汽車中的空氣動力學，是個什么鬼？

不知道大家有沒有這種感覺,量產(chǎn)車也好,概念車也罷,雖然這些車造型迥異,風格多變,細節(jié)上更是讓人眼花繚亂,但總有一些地方讓人似曾相識,為什么呢?這是因為現(xiàn)代汽車的造型設計遵循空氣動力學,換言之,汽車造型的大方向就是由它決定的。

說到空氣動力學,大家往往都會覺得這是一個很學術很晦澀同時也很高逼格的概念,其學術研究成果和結論都被大量的應用在航空航天領域和賽車運動上。但其實不然,早在20世紀初期,汽車比剛發(fā)明不久的飛機速度還要快(小伙伴們不要驚慌,聽我細細道來),早于飛機突破了時速兩百公里,這都是當時賽車的空氣力學比飛機更先進的證明呀。

早在20世紀50年代第二次汽車變革之前,許多車廠就已經(jīng)采用了人們常說的“流線型”造型車身造型設計,而這次變革之后,車身設計領域則可謂是百家爭鳴,百花齊放了,如魚形,船型,楔形,甚至火箭型,是的,沒錯,就是火箭型,即便以今天的眼光看也非?？苹?

回到正題那么何為空氣動力學呢?學術界給出的定義是這樣滴,空氣動力學,是流體力學的一個分支,主要研究物體在空氣或其它氣體中運動時而產(chǎn)生各種力。簡單來說,就是物體在運動時與空氣接觸而產(chǎn)生的各種力,有些力可能是“好力”,但有些力可能是“壞力”,會阻礙物體的運動。而這些壞力,也就是我們老說的“空氣阻力”。而這些個“壞力”,就是由于空氣密度和它自身的黏性特質等因素而造成。

開頭說了,這貨很高逼格。其實,它就真的很高逼格!能非常精通和熟練運用確實需要花大工夫和力氣去鉆研。

話說回來,空氣動力學到底對車輛的行駛有何影響呢?不論是在在民用汽車領域還是在賽車領域,空氣動力學設計對于降低風阻、提升車速、節(jié)約油耗、減少噪音和增強行駛穩(wěn)定性等方面都非常重要。

為了讓大家更清楚,我來舉個栗子。車輛的行駛阻力通常主要是空氣阻力和滾動阻力(就是我們車輪與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力),當一輛汽車以80km/h的速度行駛時,約有60%的阻力來自空氣。而當速度攀升至200km/h,空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。足以可見,車輛克服空氣阻力的必要性。

▲當今量產(chǎn)車風阻系數(shù)一般在0.28至0.40

而風阻系數(shù)(coefficient of drag,簡稱Cd)又是何方神圣?其實吧,這個就沒那么玄乎了,它就是衡量空氣阻力大小的一個數(shù)值而已,兩者成正比!

有人突然發(fā)問了,為嘛F1(世界一級方程式)賽車的風阻系數(shù)比民用車高那么多!問得好,現(xiàn)代F1賽車的風阻系數(shù)約為0.70至1.1。當然,還得根據(jù)不同的賽道特性從而做出不同的調(diào)校,有時為了獲得更大的下壓力,甚至可以高達1.3。

而這個所謂的下壓力,就是使車輛能夠緊貼地面的一種力。那么問題又來了,那F1風阻系數(shù)這么高,勢必空氣阻力會大,為何還跑得那么快!少年,當然是因為人家車輕啊,加車手一起算的話也就680kg,而且跑得快就一定得空氣阻力小么?

F1空氣動力學的主要作用就是兩個方面:1. 產(chǎn)生下壓力,2. 減小空氣阻力。換句話說,空氣阻力的大小也并非單純的就由風阻系數(shù)來決定的,所以嘛,別問那么多為什么了!你以為你是十萬個冷笑話啊!

汽車空氣阻力的計算公式如下:

Fd=1/16·A·Cd·v2

其中:v為行車速度;A為汽車橫截面面積;Cd為風阻系數(shù)。

從這個公式中,你有沒有發(fā)現(xiàn),當車速為定值的時候,還有一個因素也決定了空氣阻力的大小呀!沒看出來的自己面壁去!

▲F1賽車在風洞中吹吹風

咱說完了空氣動力學是個啥,以及它的具體作用之后,咱們就來簡單聊聊,如何把它運用到汽車研發(fā)上。通常研究車輛空氣動力學的方法有幾種,咱就主要介紹幾種常見的吧。第一種即使用數(shù)學計算,解決一大堆的非線性和偏微分方程后,幸運的話你也許能夠得到正確答案。但由于這種方法實在是太費周折,而且誤差和錯誤率較高,所以早期大多采用的是實驗的方法來求得所需數(shù)據(jù)。

第二種則是托了咱們計算機技術發(fā)展的福,采用電腦軟件模擬,也就是我們通常所說Computational Fluid Dynamics(簡稱CFD)。這是最高效、最經(jīng)濟的一種方法,這也是很多車輛再進入風洞前所需要做的一項工作。

▲F1賽車進行CFD模擬

而之后,則是實際測試的一種方法了,也是土豪們才玩得起的做法,將車輛的外觀套件或者整車模型送進風洞實驗室,讓它們吹吹風。不要問我造個風洞要多少銀子,反正夠我們買好多好多的保時捷911了。

小編以為,今天的汽車在空氣動力學領域可挖掘的潛力還很大,其他不說,僅僅后視鏡的存在就導致整車阻力增加30%以上。后視鏡這個“腫瘤”本身的阻力并不大,但卻破壞了車體流場的完整性。大伙這次去車展多多關注概念車哦,你會發(fā)現(xiàn)它們大都沒后視鏡。

此外,和三十年的汽車相比,現(xiàn)代汽車在造型上還沒有重大突破,主要是因為動力系統(tǒng)布置的限制,隨著新能源汽車時代的到來,動力系統(tǒng)的布置更加靈活,或許我們以后不會再看見長長的機艙,這將為未來汽車的造型設計迎來新的發(fā)展契機。