流體力學(xué)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：流體包括氣體和液體，流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，流體力學(xué)就是研究氣體和液體在各力作用下的運(yùn)動規(guī)律和應(yīng)用的學(xué)科，流體力學(xué)的奠基人是古希臘的阿基米德。20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了流體力學(xué)的發(fā)展，在地球大氣層內(nèi)運(yùn)動的物體全部都受到流體力學(xué)的影響，因此流體力學(xué)對交通工具的設(shè)計(jì)具有非常重大的指導(dǎo)意義．隨著交通網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá)和科技的進(jìn)步，汽車行業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的汽車進(jìn)入了尋常百姓家，那么流體力學(xué)對汽車的發(fā)展有哪些貢獻(xiàn)呢? 本文主要是針對空氣阻力對汽車性能的影響，流體力學(xué)角度分析了汽車流線型設(shè)計(jì)的作用、汽車流線型車身產(chǎn)生的原理、流線型的形狀幾個(gè)方面綜合的向大家介紹流體力學(xué)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

隨著人們生活水平的提高，越來越多的汽車進(jìn)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(fā)明之初并非是這個(gè)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(xiàn)代 電子化、智能化汽車的出現(xiàn)，汽車的發(fā)展也有一個(gè)漫長的過程，從最開始每小時(shí) 18 公里的速度，到德國Rotary Supercars 公司推出的一款搭載八轉(zhuǎn)子四渦輪增壓發(fā)動機(jī)的超級跑車，這款超跑從 0 加速到100km／h 僅耗時(shí)0．9 秒．隨著科技的不斷進(jìn)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(xué)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(jìn)中的汽車形成的一種反向作用力，它的計(jì)算公式是：

1．1 車速與空氣阻力之間的關(guān)系

根據(jù)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(fēng)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(fā)動機(jī)就要將相當(dāng)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(fā)動機(jī)功率和車速相同的條件下更耗油隨著發(fā)動機(jī)功率的不斷增大，汽車的性能越來越好，車速越來越快，當(dāng)今汽車的行駛速度記錄 已經(jīng)突破 400km／h 大關(guān)．在如此的高的速度之中，空氣對車輛行駛能力的影響已經(jīng)非常大．有研究表明，當(dāng)車速低于 90km／h 的時(shí)候車輛行駛的主要阻力是機(jī)械阻力，包括發(fā)動機(jī)內(nèi)部的摩擦、輪胎與地面的摩擦等．而當(dāng)車速超過 90km／h 的時(shí)候，空氣阻力成為車輛需要克服的主要阻力．當(dāng)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(fēng)天慢跑，而在高速行駛時(shí)則像在狂風(fēng)中漫步。

隨著科技的不斷進(jìn)步和工作生活節(jié)奏的加快，以及高速公路網(wǎng)絡(luò)的建立，使得人們對駕駛速度追求將會越來越高。

1．2 風(fēng) 阻系數(shù)與空氣阻力

根據(jù)空氣阻力的計(jì)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(fēng)阻系數(shù)CT有關(guān)，風(fēng)阻系數(shù)C-越大，空氣阻力越大，風(fēng)阻系數(shù)主要影響汽車的油耗、高速穩(wěn)定性、行車噪音等方面的性能，既然風(fēng)阻系數(shù)這么重要，那么什么是風(fēng)阻系數(shù)？風(fēng)阻系數(shù)C，是一個(gè)無量綱的數(shù)值。風(fēng)阻系數(shù)是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)所確定的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)，研究表明風(fēng)阻系數(shù)與車重沒有任何關(guān)系，但與汽車的外形有緊密聯(lián)系。對于風(fēng)阻系數(shù)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(fēng)阻系數(shù)大約 1.0，而 目前所偵測到的最小風(fēng)阻系數(shù)為雨滴 ，大約在 0．O5 左右．這也就解釋 了為什么 SUV的風(fēng)阻系數(shù)會高，而一些新能源概念車的風(fēng) 阻系數(shù)較低的原因。

既然風(fēng)阻系數(shù)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(qū)，真空區(qū)越大，阻力就越大．理論上來說，更小的風(fēng)阻系數(shù)當(dāng)然更節(jié)能的．汽車發(fā)明的初期汽車外形很不講究，風(fēng)阻系數(shù)很高，達(dá)到 0．8 左右．過去人們以為汽車的風(fēng)阻主要來 自于空氣對汽車正面撞擊而形成的“迎面阻力”．經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)汽車風(fēng)阻其實(shí)主要取決于車尾部的流態(tài)?，F(xiàn)在經(jīng)常有廠商在宣傳自己車輛的時(shí)候，都標(biāo)明“具備極佳空氣動力學(xué)性能，風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的0．1X．所以現(xiàn)在很 多年輕人在購 買轎車 時(shí)都把空氣阻力作為衡量汽車性能的一個(gè)指標(biāo)．一般來說，三廂車的風(fēng)阻系數(shù)會比兩廂車?。?I列出了 20種常見車型的風(fēng)阻系數(shù)。

1．3 迎風(fēng)面積與空氣阻力

迎風(fēng)面積是指汽車在行駛方向的投影面積，而迎風(fēng)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(jìn)一步的減少，比如高速大巴盡管迎風(fēng)面積很大，但也很難做成完全的流線型，只能盡可能優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù) ，同時(shí)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(shè)計(jì)可減少風(fēng)阻系數(shù)

縱觀世界汽車的發(fā)展史，我們可以看出現(xiàn)代汽車車身形式的發(fā)展是沿著馬車、箱型、流線、船型、魚型和楔形車身一步步發(fā)展而來的。這個(gè)發(fā)展過程很大程度上是取決于當(dāng)時(shí)的科技水平和物質(zhì)條件，而推動汽車車身發(fā)展 的就是我們的流體力學(xué)，準(zhǔn)確的說應(yīng)該是流體力學(xué)的一個(gè)分支空氣動力學(xué)。

隨著汽車外形從箱形變化到甲殼蟲形、船形、魚形和楔形，風(fēng)阻系數(shù)從 0．8 下降到0．6、0．45、0．3甚至 O．2，現(xiàn)代的一些研究性汽車風(fēng)阻系數(shù)甚至只有 0．14。

2．1 流線型產(chǎn)生的原理

流線型可 以減少空氣流經(jīng)車身時(shí)產(chǎn)生的渦流，從而減少阻力．其原理是怎樣 的？

可以做一個(gè)簡單的試驗(yàn)，如圖 1 所示，準(zhǔn)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(fā)現(xiàn) ，最右側(cè)圖中所示 的前進(jìn)方 向的前側(cè)為圓形 、后側(cè)尖 細(xì)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(chǎn)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(jù)伯努利方程，壓強(qiáng)是下降的．因?yàn)楦邏合虻蛪旱牧鲃邮亲匀坏牧鲃樱灰桩a(chǎn)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(dāng)前端相對 于流動的方 向改變 時(shí)，前端的流體無 法急劇彎轉(zhuǎn) ，則會產(chǎn) 生剝離．為 了防止這種情況的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)中最后一個(gè)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(wù)車等，不同車型在設(shè)計(jì)時(shí)其車身的形狀不同，受到的空氣阻力不一樣，在行駛時(shí)設(shè)計(jì)的最高時(shí)速不一樣．卡車、客車、商務(wù)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(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用流線型。

3 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步“流體力學(xué)”在汽車的研究設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(xué)息息相關(guān)．未來的汽車朝著智能、低碳環(huán)保的方向發(fā)展，通過科技的不斷進(jìn)步和流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)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(xiàn)。