汽车中的空气动力学，是个什么鬼？

不知道大家有没有这种感觉,量产车也好,概念车也罢,虽然这些车造型迥异,风格多变,细节上更是让人眼花缭乱,但总有一些地方让人似曾相识,为什么呢?这是因为现代汽车的造型设计遵循空气动力学,换言之,汽车造型的大方向就是由它决定的。

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逼格的概念,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(小伙伴们不要惊慌,听我细细道来),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呀。

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,是的,没错,就是火箭型,即便以今天的眼光看也非常科幻!

回到正题那么何为空气动力学呢?学术界给出的定义是这样滴,空气动力学,是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其它气体中运动时而产生各种力。简单来说,就是物体在运动时与空气接触而产生的各种力,有些力可能是“好力”,但有些力可能是“坏力”,会阻碍物体的运动。而这些坏力,也就是我们老说的“空气阻力”。而这些个“坏力”,就是由于空气密度和它自身的黏性特质等因素而造成。

开头说了,这货很高逼格。其实,它就真的很高逼格!能非常精通和熟练运用确实需要花大工夫和力气去钻研。

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。

为了让大家更清楚,我来举个栗子。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。

▲当今量产车风阻系数一般在0.28至0.40

而风阻系数(coefficient of drag,简称Cd)又是何方神圣?其实吧,这个就没那么玄乎了,它就是衡量空气阻力大小的一个数值而已,两者成正比!

有人突然发问了,为嘛F1(世界一级方程式)赛车的风阻系数比民用车高那么多!问得好,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。那么问题又来了,那F1风阻系数这么高,势必空气阻力会大,为何还跑得那么快!少年,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,所以嘛,别问那么多为什么了!你以为你是十万个冷笑话啊!

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;A为汽车横截面面积;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!没看出来的自己面壁去!

▲F1赛车在风洞中吹吹风

咱说完了空气动力学是个啥,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,咱就主要介绍几种常见的吧。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赛车进行CFD模拟

而之后,则是实际测试的一种方法了,也是土豪们才玩得起的做法,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。不要问我造个风洞要多少银子,反正够我们买好多好多的保时捷911了。

小编以为,今天的汽车在空气动力学领域可挖掘的潜力还很大,其他不说,仅仅后视镜的存在就导致整车阻力增加30%以上。后视镜这个“肿瘤”本身的阻力并不大,但却破坏了车体流场的完整性。大伙这次去车展多多关注概念车哦,你会发现它们大都没后视镜。

此外,和三十年的汽车相比,现代汽车在造型上还没有重大突破,主要是因为动力系统布置的限制,随着新能源汽车时代的到来,动力系统的布置更加灵活,或许我们以后不会再看见长长的机舱,这将为未来汽车的造型设计迎来新的发展契机。