基于宝马Z4的空气动力学研究

2018-04-10 09:57:43· 来源：AutoAero

本文用来分析的车型是宝马老款Z4，选择Z4的原因是因为Z4虽然定位轿跑，但是其中不少大家认为“运动”的设计却并不利于空气动力学的要求。为了更好的分析空气动力学效果，将1:1的Z4车身导入计算流体力学软件STAR CCM+进行风洞测试仿真来分析仿真数据。

其实车身空气动力学并不只是让车身流线型那么简单，还要兼顾外观的风格和实用性，每一个细节的设计都有可能决定空气动力学的成败。其实并没有唯一好的空气动力学设计，只是在考虑诸多因素中，找到最完美的平衡。

影响空气动力学的因素有很多，车长和动力系统布局都会有一定影响，但最需要考虑的数据主要是正投影面积（Z4为1.91），而我们可以看到此车的风阻系数为0.35，从今天的视角看并不算优秀，那么到底是那些方面的设计缺陷导致的呢？

当我们分析或者设计一辆车的空气动力学时，首先要明确这辆车的空气动力学设计目标,通常可以分为两类：普通公路车和赛车。对于普通公路车，我们考虑的是coefficient，也就是通常所说的风阻系数；而对于赛车，下压力决定了弯道的速度，但是增大下压力也意味着阻力的增大，所以在保证足够下压力的同时减小阻力，是赛车的设计目标，通常看的是efficiency。对于普通公路车来说，最主要的目标是省油减排，除了减小风阻系数以外，由于车身本身大致的形状就像机翼一样会产生grand effect，也就是说车身本身产生的是升力，那么也就意味着可以像轻量化一样减少发动机的负荷，但是往往过大的升力，会造成操控性下降，车身发飘的问题，所以让整车实现升力，而前轮受到下压力，就是最佳的选择。

从仿真数据可以看到，虽然Z4定位运动轿跑，但是车身的设计依然是以省油减排为目标的，和真正的跑车设计理念是完全不同的。

首先从车头开始分析，对于车身的空气动力学效果，第一项最重要的指标便是正面投影面积，繁杂的公式就不陈列了，简而言之，空气的阻力与正投影面积呈线性增长关系，而与速度，则是非线性的增长关系，速度越大，则越高阶，也就是说随速度的增大，空气阻力的增大速度会越来越快，所以在我们没有办法控制速度与风阻的关系的情况下减小正投影面积，会为减小风阻带来立竿见影的效果。

当然处于安全以及视野的问题，正投影面积是不可以无限小下去的，Z4的正投影面积为1.91平方米，基本与菲亚特鹏多和大众五代波罗持平，可以说达到了一个不错的成绩。

接下来我们要说到一个空气动力学领域很多人的误区。大家总觉得，车头相对圆滑，与车身的连接相对流线，则空气阻力就会小，其实不然。

具体进行分析，就涉及到了之前提到的平衡问题，我们首先引入一个变量，就是车头转角的圆弧半径与车宽的比值。首先我们要提出空气流动的两个概念，层流和紊流，当车头与空气接触的时候，空气要从车身的各个方向偏移，通过实验结果我们可以看到，当车头转角圆弧半径较小时，经过车头通向车身侧面的气流与车身分离，产生紊流，由于紊流的产生会耗散较大的能量，所以对车身就会产生较大的阻力；而当半径较大时，经过车头到达车身的气流是层流，也就是说阻力较小，如此看来比较圆滑的车头不是应该就有更好的气动效果吗？

其实还有一个因素在制约车头的设计，因为不管是层流还是紊流，与车身接触的空气会产生边界层（boundary layer），在边界层中空气速度不断减小，直到无限远处可以认为空气速度为零，较厚的边界层速度的梯度较小，也就是说对车身侧面的摩擦力较小，而较薄的边界层则速度的梯度较大，摩擦力也较大，而较小的车头转角半径会带来较厚的边界层，也就是较小的摩擦力。

由此看来，紊流和摩擦力两个增大阻力的因素相互制约，从上图左下角中我们可以看出，当半径太小时紊流带来的阻力较大，当半径太大时车身侧面的摩擦力较大，所以当半径与车宽的比值为0.05时，我们可以达到最优的平衡点，从俯视图我们也不难看出，Z4的半径过大，车身侧面的摩擦力过高，而多数市面上能见到的车型半径都相对偏大，比值在0.15左右，所以也就不难解释，最近两年的新车设计都偏向于更犀利的车头设计，其实不仅仅是为了年轻化的设计风格，更是因为空气动力学的要求。

相较于车头，车尾的设计较为容易理解，就像飞机和船只一样，最小空气阻力的设计就是像船尾一样收拢的设计，但是对于汽车来说，出于美观体积长度等诸多限制，基本不可能做到，所以才车身后方的区域就会形成成空气稀少的一片区域，为了尽量减小这一区域，大多数车辆的设计都会向内产生一定的倾角来引导气流尽早合拢。

但是转角的位置需要较为锋利的转角而非多数人认为的圆滑设计，因为过于圆滑的设计，会将气流方向引导至横向而气流纵向速度的减小，同样会产生耗散能量而增大阻力的效果。

在考虑车身侧面的设计时，也有较多需要同时考虑的因素，首先就是车的风格定位。一般从侧视图，最能体现一辆车的风格，家用、商务或者运动，所以很多时候车身侧面的线条是由风格决定的，并不能达到最佳的空气动力学效果，只能不断进行优化。

通常情况下，有一定弧度的车身侧面，能带来更小的风阻系数，但是这里要注意两个问题：第一，如果弧度过大，流经的气流会有可能与车身脱离接触，也就是产生了我们前面提到的紊流，反而会增大阻力；问题二在于，增加车身侧面的弧度的时候，正投影的面积也会随之增大，同样意味着阻力的增大，所以现在市面上的车型，基本都可以认为是平直的车身侧面曲线，仅有非常小的弧度。

而对于车尾来说，我们前面提到了最好的方式是如船只或者飞机一样向内收拢，但是这一角度同样需要平衡，不宜过大，原因与车侧相同，过大的角度不仅不能引导气体向内收拢，并且会产生紊流甚至涡流，所以通常情况下向内收拢的角度为7度最佳。

从俯视图我们可以看到 Z4的车尾设计可以说并不成功，上部有收拢的趋势，但是角度过大（约为14度），而下部则没有明显的收拢，造成了车尾大面积的慢速低气压区域，都产生了较大的阻碍作用。

此图为仿真软件中模拟出的气流速度分布图，由于坐标轴方向与速度方向相反，所以越接近蓝色的地方速度越大，而越接近红色的地方气流速度越小，其中的原理与车身在水平面上受到的压强相关就不再赘述了。

但是从仿真结果不难看出，经过车身侧面的气流速度有明显的大幅度减小，可见车身侧面的摩擦力较大，也就印证了之前我们所说的半径与车宽比较大，气流的边界层太薄的分析。同样我们也能看到，在车尾之后，有大片的区域属于气体稀少的尾流，并没有很好的收拢的船尾形（boat-tailing），同样增大了风阻系数。

上图中，从气流的向量和流线不难看出，车身侧面基本保持了层流，没有出现太多的紊流，但是从车尾加密的网格能看出来，车尾的气流不仅速度很慢，而且方向十分凌乱，并且从流线也能看出甚至有气流出现了反向的情况，也就意味着很大的能量耗散。其中关于气流反向的问题，是由于C柱（在Z4中为B柱）的设计造成的，我们后面会更加深入的讨论。

从侧视图看Z4的前部设计，通常情况下，发动机盖的倾角为10度为最优，前风挡的倾角为65度为最优。Z4的10度和61度看似是很不错的成绩，其实这部分的设计并没有很好的气动效果，但这也是气动设计的一大特点，不能拘泥于理论，而要根据实际的效果来判断，这当中的原因在于，这对最优角度的结合，目的在于减少发动机盖与前风挡连接处的涡流，这一位置由于气体流向的大角度改变，往往会产生较大的涡流，尽量减小这一涡流，就能减小阻力，而Z4虽然角度设计优化，但是由于发动机盖较长且靠近前风挡的位置，有向下回弯的趋势，所以这一区域的涡流不仅没有减小，反而增大，所以带来较大的风阻。

我们可以认为其实发动机盖过长并不利于空气动力学的设计，但是诸如Z4与奔驰SLS等车型，依然使用这样的设计，一是因为较长的纵置发动机需要足够的空间；二是出于风格的考虑，比如向曾经的冠军车型致敬等等。所以在车身设计的过程当中，就经常会遇到这样的矛盾，造型的要求和空气动力学的要求，当造型的要求更重要时，空气动力学就不得不妥协了。

车头的形状也并非越圆滑越好，道理与前面对俯视图的论证一样，实验结果表明：竖直的车头其实有最好的效果，所以也是当今很多车型选择更为攻击性车头设计的原因，并不只是出于造型的考虑。

车顶弧度的设计也是一项可以考量的指标，主要参数为车顶弧度与车顶长度的比值，最佳值大概在0.07左右。Z4的0.056，算中规中矩的表现，若车顶与后风挡相切，则经过车顶的气流不易与车身分离产生紊流，Z4在这方面表现也较为不错。

但是关于车侧的线条，尤其是腰线，很多媒体将上扬的腰线解释为引导气流减小阻力其实是不正确的，因为上扬的腰线其实不利于空气动力学的要求，原因很简单，因为上扬的腰线会将气流引导至扩散的方向，与之前我们强调的收拢气流的目标并不相吻合，反而增大了尾流。可以说，向上提升的腰线，仅仅是为了提升运动感，是空气动力学向造型妥协的又一个例子，在现在的量产车当中奔驰CLA以0.22的风阻系数独占鳌头（大众XL1可以说是炫耀设计实力并不纳入计算），仔细观察CLA就不难发现，尽管车身前部的腰线上扬，但最终还是在车尾收拢的，作为目前领先的CLA，在空气动力学的设计上，可以说领先了多数厂商很大一段距离。

（奔驰CLA）

说到车尾侧面的设计，是一个对于对空气动力学至关重要的设计，也是很多人的一个认识误区：

首先我们可以把车尾的设计分为三大类：squareback，fastback和notchback。notchback就是我们所谓的三厢车，比较好理解。fastback就是溜背造型的轿跑，而squreback就是两厢或者旅行版的掀背车。由于一些跨界风格的存在，区分squareback和fastback的方法，就是后窗的倾角（slant angle）小于30度为fastback，大于30度则为squareback，很显然 Z4属于fastback这一类型，大多数跑车以及轿跑，也都属于这一类型。

那么是否意味着溜背是空气动力学性能最好的类型呢？恰恰相反溜背是空气动力学性能最差的类型，这一类型的由来，并不是出于空气动力学的考虑，而是因为多数超级跑车，采用中置发动机的设计，不得不采用这样的设计，久而久之，大家的审美习惯了跑车就是溜背，并且把这一类型的车定位为轿跑，定位为运动。最明显的例子就是奥迪A7和A6在同样的发动机同样的底盘设计之下，A7的风阻系数要大于A6并且最高速也比A6差了10km左右，都是空气动力学效果的作用，而往往大家会觉得A7更为运动，更为轿跑。

那么什么样的设计是最好的？答案是通常大家认为不好的掀背车（squareback）。

这是为什么呢？首先在车尾留下的尾流区域当中，气流会形成涡流，比紊流更加耗散能量。对于掀背车型，车尾产生的只是二维的较小的涡流，耗散的能量较小，而由于C柱与尾箱的共同作用，溜背式和三厢式在车尾会形成三维的涡流，耗散的能量远远大于掀背车，而相比之下溜背式比三厢式更为严重，之后的仿真结果也能看到同样的结论。

从这里的仿真结果不难看出，之前谈到的引擎盖与前风挡的接触位置的涡流，车身后方的大面积的weak以及fastback车型所造成的车后三维涡流（右下角的截图取自车尾之后两米的气流截面，可以明显的看到三维涡流的存在）是制约Z4空气动力学效果的几大因素，从中也不难发现，这些设计往往是为了妥协于车身的风格和定位，所以大家以后要留心，不是看上去运动的外观就代表优秀的空气动力学效果。