汽車空氣動力學設計
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-13
汽車空氣動力學設計的視頻教程
汽車空氣動力學設計的實例教程
汽車行業目前已有一種共識，具有良好空氣動力學性能的汽車，加速性能更好、行駛穩定性更強、燃油經濟性更佳。隨著節能環保汽車的呼聲愈強，汽車空氣動力學性能相比以往任何時候，都更被車企所重視。本期作者將帶你走近汽車空氣動力學。
引言
如果一輛汽車以105公里/小時的速度駛向墻壁，將會發生什么？
可以想象：汽車車架會斷裂，玻璃會破碎，當然，安全氣囊也會彈出試圖保護司機和乘客，但即使現代汽車在安全方面已有著巨大進步，這樣的撞車也將會是一次嚴重的事故。因為汽車根本不可能通過任何改良設計而順利穿過一面磚墻。
但是大自然中卻存在著另外一種“墻”，汽車通過改良設計就可以順利從中穿過，這就是“空氣墻”——當汽車高速行駛時遇到的“墻”。
也許大多數人并不認可這種說法，空氣或者風怎么能算一堵墻呢。
汽車低速行駛或風不大時，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時，空氣阻力（空氣對運動物體的作用力）對汽車的加速性能、行駛穩定性和燃油經濟性都有巨大的影響。
空氣動力學是力學的一個分支，主要研究物體與氣體相對運動時的受力特性、氣體流動規律以及伴隨發生的物理化學變化。空氣動力學在航空、航天、汽車領域都有廣泛的應用。
近幾十年來，汽車設計不同程度的考慮了空氣動力學，汽車制造商們也進行了各種各樣的創新設計，試圖使“空氣墻”更容易被穿過。
在了解空氣動力學如何應用于汽車行業之前，先了解一下“風阻系數（Cd）”。
風阻系數（Cd）
風阻系數（Cd）是衡量汽車空氣阻力的數值。
汽車以110公里/小時的車速行駛時，空氣對汽車的阻力比60公里/小時車速行駛時多出四倍。通常使用風阻系數來衡量汽車的空氣動力學能力。簡單來講，風阻系數越低，汽車的空氣動力學相對更佳，也更容易通過“空氣墻”。
一起來看幾個阻力系數值。
展開 很多人第一次聽到空氣動力學這個詞時，或許會比較頭痛，感覺進入到了一個玄之又玄的領域。畢竟在大家印象中，空氣動力學大多與飛行器有關，比如飛機、火箭、戰斗機等等。但其實，空氣動力學其實距離我們日常生活很近。
從字面理解，空氣動力學解決的就是如何讓物體在空氣中保持更高效運動的科學。因此，一切需要運動的物體，就比如，跑步中的人、騎行中的自行車，甚至是行駛中的高鐵、汽車等，想要保持更快速、更省力、更節能的運動，都與空氣動力學息息相關。
當然，雖然空氣動力學對汽車領域非常重要，但在汽車百年多發展歷史中車企真正開始研究空氣動力學的歷史并不是特別長。我們都知道早期的汽車造型都非常方正，沒有任何流線型的設計概念，而一直到20世紀中葉以后，車企才開始重視起汽車空氣動力學的設計，而在汽車空氣動力學中需要解決的兩個問題就是風阻和升力。
車企為何愛吹噓“風阻系數”
在力學中，空氣動力學其實是流體力學的一個分支，空氣也被認為是流體的一種。而我們都知道，流體密度越大，對任何通過它的物體形成的阻力就越大，汽車在高速行駛中所遇到的最大阻力就是“風阻”。風阻形成了一個平行于車輛行駛平面的力，阻礙汽車運動，而且這個阻力也會隨著車速變快而變大，風阻變大也意味著油耗越高、車輛最高車速也降低得越多（發動機功率輸出保持恒定的情況下）。
同時一輛車想要保持更高時速，那背后所需要解決的技術難題也成幾何數增長，這也是為什么當布加迪Chiron創下490km/h時速記錄時，會引起那么大關注的重要原因。當然，如果你無法理解，那么以F1賽車為例會更容易想象背后的難度。
展開 概述
隨著汽車工業發展與汽車行駛速度日益提高，汽車的空氣動力學亦愈來愈受到重視，優秀的空氣動力學設計不但可以達到高效節能的目的，還能夠減少噪音、提高車輛的平順性和行駛穩定性，提供更強的安全保障。如今，它已經不是航空航天領域的專利，而是現代工業設計必不可少的元素之一。
汽車空氣動力學研究主要有兩種方法：一種是進行風洞實驗，另一種則是利用計算流體動力學（CFD）技術進行數值仿真。相比風洞實驗，CFD數值仿真有著可再現性、周期短、成本低，以及全面且豐富的流場分析功能等優點。隨著計算機性能的不斷提高，CFD 軟件逐漸成為工程師的常用工具，通過數值仿真，在產品開發的初期就確立設計方案。外流場空氣動力學仿真計算作為CFD的一個方面，在現代汽車設計中扮演著至關重要的角色。
AICFD軟件介紹
AICFD 是由天洑軟件研發的一款智能熱流體仿真軟件，它實現對流動及傳熱的快速智能仿真。
展開 與之前的Chaparral賽車采用了大型尾翼不同，Jim Hall設計2H的核心理念就是最大幅度地降低風阻。
Jim Hall似乎糾枉過正，2H的設計中盡可能地縮減了車寬，甚至打算把車手完全容納進車身，以將賽車的風阻系數降到最低。這也造就了2H非常奇特的造型——車身上部非常平整，側窗被安放在了很低的位置，整車看起來像個鍥子。
2H在設計過程中幾易其稿，這是其中之一。
Jim Hall請了當時Can-Am賽事的著名車手John Surtees來駕駛2H參賽。John Surtees非常反感這個駕駛位置的設計，認為車身嚴重阻礙了視線。他強烈要求把2H的駕駛位抬高，裝上防滾架與前風擋，以便把頭部露出來獲得更好的視野。
Jim Hall和John Surtees
Jim Hall認為這個改動破壞了2H的空氣動力學特性，但隨后的參賽過程中，2H暴露出了更多的問題——低風阻的設計與窄車身導致其彎中速度非常低。Jim Hall不得不額外增加大型翼片來死馬當活馬醫，車手John Surtees則表示出對這臺車極其厭惡。
由于安全原因，1969年賽季結束后，Can-Am賽會禁止了可變型空氣動力學套件的使用。這意味著Chaparral無法繼續使用其作為制勝武器的可變尾翼，Jim Hall不得不尋找新的空氣動力學設計方案。
2G等車型為了增加下壓力而增加了風阻，而2H則為了減小風阻導致了下壓力的不足。在不使用可變尾翼的條件下，低風阻與高下壓力，二者可以兼得嗎？
Jim Hall用下面這款車給出了他的答案——這款車打開了汽車空氣動力學設計的另一扇大門。
Chaparral最具傳奇色彩的車型——Chaparral 2J “Sucker Car”，人類第一臺運用“地面效應”的賽車。
2J有著如同冰柜一般的奇異外觀，車尾兩個巨大的風扇非常顯眼。
展開 前圍與側圍,前圍、側圍與發動機罩,后圍與側圍等地方均采用園滑過渡,發動機罩向前下傾,車尾后箱蓋短而高翹,后冀子板向后收縮,擋風玻璃采用大曲面玻璃,且與車頂園滑過渡,前風窗與水平面的夾角不宜超過30 度,側窗與車身相平,前后燈具、門手把嵌入車體內,去掉不必要的裝飾,車身表面盡量光潔平滑,車底用平整的蓋板蓋住,降低整車高度等等,這些措施有助于減少空氣阻力系數
在80 年代初問世的德國奧迪100 ─Ⅲ型轎車就是最突出的例子,它采用了上述種種措施,其空氣阻力系數只有0. 3 ,成為當時商業代轎車外形設計的最佳典范。圖7 是現代汽車。據試驗表明,空氣阻力系數每降低百分之十,燃油節省百分之七左右。對兩種相同質量,相同尺寸,但具有不同空氣阻力系數(分別是0. 44 和0. 25) 的轎車進行比較,88 kmPh 的時速行駛了100 km ,燃油消耗后者比前者節約了1. 7 L。
從前面可知,空氣動力學上的每一項進展,都直觀的反映在汽車造型的變化上。幾十年來,汽車造型的種種變化,都可以找到其空氣動力學的依據。當汽車的車速提高到每小時50 km 的時候,迎面而來的風使駕乘人員難以忍受,迫使人們考慮改變汽車的外形以克服其缺陷。于是人們設計了一種帶有球面的擋風板的汽車,這是流線型的萌芽。汽車總高度的降低,汽車上部寬度的減小,都是為了減小汽車的迎風面積。30 年代盛行的甲殼蟲轎車,反映了空氣動力學發展的一個階段。后來出現的船型車、魚型車,隨著空氣動力學的發展,雖各有特色,但都有朝楔形車變化的共同趨勢,楔形造型能較好地滿足空氣動力學的各項特性,并且造型上清爽利落,簡潔大方,具有現代氣息,給人以美的感受。
2現代汽車的造型
奧迪R8中的空氣動力學設計
尾翼的基本設計
尾翼和擾流器的誕生正是要解決氣流和浮升力的問題。我們見到過的尾翼可謂五花八門、千奇百怪。
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