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說到空氣動力學(xué)，大家往往都會覺得這是一個很學(xué)術(shù)很晦澀同時也很高大上的概念，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)域和賽車運動上。但其實不然，早在20世紀(jì)初期，汽車比剛發(fā)明不久的飛機速度還要快，早于飛機突破了時速兩百公里，這都是當(dāng)時賽車的空氣力學(xué)比飛機更先進的證明。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，而這次變革之后，車身設(shè)計領(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.氣動原理及伯努利定律

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

空氣流動的本質(zhì)就是分子移動。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動的，運動方向不一，彼此間時不時會出現(xiàn)碰撞，但一旦受到外力作用，空氣分子就會向某一個方向運動，這正是流動的空氣，或者簡稱氣流生成的原因。但空氣分子即使向同一方向運動，仍然會受到各種各樣外部力量的影響，空氣流動會產(chǎn)生壓力與流速兩個特性，對上述兩個特性的研究，正是氣動力學(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。一個名叫伯努利的科學(xué)家設(shè)想了一個中間寬兩頭窄的圓形容器，讓空氣流過這個容器，經(jīng)過計算得出了一個這樣的結(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，壓力會增加，流速會減慢。需要注意的是，由于伯努利方程是由機械能守恒推導(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特性，后來，由一位叫尤拉的數(shù)學(xué)家將這個定律轉(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。流線會發(fā)生變化，同時，附近的流場也會有變化。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，因此會在物體上方出現(xiàn)一個低壓區(qū)，由于大氣壓作用，這個固體會被下方較大的氣壓抬起，這就是升力的產(chǎn)生機制。



3.汽車空氣阻力

話說回來，空氣動力學(xué)到底對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，空氣動力學(xué)設(shè)計對于降低風(fēng)阻、提升車速、節(jié)約油耗、減少噪音和增強行駛穩(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，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，有時為了獲得更大的下壓力，甚至可以高達(dá)1.3。而這個所謂的下壓力，就是使車輛能夠緊貼地面的一種力，勢必空氣阻力會變大，為何還跑得那么快！當(dāng)然是因為人家車輕啊，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空氣動力學(xué)的主要作用就是兩個方面：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)。
從這個公式中，你有沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為定值的時候，還有一個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.空氣動力學(xué)設(shè)計



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

以氣動設(shè)計堪稱完美的保時捷911為例，前大燈進風(fēng)口和后輪罩旁進風(fēng)口即為所謂的氣簾（紅色圈所示），并且對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，如下圖黃色線區(qū)域。



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

5.空氣動力學(xué)實驗與數(shù)值模擬

說完了空氣動力學(xué)以及它的具體作用之后，咱們就來簡單聊聊，如何把它運用到汽車研發(fā)上。通常研究車輛空氣動力學(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)計算，解決一大堆的非線性和偏微分方程后，幸運的話你也許能夠得到正確答案。但由于這種方法實在是太費周折，而且誤差和錯誤率較高，所以早期大多采用的是實驗的方法來求得所需數(shù)據(jù)。

第二種則是托了咱們計算機技術(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)濟的一種方法，這也是很多車輛再進入風(fēng)洞前所需要做的一項工作。



F1賽車在CFD中進行模擬

而之后，則是實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風(fēng)洞實驗室，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撥嚨目諝鈩恿W(xué)進行一定的認(rèn)知。

需要說明的一點是，在研究車輛的空氣動力學(xué)時，工程師不僅會研究車體表面的空氣流通情況，同時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（也起到一定的保護作用），否則可能會造成翻車等事故。



2015年德國站，巴西車手馬薩的翻車事故