汽车为什么要设计成流线型

  • 焉知
  • 2021-01-27 16:19:03
  • 0
  • 127

为什么汽车的外形要设计成流线型?尤其是运动速度很快的跑车。汽车运动起来除了要跟地面紧密接触外,无处不在就是空气了。空气是如何影响汽车的运动呢?

来源 | 团邦网汽车团

知圈 | 进“汽车车身社群”,请加微 13636581676,备注车身

为什么汽车的外形要设计成流线型?尤其是运动速度很快的跑车。汽车运动起来除了要跟地面紧密接触外,无处不在就是空气了。空气是如何影响汽车的运动呢?这就涉及到空气动力学的知识。空气动力学是一门研究汽车车身周围和内部空气流动情况的科学。低速时,流经汽车周围和车内的空气开始对加速度产生显著的影响,高速时对燃油效率和操纵性有明显的影响。
因此,为了打造最好的汽车,需要了解和优化车身周围和内部空气的流动情况以及通风口和空气动力装置的安装与设置。

空气动力学原理
阻力
无论汽车行驶速度多小,它都需要消耗一些能量使其在空气中运动,这部分能量用于克服阻力。在汽车空气动力学中阻力主要包括以下三部分:
· 前方压力,汽车前进时车身推动空气所产生的效果。
· 后方真空,空气不能填补车身通过后“空”的地方所产生的负压。
· 边界层,车身表面缓慢流动的空气所产生的摩擦力。
在这三部分中,我们可以描述大部分气流与车身的相互作用。
前方压力
空气试图流经汽车的前方部分会形成前方压力,如图1所示:

图1 前部气动阻力的形成
汽车在空气中行驶时必须要推动空气分子运动,这就形成了前方压力。当数以百万计的空气分子接触车身前部时会发生压缩,从而增加了车身前部的空气压力。同时,在大气压下空气分子沿车身两侧运动,且大气压比汽车前部的压力要小。
这就像一个空气罐,当罐内的气压比罐外的气压高时,如果打开阀门,空气分子就会流到低气压区,最终使得罐内外的气压相等。这一原理适用于任何车辆。被压缩的空气分子会寻找离开汽车前方高压区的出路,如图1所示,空气分子会向车身侧部、上部和下部流去。
后方真空
后方真空是由汽车通过空气时在空气中所留下的“空洞”所造成的。为了使之形象化,让我们来看看下面图2的示范车。当汽车在道路上行驶时,汽车外形会使得其在空气中形成一个空洞。如上所述,空气会流经车身周围。
汽车行驶时,汽车后风窗和行李箱后的空间马上变成“空”的或者说像是一个真空。这些空区域是由于空气分子不能及时填补汽车通过时所形成的空洞所造成的。空气分子力图填补这些空的区域,但是汽车一直在前行,以至于在与汽车行驶方向相反的方向上始终存在着真空。

图2 汽车后部尾流区域
后方真空(也称为流动分离)是另一种形式的阻力,流经汽车的空气不能填补汽车通过后形成的“空”区域,导致形成了真空,形成负压区。无法填补汽车造成的空洞在技术上称之为流动分离。
流动分离仅适用于阻力的“后部真空”部分,并且在车速增加时会产生越来越大的负面影响。事实上,随着车速的提高阻力也会增加,因此当车速增加时需要更多的马力来推动空气向前行驶。
因此,当汽车高速行驶时,合理的设计汽车来限制流动分离区域的大小就变得格外重要。理想情况下,我们会给时间让空气分子遵循汽车车身的外形轮廓来填补由汽车车身、 轮胎、 悬架以及凸部(即镜子、辊柱等)形成的空区域。
如果你见过Le Mans赛车,你就会明白这些赛车的尾部是怎样向后车轮后方延伸的, 从侧面和顶部看时你会发现车身很窄。这种车身允许空气分子沿着车身渐渐地汇流填补因汽车座舱以及车身前部所形成的真空区域,而不必突然填补大量“空”的地方。
后方真空所形成的阻力大于前方压力形成的阻力,因此减小在汽车后部所形成的真空区的大小非常重要。
湍流

图3 后视镜出的湍流
湍流是由汽车上气流的分离所形成的。汽车正后方不可避免的气流分离留下了一条湍流尾迹。
当气流分离时,相比于汽车前方流畅的气流,此时气流会变得相当紊乱。
如果我们观察汽车上的突起,如上图3所示的后视镜,我们能看到气流分流以及湍流现象。气流从后视镜的扁平面分离,流向汽车的后方。
气流分离所形成的湍流能影响空气向后视镜后的汽车部件流动的情况。例如,当空气顺畅的进入进气管时效果最佳。另外,当空气平缓的流过车翼时能产生更大的下压力。因此,整车长度要进行合理的优化以减少高速时的湍流量。
风阻系数
为了能将一辆车产生的阻力与其它车相比较,阻力系数或者Cd值应运而生,其是一个无量纲值。每一辆车都有一个阻力系数,其大小可以用风洞数据来测量。风阻系数可以用于阻力方程来确定不同行驶速度下的阻力。在JosephKatz的著作《赛车空气动力学:速度设计》中,他提供了一个关于常用车辆和它们的风阻系数以及迎风面积的表格。这里是表中的一部分。
汽车风阻系数(摘自《赛车空气动力学:速度设计》,作者Joseph Katz)
从该表以及我们对于这些车辆中某些车身形状的了解,我们可以得出结论:当一辆车具备以下特点时,那它就拥有最好的风阻系数:
·有一个小的鼻头/进气格栅,可以最小化车身前部压力。
·在进气格栅的底部,拥有较小离地间隙,降低车身底部的气流。
·有倾斜的挡风玻璃,以避免在车身前部形成气压。
·拥有一个斜背式风窗∕舱面,或倾斜的车身,以使空气流动能附着车身表面。
·拥有收拢的车尾,使气流附着车身,并且能最小化空气发生流动分离的最终发生面积。
如果你觉得这是在描述一辆跑车,那么你说对了。事实上,最理想的车身形状如同泪滴,即使是最好的跑车也有气流分离。然而,泪滴形状不利于车的操作,其离地面非常近。飞机就没有这方面的限制,因此泪滴状的造型可以在机身中常见。
现在最好的公路汽车的风阻系数大约控制在0.28。对于F1方程式赛车,利用它们的尾翼和开放车轮(一个巨大的阻力分量)将风阻系数控制在0.75。
如果说平板的风阻系数大约1.0,那么看起来F1方程式赛车似乎很低效。但是F1方程式赛车缺少高效的空气动力学风阻系数的原因是,F1方程式赛车要获得足够的车辆下压力和赛车具有强大功率。