Author / 蟹爪朝天

在《賽車空氣動力學(xué)》這個系列中，我們放棄那些復(fù)雜的公式，只來簡要說一些和賽車有關(guān)的空氣動力學(xué)原理，以及在車輛設(shè)計(jì)、調(diào)校中對空氣動力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用。

懸掛等部件產(chǎn)生的機(jī)械作用力主要在低速行駛中起作用。整車外形產(chǎn)生的空氣作用力主要在高速行駛中起作用。

在一條高低速彎兼?zhèn)涞馁惖郎?，車?duì)通常會通過懸掛和尾翼等部件分別設(shè)定車輛在低速彎和高速彎中的操控特性。想要贏得更好的成績，真的應(yīng)該了解一些賽車的空氣動力學(xué)特性。

在車輛的空氣動力學(xué)應(yīng)用中，主要是要考慮：通過流線外形減小風(fēng)阻系數(shù)、盡量減小正面迎風(fēng)面積、引導(dǎo)并利用氣流。常用的設(shè)計(jì)方法是：流體仿真模擬、油泥模型風(fēng)洞測試、實(shí)際賽道測試等。

此系列共有八篇內(nèi)容

• 01 空氣的特性

• 02 賽道策略

• 03 擾流板Spoiler

• 04 翼面Wing

• 05 車底氣流

• 06 亂流區(qū)

• 07 導(dǎo)流部件

• 08 其它空力設(shè)計(jì)

在開始這些之前，我們今天來說說第一章，關(guān)于空氣本身的特性。

空氣密度

從應(yīng)用的角度來說，濕度等因素導(dǎo)致的空氣密度變化不需要考慮了。

除非是在SPA、紐博格林那種氣候復(fù)雜多變的賽道。只簡單考慮溫度導(dǎo)致的空氣密度變化即可。在開放的空間中，比如對于車身外形來說，氣溫越高其密度越小，壓強(qiáng)也就越小。

應(yīng)用到賽車上，在后車緊跟前車但并沒有進(jìn)入其亂流區(qū)時：前車后部被前車加熱了的熱空氣會使后車的各種空氣動力學(xué)部件的效率減弱。比如前翼、尾翼等。此時后車的空氣下壓力作用較弱，可能不足以在彎中穩(wěn)定住車身或?qū)е乱恍┮馔獾牟倏靥匦缘淖兓?/span>

空氣縱向受力時

空氣并不是一個整體，也不是分散開的絕對獨(dú)立的粒子。在考慮空氣的問題時，我們可以根據(jù)需要把空氣分為若干層或小氣團(tuán)。

如圖，在兩團(tuán)空氣受到縱向力互相擠壓的時候，其整體體現(xiàn)出的是：隨著擠壓力的增加，其內(nèi)部向外抵抗這種擠壓力的能力也在增加。

簡單來說體現(xiàn)在賽車上就是車速越快，車頭前方的空氣被擠壓的就越嚴(yán)重，此時車頭處正對的空氣阻力也就越大。

空氣切向受力時

如圖，在兩團(tuán)空氣受到切向力互相錯開時，其整體體現(xiàn)出的是：雖然最終兩個氣團(tuán)會相互分離，但其接觸面上還是有一些“粘性”來抵抗這種分離的。這是由于氣體內(nèi)部的摩擦阻力導(dǎo)致的，并受氣體密度影響。簡單來說體現(xiàn)在賽車上就是車身表面的不平整會增加阻力。

邊界層

在車身表面很薄的一小層空氣，叫做邊界層，或者更形象的可以說是表面層。

其厚度通?？梢砸裕恚碛?jì)算。在邊界層中，氣體體現(xiàn)出的就是這種“粘性”。在遠(yuǎn)離車身表面的外部，氣體體現(xiàn)出的是沒有（或幾乎沒有）這種“粘性”的更自由的流動形式。

分離層

如圖，在邊界層中，有時會由于外層氣體流速較快，內(nèi)層氣體“粘性”較大，導(dǎo)致出內(nèi)外相鄰的小氣團(tuán)速度不一致的情況。

這種速度差就導(dǎo)致了局部的小亂流，Turbulent。

小亂流會導(dǎo)致出更大的流速差，進(jìn)而出現(xiàn)更大的亂流。于是就會在體現(xiàn)出空氣摩擦阻力的邊界層和體現(xiàn)出自由流動的外部自由流體之間，產(chǎn)生出空氣團(tuán)的另一個分層：分離層，Separation。其中主要是亂流。

氣流流過固體表面，剛剛出現(xiàn)微小亂流的位置叫做：轉(zhuǎn)逆點(diǎn)，Transition Point。

轉(zhuǎn)逆點(diǎn)之前的氣流基本上是平順的，轉(zhuǎn)逆點(diǎn)之后的氣流大體上是不平順的。對于整車或反光鏡等一個單獨(dú)的突出物來說，轉(zhuǎn)逆點(diǎn)的相對位置越靠后，整車或這個部件的風(fēng)阻就越小。

圖為兩種角度的車尾造型所產(chǎn)生出的分離層（亂流）對比。產(chǎn)生亂流越嚴(yán)重的造型，后玻璃附近造型所導(dǎo)致的風(fēng)阻就越大。

壓強(qiáng)、流速

對于固體的兩側(cè)來說，其運(yùn)動速度的相同的。外形導(dǎo)致的氣體流速更快的一側(cè)，氣體壓強(qiáng)就更小。

外形導(dǎo)致的氣體流速更慢的一側(cè)，氣體壓強(qiáng)就更大。也就是說會有一個由于固體兩側(cè)壓強(qiáng)差引發(fā)的力，從氣體流速慢的一側(cè)將固體向氣體流速快的一側(cè)推。

圖中箭頭為各個切面上的作用力矢量。將所有矢量相加后，可以簡化為一個向上的力。

這種關(guān)系，主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)離車身表面的自由流動層中。

比如引擎蓋、前玻璃、尾翼等。底盤和地面之間的部分，也在一定程度上適用這種關(guān)系。一些車型并不十分平坦的底盤設(shè)計(jì)就是在利用這個原理調(diào)整整車前后的空氣下壓力分布。

對于在密閉管道中的持續(xù)穩(wěn)定氣流來說，流速越快的地方，氣體壓強(qiáng)越低。

圖中左側(cè)較粗部位的氣流速度低于右側(cè)較細(xì)部位的氣流速度。在進(jìn)排氣管路中，氣體的這個特性常被用來提高進(jìn)排氣效率。

從宏觀上講，由于局部空間和壓強(qiáng)流速的關(guān)系，在車身外形的設(shè)計(jì)中，相對平緩的曲線可以帶來更小的內(nèi)外側(cè)氣團(tuán)流速差，也就可以讓轉(zhuǎn)逆點(diǎn)更靠后方，并帶來更小的亂流和分離層尺度。

因此，類似蘭博基尼車型頂部的平緩坡面，是為整車帶來低風(fēng)阻的重要原因。

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