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汽车空气动力学漫谈
2018-02-27 14:10:18·
汽车行业目前已有一种共识，具有良好空气动力学性能的汽车，加速性能更好、行驶稳定性更强、燃油经济性更佳。随着节能环保汽车的呼声愈强，汽车空气动力学性能相比以往任何时候，都更被车企所重视。本期作者将带你走近汽车空气动力学。引言如果一辆汽车以105公里/小时的速度驶向墙壁，将会发生什么？可以想象：汽车车架会断
汽车行业目前已有一种共识，具有良好空气动力学性能的汽车，加速性能更好、行驶稳定性更强、燃油经济性更佳。随着节能环保汽车的呼声愈强，汽车空气动力学性能相比以往任何时候，都更被车企所重视。本期作者将带你走近汽车空气动力学。
引言
如果一辆汽车以105公里/小时的速度驶向墙壁，将会发生什么？
可以想象：汽车车架会断裂，玻璃会破碎，当然，安全气囊也会弹出试图保护司机和乘客，但即使现代汽车在安全方面已有着巨大进步，这样的撞车也将会是一次严重的事故。因为汽车根本不可能通过任何改良设计而顺利穿过一面砖墙。
但是大自然中却存在着另外一种“墙”，汽车通过改良设计就可以顺利从中穿过，这就是“空气墙”——当汽车高速行驶时遇到的“墙”。
也许大多数人并不认可这种说法，空气或者风怎么能算一堵墙呢。
汽车低速行驶或风不大时，我们总是很难注意到空气与车辆的相互作用；但是高速行驶或异常大风时，空气阻力（空气对运动物体的作用力）对汽车的加速性能、行驶稳定性和燃油经济性都有巨大的影响。
空气动力学是力学的一个分支，主要研究物体与气体相对运动时的受力特性、气体流动规律以及伴随发生的物理化学变化。空气动力学在航空、航天、汽车领域都有广泛的应用。
近几十年来，汽车设计不同程度的考虑了空气动力学，汽车制造商们也进行了各种各样的创新设计，试图使“空气墙”更容易被穿过。
在了解空气动力学如何应用于汽车行业之前，先了解一下“风阻系数（Cd）”。
风阻系数（Cd）
风阻系数（Cd）是衡量汽车空气阻力的数值。
汽车以110公里/小时的车速行驶时，空气对汽车的阻力比60公里/小时车速行驶时多出四倍。通常使用风阻系数来衡量汽车的空气动力学能力。简单来讲，风阻系数越低，汽车的空气动力学相对更佳，也更容易通过“空气墙”。
一起来看几个阻力系数值。
记得上世纪70和80年代方方正正的Volvo汽车吗，比起Volvo960轿车0.36的阻力系数，而较新的Volvo汽车比如S80轿车就可以达到了0.28的阻力系数。
这是为什么呢？
我们来看看大自然中空气动力学性能最佳的物体——水滴。水滴各个面都是均匀光滑的，并且从底部到顶部逐渐变细。当其坠落到地面的过程中，空气流动顺畅。汽车也一样—光滑圆润的车身使得空气流过车身表面时的“推力”大大减小。
如今大多数的轿车达到了约0.30的阻力系数。SUV由于容量比较大，能容纳更多的人，而且通常需要更大的进气格栅以提升发动机冷却性能，所以阻力系数通常为0.30-0.40或者更高。皮卡，出于用途而特意设计为方方正正的形状，阻力系数通常为0.40及以上。
那么阻力系数和燃油经济性又有什么关系呢？简单直白的讲，阻力系数每降低0.01，就可以增加0.09公里/升的燃油经济性。
汽车气动设计史
最早的汽车设计并没有考虑空气动力学。
那时候汽车的外形——看起来更像一个没有马的马车，对它的描述只有一个字——“方”。当然早期的汽车也不需要考虑空气动力学，因为它们的车速相对较慢。
然而，在20世纪早期，一些赛车便开始融入了尖形头部和其他一些流线型设计元素。
1921年，德国发明家Edmund Rumpler基于自然界中最具空气动力学的形状——水滴创造了Rumpler-Tropfenauto，它的Cd值只有0.27，但它过于独特的外观从未吸引到公众，大约只生产了100辆左右。
20世纪50年代和60年代，汽车空气动力学的最大进步来自赛车。起初工程师尝试通过流线型设计以帮助赛车更好的处理高速行驶。随后便慢慢演变成一门非常精确的科学来设计制造最具空气动力学性能的赛车。前后扰流器以及气动套件等变得越来越普遍，以保持空气顺畅流过汽车顶部，并在前轮和后轮上产生必要的下压力。
同时期的Lotus，Citroën和Porsche等公司开发了一些非常具有代表性的流线型设计车型，但这些设计主要应用于高性能跑车，而不是乘用车。 直到20世纪80年代，Audi 100轿车问世，才实现了0.3的Cd值，这在当时引起了轰动。
如今空气动力学设计已成为汽车行业共识，几乎所有的汽车品牌都期望通过各种设计以提升空气动力学性能。
那么又是什么促成了这一变化？答案是：风洞。
风洞
为了实时测量汽车空气动力学性能，汽车工程师们借鉴了航空行业中用到的空气动力学工具——风洞。
实际上，风洞是一个巨大的流道，通过风机在其内部产生气流。风洞的测试对象可能是一辆汽车，一架飞机，或其他任何工程师需要测量空气阻力的物体。 在风洞背后的操作室内，工程师研究气流的流动方式，以及它和物体的作用方式。
风洞内的汽车并不移动，但风机可以通过产生不同速度的气流以模拟实际行驶条件。有时甚至不会使用真正的汽车，仅使用精确比例的汽车模型来测量风阻，而后通过计算机来计算阻力系数（Cd）。
风洞其实并不是什么新鲜事物。18世纪末期已开始尝试使用风洞进行飞机气流的测试。第二次世界大战以后，为了体现竞争优势，赛车工程师们开始使用风洞来评估一些空气动力学设计附件的有效性，随后这些技术逐渐转为轿车和卡车所用。
气动附件
谈到汽车空气动力学并不仅仅指阻力，还有升力和下压力等。由于汽车车身上部和下部气流的流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生升力。下压力则与升力相反，将作用于汽车使其垂直压向地面。
你可能会认为F1赛车的阻力系数会很低 ，毕竟它的速度如此惊人。然而事实上并不是这样，一辆典型的F1赛车的Cd值约为0.70。
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