流體力學在汽車車身設計中的應用

摘要：流體包括氣體和液體，流體力學是力學的一個分支，流體力學就是研究氣體和液體在各力作用下的運動規律和應用的學科，流體力學的奠基人是古希臘的阿基米德。20世紀初，飛機的出現極大地促進了流體力學的發展，在地球大氣層內運動的物體全部都受到流體力學的影響，因此流體力學對交通工具的設計具有非常重大的指導意義．隨著交通網絡的日益發達和科技的進步，汽車行業發展迅速，越來越多的汽車進入了尋常百姓家，那么流體力學對汽車的發展有哪些貢獻呢? 本文主要是針對空氣阻力對汽車性能的影響，流體力學角度分析了汽車流線型設計的作用、汽車流線型車身產生的原理、流線型的形狀幾個方面綜合的向大家介紹流體力學在汽車車身設計中的應用。

隨著人們生活水平的提高，越來越多的汽車進入了尋常百姓的家庭，無論是在高速行駛的公路上，還是在大街小巷里，我們總能看到各式各樣的汽車，汽車在發明之初并非是這個樣子的，從卡爾·本茨的三輪汽車到哥特里布·戴姆勒的四輪汽車再到大眾汽車公司 的甲殼蟲國 民車，直到現代 電子化、智能化汽車的出現，汽車的發展也有一個漫長的過程，從最開始每小時 18 公里的速度，到德國Rotary Supercars 公司推出的一款搭載八轉子四渦輪增壓發動機的超級跑車，這款超跑從 0 加速到100km／h 僅耗時0．9 秒．隨著科技的不斷進步，汽車的性能越來越好，而汽車的外形也有很大的改變，下面我們將從汽車車型的變化中探尋流體力學在汽車車身設計中的應用。

1 空氣阻力對汽車性能的影響

空氣阻力 FW 是空氣對前進中的汽車形成的一種反向作用力，它的計算公式是：

1．1 車速與空氣阻力之間的關系

根據上式我們不難看出，正常情況下空氣阻力的大小與速度平方成正比，所以在迎風面積一定的情況下，車速對于空氣阻力的影響是最大的車速高，發動機就要將相當大一部分的動力用于克服空氣阻力也就是說，空氣阻力大，在發動機功率和車速相同的條件下更耗油隨著發動機功率的不斷增大，汽車的性能越來越好，車速越來越快，當今汽車的行駛速度記錄 已經突破 400km／h 大關．在如此的高的速度之中，空氣對車輛行駛能力的影響已經非常大．有研究表明，當車速低于 90km／h 的時候車輛行駛的主要阻力是機械阻力，包括發動機內部的摩擦、輪胎與地面的摩擦等．而當車速超過 90km／h 的時候，空氣阻力成為車輛需要克服的主要阻力．當速度攀升至 200km／h，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的 85％．也可以這樣說 ，汽車在低速行駛下就像是在微風天慢跑，而在高速行駛時則像在狂風中漫步。

隨著科技的不斷進步和工作生活節奏的加快，以及高速公路網絡的建立，使得人們對駕駛速度追求將會越來越高。

1．2 風 阻系數與空氣阻力

根據空氣阻力的計算公式，我們知道空氣阻力的大小除了取決于車的速度外，還跟汽車的風阻系數CT有關，風阻系數C-越大，空氣阻力越大，風阻系數主要影響汽車的油耗、高速穩定性、行車噪音等方面的性能，既然風阻系數這么重要，那么什么是風阻系數？風阻系數C，是一個無量綱的數值。風阻系數是通過風洞實驗和下滑實驗所確定的一個數學參數，研究表明風阻系數與車重沒有任何關系，但與汽車的外形有緊密聯系。對于風阻系數影響最大 的莫過于整車的車身造型了。理論上講，垂直平面體風阻系數大約 1.0，而 目前所偵測到的最小風阻系數為雨滴 ，大約在 0．O5 左右．這也就解釋 了為什么 SUV的風阻系數會高，而一些新能源概念車的風 阻系數較低的原因。

既然風阻系數取決于汽車的外形，那么是怎樣引起的呢？汽車外型所造成的阻力來 自車后方的真空區，真空區越大，阻力就越大．理論上來說，更小的風阻系數當然更節能的．汽車發明的初期汽車外形很不講究，風阻系數很高，達到 0．8 左右．過去人們以為汽車的風阻主要來 自于空氣對汽車正面撞擊而形成的“迎面阻力”．經過研究發現汽車風阻其實主要取決于車尾部的流態。現在經常有廠商在宣傳自己車輛的時候，都標明“具備極佳空氣動力學性能，風阻系數達到創紀錄的0．1X．所以現在很 多年輕人在購 買轎車 時都把空氣阻力作為衡量汽車性能的一個指標．一般來說，三廂車的風阻系數會比兩廂車小．表 I列出了 20種常見車型的風阻系數。

1．3 迎風面積與空氣阻力

迎風面積是指汽車在行駛方向的投影面積，而迎風面積在很大程度上取決于汽車的尺寸大小，受到使用空間的限制不適宜進一步的減少，比如高速大巴盡管迎風面積很大，但也很難做成完全的流線型，只能盡可能優化風阻系數 ，同時減小車頭正面投影面積。

綜上所述 ，汽車的車身形狀對汽車的車身性能有很大的影響。

2 流線型設計可減少風阻系數

縱觀世界汽車的發展史，我們可以看出現代汽車車身形式的發展是沿著馬車、箱型、流線、船型、魚型和楔形車身一步步發展而來的。這個發展過程很大程度上是取決于當時的科技水平和物質條件，而推動汽車車身發展 的就是我們的流體力學，準確的說應該是流體力學的一個分支空氣動力學。

隨著汽車外形從箱形變化到甲殼蟲形、船形、魚形和楔形，風阻系數從 0．8 下降到0．6、0．45、0．3甚至 O．2，現代的一些研究性汽車風阻系數甚至只有 0．14。

2．1 流線型產生的原理

流線型可 以減少空氣流經車身時產生的渦流，從而減少阻力．其原理是怎樣 的？

可以做一個簡單的試驗，如圖 1 所示，準備形狀不同的空塑料瓶，放入水中然后松手，看哪種能跳的更高 ？

我們不難發現 ，最右側圖中所示 的前進方 向的前側為圓形 、后側尖 細的流線 型 比較理想 ，這種外形的瓶子會跳得更高。流線形是受到抵抗小的形狀，其原因是抑制 了剝離。如果一旦產生了剝離，阻力則急劇增加，能量的損失也就加大。

2．2 流線型的形狀

在流線形的前半部分，流路的面積逐漸減小，呈縮小的流動，縮小的流動是隨著向下游的流動變得越來越窄．越往下游 ，流動 的斷面積越小 ，流速則越大，根據伯努利方程，壓強是下降的．因為高壓向低壓的流動是自然的流動，不易產生剝離，物體的寬度變化稍微急劇一些也不要緊。但是，如果前端過于尖銳，當前端相對 于流動的方 向改變 時，前端的流體無 法急劇彎轉 ，則會產 生剝離．為 了防止這種情況的產生，前端通常為圓形．在流線形的后半部分，斷面逐漸變化，物體的寬度漸漸地變小，最后甚至變得尖銳，和上面實驗中最后一個圖是一樣的。

為了滿足不同的需要，常見的汽車車型有轎車、跑車、越野車、卡車、客車、商務車等，不同車型在設計時其車身的形狀不同，受到的空氣阻力不一樣，在行駛時設計的最高時速不一樣．卡車、客車、商務車由于其行駛速度相對較低，其外形還是顯得方方正正，但轎車尤其是跑車 由于速度較 高，為 了減少迎風面積和風阻系數，在設計時采用流線型。

3 結語

隨著科技的進步“流體力學”在汽車的研究設計中的應用越來越廣泛，從汽車車身的變化史中我們不難看出，汽車車身的每一次變革都和流體力學息息相關．未來的汽車朝著智能、低碳環保的方向發展，通過科技的不斷進步和流體力學的進一步發展，人們對車身的要求將越來越高，將會有更多更好的車身形式出現。