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汽車空氣動(dòng)力學(xué)漫談
2018-02-27 14:10:18·
汽車行業(yè)目前已有一種共識(shí)，具有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的汽車，加速性能更好、行駛穩(wěn)定性更強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。隨著節(jié)能環(huán)保汽車的呼聲愈強(qiáng)，汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能相比以往任何時(shí)候，都更被車企所重視。本期作者將帶你走近汽車空氣動(dòng)力學(xué)。引言如果一輛汽車以105公里/小時(shí)的速度駛向墻壁，將會(huì)發(fā)生什么？可以想象：汽車車架會(huì)斷
汽車行業(yè)目前已有一種共識(shí)，具有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的汽車，加速性能更好、行駛穩(wěn)定性更強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。隨著節(jié)能環(huán)保汽車的呼聲愈強(qiáng)，汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能相比以往任何時(shí)候，都更被車企所重視。本期作者將帶你走近汽車空氣動(dòng)力學(xué)。
引言
如果一輛汽車以105公里/小時(shí)的速度駛向墻壁，將會(huì)發(fā)生什么？
可以想象：汽車車架會(huì)斷裂，玻璃會(huì)破碎，當(dāng)然，安全氣囊也會(huì)彈出試圖保護(hù)司機(jī)和乘客，但即使現(xiàn)代汽車在安全方面已有著巨大進(jìn)步，這樣的撞車也將會(huì)是一次嚴(yán)重的事故。因?yàn)槠嚫静豢赡芡ㄟ^任何改良設(shè)計(jì)而順利穿過一面磚墻。
但是大自然中卻存在著另外一種“墻”，汽車通過改良設(shè)計(jì)就可以順利從中穿過，這就是“空氣墻”——當(dāng)汽車高速行駛時(shí)遇到的“墻”。
也許大多數(shù)人并不認(rèn)可這種說法，空氣或者風(fēng)怎么能算一堵墻呢。
汽車低速行駛或風(fēng)不大時(shí)，我們總是很難注意到空氣與車輛的相互作用；但是高速行駛或異常大風(fēng)時(shí)，空氣阻力（空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的作用力）對(duì)汽車的加速性能、行駛穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性都有巨大的影響。
空氣動(dòng)力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究物體與氣體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力特性、氣體流動(dòng)規(guī)律以及伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化?？諝鈩?dòng)力學(xué)在航空、航天、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
近幾十年來，汽車設(shè)計(jì)不同程度的考慮了空氣動(dòng)力學(xué)，汽車制造商們也進(jìn)行了各種各樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，試圖使“空氣墻”更容易被穿過。
在了解空氣動(dòng)力學(xué)如何應(yīng)用于汽車行業(yè)之前，先了解一下“風(fēng)阻系數(shù)（Cd）”。
風(fēng)阻系數(shù)（Cd）
風(fēng)阻系數(shù)（Cd）是衡量汽車空氣阻力的數(shù)值。
汽車以110公里/小時(shí)的車速行駛時(shí)，空氣對(duì)汽車的阻力比60公里/小時(shí)車速行駛時(shí)多出四倍。通常使用風(fēng)阻系數(shù)來衡量汽車的空氣動(dòng)力學(xué)能力。簡(jiǎn)單來講，風(fēng)阻系數(shù)越低，汽車的空氣動(dòng)力學(xué)相對(duì)更佳，也更容易通過“空氣墻”。
一起來看幾個(gè)阻力系數(shù)值。
記得上世紀(jì)70和80年代方方正正的Volvo汽車嗎，比起Volvo960轎車0.36的阻力系數(shù)，而較新的Volvo汽車比如S80轎車就可以達(dá)到了0.28的阻力系數(shù)。
這是為什么呢？
我們來看看大自然中空氣動(dòng)力學(xué)性能最佳的物體——水滴。水滴各個(gè)面都是均勻光滑的，并且從底部到頂部逐漸變細(xì)。當(dāng)其墜落到地面的過程中，空氣流動(dòng)順暢。汽車也一樣—光滑圓潤的車身使得空氣流過車身表面時(shí)的“推力”大大減小。
如今大多數(shù)的轎車達(dá)到了約0.30的阻力系數(shù)。SUV由于容量比較大，能容納更多的人，而且通常需要更大的進(jìn)氣格柵以提升發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能，所以阻力系數(shù)通常為0.30-0.40或者更高。皮卡，出于用途而特意設(shè)計(jì)為方方正正的形狀，阻力系數(shù)通常為0.40及以上。
那么阻力系數(shù)和燃油經(jīng)濟(jì)性又有什么關(guān)系呢？簡(jiǎn)單直白的講，阻力系數(shù)每降低0.01，就可以增加0.09公里/升的燃油經(jīng)濟(jì)性。
汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)史
最早的汽車設(shè)計(jì)并沒有考慮空氣動(dòng)力學(xué)。
那時(shí)候汽車的外形——看起來更像一個(gè)沒有馬的馬車，對(duì)它的描述只有一個(gè)字——“方”。當(dāng)然早期的汽車也不需要考慮空氣動(dòng)力學(xué)，因?yàn)樗鼈兊能囁傧鄬?duì)較慢。
然而，在20世紀(jì)早期，一些賽車便開始融入了尖形頭部和其他一些流線型設(shè)計(jì)元素。
1921年，德國發(fā)明家Edmund Rumpler基于自然界中最具空氣動(dòng)力學(xué)的形狀——水滴創(chuàng)造了Rumpler-Tropfenauto，它的Cd值只有0.27，但它過于獨(dú)特的外觀從未吸引到公眾，大約只生產(chǎn)了100輛左右。
20世紀(jì)50年代和60年代，汽車空氣動(dòng)力學(xué)的最大進(jìn)步來自賽車。起初工程師嘗試通過流線型設(shè)計(jì)以幫助賽車更好的處理高速行駛。隨后便慢慢演變成一門非常精確的科學(xué)來設(shè)計(jì)制造最具空氣動(dòng)力學(xué)性能的賽車。前后擾流器以及氣動(dòng)套件等變得越來越普遍，以保持空氣順暢流過汽車頂部，并在前輪和后輪上產(chǎn)生必要的下壓力。
同時(shí)期的Lotus，Citroën和Porsche等公司開發(fā)了一些非常具有代表性的流線型設(shè)計(jì)車型，但這些設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于高性能跑車，而不是乘用車。 直到20世紀(jì)80年代，Audi 100轎車問世，才實(shí)現(xiàn)了0.3的Cd值，這在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)。
如今空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)已成為汽車行業(yè)共識(shí)，幾乎所有的汽車品牌都期望通過各種設(shè)計(jì)以提升空氣動(dòng)力學(xué)性能。
那么又是什么促成了這一變化？答案是：風(fēng)洞。
風(fēng)洞
為了實(shí)時(shí)測(cè)量汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能，汽車工程師們借鑒了航空行業(yè)中用到的空氣動(dòng)力學(xué)工具——風(fēng)洞。
實(shí)際上，風(fēng)洞是一個(gè)巨大的流道，通過風(fēng)機(jī)在其內(nèi)部產(chǎn)生氣流。風(fēng)洞的測(cè)試對(duì)象可能是一輛汽車，一架飛機(jī)，或其他任何工程師需要測(cè)量空氣阻力的物體。 在風(fēng)洞背后的操作室內(nèi)，工程師研究氣流的流動(dòng)方式，以及它和物體的作用方式。
風(fēng)洞內(nèi)的汽車并不移動(dòng)，但風(fēng)機(jī)可以通過產(chǎn)生不同速度的氣流以模擬實(shí)際行駛條件。有時(shí)甚至不會(huì)使用真正的汽車，僅使用精確比例的汽車模型來測(cè)量風(fēng)阻，而后通過計(jì)算機(jī)來計(jì)算阻力系數(shù)（Cd）。
風(fēng)洞其實(shí)并不是什么新鮮事物。18世紀(jì)末期已開始嘗試使用風(fēng)洞進(jìn)行飛機(jī)氣流的測(cè)試。第二次世界大戰(zhàn)以后，為了體現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，賽車工程師們開始使用風(fēng)洞來評(píng)估一些空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)附件的有效性，隨后這些技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)為轎車和卡車所用。
氣動(dòng)附件
談到汽車空氣動(dòng)力學(xué)并不僅僅指阻力，還有升力和下壓力等。由于汽車車身上部和下部氣流的流速不同，使車身上部和下部形成壓力差，從而產(chǎn)生升力。下壓力則與升力相反，將作用于汽車使其垂直壓向地面。
你可能會(huì)認(rèn)為F1賽車的阻力系數(shù)會(huì)很低 ，畢竟它的速度如此驚人。然而事實(shí)上并不是這樣，一輛典型的F1賽車的Cd值約為0.70。
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