汽车空气动力学

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空气动力学（英语：Aerodynamics）主要研究物体穿过空气时产生的各种力及物体运动的模式（空气动力学与气体动力学常常混用，但后者研究的气体不局限于空气）。

而汽车的空气动力学（英语：Automotive Aerodynamics）则是指四轮的汽车的空气动力学研究（不包括四轮以下的汽车的原因是英语“Automotive”只是指四轮的汽车）。这门科学主要用于减少汽车的空气阻力、风噪声，减低噪音排放，和消除汽车高速运动时产生对汽车有负面影响的上升力，及空气对车身控制有不良影响的因素。由于空气动力学是流体力学与气体动力学的一个分支，所以空气被认为是流体的一种。对于赛车而言，空气动力套件能为车体产生下压力，从而提升赛车的抓地力和过弯能力。

## 基本原理

### 流体阻力

当物体穿过大气时，会推开周围的空气，物体的运动也会受到重力及各种阻力影响。当物体穿过各种流体如水或空气，便会遇上流体的阻力，物体的速度越高，阻力就越大。

物体的运动可通过牛顿第二运动定律来描述，其方程式为。

$F$ = $m$ * $a$

其中，$F$是外力，$m$是质量，$a$是加速度。

由于物体重量$W$和阻力$D$为相反的向量，因此净外力为两个数值之差。

$F$ = $W$ – $D$

因此，物体的加速度可用以下公式表达。

$a$ = ($W$ – $D$) / $m$

以上公式显示，阻力会直接对物体的加速度构成影响。当物体的加速度上升，它的速度及阻力也会上升，当阻力上升到与物体重量相同的数值时，即施加于物体的净力为零，物体便会停止加速。换句话说，当一辆汽车的速度越来越快，其空气阻力也随之上升，最后汽车因为加速度受限而变成恒速。而通过下列方程式，可找出物体的阻力系数（英语：Drag Coefficient）。

- $c_\mathrm d$ = $D$ / ($A$
- .5
- $r$
- $V$^2)

$c_\mathrm d$ 为阻力系数

$D$ 为阻力，是施力平行流场方向的分量

$\rho$ 为流体密度

$v$ 是流体相对物体的速度

$A$ 为参考面积（即物体面向流体的面积）

而由上述方程式可得知，汽车的阻力与它的阻力系数、速度及面向表面积有关。

### 空气升力

当汽车高速行驶穿过空气，车前方的气压会不断上升，而车底的气流因此会形成相对于车顶较高的气压区（因为空气只能于狭窄的空间流动），产生升力。升力会降低汽车的抓地力，对汽车的操控造成负面影响，这尤其发生在赛车上。这些上升的力量是由于汽车周围地面的气流造成。假如升力过于巨大，会令车身有升起或倾斜的现象。通过空气动力学开发的配件，能使汽车产生下压力，使汽车行驶时有更高抓地力及稳定性。不过，气动配件产生下压力的同时，亦会产生空气阻力。升力的方程式为。

$L$ = $C_\mathrm L$ x $A$ x 0.5$\rho$ x $V$2

$L$ 为升力

$C_\mathrm L$ 为升力系数

$\rho$ 为流体密度

$V$ 是流体相对物体的速度

$A$ 为参考面积（即物体面向流体的面积）

从上述方程式可知，汽车的升力与它的升力系数、速度及面向表面积有关。汽车的升力系数越低，受到升力的影响就越低。

### 下压力

下压力是指与升力相反的力。汽车利用空气将自身压向地下面，使汽车在高速过弯时能够抓着地面，提升汽车的性能。当汽车高速行驶时，空气对汽车造成的压力会不断上升，这种与汽车运动方向相反的力称为阻力。假如将这气流正确引导到特定地方（如气动部件），便会产生下压力。一般情况下，汽车产生的下压力越高，它面对的阻力便越高。优良的空气动力配件能很好地平衡汽车的抓地力及速度的比例。由于下压力与升力的方向相反，因此它的方程式为。

$F$ = -$C_\mathrm L$ x $A$ x 0.5$\rho$ x $V$2

$F$为下压力

$C_\mathrm L$ 为升力系数

$\rho$ 为流体密度

$v$ 为流体相对物体的速度

$A$ 为参考面积（即物体面向流体的面积）

## 测试方式

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### 电脑模拟测试

计算流体力学（英语：Computational Fluid Dynamics，简称CFD）被广泛应用于各工程学范畴上。将计算流体力学应用于汽车设计的主要优势在于，它可以从长年累月的测试中将大量数据收集，并累积起来，方便研究人员工作。而通过不断审视和分析这些数据，研究人员便可以优化各种气动力部件。电脑模拟测试的优点有。

- 测试准备时间大幅降低（除了电脑外，毋须其他硬件成本）
- 测试成本较便宜
- 只要电脑计算容许，没有测试空间的限制
- 各种气流环境容易模拟出来（包括气压、风速及气温）
- 舱内的气流容易模拟出来
- 数据收集不受环境影响
- 在开发初期作出的贡献尤其显著
- 能于很短时间评估出不同气动部件的优劣
- 在制造实体原型前，系统能模拟出虚拟的原型

尽管电脑模拟测试的优点很多，却存在一些缺点，包括

- 因为涉及复杂的数据计算，所以需要高性能及计算能力高的电脑支持
- 相关数学模型只能模拟出与现实世界相近的状况，未必能完全准确模拟出所有物理现象
- 电脑计算及数据验证的过程可能很长
- 有系统出错的风险，需要不时更新系统
- 用家需拥有丰富的相关知识，以正确使用系统和解读当中的数学含意

### 风洞测试

风洞测试是一种借鉴于航空工业的空动测试方式。风洞是一个巨大的管道型设施，洞内的风扇能产生气流，透过将空气吹向静止不动的测试物，模拟出物体高速运动时，气流通过物体的情况。在这受控的环境下（如风速、风向、温度等其他变量），工程人员便可以测试汽车在不同风速下的阻力系数、风阻、升力及下压力，亦可以测试汽车遇上侧风时的能力。

风洞测试需要用到多种仪器及感应器，包括测压孔、测力平衡仪、气流视化及激光探测技术。测压孔一般安置于汽车的表面上，用来侦测车身的气压分布；测力平衡仪用来测量施加于汽车的净力和力矩；气流视化技术则利用烟雾、染色剂的流动，或于车上不同地方放置簇绒等方法，使空气的流动可视化；激光探测技术利用激光及摄影机来测量空气的速度及密度，包括粒子图像测速技术（英语:particle image velocimetry (PIV)）和激光多普勒技术（英语:laser Doppler anemometry (LDA)）。

风洞测试有以下的缺点：

- 建造风洞设施时间长
- 建造及营运风洞设施成本昂贵
- 测试空间有限
- 不能呈现汽车引擎冷却的状态
- 难以计算舱内的气流
- 风洞的阻塞效应（Blockage effect）及尺寸效应（Scale effect）有可能造成测试结果不准确

### 道路测试

有别于风洞测试，道路测试解决了风洞测试存在的限制及问题，例如，道路测试容许汽车行驶，因此可以测量汽车运动时和车轮转动时的气动情况，它亦解决了阻塞效应。由于不需要制造较小尺寸的模型迎合风洞的大小，因此亦解决了尺寸效应的问题。道路测试的最大好处是，由于测试处于现实环境，所以测试结果应该是比电脑模拟及风洞测试准确，不过仍存在一些缺点，包括。

- 准备时间长
- 测试成本昂贵（场地租金等）
- 空气流动状态不稳定
- 受制于天气条件
- 难以计算舱内的气流
- 数据收集受到环境因素影响
- 汽车基本成型后才可进行测试

## 部分空气动力学用语

### 气压分布

汽车的空气动力受到车身上的气压分布影响。气压是指空气粒子施加于汽车的力，高的气压指空气对汽车施加的力较大，低的气压指空气对汽车施加的力较小。汽车不同区域的气压差异会为汽车带来一定的阻力（或下压力）或升力，例如，当车前的气压比尾部气压大时，便会造成阻力。当车下的气压比车上的气压大时，便会产生升力。通过气压分布的图表，可以了解空气产生的力如何对汽车产生影响。

### 边界层与边界层分离

当物体在气流中移动时，有黏性的空气分子会依附在表面，形成了一层“薄膜”，称为边界层。因为空气的黏性不是很强，分子距离表面愈远，就愈难"黏住"表面，跟表面"分离"。边界层理论假设物体接触空气的尖端非常薄，有近乎"零"的厚度（0 thickness），所以可以像刀峰一样"切开"气流。刚被"切开"的气流，仍然能够稳定的流动，所以归类为“层流”（Laminar Flow）。可是通过实验观察，当这些气流的流动距离增加，开始表现得"松散"，到最后变成乱杂无章、无法预测的“紊流”（Turbulent Flow）。若边界层受到逆压梯度的影响，使得边界层相对物体的速度渐渐下降，甚至接近0，此时就会出现边界层分离的现象。此时流体的流动脱离物体的表面，会产生涡流及涡旋。

### 雷诺数

雷诺数是用来描述流体流经物体时的情况。雷诺数的大小，与气流的流速、空气密度、动态黏度、运动黏度及气流位置和物体尖端的距离这些因素有关。雷诺数数值越高，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱；雷诺数数值越低，流体流动稳定，为层流。雷诺数的应用，对了解空气如何影响产生在汽车上的阻力及升力，很有帮助。

### 尾流区

尾流是指运动中的物体穿过流体时，尾部产生的扰流便称为尾流。汽车尾流的形成与气流的黏度、边界层分离及紊流有关。一般而言，层流边界层产生的阻力虽然比紊流边界层来得少，却较易发生边界层分离而脱离车身表面，并在车尾产生较大的尾流，增加了施加于汽车的阻力。

## 基本影响空气动力的汽车部件

### 车的形状

汽车整体的形状与空气动力学有直接的关系，一般会以阻力系数来表示物体在流体受到阻力的程度。如果将汽车的阻力系数越低，它受到空气或流体阻力的影响就越少。阻力系数与物体的形状及表面特性有关。理论上，泪珠形的物体具有最小的阻力系数。现代汽车的阻力系数一般界乎0.25至0.3。运动型多用途车（SUV）则由于形状呈四四方方，阻力系数为较高的0.35至0.45。虽然跑车与赛车给人的印象是高速的象征，但一些赛车或跑车的阻力系数可以很高，例如F1赛车的阻力系数甚至可以高达0.7至1.0，因为它们被造成能产生巨大的下压力，目的是提升过弯的性能，不过这亦伴随着一定的阻力上升。

### 车轮与轮胎

车轮与轮胎在空气动力学中亦扮演重要的角色。以下因素影响它们在空气动力上的表现。

- 光滑及较薄的轮胎产生较少的阻力，凹凸不平及较厚的轮胎则相反。
- 较小的车轮产生较大阻力，使汽车的耗油量下降。较大的车轮则相反。
- 使用轮毂盖能减少紊流干扰车轮及产生的空气阻力。
- 使用车轮整流罩能调整气流流动的方向，减少气流因与车轮接触而产生的阻力。

### 汽车的大小与重量

越重和越大的车受到的阻力越大。越轻和越小的车则因为受到的阻力小，油耗会较少和有更高的最大速度。

## 相关空动部件

### 翼形部件（Wing）及前后扰流器（Front and Rear Spoilers）

翼形部件是一种高性能汽车（如赛车和跑车等)常用的气动部件。外观上，尾翼与扰流器（英语:Spoiler)看似相同，但功能上却有所不同。尾翼原理上是飞机翼的相反操作，意思即是将翼面上下的气压区颠倒，通过翼面设计，减少上翼面的流速（或引导更多气流到上翼面)，以制造比下翼面气压更高的区域，为汽车制造下压力。扰流器则是通过干扰空气的流动，减低空气的流速及升力，从而降低空气阻力。不过使用翼形部件或扰流器会同时产生空气阻力，导致汽车的最大速度下降。

### 导流板（Splitter）

前导流板一般安置于前保险杠下面，作用是将车前的空气引导至导流板之上，使导流板上面产生高气压区和下面产生低气压区，因而产生下压力，这使到汽车能压向地面，除了增加汽车过弯性能外，也可以用来平衡汽车前后的下压力分配。

### 侧裙（Side skirts）

侧裙的作用不是为汽车底部制造气压差，它的作用是将汽车两边的气流与车底的气流隔开，目的是减少车体两侧的气流进入车底。如果没有侧裙，其气压差会为汽车制造不必要的升力。侧裙的性能视乎它与地面之间的距离，2厘米或更少的距离能效用最佳，超过这范围性能会大幅下降。如果一辆车只用导流板而不用侧裙，由于车底已经产生低气压区，会导致汽车两侧的高气压气流涌入车底，令汽车的下压力下降。

### 扩散器（Diffusers）

扩散器主要是利用流体速度的大小与压强成反比的原理，将赛车底盘下部的气流梳理后快速导出，增加赛车底盘下部气流的速度，从而形成低压区,达到增强赛车下压力的效果。当汽车行走时，气流从车前方经过车底，到达尾部的扩散器。当空气穿过扩散器内的膨胀腔时，随着扩散器腔体容积的增加，为了满足车辆不可压流动状态下的连续性条件，气流需要减速以填补更大的空间。这是由于当气流膨胀，便会发生文丘里效应，扩散器内的气压便会上升，流速因此而下降。扩散器内的较高气压，与车底的较低气压形成气压差，因此产生吸力，加快将车底的空气抽走。这使到车底下的空气流速上升，使得汽车上部的气流气压大于底部的气流压力，从而形成气压差，使汽车产生一股往地面方向的压力，即所谓的增大下压力，使赛车轮胎有很好的抓地力。

### 进气口及出气口

各种进气口及出气口（如气箱 Airbox、侧通风 Side Duct 和制动冷却通风 Brake Duct 等）其中一个重要的作用就是，将车前方的气流引导到汽车的各个部件，以达至冷却的效果，这些部件包括引擎或刹车系统。但由于它们都会产生紊流，因此汽车会受到阻力影响。而出气口的洞口越大，进气口抽气的速度便越快，因此冷却的效果越好。

### 主动空气动力部件（Active Aerodynamics）

传统的空气动力部件虽然会产生下压力，但同时会产生阻力。主动空气动力部件则不同，因为它们是可变动的，部件在直路时会收起，减少阻力；在弯路时则会开启，增加抓地力。不过主动空气动力部件有很多种，功能可以完全不同。

主动前网罩：当汽车处于低速时，由于引擎或电子组件的温度不高，所以前网罩的叶片会关闭，这会减少阻力及乱流的产生；当汽车高速前进时，叶片便会开启，使更多空气进入各个部件，达至冷却效果。

主动前导流板或尾翼：开启能增加下压力；关闭能提升直线速度。