汽車(chē)中的空氣動(dòng)力學(xué)，是個(gè)什么鬼？

不知道大家有沒(méi)有這種感覺(jué),量產(chǎn)車(chē)也好,概念車(chē)也罷,雖然這些車(chē)造型迥異,風(fēng)格多變,細(xì)節(jié)上更是讓人眼花繚亂,但總有一些地方讓人似曾相識(shí),為什么呢?這是因?yàn)楝F(xiàn)代汽車(chē)的造型設(shè)計(jì)遵循空氣動(dòng)力學(xué),換言之,汽車(chē)造型的大方向就是由它決定的。

說(shuō)到空氣動(dòng)力學(xué),大家往往都會(huì)覺(jué)得這是一個(gè)很學(xué)術(shù)很晦澀同時(shí)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(chē)運(yùn)動(dòng)上。但其實(shí)不然,早在20世紀(jì)初期,汽車(chē)比剛發(fā)明不久的飛機(jī)速度還要快(小伙伴們不要驚慌,聽(tīng)我細(xì)細(xì)道來(lái)),早于飛機(jī)突破了時(shí)速兩百公里,這都是當(dāng)時(shí)賽車(chē)的空氣力學(xué)比飛機(jī)更先進(jìn)的證明呀。

早在20世紀(jì)50年代第二次汽車(chē)變革之前,許多車(chē)廠就已經(jīng)采用了人們常說(shuō)的“流線型”造型車(chē)身造型設(shè)計(jì),而這次變革之后,車(chē)身設(shè)計(jì)領(lǐng)域則可謂是百家爭(zhēng)鳴,百花齊放了,如魚(yú)形,船型,楔形,甚至火箭型,是的,沒(méi)錯(cuò),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(dòng)力學(xué)呢?學(xué)術(shù)界給出的定義是這樣滴,空氣動(dòng)力學(xué),是流體力學(xué)的一個(gè)分支,主要研究物體在空氣或其它氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)而產(chǎn)生各種力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(huì)阻礙物體的運(yùn)動(dòng)。而這些壞力,也就是我們老說(shuō)的“空氣阻力”。而這些個(gè)“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(kāi)頭說(shuō)了,這貨很高逼格。其實(shí),它就真的很高逼格!能非常精通和熟練運(yùn)用確實(shí)需要花大工夫和力氣去鉆研。

話說(shuō)回來(lái),空氣動(dòng)力學(xué)到底對(duì)車(chē)輛的行駛有何影響呢?不論是在在民用汽車(chē)領(lǐng)域還是在賽車(chē)領(lǐng)域,空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)于降低風(fēng)阻、提升車(chē)速、節(jié)約油耗、減少噪音和增強(qiáng)行駛穩(wěn)定性等方面都非常重要。

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

▲當(dāng)今量產(chǎn)車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)Cd)又是何方神圣?其實(shí)吧,這個(gè)就沒(méi)那么玄乎了,它就是衡量空氣阻力大小的一個(gè)數(shù)值而已,兩者成正比!

有人突然發(fā)問(wèn)了,為嘛F1(世界一級(jí)方程式)賽車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)比民用車(chē)高那么多!問(wèn)得好,現(xiàn)代F1賽車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)約為0.70至1.1。當(dāng)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(shí)為了獲得更大的下壓力,甚至可以高達(dá)1.3。

而這個(gè)所謂的下壓力,就是使車(chē)輛能夠緊貼地面的一種力。那么問(wèn)題又來(lái)了,那F1風(fēng)阻系數(shù)這么高,勢(shì)必空氣阻力會(huì)大,為何還跑得那么快!少年,當(dāng)然是因?yàn)槿思臆?chē)輕啊,加車(chē)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(dòng)力學(xué)的主要作用就是兩個(gè)方面:1. 產(chǎn)生下壓力,2. 減小空氣阻力。換句話說(shuō),空氣阻力的大小也并非單純的就由風(fēng)阻系數(shù)來(lái)決定的,所以嘛,別問(wèn)那么多為什么了!你以為你是十萬(wàn)個(gè)冷笑話啊!

汽車(chē)空氣阻力的計(jì)算公式如下:

Fd=1/16·A·Cd·v2

其中:v為行車(chē)速度;A為汽車(chē)橫截面面積;Cd為風(fēng)阻系數(shù)。

從這個(gè)公式中,你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn),當(dāng)車(chē)速為定值的時(shí)候,還有一個(gè)因素也決定了空氣阻力的大小呀!沒(méi)看出來(lái)的自己面壁去!

▲F1賽車(chē)在風(fēng)洞中吹吹風(fēng)

咱說(shuō)完了空氣動(dòng)力學(xué)是個(gè)啥,以及它的具體作用之后,咱們就來(lái)簡(jiǎn)單聊聊,如何把它運(yùn)用到汽車(chē)研發(fā)上。通常研究車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)的方法有幾種,咱就主要介紹幾種常見(jiàn)的吧。第一種即使用數(shù)學(xué)計(jì)算,解決一大堆的非線性和偏微分方程后,幸運(yùn)的話你也許能夠得到正確答案。但由于這種方法實(shí)在是太費(fèi)周折,而且誤差和錯(cuò)誤率較高,所以早期大多采用的是實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)求得所需數(shù)據(jù)。

第二種則是托了咱們計(jì)算機(jī)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(shuō)Computational Fluid Dynamics(簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)。這是最高效、最經(jīng)濟(jì)的一種方法,這也是很多車(chē)輛再進(jìn)入風(fēng)洞前所需要做的一項(xiàng)工作。

▲F1賽車(chē)進(jìn)行CFD模擬

而之后,則是實(shí)際測(cè)試的一種方法了,也是土豪們才玩得起的做法,將車(chē)輛的外觀套件或者整車(chē)模型送進(jìn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,讓它們吹吹風(fēng)。不要問(wèn)我造個(gè)風(fēng)洞要多少銀子,反正夠我們買(mǎi)好多好多的保時(shí)捷911了。

小編以為,今天的汽車(chē)在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域可挖掘的潛力還很大,其他不說(shuō),僅僅后視鏡的存在就導(dǎo)致整車(chē)阻力增加30%以上。后視鏡這個(gè)“腫瘤”本身的阻力并不大,但卻破壞了車(chē)體流場(chǎng)的完整性。大伙這次去車(chē)展多多關(guān)注概念車(chē)哦,你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們大都沒(méi)后視鏡。

此外,和三十年的汽車(chē)相比,現(xiàn)代汽車(chē)在造型上還沒(méi)有重大突破,主要是因?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)布置的限制,隨著新能源汽車(chē)時(shí)代的到來(lái),動(dòng)力系統(tǒng)的布置更加靈活,或許我們以后不會(huì)再看見(jiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)艙,這將為未來(lái)汽車(chē)的造型設(shè)計(jì)迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。