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「技术帝」看不到摸不着但很重要 车辆空气动力

作者:ManBetX体育官网 发布时间:2020-08-11 02:28 点击数:

  车子要省油靠什么?车子要高速稳靠什么?车子要高速操控好靠什么?车子要噪音小声音低靠什么?车子要马力大的同时还能省油,靠的又是什么?以上所有这些,空气动力学的关系非常重大。我们都知道车子有一种称为NVH的调校,而空气动力学,则在很大程度上影响着NVH标准的设定和调校目标的达成。

  但空气动力学是一种你看不见摸不着但却能感受得到的东西,车子的空气动力学,也是很多理工类大学必备的主修科目,跟空气动力学有关的教材,堆起来估计超过一个成年男性的身高。

  所以这是一种跟你我密切相关,同时又非常复杂的东西。作为科普类文章,跟大家花费上万字探讨一些深奥的学术问题自然不实际,但在这篇文章里,我至少能跟大家说说,一些空气动力学的常见名词,和他们的作用。

  汽车虽然跑得快,但在空气动力学的分类里,车辆空气动力是被划分到低速空气动力学范畴的,与之相对应的,是应用在飞机上的高速空气动力学和超音速空气动力学。低速和高速空气动力学的最大区别,在于低速空气动力学不需要研究空气激波和气流热力这两个难啃的骨头,但又一个基本概念,是汽车空气动力学必然会提到的---流场。

  流场,全程气流场域。指的是汽车在运动状态下,流过车辆整个外表面(包括车身车底和轮胎等每个能接触到外界空气的地方)所有空气的状态。车子的流场分为两类,一类是还没碰到车子本身的,处于不受干扰状态的空气,这类叫自由流。另一类是流经车体的,拥有不同速度的气流,这些,就是流场本身。

  我们都知道气流是有不同速度的,有的你完全感觉不到,有的像龙卷风一样猛烈。但在空气动力学里,你总不能简单地用“风大风小”来衡量对吧,因此,就有了层流和湍流之分。

  层流,指的是流动缓慢,不容易受到外界影响(这个点很重要)的气流,而湍流指代流动速度较快,容易和外界发生交互的气流。区分层流和湍流用的是一个叫雷诺数的数值。雷诺数2300以下的是层流,这种气流黏性很大,不容易和外界发生相互作用,雷诺数4000以上的是湍流。层流湍流和接下来要说到的气流黏性,是研究车子空气动力学最基本的知识点。

  空气是有黏性的,注意是黏性,而不是胶水的那种粘性。试试往一根吸管里吹一口气,你感受到了什么?你当然感觉不到什么,但实际上在吸管发生里的事,远不止“我往吸管里吹了一口气”那么简单。

  吸管里本身是有气流在流动的,你一口气吹下去,从你口里出来的速度较快的空气,遇到吸管里速度比较慢的空气,在这两股气流中间,就会产生一个很奇妙的力,这个力会阻碍两股气流的流速继续加速,换句话说,当两股气流相遇(无论是对向还是同向)时,这两股气流都会减速,原因就是因为气流有黏性,这些黏性拉住对方,让两股气流同时减速。

  再换一个实验,在你手上吹一口气,当然你感觉到的只是手上有风吹过。但实际上你手上发生的事并没有那么简单。一股气流流经你固定着的手。这时候由于气流黏性作用,在你手部皮肤上方会发生很有趣的现象。

  高速度的气流在静止的固体表面(你的手,或者车体表面)会因为黏性作用而流速大减。减到从湍流变成层流为止(还记得前面说过的湍流层流吗?敲黑板了!)。那么在高速度的湍流和低速度(你就看作是静止吧)的层流中间,就会出现一层过渡带,这层东西,叫边界层。

  边界层是车辆空气动力学中最重要的术语之一。这个边界层可大可小,而且和气流温度和固体表面温度关系巨大。简单来说,固体表面温度不变,气流温度越高,边界层越厚,反之亦然。所以看到这里考考大家,一辆停在地下车库好几个月没人动过的车的发动机盖,和另一辆刚刚跑完高速刚熄火的车,那辆车的发动机盖边界层更厚?

  不要不相信,这是每一个车子的空气动力工程师最不愿意看到的结论。边界层剥离,直接代表着这个部分的设计完全是无效的,错的。但到底什么是边界层剥离?

  前面说的边界层可大可小大家都知道吧?那么如果我这边界层大到一定程度会咋样呢?前面提到气流有黏性,它理论上会贴着车体表面一直流过去,但如果边界层太大(通常都是车子外表面形状突然大角度变化),气流就会像脱轨的过山车一样直接飞走,不能再继续贴在固体表面了,这种状况,就叫边界层剥离。

  边界层剥离后的气流走向是不可控的,对于车子来说,一旦出现边界层剥离,意味着某个地方的外形设计肯定是大错特错,这种状态下的汽车,已经没有了保持整体流场的能力,气流会一下子变得乱七八糟,整辆车的气动设计会完全挂掉。

  种情况一般会出现在那些没有太多气动设计经验的车企上,根据我自己用ANSYS(一个分析软件)对某定位高端的自主品牌SUV车型(具体是谁我就不说了)的前唇气流分析,这辆车整个前唇设计,几乎就没有哪个地方没出现过边界层剥离。

  所以也难怪这车被一些车评人曝出油耗奇高了,空气动力学设计的失误,绝对是这车高油耗的主要原因之一。


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