解读汽车车身设计中的流体力学奥秘
本帖最后由 coohit 于 2019-10-14 11:02 编辑本文将结合生活实际探索流体力学在汽车车身设计中的应用，通过适当的分析了解流体力学的相关概念，保证更加清楚的明白汽车流线型车身产生的原理。
一、汽车车身流线型的产生
在分析流体力学在汽车车身设计中的应用时，可以借助于一个实验明确其中的原理：首先是准备出各种各样的空塑料瓶，然后将它们的头朝向水中，之后松开手，观察什么形状的瓶子弹跳最高，根据具体的实验结果可以判断，外形阻力较小的瓶子会跳更高。
流线型主要是一种受抵抗较小的形状，因此可以抑制剥离。分析出现抑制剥离的问题，可以充分的考量缩小流动或者是扩大流动的情况，若是在缩小流动之后，伴随着向下游的逐步行进，实际的流动会变得逐渐狭窄，当不断的向下游行进，流动通路的断面积也会越来越小，以至于相应的流速逐渐加快，结合伯努利定律加以判断，压强是下降的状态。
由于高压向着低压的流动属于一种正常的流动状态，在这种情况之下，即便是缩小流动，也会呈现出安定的状态。与之相反的是，通过适当的扩大流动，开始向着下游逐渐行进，流动也会逐渐扩展开来，通过不断的深入下游，流动通路的断面积也会呈现出增大的趋势，流速则越来越小，压强在不断上升的时候，实现了从低压向着高压流动的趋势，这与自然的流动方向是相反的，属于一种不安定的流动状态。
通常来说，在高压处向着低压不断流动的趋势属于一种自然状态，为此在适当的扩大流动趋势的时候，还会受到某些诱发因素的影响，从而导致逆流情况的发生。比如，急剧的扩大流动及阶梯式的扩大流动，都能让流动出现急剧扩大的情况，因此在固体的表面产生了具体的逆流问题。在扩大的部分，实际产生的逆流始终在循环往复，这属于流动的剥离。正是这种情况，在流动不断扩大的地方，由于压强呈现出上升的趋势，使得剥离问题出现，在具体设计的时候应该格外注意。
若是出现了剥离问题，相应阻力会明显增加，能量损失也会逐渐增大，为了进一步减小阻力，基本的原则就是避免流动呈现出急剧扩大的趋势。
二、流体力学在汽车车身设计中的应用效果
1、有效减小阻力结合着汽车的外形演变加以分析，可以明确流体力学对汽车车身的设计影响。伴随着车速的稳步提升，汽车的外形除了结合机械工程学和人机工程学等基本学科之外，还应该重视空气动力学的相关问题，以便减小阻力。
适当的降低风阻并提升下压力属于非常有效的手段，减少迎风面积可采取流线形状。流线型一般是能够减少空气流对车身产生的涡流，这样就能达到理想的减小阻力的目的。
2、适当增加附着力结合着汽车的外形构造来说，应该在考虑行车稳定的前提下，正视下压力的相关问题，尤其是在高速场合。利用流线型的设计可以有效改变空气对于车体上部及地盘下部的气流流速，这样可以适当的控制好相应的下压力。赛车在高速拐弯或者是进行急加速的时候，应该重视轮胎对于地面本身的附着力，这样才能避免出现打滑的问题。车体的底部中间部分向下突出，主要是让车和路面的间距变狭窄，车体的前后部分和地面的距离应该适当的增大，由此流体在经过相对狭窄的部位时，流速会适当的加快，这个时候的压力会呈现出下降的趋势，保证车体被吸向路面，适当的增大附着力，避免出现打滑的问题，保证高速行使的过程中更加安全。
三、流体力学在汽车车身设计中的应用实践
1、车头造型设计车头造型的设计中涉及到的流体力学因素众多，比如车头的边角、车头的形状及高度等。车头的边角主要是指车头上部的边角和横向两侧的边角，若是非流线型的车头设计，会因为尖锐的边角使得气动阻力有所提升，以至于产生负压区，整体状况不适合非流线型的设计。
发动机罩和前风窗的设计能够对附着点的位置产生影响，由此会对汽车的气动特性造成威胁。发动机罩的纵向曲率在逐渐减小的情况下，气动阻力会越小，发动机罩的横向曲率可以适当的减小气动阻力。只要是发动机罩拥有一定的斜度，可以对气动阻力产生有利的影响，但是斜度若是处于加大的状态，实际的降阻效果不佳。
风窗玻璃纵向的曲率越大的时候将会越好，这样就能及时的避免视觉失真问题的出现。汽车的前端形状会对汽车整体的空气动力学性能产生重要的影响，若是前端凸而且高的时候，往往会产生相对较大的气动阻力，这样会给车头的上部造成较大的负升力区；拥有着较大倾斜角的车头一般是能够起到减小气动升力等效果。
2、前立柱设计前立柱上方的凹槽和细棱角处如果处理不当，将会出现较大的气动阻力，以至于出现较大的噪声污染。在设计的时候，需要重视圆滑过渡，保证更好的发挥出利用价值。轿车的侧壁外鼓能够增加气动阻力，但是会降低气动阻力的相关系数。对于阶背式轿车来说，客舱的长度和轴距的比值从0.93上升至1.17，这样会在一定程度上减小气动升力系数，但是发动机罩的具体长度和轴距对比往往不会影响到气动升力系数。
3、车身尾部造型设计流线型车尾的汽车拥有着最佳的车尾高度，这样的状态之下，气动阻力系数会呈现出减小的趋势，相应的高度一般会按照实际的车型和结构加以完善。后车体横向收缩可以适当的减小截面面积，在一定程度上后车体的横向收缩能够降低气动阻力系数，过多的收缩则会引起气动阻力系数的升高。
4、扰流器设计扰流器对流场会加以干涉，通过适当的调整汽车表面的压强分布，能够更好的减小气动阻力，同时关注气动升力的具体目标。前扰流器的适当高度和位置等都能减小气动阻力和气动升力。
四、结语
本文主要探讨了流体力学在汽车车身设计中的应用，明确了流体力学对汽车外形构造发挥出的重要作用，能够让汽车造型的构造更加合理，保证合理协调空气及汽车之间的相互作用力，为汽车的行进更为便利创造条件。
来源：工程事微信公众号（ID：gctechshow），原文来自中国科技博览，作者：孙崇高。
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