汽車中的空氣動力學(xué)，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(fēng)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(shè)計遵循空氣動力學(xué),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(xué),大家往往都會覺得這是一個很學(xué)術(shù)很晦澀同時也很高逼格的概念,其學(xué)術(shù)研究成果和結(jié)論都被大量的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)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(xué)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(shè)計,而這次變革之后,車身設(shè)計領(lǐng)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常科幻!

回到正題那么何為空氣動力學(xué)呢?學(xué)術(shù)界給出的定義是這樣滴,空氣動力學(xué),是流體力學(xué)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(zhì)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(xué)到底對車輛的行駛有何影響呢?不論是在在民用汽車領(lǐng)域還是在賽車領(lǐng)域,空氣動力學(xué)設(shè)計對于降低風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)一般在0.28至0.40

而風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)比民用車高那么多!問得好,現(xiàn)代F1賽車的風(fēng)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(fēng)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(xué)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(fēng)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(fēng)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(fēng)洞中吹吹風(fēng)

咱說完了空氣動力學(xué)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(xué)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(xué)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(shù)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(fēng)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(fēng)洞實驗室,讓它們吹吹風(fēng)。不要問我造個風(fēng)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(xué)領(lǐng)域可挖掘的潛力還很大,其他不說,僅僅后視鏡的存在就導(dǎo)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(guān)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(shè)計迎來新的發(fā)展契機。