浅谈车辆空气动力学设计
在地球大气层内运动的物体全部都受到流体力学的影响，因此流体力学对交通工具的设计具有非常重大的指导意义。随着内燃机功率的不断增大，汽车的行驶速度越来越快，到20世纪30年代，车辆的行驶速度记录已经突破300km/h大关。在如此的速度之中，空气对车辆行驶能力的影响已经非常大。 所以，当代汽车设计必须要包含的一项就是空气动力学，这是流体力学的一个分支，主要研究空气中的运动物体与空气之间的关系。当今汽车的最高行驶速度普遍不超过350km/h，这个速度刚达到喷气式飞机的起飞速度。所以汽车涉及的空气动力学属于中低速范畴，且汽车行驶时相对于空气无俯仰、无偏航、无滚转，相对于航空界的气动研究简单许多。 即便是比较初级的空气动力学也是一项复杂的系统学科，鄙人才疏学浅只略知一二，所以在此只想浅显的聊聊汽车气动设计的最基本元素，以此让众网友了解一些汽车光鲜外形背后的科学原理。 一、空气阻力的产生与消除办法 1、与阻力相关的气动知识： 在谈空气阻力之前，先讲解一些与阻力相关的气动基础，了解这些知识之后有助于理解后面要讲的内容。 流体粘性  流体都具有粘性
流体的粘性特质是气动力学要研究的内容之一 日常生活中我们经常会直观的感受到流体的粘性，例如从蜂蜜罐子中舀蜂蜜，很稠的蜂蜜会粘在勺子上，而且搅动蜂蜜的时候会感觉很费劲。把勺子从蜜罐中拔出来后会看到外层的蜂蜜开始滑落，而内层的蜂蜜还是粘在勺子的表面。这个现象引出了下面的气动概念，即使是空气也是有粘性的，只是不像蜂蜜这样明显。 层流  空气分层流动，互不干扰 如同勺子上的蜂蜜，外面的蜂蜜会快速滑落，越靠近勺子的蜂蜜滑落速度越慢，这就是层流。在空气动力学中层流是指分层流动的空气，空气之间平滑移动。层流是一种非常理想的流动状态，气动设计中总是追求能在气动表面形成层流。 湍流  湍流是一种不佳的流动状态，气动设计中要尽量避免产生湍流 相对于层流，空气开始出现相互扰动，层间出现空气的对流，这种流动叫做湍流。湍流是一种不佳流动，它的出现往往伴随阻力增加和压差失效，如果飞机机翼表面出现湍流会使机翼失效，无法起到提供升力、稳定机身、控制方向等作用。 附面层  附面层与层流向湍流的转变 空气在流经物体表面时紧贴表面的一部分空气会受到物体的阻滞作用，就像粘在勺子上的那层蜜，这部分流动受影响的空气叫做附面层。 研究发现，当空气流经平面时产生的附面层开始是以层流的形式流动，当流动达到一定距离之后，层流开始变得不稳定，随后产生湍流(如上图所示)。这是附面层的不稳定性，为了消除这种现象，流线体的表面很少出现大面积的平面。 气流分离
流体绕过球体后无法沿球体表面流动，产生分离 气流在流经物体的时候有一种特性是沿着物体表面流动，这种特性也与流体粘性有关。但空气分子自身也有惯性，让它突然剧烈改变方向是很难的。如果在流体中的物体表面不是缓和的连续表面，那么在表面的断点就会出现气流分离现象。  带迎角的机翼表面产生的分离 图中是机翼的分离现象，机翼与来流空气呈一定的迎角，气体无法绕过机翼前后缘形成平滑流动，于是分离区产生。分离区实际上可理解为严重的湍流，分离区会使机翼失效、阻力增大。 2、压力阻力  空气阻力随车速的增加而增大 研究表明，汽车在行驶时随着速度的增加空气阻力成为发动机主要需克服的行驶阻力。从上面的图表可以看出，当车速低于90km/h的时候车辆行驶的主要阻力是机械阻力，包括发动机内部的摩擦、轮胎与地面的摩擦等。而当车速超过90km/h的时候，空气阻力成为车辆需要克服的首要阻力。实际上机械阻力可以看作是一个常量，它的大小不随车速变化而变化，而空气阻力是变量，其与车速成正比，车速越快空气阻力越大。
压力阻力是车辆面对的主要空气阻力 在汽车上产生的主要空气阻力是压力阻力，包括迎面阻力和压差阻力。迎面阻力很好理解，就是空气迎头撞上车头而产生的阻力，这个阻力可以通过把车头设计成流线型来降低。压差阻力是空气流至车尾，车身的走势从逐渐扩大变成逐渐收缩，层流的空气在这里开始变成湍流，到车尾垂直平面的部分最为严重，产生了空气分离区，这个分离区里往往是负压，这个负压和车头的正压产生的压差形成了与行驶方向相反的力即压差阻力。  即使是跑车，尾部也有分离现象 压差阻力是比较难消除的阻力，理想的流线体都有一个长长的尾巴，使空气能继续沿表面流动而不分离。但是汽车显然不能这样设计，否则车长会是现在的两倍，而且为了实现最佳外形的这部分车体没有任何实际用途，就是一段空尾巴。最终工程师还是为了保证功能舍弃了最佳气动外形。  当今汽车车身的设计充分考虑到减少分离
为了减小压力阻力，现在的汽车外形设计的很流线，车头非常圆润。为了减少分离，车背都会设计的坡度很缓，让气流尽量沿平缓的车背流动减少分离。  飞机的前缘缝翼可将一部分底部空气引导至上表面，可吹散上表面的分离区 跑车尾部的扩散器也可以吹除车尾的分离区 因为车身外形无法改变，所以工程师利用从扩散器吹出的气流来清洗车尾，将车尾的分离区吹散。这种原理很类似于飞机的前缘缝翼和展向吹起技术。  汽车底盘往往是风阻重灾区 此外，车辆底盘也是风阻的重灾区。车辆外壳开起来非常的平滑干净，但是翻过车底恐怕会令你大失所望。各种裸露的管线和梁盒直接导致了底盘下气流的紊乱。  很多厂商开始重视底盘的降阻设计
封闭的非常完美的底盘 为了消除底盘的风阻，目前很多厂商都会将车辆底盘用塑料护板包裹，平整的塑料护板能够有效降低底盘的风阻。不过只有少数厂商会在车主看不见的底盘上下功夫，好的例子是，十万左右的紧凑家用车都有底盘护板。坏的例子是，绝大部分的车辆底盘都没有封闭，甚至是某些20、30万的“中高级”车。造成这种现象的原因是很多消费者根本不懂底盘护板的作用。 3、机舱阻力  不少空气通过进气格栅直接吹拂发动机，而发动机的造型很不流线 车辆外形流线不代表阻力低，特别是车头。因为很多空气并不是沿车头外廓流动的，不少空气都通过进气格栅吹进了发动机舱直接吹拂发动机和散热器。这俩东西方方正正空气阻力自然不小。这部分阻力约占汽车风阻的12%。  电子控制开闭的格栅可以降低内部阻力 为了解决这部分阻力有些厂家开始使用电子控制的可开闭格栅。电子系统会根据车速和发动机是否需要空气冷却来开闭进气格栅，当格栅关闭时气流不再经过发动机舱，这部分阻力消除。 4、诱导阻力
诱导阻力在飞机上是主要阻力之一，在汽车上表现得不是很明显。但是高速行驶的车辆也会产生一定的诱导阻力，约占车辆行驶阻力的7%。诱导阻力在翼尖部分产生
诱导阻力对于飞机是空阻的大头 以飞机为例，诱导阻力是由机翼上下表面压差导致的，下表面的空气压力高会绕过机翼翼尖向上表面逸散，于是形成由下向上翻卷的漩涡，这些漩涡会带走能量。 汽车行驶时底盘下空气的流速与车体表面空气的流速不同，也会产生压力差，所以汽车上也存在诱导阻力。
翼稍小翼可以有效降低诱导阻力 为了消除诱导阻力，需要隔绝存在压差的两部分空气。飞机的解决方法是安装翼稍小翼，该小翼能平衡上下翼面间的压力差，减小翼尖涡降低诱导阻力。
汽车上有类似的设计来消除诱导阻力 同样的道理，在汽车上你也会看到很多伸出来的边沿，这些突出的边沿和翼稍小翼的作用相似，都是隔绝存在压差表面间的空气流动。  F1的尾翼上消除诱导阻力的设计非常明显 在F1的尾翼上可以看到更加明显的类似设计，其尾翼类似于机翼，上下表面的压力差很大。所以通过封闭侧面的方式消除诱导阻力。 二、产生更多的下压力保证高速行驶的抓地力 下压力关系到车辆高速行驶的稳定性，因为车辆本身的造型是上表面凸起，下表面平整，属于典型的升力造型，在空气中运动会产生升力，这对于需要四条轮胎抓地才能行驶的汽车很不利。所以就需要额外设计一些部件来产生下压力，克服车身产生的升力，让四条轮胎能紧贴地面。下压力的极端代表是F1赛车，据说F1产生的下压力足以让它在天花板上行驶。 1、升力是如何产生的  伯努利定理描述了流速与压力的关系 空气动力学的基础定理之一是伯努利定理，这条定理描述了流体流速与其静压之间的关系。简单来说就是流速快的流体其静压会变小。在一条收缩管道中流动的流体，在收缩段的流速会增加，同时管壁上的压力也会减小。
机翼通过压力差产生升力 根据这条定理，机翼被设计成上凸下平的形状，空气流过凸起的上翼面如同流过收缩的管道，空气流速会增加，压力减小。而下翼面的流速不变，压力大。据此压力差，机翼上产生了升力。 2、通过倒置机翼来产生下压力  让底部流速高于上部可以增加车辆下压力 与机翼产生升力相反，汽车需要的是向下的下压力，所以车辆要研究的是如何增加底盘下空气的流速。或者通过安装反置的机翼来将气动升力变成气动压力。  安装尾翼的作用是增加车尾压力，使后轮的附着力增大
也会安装相应的前翼，它可以增加前轮附着力使车辆的转向效率更高 所以很多车上的前翼和尾翼都是倒置的机翼，这些翼面在快速切割空气的时候可以产生向下的压力。也就是车辆行驶需要的下压力。 3、提高底盘下空气流速，让整个车体产生下压力  小沿主要作用是增加底盘空气流速 除了靠翼型产生下压力外，还可以通过增加底盘下空气流速使整个车体变成一个翼面来产生下压力。一般改装的小型前沿只有中间的部分能够切割空气，其他部分都只有下部有空气流过，而这些部分的作用就是增加底盘空气流速。当空气被小沿切割成上下两部分时，上部的空气直接撞到保险杠向侧向流去，流速降低，而下部空气直接进入底盘和地面之间毫无阻挡，流速不变。这样流速差就产生了压力差。  F1的底盘设计就是为了让底盘下的空气加速流动 F1为了增加底盘下的空气流量特意在车舱两侧设计了下凸的空气通道，这里两个通道如同两个大翼，变窄的部分使通道中的空气加速。
扩散器是增加下压力的重要手段
神器扩散器是底盘空气加速机构的一部分 另一个被F1车迷津津乐道的下压力神器是“扩散器”，这个东西的作用被说的神乎其神。其实扩散器只是整个底盘空气增速设计的一部分。 
扩散器可以看作压缩管道的舒张段 我们可以将扩散器看成是收缩管道的末端，如上图。底盘的部分则是收缩管道最窄的部分，所以F1赛车所有的下压力都产生在底盘的平面部分。  扩散器的压力分布图 再看这张扩散器的压力分布图，蓝色的部分压力最低，红色的部分压力最高。可见底盘平板的部分空气流动最快，压力最低、而扩散器的部分压力开始增加。正式靠蓝色部分的低压，F1赛车才会被外界的大气压死死的压在赛道上。  扩散器可以吹除车尾分离和尾翼分离 扩散器的另一个作用我们前面已经讲到了，就是吹出车尾的分离区。从上面这张图片上可以明显的看到从扩散器吹出的空气走向。这些空气一直向上还扫过尾翼的下部，从前面的描述可知，尾翼下部空气流速也是要高于上部，扩散器喷出的空气也能帮助理顺尾翼下部的空气，减少尾翼后部的分离。 三、风洞实验帮助完善车身气动设计  风洞实验用于收集车辆气动数据 车辆外形由外形设计师完成草图后，其他工作都交给了车身设计师，他们在保证外形得到再现的前提下还要考虑容纳各种设备、保证乘坐空间、结构梁的布制等等。空气动力设计也是要考虑的范畴。为了获得气动数据、查看车身的流场需要通过风洞实验来进行。  汽车风洞的布局 风洞简单来说就是一个电风扇接了一个大管子，通过气体流动来模拟车辆行进时的气动状态。一般风洞由驱动段、过滤段、收缩段、试验段等组成。  车辆设计阶段中油泥模型是风洞实验的主要对象 汽车由于体积比较小、行驶速度低，时常将实车放入风洞中进行测试。而飞机这样的大件只能通过按照一致的雷诺数进行模型缩比试验。汽车在定型之前都需要制作油泥模型，新车的风洞实验都使用油泥模型进行，也会采用缩比模型。风洞实验中常通过烟雾发生器来观察车身表面的流场状态。  车轮转动引起的流场变化也需要在实验中模拟 一些精确的风洞实验中还要考虑车轮转动对周围流场的影响，所以还有在滚动台架上进行的风洞实验，完全模拟车轮转动时附近的流场变化。 四、计算流体力学实现模拟气动实验
F35战斗机DSI进气道流场模拟
末端制导炮弹的空压模拟 计算流体力学软件从上世纪就开始在航空领域中应用，经过几十年的发展，目前计算流体力学已经非常成熟。当今的主流机型的外形大都是计算流体力学软件上跑出的结果。
车辆的流场模拟已经很普及 今天，汽车设计也引入了流体力学软件，在开发阶段可以节省不少的成本和时间，而且在计算机上修改车身造型更加容易。
建立网格模型是很复杂的过程 计算流体力学的难点是建造合理的被测对象网格模型，该虚拟模型即要求外形精确，又要求结构冗余度小。毕竟流体力学计算量非常大，有时一个模拟结果用工作站计算也好跑好几天才能得到结果，冗余的模型跑起来更加费时。 |
