了汽车气动力和力矩的产生及其对汽车性能的影响，根据流体力学基本原理，并结合汽车的扰流特性，阐释了汽车外形与空气动力特性的关系。系统介绍了汽车空气动力学设计准则和设计方法，给出最佳气动外形设计的几条原则，用来指导汽车车身设计。通过对汽车发动机冷却系的空气动力特性以及驾驶室的通风特性的分析，提出了汽车发动机冷却系的设计原则和保障车室环境舒适性的措施。通过对汽车空气动力学噪声的产生与传播机理的讲述，阐述了汽车上产生气动噪声的关键部件，并提出一些降低气动噪声的设计措施。汽车空气动力学试验是进行汽车空气动力学研究的重要手段，通过系统介绍汽车风洞的发展历程、汽车风洞分类、表征风洞特征的基本参数等，并通过两次在汽车风洞试验室的参观实践，使学生切实了解汽车空气动力学试验的基本方法和各种测试设备。最后结合流体力学数值计算技术的发展，介绍了汽车空气动力学数值计算的方法、CFD在汽车空气动力学中的应用，使学生了解进行流体力学数值计算的整个求解过程。

 

Introduction

 

The course of “Automotive Aerodynamics” is one of selective courses for the specialty of Industrial Design that is Auto Body Engineering and it’s a theoretical and practical course. It introduces the basic concepts, the developing history, and the importance of automotive aerodynamics; and the detailed knowledge about the analysis of the aerodynamic forces and moments and their impact on the performances of Vehicles; the relationship between the external shape and related aerodynamic characteristics of vehicles according to the basic principles of fluid mechanics, combined with the characteristics of external flow field around vehicles. It introduces the aerodynamic design criteria and design method for vehicles’ external shape, and gives the principles of optimum aerodynamic performance for shape design, to guide the design of automotive body. Through the analysis of the aerodynamic characteristics of the engine cooling system as well as the ventilation characteristics of the cab of automobiles, puts forward the design principles for the automobile engine cooling system and provides the measures to make the cab comfortable. The generation and transmission mechanism of aerodynamic noise of automobiles is also presented and interpreted, and the main components of the aerodynamic noise of vehicles are described, and some measures are put forward to the design proposal for reduction of aerodynamic noise. Automotive aerodynamics test is an important means for the study of automotive aerodynamics. Systematical introduction of the development process of the automotive wind tunnel, the classification, the characterization of wind characteristics of the basic parameters will enable students to understand the basic methods and various automotive aerodynamics test equipment with twice visit and explanation in automotive wind tunnel laboratory presently. With the introduction of development of the computing technology combined and numerical fluid mechanics, the knowledge related to the numerical calculation theories and methods, and CFD applications in automotive aerodynamics will enable students to understand the whole solving process of computational fluid dynamics.

 

课程基本信息

 

 

二、教学大纲

1、教学目的

《汽车空气动力学》是工业设计（汽车车身）专业的学科基础课。本课程是一门理论性和实用性很强的课程。设置本课程的目的是使学生学习了本课程之后，对汽车空气动力学的基本概念、汽车气动力和力矩、汽车外形与空气动力特性的关系有系统的了解和领会，应能应用这些原理阐释汽车造型设计、汽车发动机冷却系的设计原则，了解汽车空气动力噪声、汽车风洞试验和数值计算的内容，为运用汽车空气动力学指导汽车车身设计打下必要的理论基础和技能。

2、教学要求

本课程的教学环节为课堂讲授，同时应结合汽车空气动力学实验及其指导书，对所讲授的内容进一步深入了解，并掌握以下内容汽车空气动力学的基本概念、汽车气动力和力矩、汽车外形与空气动力特性的关系有系统的了解和领会，应能应用这些原理阐释汽车造型设计、汽车发动机冷却系的设计原则，了解汽车空气动力噪声、汽车风洞试验和数值计算的内容。理解汽车风洞在汽车空气动力学研究中的重要地位、汽车风洞的构造及分类。了解风洞试验的基本方法、汽车风洞试验的目的、汽车风洞试验的主要研究内容、以及汽车风洞试验模型与汽车风洞试验准则。

3、预备知识或先修课程要求

无
4、教学方式

课堂教学+试验教学

5、实验环境和设备

实验环境：汽车风洞实验室

实验设备：风洞本体、六分力天平、压力扫描阀、烟雾发生器等

6、课程教学内容及学时分配

第一章 绪论（2学时）

1.1 汽车空气动力学的重要性

1.1.1 汽车空气动力学的作用及重要性

1.1.2 汽车空气动力学的研究方法

1.1.3 汽车空气动力学的研究内容

1.2 汽车空气动力学的发展

1.2.1 汽车空气动力学发展的历史阶段

1.2.2 汽车空气动力学的发展趋势

教学重点：汽车空气动力学的研究内容

习题作业：

学习要求：

第二章 汽车空气动力学概述（4学时）

2.1 汽车气动力和力矩的产生和计算

2.1.1 汽车空气动力学坐标系

2.1.2 汽车气动力和力矩的产生

2.1.3 汽车气动力和力矩的计算

2.2 气动力和力矩及其对汽车性能的影响

2.2.1 气动阻力

2.2.2 气动升力

2.2.3 气动侧向力

2.2.4 横摆力矩

2.2.5 纵倾力矩

2.2.6 侧倾力矩

2.3 汽车表面的压力分布

2.3.1 车身表面压力系数Cp

2.3.2 几种典型轿车的纵向对称面表面压力分布

2.3.3 轻型客车和货车的表面压强分布

2.3.4 大客车的表面压强分布

2.3.5 车身表面压力的测量

2.4汽车外形与空气动力特性的关系

2.4.1前端形状对空气动力特性的影响

2.4.2风窗玻璃与发动机罩形状对空气动力特性的影响

2.4.3顶盖外形对空气动力特性的影响

2.4.4车身侧面外形对空气动力特性的影响

2.4.5后窗周围形状对空气动力特性的影响

2.4.6车身底部外形对空气动力特性的影响

2.3 汽车表面的压力分布

2.4 汽车外形与空气动力特性的关系

教学重点：整章内容

习题作业：

学习要求：

第三章 汽车空气动力学基础（4学时）

3.1 流体的性质

3.1.1真实流体和理想流体

3.1.2流体的密度、压强和温度

3.1.3流体的压缩性和膨胀性

3.1.4流体的粘性

3.1.5流体的热传导性

3.2 流体阻力的理论

3.2.1 圆柱体的流态和阻力

3.2.2 流线形物体的流态和阻力

3.3 流体静力学和动力学方程

3.3.1 流体静力学概念和方程

3.3.2 流体动力学方程

3.4 汽车的绕流特性

3.4.1 汽车外部流问题

3.4.2 汽车内部流问题

3.4.3 汽车外部扰流和内部扰流的关系

教学重点：整章内容

习题作业：

学习要求：

第四章 汽车空气动力学设计（4学时）

4.1 汽车空气动力特性对汽车性能的影响

4.1.1 汽车空气动力特性对动力性的影响

4.1.2汽车空气动力特性对经济性的影响

4.1.3 汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响

4.2 汽车空气动力学设计准则

4.2.1对汽车造型的要求：

4.2.2汽车造型设计与空气流态之间的关系

4.3 汽车空气动力学设计方法

4.3.1 汽车空气动力学设计程序

4.3.2 汽车气动阻力的估算

4.4 最佳气动外形

4.4.1 最佳气动外形设计的几条原则

4.4.2 汽车造型的发展变化

教学重点：汽车空气动力学设计准则

习题作业：

学习要求：

第五章 发动机冷却系的空气动力特性及驾驶室通风特性（3学时）

5.1 发动机冷却系分析

5.1.1 发动机室内的温度分布

5.1.2 发动机室外和室内的气流流态

5.1.3 发动机室内的压力分布

5.1.4 发动机的冷却气流与空气动力特性的关系

5.2 汽车发动机冷却系的设计原则

5.2.1 滞点位置对发动机冷却性能的影响

5.2.2 发动机冷却系性能的提高

5.3 驾驶室的通风特性

5.3.1 对车室环境舒适性的评价

5.3.2 保障车室环境舒适性的措施

教学重点：汽车发动机冷却系设计原则

习题作业：

学习要求：

第六章 汽车空气动力噪声（4学时）

6.1 概述

6.2 噪声产生与传播机理

6.2.1 声源-途径-接收者

6.2.2 理想化声源模型

6.2.3 实际风噪声声源类型

6.2.4 气流速度对风噪声的影响

6.3 设计特点

6.3.1 外后视镜

6.3.2   A柱

6.3.3 风窗雨刮器

6.3.4 收音机天线

6.3.5 车顶行李架

6.3.6 车门

6.3.7 侧窗系统

6.3.8 固定的车窗

6.4 风噪声测量技术

6.4.1 风洞试验与道路试验

6.4.2 低噪声风洞

6.4.3 道路测量步骤

6.4.4 车内风噪声测量概述

6.4.5 车外风噪声测量概述

6.5 开启车窗的振动

6.5.1 侧窗

6.5.2 天窗

6.5.3 敞篷式汽车

6.6 制造中需要关注的问题

教学重点：第三节设计特点

习题作业：

学习要求：

第七章 汽车空气动力学试验（4学时）

7.1 汽车空气动力学试验的重要作用

7.1.1汽车空气动力学实验的优点：

7.1.2汽车空气动力学开发程序

7.2 汽车风洞

7.2.1风洞发展历程

7.2.2汽车风洞分类

7.2.3表征风洞特征的基本参数

7.2.4试验段截面气动外形的选择原则

7.2.5地面效应吸除装置

7.3 汽车空气动力学试验的基本方法

7.3.1 试验基本方法

7.3.2 测量方法

7.4 汽车风洞试验技术

7.5 风洞试验测试仪器

7.6 流态显示试验方法

7.7 汽车风洞试验模型

7.8 空气动力学道路试验

7.8.1用滑行试验法测试汽车的气动阻力系数

7.8.2侧向风稳定性试验

教学重点：汽车风洞及汽车风洞试验技术

习题作业：

学习要求：

第八章 汽车空气动力学数值计算（3学时）

8.1 汽车空气动力学数值计算概述

8.1.1 汽车空气动力学数值计算的一般方法

8.1.2 计算流体力学的发展过程

8.1.3 CFD的理论基础及现状

8.2 CFD在汽车空气动力学中的应用

8.3 CFD求解

8.3.1 各种商用CFD 软件简介

8.3.2 CFD的基本工作流程

8.3.3 CFD的求解过程

教学重点：CFD的基本工作流程

习题作业：

学习要求：

 

序号	实验项目名称	内容提要	实验类型	学时 分配	分组 人数	实验 地点	教学 要求
1	风洞结构 认识试验	风洞整体认识	综合性	1	15	汽车 风洞 实验 室	根据 实验 报告 进行 评价
2	标准模型气动 阻力测量试验	气动阻力测量	综合性	1	15
3	空气动力学 数值仿真	上机试验	研究性	2	30	Pace 中心

 7、实验项目内容、学时分配、实验小组

8、考核要求、考核方式及成绩评定标准

     考查课，按照出勤、作业和实验报告情况评定，分优秀、良好、中等、及格及不及格5个等级记载。