汽车空气动力学技术解析

原理概述：

当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移，同时该物体会受到重力（gravity）和阻力（drag）的影响，因此阻力会由固体穿过流质（比如空气或水）的过程中产生。 当物体加速时，其速度和阻力同时增加，速度越快，阻力越大，也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强，而且是以成倍的速率增长，最终阻力将与重量相等达到一个平衡点，此时物体将无法继续加速。以之前Top Gear跑极速的那辆布加迪Veyron为例，当车辆以155mph（250km/h）行驶时，只需270马力的动力支持。而当车辆从155mph加速到250mph（402km/h）则需要约730匹额外马力来克服空气阻力，现在你大概有点概念了吧？



我们经常会听到厂商将一个叫做“风阻系数（drag coefficient）”的数字来作为宣传的方面之一，这个数字的含义究竟是什么呢？这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一，风阻系数越低说明物体可以更轻易地穿过由空气组成的那面“墙”，也就是说车辆可以耗费更少的动力来克服空气所产生的反作用力，达到更节能的效果。写成公式的话我们将得到：
Cd = D / (A * 0.5 * r * V^2)
注释：Cd风阻系数；D阻力；A受力面积；V速度；r密度

如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似水滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种水滴造型的Cd风阻系数只有0.05。



为什么水滴会有如此低的空气阻力呢？仔细想想，当水滴圆滑的头部接触到空气时，气流被温柔的推至两侧并沿着水滴侧面流线的造型顺滑地流过。尖细的尾部允许气流在通过后重新汇合而且产生的乱流效果也非常小。不过事实上一般的家用车很难做到与水滴形状相似的样子，即便做到了估计消费者也不会为其买单。因此，当普通汽车在行驶过程中，除了通过车身的气流以外，还有一大部分空气会直接进入汽车底部和进气口中，这也是造成乱流和空气阻力的两大来源。因此，除了造型平滑、受力面积较小的的车头以外，如何让空气平顺地通过车身避免乱流也是设计师要考虑的重要因素之一。



说到这里，不少人都会认为风阻系数越低就一定越好，其实不然，这也是我们需要纠正的一个误区。我们知道，汽车与飞机不同，前者行驶时是在地面上的，也就是通过车轮和地面之间的摩擦力来实现行走。因此除了空气阻力以外，还有两个重要的指标需要考虑，它们分别是“升力（lift）”和“下压力（downforce）”。升力是物体重力的反作用力，能够在空气中拉高物体并使之悬浮在空中，飞机主要就是依靠这个原理。而下压力与升力正好相反，是将物体尽量压向地面的作用力，在赛车领域尤为常见。下压力可以使车轮和车身紧贴地面，保持车辆的行驶稳定性，但也会增加一部分车身的整体空气阻力。



你可能会认为F1赛车的风阻系数非常小，但事实上一辆典型的F1赛车的风阻系数都在0.7Cd左右，因为F1赛车自身超轻的重量在高速时很容易自然产生升力，说得通俗一点就是“发飘”。为了避免这种情况并保持高速过弯时的稳定性，在设计上必须考虑尽可能产生足够的下压力。家用车虽然没有赛车那么极端的驾驶环境，但下压力也同样重要。反之，如果下压力过多，也会在一定程度上影响车辆的直线极速发挥，因此，除了保持较低的风阻系数以外，还需要寻找一个下压力和空气阻力之间的平衡点。



应用：

前面说了这么多，那么空气动力学到底如何应用在汽车设计上呢？工程师们研发了多种方法来达到最好的效果。流线型车身是目前采用最广泛的做法，圆滑的设计可以让车身尽可能减少与空气的摩擦，保持更低的空气阻力。



我们经常会看到在F1赛车的车头和车尾都分别配有鼻翼和尾翼，用来提供下足够的压力。当F1赛车达到一定速度时，产生的下压力甚至超过赛车本身的重量，也就是说如果有足够的天花板空间，F1赛车在高速行驶时产生的下压力可以允许其在天花板上倒过来行驶。



很多运动型车甚至家用轿车也广泛采用了后扰流板或尾翼，提高车辆高速行驶的稳定性。日产GT-R采用了能够使气流直接流向巨大圆形尾翼的设计，增强了车辆的下压力。法拉利599GTB Fiorano则利用拱壁空心B柱设计引导气流通向尾部减少摩擦阻力。不过大部分民用车上的后尾翼仅仅起到装饰作用，低速情况下大尾翼不但不会提供任何下压力还会增加车辆的负担，除非你说你要的就是这种范儿。



除了车身表面以外，工程师们还在车辆的底盘、后视镜等细节方面下了功夫。气坝（air dam）、侧裙和带扰流的后包围可以对流向底盘的空气达到导向作用，进一步减少空气阻力，同时减少升力帮助提高车辆的行驶稳定性。



总结：

随着汽车工业的发展，空气动力学已经逐渐成为一个重要的设计环节。优秀的空气动力学设计不但可以达到高效节能的目的，还能够减少噪音、提高车辆的平顺性和行驶稳定性，提供更强的安全保障。如今，它已经不是航空航天领域的专利，而是现代工业设计必不可少的元素之一。