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同时该物体会受到重力(gravity)和阻力(drag)的

作者:德国赌场 发布时间:2020-05-20 00:34 点击数:

  我们知道,当一条船划过宁静的水面时,一定会在周围和船尾留下一道道波纹。现在试想一下,如果空气也像水一样可见,那么空气动力学就变得直观多了。其实每辆车在行驶过程中都会经历类似的现象,只不过不是在水里,而是穿梭在一面空气墙之中。正因为你无法看到这个过程,也许你并不会轻易察觉到,但事实上这些空气却对你的车在很多方面有着重要的影响。

  空气动力学(Aerodynamics)是力学的一个分支,主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化,在航空、航天、赛车和汽车领域都有广泛的应用。在民用汽车领域,空气动力学设计对车辆的动力效率、油耗、噪音和稳定性表现几个方面都有着非常重要的作用,这也是我们今天将具体讨论的话题。

  在汽车诞生的最早期年代,空气动力学似乎并没有被过多地被考虑在设计范畴之内,大部分汽车的外形还停留在类似一辆没有马拉的车厢,这与当时人们的审美观念有很大关系,另外当时的汽车行驶速度也十分缓慢,并不需要考虑空气动力学方面的表现。不过20世纪早期出现的一些赛车在某种程度上融入了尖形头部和其他一些流线型设计元素,从那时起汽车空气动力学设计渐渐有所发展。

  1921年,德国发明家Edmund Rumpler创造了一款名为“Rumpler-Tropfen-auto”的汽车,翻译过来的大概意思是“泪滴车”。这款外形怪异的汽车在上世纪20年代就取得了0.27Cd的低风阻系数(与现款别克君威的风阻系数相同),不过以当时公众的审美和观念并没有接受这款“泪滴车”的设计,于是当时只短暂生产了100辆之后就淡出了。

  在大洋彼岸的美国,空气动力学设计的重大突破当属20世纪30年代诞生的克莱斯勒Airflow。这款车吸取了鸟类飞行的灵感,成为当时最早应用空气动力学设计的汽车之一。此外,当时的Airflow还采用了50:50的平衡配重比等前瞻技术,不过饱受经济大萧条的民众们并没有为它买单,最终还是不幸夭折。不过平心而论,这种流线型设计在当时的年代已经算非常超前了。

  上世纪50-60年代,空气动力学在赛车领域的运用为整个行业带来了长足的进步。工程师们开始意识到流线型车身可以帮助赛车跑的更快并获得更好的操控性能,而且配合尾翼和前唇等空气套件可以有效增强车辆在高速时的下压力,这也正是汽车空气动力学开始真正快速发展的时期。不过那时候的理论和时间还主要体现在赛车领域,即便像路特斯、雪铁龙保时捷等厂商也开始推出流线型车身的产品,但也主要停留在高性能跑车的范畴内,而并非普通的家用车。直到上世纪80年代,随着奥迪100(C3)的出现,这种局面才有所改观。这款车身风阻系数0.3Cd的家用轿车为家用车空气动力学设计打下了基础。

  20世纪末,汽车空气动力学的研究已经发展到风洞试验、道路试验和数值计算的有机结合,达到预测、评估和验证的统一效果,使汽车的研发周期大大缩短。直至今日,几乎所有新车多多少少都会在空气动力学设计方面下些功夫。

  当一个物体穿过空气时,会使周围的空气发生位移,同时该物体会受到重力(gravity)和阻力(drag)的影响,因此阻力会由固体穿过流质(比如空气或水)的过程中产生。 当物体加速时,其速度和阻力同时增加,速度越快,阻力越大,也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强,而且是以成倍的速率增长,最终阻力将与重量相等达到一个平衡点,此时物体将无法继续加速。以之前Top Gear跑极速的那辆布加迪Veyron为例,当车辆以155mph(250km/h)行驶时,只需270马力的动力支持。而当车辆从155mph加速到250mph(402km/h)则需要约730匹额外马力来克服空气阻力,现在你大概有点概念了吧?

  我们经常会听到厂商将一个叫做“风阻系数(drag coefficient)”的数字来作为宣传的方面之一,这个数字的含义究竟是什么呢?这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一,风阻系数越低说明物体可以更轻易地穿过由空气组成的那面“墙”,也就是说车辆可以耗费更少的动力来克服空气所产生的反作用力,达到更节能的效果。写成公式的话我们将得到:

  如果我们把空气想象成薄层的话,当气流经过车身时保持流线状态,说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流,从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似泪滴的圆滑造型,头部圆滑而尾部尖细。理论上,这种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。

  为什么泪滴会有如此低的空气阻力呢?仔细想想,当泪滴圆滑的头部接触到空气时,气流被温柔的推至两侧并沿着泪滴侧面流线的造型顺滑地流过。尖细的尾部允许气流在通过后重新汇合而且产生的乱流效果也非常小。不过事实上一般的家用车很难做到与泪滴形状相似的样子,即便做到了估计消费者也不会为其买单。因此,当普通汽车在行驶过程中,除了通过车身的气流以外,还有一大部分空气会直接进入汽车底部和进气口中,这也是造成乱流和空气阻力的两大来源。因此,除了造型平滑、受力面积较小的的车头以外,如何让空气平顺地通过车身避免乱流也是设计师要考虑的重要因素之一。

  说到这里,不少人都会认为风阻系数越低就一定越好,其实不然,这也是我们需要纠正的一个误区。我们知道,汽车与飞机不同,前者行驶时是在地面上的,也就是通过车轮和地面之间的摩擦力来实现行走。因此除了空气阻力以外,还有两个重要的指标需要考虑,它们分别是“升力(lift)”和“下压力(downforce)”。升力是物体重力的反作用力,能够在空气中拉高物体并使之悬浮在空中,飞机主要就是依靠这个原理。而下压力与升力正好相反,是将物体尽量压向地面的作用力,在赛车领域尤为常见。下压力可以使车轮和车身紧贴地面,保持车辆的行驶稳定性,但也会增加一部分车身的整体空气阻力。

  你可能会认为F1赛车的风阻系数非常小,但事实上一辆典型的F1赛车的风阻系数都在0.7Cd左右,因为F1赛车自身超轻的重量在高速时很容易自然产生升力,说得通俗一点就是“发飘”。为了避免这种情况并保持高速过弯时的稳定性,在设计上必须考虑尽可能产生足够的下压力。家用车虽然没有赛车那么极端的驾驶环境,但下压力也同样重要。反之,如果下压力过多,也会在一定程度上影响车辆的直线极速发挥,因此,除了保持较低的风阻系数以外,还需要寻找一个下压力和空气阻力之间的平衡点。

  应用前面说了这么多,那么空气动力学到底如何应用在汽车设计上呢?工程师们研发了多种方法来达到最好的效果。流线型车身是目前采用最广泛的做法,圆滑的设计可以让车身尽可能减少与空气的摩擦,保持更低的空气阻力。

  我们经常会看到在F1赛车的车头和车尾都分别配有鼻翼和尾翼,用来提供下足够的压力。当F1赛车达到一定速度时,产生的下压力甚至超过赛车本身的重量,也就是说如果有足够的天花板空间,F1赛车在高速行驶时产生的下压力可以允许其在天花板上倒过来行驶。

  很多运动型车甚至家用轿车也广泛采用了后扰流板或尾翼,提高车辆高速行驶的稳定性。日产GT-R采用了能够使气流直接流向巨大圆形尾翼的设计,增强了车辆的下压力。法拉利599GTB Fiorano则利用拱壁空心B柱设计引导气流通向尾部减少摩擦阻力。不过大部分民用车上的后尾翼仅仅起到装饰作用,低速情况下大尾翼不但不会提供任何下压力还会增加车辆的负担,除非你说你要的就是这种范儿。

  除了车身表面以外,工程师们还在车辆的底盘、后视镜等细节方面下了功夫。气坝(air dam)、侧裙和带扰流的后包围可以对流向底盘的空气达到导向作用,进一步减少空气阻力,同时减少升力帮助提高车辆的行驶稳定性。

  随着汽车工业的发展,空气动力学已经逐渐成为一个重要的设计环节。优秀的空气动力学设计不但可以达到高效节能的目的,还能够减少噪音、提高车辆的平顺性和行驶稳定性,提供更强的安全保障。如今,它已经不是航空航天领域的专利,而是现代工业设计必不可少的元素之一。

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