汽车空气动力学基础知识与设计技巧系列（四）AutoAero201619期

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。一般来说，空气动力学也属于“流体力学”，因为空气只是流体的一个极小分支。但是空气动力学对于交通工具来说又很重要，这个系列，我们从基础到应用技巧深入浅出来一起了解一下。...

应用空气动力学辅助车辆操控

应用汽车车身引导气流流入开口，例如，利用更高效、更小的开口减小空气阻力造成的损失。有些时候，事先考虑一些，你可以通过这些小的双重目的的技术得到优于竞争对手的优势。

另一个有用的技术是利用车身产生的高低压区域来实现功能。例如，早在20世纪50年代奔驰就将散热器栅格放置在司机背后的低压区。其中进入散热器的空气进口压力变得不再那么重要，因为低压出口区域是需要通过散热器慢慢吸入空气的。

有用的高压区域是在车的前部，为了充分利用这一区域，车头经常向下倾斜。这使得更高的空气压力在车头上向下运动，增加车的抓地力，同时也具有增大驾驶员视野的优点。

使突起远离车身

平稳的气流可以通过适当的车身设计来实现，如果诸如反光镜的凸起部位太接近气流，那么平稳的气流很容易被破坏，因此，设计一款基于动力学特性的挂接式镜子是非常重要的，镜子其本身需要距离车身足够远以避免不利的影响。

空气动力装置

尾翼

可能最流行的空气动力装置就是尾翼，尾翼可以利用阻力来产生很大的下压力，从而起到显著的作用。扰流器达不到这样的效果，但是由于扰流器的实用性，其通常用于轿车上，而在轿车上尾翼起不到很大作用。

尾翼通过车身顶部和底部的压力差产生下压力。如上图1所示，尾翼通过车身顶部和底部的压力差产生下压力，这种气压的不同是因为空气流经尾翼的方式不同而造成的。

根据伯努利原理，对于一定流量的气体，流动速度越高，气压越低。因此为了产生很低的空气压力，我们需要加快气流速度。

尾翼通过使空气分子以不同方式从前缘运动到尾缘来达到这种效果。在尾翼较长的下部要求气流在该边的速度高（低压），实现与低速（高压）气流在尾翼的末端的顶部相遇。

尾翼底部的低压区域使得顶部高压区域产生向下的推力作用在尾翼上，因此被安装到车辆上。安装的角度或者尾翼的角度可以增加来满足更大的压力差，最终尾翼的将停止并使下压力消失。随着安装角度的增加，阻力也会增加。

下压力可以通过在一个大尾翼的后部安装一个或多个小尾翼来增加下压力。在Joseph Katz的《Race car aerodynamics：Design for speed（赛车的空气动力学：速度设计）》一书中，他提出了关于多尾翼型的压力系数曲线，如下图2所示。尾翼元件的安装位置是至关重要的，用尾翼元件之间的距离来“供养”小型尾翼的低压侧边。

注：与安装在赛车上的尾翼相比，图中的尾翼是倒置放置的。此图是为了绘制从尾翼前面到后面（和弦）的负压系数（X/C）。

图摘自Joseph Katz的《赛车的空气动力学 设计时速》一书。每一个连续元件都被精确定位，以补充和利用之前的尾翼元件的气流。尾翼可以和端板连接来阻止高压气流溢出流向下部低压侧。下图3是一个链接端板的尾翼示意图。

尾翼端板阻止高压气流（顶部）从尾翼端部流向低压侧（底部）。

文氏（文丘里）管

文氏管就像在实验室看到的文氏管一样，利用流体的收缩变窄产生高速，减小赛车底部的低压区。在下图4中，我们展示了一辆具有文氏管的汽车，在实验室你可以在其下部看到一个小文氏管。

文氏管外形增加了流过它的气体速度，降低了空气压力并且产生了下压力。

在赛车中，文氏管的形成通常是将车身底板制成像是反向翼一样的外形。车身底板和路面间的间距使气流压缩，然后扩大使由压缩产生的低气压沿着车辆中部和后部作用。文氏管是非常有用的设备，但是很容易受到车辆底盘高度的变化。

扩散器

如图5所示，扩散器用来在车辆的后部产生下压力，像文氏管，其形成一个曲线，类似于车辆后方低压区之前的尾翼下侧面。通过这种作用，车辆底部的气流速度增加，从而气流压力下降，产生空气下压力。扩散器和文氏管利用车辆后侧的低压区，有时候也能利用进入扩散器的高速排放气体来产生更低的气压。

扩散器利用车身底部来模拟尾翼的下部。扩散器的扩大的开口在汽车后部形成一个低气压区，从而产生下压力。

底盘倾角

如上文空气动力学原理部分提到的，底盘的前部离地间隙能比后部离地间隙更小。车头较低能减少汽车底部的空气流量，车尾较高会形成一个扩大的空间，在此能产生真空效应，这样就会降低汽车下方的空气压力，产生下压力。

覆盖或者精简外露的叉形臂

为例节约成本，外露叉形臂（开放式车轮汽车）通常由圆形钢管制成。然而这种圆形钢管会产生湍流。所以这值得我们考虑使用椭圆管，或者设计一个椭圆型整流罩放置在圆管外部。如下图6所示。

推荐延伸阅读

《Race Car Aerodynamics: Designing for Speed（赛车空气动力学：速度设计）》，一本深入和全面指导空气动力学理论和实践的书。它讲述了设计者需要知道一切知识:从基本理论到空气动力学套件（例如：尾翼，文氏孔，扰流板，分散器等）到它们在不同赛车车型上的应用。在写作时并未考虑发动机，它也提出了很多例子和图示来说明怎么优化流经车辆周围和内部的气流。

《Road Vehicle Aerodynamics(道路车辆空气动力学：从流体力学到车辆工程)》，最全面和最深入讲述空气动力学原则和它们在道路车辆上的应用。对乘用车、商用车、跑车、赛车和摩托车等的空气动力学进行详细探讨，包括在燃油经济性、方向稳定性、散热和乘客舒适性等性能方面的理论和实践。还讨论了设计、测量、试验和计算流体动力学。

本文由田杰翻译整理，张英朝修订

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