流体力学在汽车车身设计中的应用

摘要：流体包括气体和液体，流体力学是力学的一个分支，流体力学就是研究气体和液体在各力作用下的运动规律和应用的学科，流体力学的奠基人是古希腊的阿基米德。20世纪初，飞机的出现极大地促进了流体力学的发展，在地球大气层内运动的物体全部都受到流体力学的影响，因此流体力学对交通工具的设计具有非常重大的指导意义．随着交通网络的日益发达和科技的进步，汽车行业发展迅速，越来越多的汽车进入了寻常百姓家，那么流体力学对汽车的发展有哪些贡献呢? 本文主要是针对空气阻力对汽车性能的影响，流体力学角度分析了汽车流线型设计的作用、汽车流线型车身产生的原理、流线型的形状几个方面综合的向大家介绍流体力学在汽车车身设计中的应用。

随着人们生活水平的提高，越来越多的汽车进入了寻常百姓的家庭，无论是在高速行驶的公路上，还是在大街小巷里，我们总能看到各式各样的汽车，汽车在发明之初并非是这个样子的，从卡尔·本茨的三轮汽车到哥特里布·戴姆勒的四轮汽车再到大众汽车公司 的甲壳虫国 民车，直到现代 电子化、智能化汽车的出现，汽车的发展也有一个漫长的过程，从最开始每小时 18 公里的速度，到德国Rotary Supercars 公司推出的一款搭载八转子四涡轮增压发动机的超级跑车，这款超跑从 0 加速到100km／h 仅耗时0．9 秒．随着科技的不断进步，汽车的性能越来越好，而汽车的外形也有很大的改变，下面我们将从汽车车型的变化中探寻流体力学在汽车车身设计中的应用。

1 空气阻力对汽车性能的影响

空气阻力 FW 是空气对前进中的汽车形成的一种反向作用力，它的计算公式是：

1．1 车速与空气阻力之间的关系

根据上式我们不难看出，正常情况下空气阻力的大小与速度平方成正比，所以在迎风面积一定的情况下，车速对于空气阻力的影响是最大的车速高，发动机就要将相当大一部分的动力用于克服空气阻力也就是说，空气阻力大，在发动机功率和车速相同的条件下更耗油随着发动机功率的不断增大，汽车的性能越来越好，车速越来越快，当今汽车的行驶速度记录 已经突破 400km／h 大关．在如此的高的速度之中，空气对车辆行驶能力的影响已经非常大．有研究表明，当车速低于 90km／h 的时候车辆行驶的主要阻力是机械阻力，包括发动机内部的摩擦、轮胎与地面的摩擦等．而当车速超过 90km／h 的时候，空气阻力成为车辆需要克服的主要阻力．当速度攀升至 200km／h，空气阻力几乎占所有行车阻力的 85％．也可以这样说 ，汽车在低速行驶下就像是在微风天慢跑，而在高速行驶时则像在狂风中漫步。

随着科技的不断进步和工作生活节奏的加快，以及高速公路网络的建立，使得人们对驾驶速度追求将会越来越高。

1．2 风 阻系数与空气阻力

根据空气阻力的计算公式，我们知道空气阻力的大小除了取决于车的速度外，还跟汽车的风阻系数CT有关，风阻系数C-越大，空气阻力越大，风阻系数主要影响汽车的油耗、高速稳定性、行车噪音等方面的性能，既然风阻系数这么重要，那么什么是风阻系数？风阻系数C，是一个无量纲的数值。风阻系数是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，研究表明风阻系数与车重没有任何关系，但与汽车的外形有紧密联系。对于风阻系数影响最大 的莫过于整车的车身造型了。理论上讲，垂直平面体风阻系数大约 1.0，而 目前所侦测到的最小风阻系数为雨滴 ，大约在 0．O5 左右．这也就解释 了为什么 SUV的风阻系数会高，而一些新能源概念车的风 阻系数较低的原因。

既然风阻系数取决于汽车的外形，那么是怎样引起的呢？汽车外型所造成的阻力来 自车后方的真空区，真空区越大，阻力就越大．理论上来说，更小的风阻系数当然更节能的．汽车发明的初期汽车外形很不讲究，风阻系数很高，达到 0．8 左右．过去人们以为汽车的风阻主要来 自于空气对汽车正面撞击而形成的“迎面阻力”．经过研究发现汽车风阻其实主要取决于车尾部的流态。现在经常有厂商在宣传自己车辆的时候，都标明“具备极佳空气动力学性能，风阻系数达到创纪录的0．1X．所以现在很 多年轻人在购 买轿车 时都把空气阻力作为衡量汽车性能的一个指标．一般来说，三厢车的风阻系数会比两厢车小．表 I列出了 20种常见车型的风阻系数。

1．3 迎风面积与空气阻力

迎风面积是指汽车在行驶方向的投影面积，而迎风面积在很大程度上取决于汽车的尺寸大小，受到使用空间的限制不适宜进一步的减少，比如高速大巴尽管迎风面积很大，但也很难做成完全的流线型，只能尽可能优化风阻系数 ，同时减小车头正面投影面积。

综上所述 ，汽车的车身形状对汽车的车身性能有很大的影响。

2 流线型设计可减少风阻系数

纵观世界汽车的发展史，我们可以看出现代汽车车身形式的发展是沿着马车、箱型、流线、船型、鱼型和楔形车身一步步发展而来的。这个发展过程很大程度上是取决于当时的科技水平和物质条件，而推动汽车车身发展 的就是我们的流体力学，准确的说应该是流体力学的一个分支空气动力学。

随着汽车外形从箱形变化到甲壳虫形、船形、鱼形和楔形，风阻系数从 0．8 下降到0．6、0．45、0．3甚至 O．2，现代的一些研究性汽车风阻系数甚至只有 0．14。

2．1 流线型产生的原理

流线型可 以减少空气流经车身时产生的涡流，从而减少阻力．其原理是怎样 的？

可以做一个简单的试验，如图 1 所示，准备形状不同的空塑料瓶，放入水中然后松手，看哪种能跳的更高 ？

我们不难发现 ，最右侧图中所示 的前进方 向的前侧为圆形 、后侧尖 细的流线 型 比较理想 ，这种外形的瓶子会跳得更高。流线形是受到抵抗小的形状，其原因是抑制 了剥离。如果一旦产生了剥离，阻力则急剧增加，能量的损失也就加大。

2．2 流线型的形状

在流线形的前半部分，流路的面积逐渐减小，呈缩小的流动，缩小的流动是随着向下游的流动变得越来越窄．越往下游 ，流动 的断面积越小 ，流速则越大，根据伯努利方程，压强是下降的．因为高压向低压的流动是自然的流动，不易产生剥离，物体的宽度变化稍微急剧一些也不要紧。但是，如果前端过于尖锐，当前端相对 于流动的方 向改变 时，前端的流体无 法急剧弯转 ，则会产 生剥离．为 了防止这种情况的产生，前端通常为圆形．在流线形的后半部分，断面逐渐变化，物体的宽度渐渐地变小，最后甚至变得尖锐，和上面实验中最后一个图是一样的。

为了满足不同的需要，常见的汽车车型有轿车、跑车、越野车、卡车、客车、商务车等，不同车型在设计时其车身的形状不同，受到的空气阻力不一样，在行驶时设计的最高时速不一样．卡车、客车、商务车由于其行驶速度相对较低，其外形还是显得方方正正，但轿车尤其是跑车 由于速度较 高，为 了减少迎风面积和风阻系数，在设计时采用流线型。

3 结语

随着科技的进步“流体力学”在汽车的研究设计中的应用越来越广泛，从汽车车身的变化史中我们不难看出，汽车车身的每一次变革都和流体力学息息相关．未来的汽车朝着智能、低碳环保的方向发展，通过科技的不断进步和流体力学的进一步发展，人们对车身的要求将越来越高，将会有更多更好的车身形式出现。