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当你的车足够有劲,风阻系数就不再是越小越好

2020年04月22日 11:49:04
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在一些新款车型的宣传中,偶尔会看到让人哭笑不得的介绍,比如“风阻系数比肩超跑”。为什么说哭笑不得呢,因为大部分的运动型车,风阻系数并不低。

就拿三大神车来说,它们的风阻系数都在0.35上下。而F1赛车甚至可以做到风阻系数超过1.00甚至更高。这些顶级的速度机器花了大手笔做的空气动力学优化,反倒和十几万元的家用车水平相当?这显然是不合理的。这是因为,空气动力学效率=下压力系数/风阻阻力系数。

对超跑来说,风阻系数不必太低,但下压力系数必须得高。甚至可以说没有优秀的空气动力学设计,再大的马力也没有用武之地。

空气动力学设计是如何提高下压力系数的?要回答这一问题,首先要说到气动升力的产生原理。

气动升力最经典的例子是飞机的起飞原理。

飞机机翼主要受到三种气动升力。

一种是由“攻击角”将前方空气分割为上下两部分,向下的一部分必然受到机翼向下的阻力,根据牛顿第三定律,这部分空气给机翼向上的推力。

第二种和汽车的气动升力关系密切。是由于机翼特殊的形状设计,导致机翼上方空气流动速度加快。伯努利方程告诉我们,流速快压强小,因此机翼上方压强小于下方压强,形成气动升力。第三种当攻击角较大时出现的涡流升力,此处不再赘述。

如下图所示,为了满足舒适、空间等功能需求,绝大部分车身会被设计成“上凸下平”的形状。抽象地看,车身截面和机翼截面形状近似,因此车子在高速行驶时,也将受到气动升力影响。如果没有针对性设计,那么车速越高,升力也就越大,车身就会不稳定。

为了降低气动升力带来的不稳定性,这些设计应运而生。

楔形车身

既然上凸下平的设计会让车子发“飘”,那上下都平的话,当然就会更稳。同时低矮的车身使得迎风面积较小,从空气动力学的角度来看,平衡了油耗和稳定性的关系。但缺点非常明显——空间狭窄,实用性欠缺。

尾翼

尾翼和机翼可以说是伯努利原理完全相反的两种应用。尾翼的截面和机翼正好相反,也就提供了下压力。

还有一些可调角度的主动式尾翼,其攻击角适时调整,当倾斜角度较大时,在尾翼下方将产生涡流,能在极端情况下提供更大下压力。慕尼黑大学的一项测试表明,对于被测试的一款尾翼,平直摆放时产生下压力321N;当攻击角为12˚时,下压力可以达到954N,相当于坐上去一个成年人。要知道,这个小小的尾翼只有一公斤左右的重量。

Porsche911 Turbo S

但加装尾翼往往弊大于利:一方面法规有所限制,另一方面尾翼带来的阻力提升现象对于城市用车并不友好。相比之下,比较理想的方案是可变尾翼设计,角度可调并且低调内敛,完美应对不同行驶状态下的需求。

Porsche911 Carrera S

相比前两者,一个更加经济实惠的解决方案是加装一个小鸭尾,高速稳定、低速省油,效果拔群。但缺点是车尾产生的涡流效应容易吸灰。

BMW M5

车身包围

车身包围的存在可以将车底“封闭”得更好,使得车底进入的空气量减少,达到降低车身底部气压的效果。形象地说就是把车变成了一个吸盘,紧紧吸附在地面上。

AstonMartin Vulcan

要达到最佳效果,前铲和侧裙需要尽可能贴近地面,同时地面最好尽量平整。

车尾气流扩散器

气流扩散器日常生活中并不常见,但在大部分赛车上都可以看到。

它的原理并不复杂,就是在一个渐扩型通道内,放置若干整流片。一方面渐扩型通道使得车底气流压强降低,另一方面在整流片的整流作用下,车底气流整整齐齐地顺畅前行,使得流速加快,车底压强减小。

McLarenSenna GTR

车身包围的作用机理是不让空气进入车底,而车尾扩散器的作用机理是让空气尽快排出,起到“抽气”效果。

LamborghiniAventador

附壁效应

附壁效应又称康达效应。这一效应在生活中最常见的例子是我们洗澡的时候,水流沿着身体留下,当流经手指的时候,会吸附在手指上而不发生分离。在迈凯轮车队MP4-27赛车的排气区域,就利用这一原理设计了排气区域。

这样的设计使得流经车身侧面的空气连同尾气一同被收入扩散器,完成整流。

当一辆车集齐了以上所有要素,比如F1赛车,就将在高速状态下获得远超车重的下压力。所以,就算是哈蒙德去开F1,也很难把车开翻。

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