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說到空氣動(dòng)力學(xué)，大家往往都會(huì)覺得這是一個(gè)很學(xué)術(shù)很晦澀同時(shí)也很高大上的概念，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(yùn)動(dòng)上。但其實(shí)不然，早在20世紀(jì)初期，汽車比剛發(fā)明不久的飛機(jī)速度還要快，早于飛機(jī)突破了時(shí)速兩百公里，這都是當(dāng)時(shí)賽車的空氣力學(xué)比飛機(jī)更先進(jìn)的證明。早在20世紀(jì)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(jì)，而這次變革之后，車身設(shè)計(jì)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（布加迪就是典型如下圖）。



Bugatti Type 57C Atlanic （1937）

1.氣動(dòng)原理及伯努利定律

空氣動(dòng)力學(xué)，簡稱氣動(dòng)力學(xué)，一般而言劃分為高速氣動(dòng)力學(xué)和低速氣動(dòng)力學(xué)，對(duì)于汽車而言，其屬于低速氣動(dòng)力學(xué)范疇，這個(gè)部分主要研究空氣的流動(dòng)性及其作用。對(duì)于普通家用車而言，擁有優(yōu)秀氣動(dòng)設(shè)計(jì)的汽車會(huì)更安靜更省油，速度更快。

空氣流動(dòng)的本質(zhì)就是分子移動(dòng)。在不受到外力的狀態(tài)下（稱平衡狀態(tài)），氣體分子是呈自由運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)方向不一，彼此間時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)碰撞，但一旦受到外力作用，空氣分子就會(huì)向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這正是流動(dòng)的空氣，或者簡稱氣流生成的原因。但空氣分子即使向同一方向運(yùn)動(dòng)，仍然會(huì)受到各種各樣外部力量的影響，空氣流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓力與流速兩個(gè)特性，對(duì)上述兩個(gè)特性的研究，正是氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)之一。



綜上所述，我們看一下氣流流速和壓力是如何變化的。一個(gè)名叫伯努利的科學(xué)家設(shè)想了一個(gè)中間寬兩頭窄的圓形容器，讓空氣流過這個(gè)容器，經(jīng)過計(jì)算得出了一個(gè)這樣的結(jié)論：在直徑越小的區(qū)域，流速加快，壓力減低；在直徑越大的區(qū)域，流速減慢，壓力增加。這條結(jié)論，就是空氣動(dòng)力學(xué)中著名的伯努利定律。也就是說，當(dāng)空氣經(jīng)過越狹窄的地區(qū)，壓力減少，流速加快，而通過較寬敞的地區(qū)時(shí)，壓力會(huì)增加，流速會(huì)減慢。需要注意的是，由于伯努利方程是由機(jī)械能守恒推導(dǎo)出的，所以它僅適用于粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。



當(dāng)然，伯努利自己并不能很好地理解這個(gè)特性，后來，由一位叫尤拉的數(shù)學(xué)家將這個(gè)定律轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)學(xué)公式，人們才第一次可以精確計(jì)算氣流特性，這條方程，稱為尤拉方程。

2.汽車升力與下壓力

當(dāng)氣流遇到固體，例如汽車車體時(shí)。流線會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)，附近的流場也會(huì)有變化。我們認(rèn)真看看上圖，根據(jù)伯努利定律，在凸起的物體上方，在流場縮小的情況下，壓力減低流速加快，因此會(huì)在物體上方出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū)，由于大氣壓作用，這個(gè)固體會(huì)被下方較大的氣壓抬起，這就是升力的產(chǎn)生機(jī)制。



3.汽車空氣阻力

話說回來，空氣動(dòng)力學(xué)到底對(duì)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)于降低風(fēng)阻、提升車速、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。車輛的行駛阻力通常主要是空氣阻力和滾動(dòng)阻力（就是我們車輪與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力），當(dāng)一輛汽車以80km/h的速度行駛時(shí)，約有60%的阻力來自空氣。而當(dāng)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(dāng)今量產(chǎn)車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.28至0.40之間

而風(fēng)阻系數(shù)（coefficient of drag，簡稱Cd）就是衡量空氣阻力大小的一個(gè)數(shù)值而已，兩者成正比！現(xiàn)代F1賽車的風(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，就是使車輛能夠緊貼地面的一種力，勢必空氣阻力會(huì)變大，為何還跑得那么快！當(dāng)然是因?yàn)槿思臆囕p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(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，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！

汽車空氣阻力的計(jì)算公式如下：
Fd=1/16·A·Cd·v2
其中：v為行車速度，單位：m/s；A為汽車橫截面面積，單位：m2，Cd為風(fēng)阻系數(shù)。
從這個(gè)公式中，你有沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為定值的時(shí)候，還有一個(gè)因素也決定了空氣阻力的大小呀！即我們常說的Cd值。



F1賽車在風(fēng)洞中吹風(fēng)

4.空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)



優(yōu)秀的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)就要做到對(duì)汽車空氣阻力和升力的完美平衡，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)有已被證實(shí)有效的設(shè)計(jì)有：氣簾設(shè)計(jì)、前擾流唇設(shè)計(jì)、可升降尾翼設(shè)計(jì)，另外目前新興的技術(shù)還有高效的熱管理和水管理。

以氣動(dòng)設(shè)計(jì)堪稱完美的保時(shí)捷911為例，前大燈進(jìn)風(fēng)口和后輪罩旁進(jìn)風(fēng)口即為所謂的氣簾（紅色圈所示），并且對(duì)前后剎車盤有冷卻作用。



前擾流唇與汽車底盤水平的安裝在車身頭部下方，可根據(jù)車速自動(dòng)調(diào)整伸縮量并使汽車的接近角增大防止底盤被觸碰的危險(xiǎn)，如下圖黃色線區(qū)域。



保時(shí)捷911采用的可升降尾翼設(shè)計(jì)，可以為其在高速或彎道時(shí)提供足夠的抓地力，即下壓力。

5.空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

說完了空氣動(dòng)力學(xué)以及它的具體作用之后，咱們就來簡單聊聊，如何把它運(yùn)用到汽車研發(fā)上。通常研究車輛空氣動(dòng)力學(xué)的方法有幾種，現(xiàn)在就主要介紹幾種常見的。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Computational Fluid Dynamics（簡稱CFD）。這是最高效、最經(jīng)濟(jì)的一種方法，這也是很多車輛再進(jìn)入風(fēng)洞前所需要做的一項(xiàng)工作。



F1賽車在CFD中進(jìn)行模擬

而之后，則是實(shí)際測試的一種方法了，將車輛的外觀套件或者整車模型送進(jìn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，讓它們吹吹風(fēng)。最后呢，想給大家介紹的一種方法，也是特別有意思的一種，那就是在車身表面噴上一層熒光液體，然后讓圈養(yǎng)的車手把車開出去按一定的規(guī)律來跑。待車輛返回后，工程師再根據(jù)車身液體的紋路和分布情況做出判斷。



車身表面噴漆　　　



跑完后，前翼側(cè)面的液體紋路　　



尾翼上的液體紋路　　



擾流板下面的液體紋路
工
程師通過這些液體在車身各部件上面的分布情況，從而能夠?qū)υ撥嚨目諝鈩?dòng)力學(xué)進(jìn)行一定的認(rèn)知。

需要說明的一點(diǎn)是，在研究車輛的空氣動(dòng)力學(xué)時(shí)，工程師不僅會(huì)研究車體表面的空氣流通情況，同時(shí)還需考慮車底氣流的通過狀況。簡單的說，越規(guī)整的車底，其車底的空氣阻力和升力也會(huì)越小。這也就是為什么大家看到很多賽車和豪華車的車底都是一整塊平面（也起到一定的保護(hù)作用），否則可能會(huì)造成翻車等事故。



2015年德國站，巴西車手馬薩的翻車事故