說到空氣動力學，大家往往都會覺得這是一個很學術很晦澀同時也很高大上的概念，其學術研究成果和結論都被大量的應用在航空航天領域和賽車運動上。但其實不然，早在20世紀初期，汽車比剛發明不久的飛機速度還要快，早于飛機突破了時速兩百公里，這都是當時賽車的空氣力學比飛機更先進的證明。早在20世紀50年代第二次汽車變革之前，許多車廠就已經采用了人們常說的“流線型”造型車身造型設計，而這次變革之后，車身設計領域則可謂是百家爭鳴，百花齊放了，如魚形，船型，楔形，甚至火箭型（布加迪就是典型如下圖）。



Bugatti Type 57C Atlanic （1937）

1.氣動原理及伯努利定律

空氣動力學，簡稱氣動力學，一般而言劃分為高速氣動力學和低速氣動力學，對于汽車而言，其屬于低速氣動力學范疇，這個部分主要研究空氣的流動性及其作用。對于普通家用車而言，擁有優秀氣動設計的汽車會更安靜更省油，速度更快。

空氣流動的本質就是分子移動。在不受到外力的狀態下（稱平衡狀態），氣體分子是呈自由運動的，運動方向不一，彼此間時不時會出現碰撞，但一旦受到外力作用，空氣分子就會向某一個方向運動，這正是流動的空氣，或者簡稱氣流生成的原因。但空氣分子即使向同一方向運動，仍然會受到各種各樣外部力量的影響，空氣流動會產生壓力與流速兩個特性，對上述兩個特性的研究，正是氣動力學的基礎之一。



綜上所述，我們看一下氣流流速和壓力是如何變化的。一個名叫伯努利的科學家設想了一個中間寬兩頭窄的圓形容器，讓空氣流過這個容器，經過計算得出了一個這樣的結論：在直徑越小的區域，流速加快，壓力減低；在直徑越大的區域，流速減慢，壓力增加。這條結論，就是空氣動力學中著名的伯努利定律。也就是說，當空氣經過越狹窄的地區，壓力減少，流速加快，而通過較寬敞的地區時，壓力會增加，流速會減慢。需要注意的是，由于伯努利方程是由機械能守恒推導出的，所以它僅適用于粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。



當然，伯努利自己并不能很好地理解這個特性，后來，由一位叫尤拉的數學家將這個定律轉化為精確的數學公式，人們才第一次可以精確計算氣流特性，這條方程，稱為尤拉方程。

2.汽車升力與下壓力

當氣流遇到固體，例如汽車車體時。流線會發生變化，同時，附近的流場也會有變化。我們認真看看上圖，根據伯努利定律，在凸起的物體上方，在流場縮小的情況下，壓力減低流速加快，因此會在物體上方出現一個低壓區，由于大氣壓作用，這個固體會被下方較大的氣壓抬起，這就是升力的產生機制。



3.汽車空氣阻力

話說回來，空氣動力學到底對車輛的行駛有何影響呢？不論是在在民用汽車領域還是在賽車領域，空氣動力學設計對于降低風阻、提升車速、節約油耗、減少噪音和增強行駛穩定性等方面都非常重要。車輛的行駛阻力通常主要是空氣阻力和滾動阻力（就是我們車輪與地面接觸產生的摩擦力），當一輛汽車以80km/h的速度行駛時，約有60%的阻力來自空氣。而當速度攀升至200km/h，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。足以可見，車輛克服空氣阻力的必要性。



當今量產車的風阻系數一般在0.28至0.40之間

而風阻系數（coefficient of drag，簡稱Cd）就是衡量空氣阻力大小的一個數值而已，兩者成正比！現代F1賽車的風阻系數約為0.70至1.1，當然，還得根據不同的賽道特性從而做出不同的調校，有時為了獲得更大的下壓力，甚至可以高達1.3。而這個所謂的下壓力，就是使車輛能夠緊貼地面的一種力，勢必空氣阻力會變大，為何還跑得那么快！當然是因為人家車輕啊，加車手一起算的話也就680kg，而且跑得快就一定得空氣阻力小么？ F1空氣動力學的主要作用就是兩個方面：1. 產生下壓力，2. 減小空氣阻力。換句話說，空氣阻力的大小也并非單純的就由風阻系數來決定的！

汽車空氣阻力的計算公式如下：
Fd=1/16·A·Cd·v2
其中：v為行車速度，單位：m/s；A為汽車橫截面面積，單位：m2，Cd為風阻系數。
從這個公式中，你有沒有發現，當車速為定值的時候，還有一個因素也決定了空氣阻力的大小呀！即我們常說的Cd值。



F1賽車在風洞中吹風

4.空氣動力學設計



優秀的空氣動力學設計就要做到對汽車空氣阻力和升力的完美平衡，根據經驗現有已被證實有效的設計有：氣簾設計、前擾流唇設計、可升降尾翼設計，另外目前新興的技術還有高效的熱管理和水管理。

以氣動設計堪稱完美的保時捷911為例，前大燈進風口和后輪罩旁進風口即為所謂的氣簾（紅色圈所示），并且對前后剎車盤有冷卻作用。



前擾流唇與汽車底盤水平的安裝在車身頭部下方，可根據車速自動調整伸縮量并使汽車的接近角增大防止底盤被觸碰的危險，如下圖黃色線區域。



保時捷911采用的可升降尾翼設計，可以為其在高速或彎道時提供足夠的抓地力，即下壓力。

5.空氣動力學實驗與數值模擬

說完了空氣動力學以及它的具體作用之后，咱們就來簡單聊聊，如何把它運用到汽車研發上。通常研究車輛空氣動力學的方法有幾種，現在就主要介紹幾種常見的。第一種即使用數學計算，解決一大堆的非線性和偏微分方程后，幸運的話你也許能夠得到正確答案。但由于這種方法實在是太費周折，而且誤差和錯誤率較高，所以早期大多采用的是實驗的方法來求得所需數據。

第二種則是托了咱們計算機技術發展的福，采用電腦軟件模擬，也就是我們通常所說Computational Fluid Dynamics（簡稱CFD）。這是最高效、最經濟的一種方法，這也是很多車輛再進入風洞前所需要做的一項工作。



F1賽車在CFD中進行模擬

而之后，則是實際測試的一種方法了，將車輛的外觀套件或者整車模型送進風洞實驗室，讓它們吹吹風。最后呢，想給大家介紹的一種方法，也是特別有意思的一種，那就是在車身表面噴上一層熒光液體，然后讓圈養的車手把車開出去按一定的規律來跑。待車輛返回后，工程師再根據車身液體的紋路和分布情況做出判斷。



車身表面噴漆　　　



跑完后，前翼側面的液體紋路　　



尾翼上的液體紋路　　



擾流板下面的液體紋路
工
程師通過這些液體在車身各部件上面的分布情況，從而能夠對該車的空氣動力學進行一定的認知。

需要說明的一點是，在研究車輛的空氣動力學時，工程師不僅會研究車體表面的空氣流通情況，同時還需考慮車底氣流的通過狀況。簡單的說，越規整的車底，其車底的空氣阻力和升力也會越小。這也就是為什么大家看到很多賽車和豪華車的車底都是一整塊平面（也起到一定的保護作用），否則可能會造成翻車等事故。



2015年德國站，巴西車手馬薩的翻車事故