说说汽车中的空气动力学

说到空气动力学，大家往往都会觉得这是一个很学术很晦涩同时也很高大上的概念，其学术研究成果和结论都被大量的应用在航空航天领域和赛车运动上。但其实不然，早在20世纪初期，汽车比刚发明不久的飞机速度还要快，早于飞机突破了时速两百公里，这都是当时赛车的空气力学比飞机更先进的证明。早在20世纪50年代第二次汽车变革之前，许多车厂就已经采用了人们常说的“流线型”造型车身造型设计，而这次变革之后，车身设计领域则可谓是百家争鸣，百花齐放了，如鱼形，船型，楔形，甚至火箭型（布加迪就是典型如下图）。



Bugatti Type 57C Atlanic （1937）

1.气动原理及伯努利定律

空气动力学，简称气动力学，一般而言划分为高速气动力学和低速气动力学，对于汽车而言，其属于低速气动力学范畴，这个部分主要研究空气的流动性及其作用。对于普通家用车而言，拥有优秀气动设计的汽车会更安静更省油，速度更快。

空气流动的本质就是分子移动。在不受到外力的状态下（称平衡状态），气体分子是呈自由运动的，运动方向不一，彼此间时不时会出现碰撞，但一旦受到外力作用，空气分子就会向某一个方向运动，这正是流动的空气，或者简称气流生成的原因。但空气分子即使向同一方向运动，仍然会受到各种各样外部力量的影响，空气流动会产生压力与流速两个特性，对上述两个特性的研究，正是气动力学的基础之一。



综上所述，我们看一下气流流速和压力是如何变化的。一个名叫伯努利的科学家设想了一个中间宽两头窄的圆形容器，让空气流过这个容器，经过计算得出了一个这样的结论：在直径越小的区域，流速加快，压力减低；在直径越大的区域，流速减慢，压力增加。这条结论，就是空气动力学中著名的伯努利定律。也就是说，当空气经过越狭窄的地区，压力减少，流速加快，而通过较宽敞的地区时，压力会增加，流速会减慢。需要注意的是，由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的，所以它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。



当然，伯努利自己并不能很好地理解这个特性，后来，由一位叫尤拉的数学家将这个定律转化为精确的数学公式，人们才第一次可以精确计算气流特性，这条方程，称为尤拉方程。

2.汽车升力与下压力

当气流遇到固体，例如汽车车体时。流线会发生变化，同时，附近的流场也会有变化。我们认真看看上图，根据伯努利定律，在凸起的物体上方，在流场缩小的情况下，压力减低流速加快，因此会在物体上方出现一个低压区，由于大气压作用，这个固体会被下方较大的气压抬起，这就是升力的产生机制。



3.汽车空气阻力

话说回来，空气动力学到底对车辆的行驶有何影响呢？不论是在在民用汽车领域还是在赛车领域，空气动力学设计对于降低风阻、提升车速、节约油耗、减少噪音和增强行驶稳定性等方面都非常重要。车辆的行驶阻力通常主要是空气阻力和滚动阻力（就是我们车轮与地面接触产生的摩擦力），当一辆汽车以80km/h的速度行驶时，约有60%的阻力来自空气。而当速度攀升至200km/h，空气阻力几乎占所有行车阻力的85%。足以可见，车辆克服空气阻力的必要性。



当今量产车的风阻系数一般在0.28至0.40之间

而风阻系数（coefficient of drag，简称Cd）就是衡量空气阻力大小的一个数值而已，两者成正比！现代F1赛车的风阻系数约为0.70至1.1，当然，还得根据不同的赛道特性从而做出不同的调校，有时为了获得更大的下压力，甚至可以高达1.3。而这个所谓的下压力，就是使车辆能够紧贴地面的一种力，势必空气阻力会变大，为何还跑得那么快！当然是因为人家车轻啊，加车手一起算的话也就680kg，而且跑得快就一定得空气阻力小么？ F1空气动力学的主要作用就是两个方面：1. 产生下压力，2. 减小空气阻力。换句话说，空气阻力的大小也并非单纯的就由风阻系数来决定的！

汽车空气阻力的计算公式如下：
Fd=1/16·A·Cd·v2
其中：v为行车速度，单位：m/s；A为汽车横截面面积，单位：m2，Cd为风阻系数。
从这个公式中，你有没有发现，当车速为定值的时候，还有一个因素也决定了空气阻力的大小呀！即我们常说的Cd值。



F1赛车在风洞中吹风

4.空气动力学设计



优秀的空气动力学设计就要做到对汽车空气阻力和升力的完美平衡，根据经验现有已被证实有效的设计有：气帘设计、前扰流唇设计、可升降尾翼设计，另外目前新兴的技术还有高效的热管理和水管理。

以气动设计堪称完美的保时捷911为例，前大灯进风口和后轮罩旁进风口即为所谓的气帘（红色圈所示），并且对前后刹车盘有冷却作用。



前扰流唇与汽车底盘水平的安装在车身头部下方，可根据车速自动调整伸缩量并使汽车的接近角增大防止底盘被触碰的危险，如下图黄色线区域。



保时捷911采用的可升降尾翼设计，可以为其在高速或弯道时提供足够的抓地力，即下压力。

5.空气动力学实验与数值模拟

说完了空气动力学以及它的具体作用之后，咱们就来简单聊聊，如何把它运用到汽车研发上。通常研究车辆空气动力学的方法有几种，现在就主要介绍几种常见的。第一种即使用数学计算，解决一大堆的非线性和偏微分方程后，幸运的话你也许能够得到正确答案。但由于这种方法实在是太费周折，而且误差和错误率较高，所以早期大多采用的是实验的方法来求得所需数据。

第二种则是托了咱们计算机技术发展的福，采用电脑软件模拟，也就是我们通常所说Computational Fluid Dynamics（简称CFD）。这是最高效、最经济的一种方法，这也是很多车辆再进入风洞前所需要做的一项工作。



F1赛车在CFD中进行模拟

而之后，则是实际测试的一种方法了，将车辆的外观套件或者整车模型送进风洞实验室，让它们吹吹风。最后呢，想给大家介绍的一种方法，也是特别有意思的一种，那就是在车身表面喷上一层荧光液体，然后让圈养的车手把车开出去按一定的规律来跑。待车辆返回后，工程师再根据车身液体的纹路和分布情况做出判断。



车身表面喷漆　　　



跑完后，前翼侧面的液体纹路　　



尾翼上的液体纹路　　



扰流板下面的液体纹路
工
程师通过这些液体在车身各部件上面的分布情况，从而能够对该车的空气动力学进行一定的认知。

需要说明的一点是，在研究车辆的空气动力学时，工程师不仅会研究车体表面的空气流通情况，同时还需考虑车底气流的通过状况。简单的说，越规整的车底，其车底的空气阻力和升力也会越小。这也就是为什么大家看到很多赛车和豪华车的车底都是一整块平面（也起到一定的保护作用），否则可能会造成翻车等事故。



2015年德国站，巴西车手马萨的翻车事故