面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化(3)
图 2-1 中各参数的物理意义：
V ∞—汽车行驶速度与气流的相对的速度，即来流速度；
βx—侧偏角；
F x—气动阻力；
Fy —气动侧向力；
F z—气动升力；
M x—侧倾力矩；
My —纵倾力矩；
M z—横摆力矩。由图可知，作用于运动汽车上的气动力和力矩，分为互相垂直的三个分力和绕轴坐标的三个力矩。
(1) 气动阻力
气动阻力Fx 是与汽车运动相反的空气阻力，可用以下公式表示：
F_X=1/2 AρV_∞^2 C_X (2-1)
式中，
A—汽车迎风面投影面积；
ρ —空气密度，标准状态下为1.225kg / m3 ；
V ∞—合成气流相对速度；
C x—空气阻力系数，由风洞试验确定。
通常正面投影面积取决于汽车的外形尺寸，这是由设计需要决定的，因此减小气动阻力就集中在减小气动阻力系数上。
对于气动阻力系数C x =0.45汽车，其基本形状阻力约占气动阻力的60％；而C x＞0.45的汽车，其形状阻力所占比例将不同程度的降低。不同车型的气动阻力系数范围大致如下
小型运动车 C x=0.23~0.45
小轿车 C x=0.35~0.55
载货汽车 C x=0.40~0.60
公共汽车 C x=0.50~0.80
两轮车 C x=0.60~0.90
目前世界轿车的平均气动阻力系数已降到0.30~0.35，一些先进气动布局的汽车气动阻力系数已降至0.15~0.20。
(2) 侧向力及横摆力矩
当来流与汽车纵向对称面之间有一个侧偏角时，会产生一个侧向气动力，由两个因素造成的，一是汽车转弯时产生“侧偏角”，二是遇到侧向风。侧向力由以下公式表达：
F_y=1/2 AρV_∞^2 C_y (2-2)
式中，
Cy —侧向气动力系数，近似值与侧偏角 β 成正比，即 (dC_y)/dβ 为常数。
横摆力矩的表达式为：
M_Z=1/2 AaρV_∞^2 C_(M_Z ) (2-3)
式中，
C_(M_Z ) —横摆力矩系数。
汽车受到侧向力的作用会影响其行驶稳定性。为了保证汽车的行驶稳定性，在减小侧向力的同时，还应使侧向力的作用点即风压中心移向汽车重心之后。但是风压中心后移，又有使侧向力增大的趋势，所以用尾翼使风压中心后移时，还应该注意到其承受侧向力是很大的。