如果不考慮美觀,小汽車設計成什麼形狀風阻最小?

2021-01-18 沙漠之盒

「風阻」,還是「風阻係數」?這兩個不是一個概念。

F1風阻係數非常大,高下壓力設定甚至可以超過1,但是迎風面積比一般車輛小得多——然而沒有用,跑起來之後風阻和速度平方正比。而且任何車輛,只要無風靜止,風阻其實就是0。

只與形狀相關的應該是風阻係數,而不是風阻。

至於什麼樣的造型風阻係數小,目前全球風阻係數最低的汽車是由荷蘭TUDelft理工一幫學生開發的Eco-Runner系列,目的是參加殼牌石油組織的環保馬拉松賽。最新的Eco-Runner VII長這樣:

Eco-Runner VII的風阻係數我沒有查到,但是上一代的Eco-Runner VI可以查,是0.0512。只有一般民用轎車的五分之一不到。整個設計的風阻就是讓氣流儘可能不要從車身分離,而是附著在車身上一路從車頭到車尾,車身上也不要有突兀的凸起或者凹陷,對於一些外露的零部件如車輪,也用圓滑的殼體包裹起來。而且低風阻係數只是一方面,它的截面積也極小,這輛車只能躺在裡面開,車輪也很窄,以降低滾動阻力。所以最後的形狀比較接近於水滴,圓頭長尾,並且用儘可能圓滑的曲麵包覆一切外露零部件(包括車底),同時儘可能減少車身的接縫。

至於普通轎車的風阻係數,結論比較反常識。一些見稜見角的造型未必就比線條流暢的造型風阻係數來得大。下面兩輛車,風阻係數是一樣的,都是0.3。所以哪個跳大神的張口說「這車看著線條流暢,風阻係數一定小」,呵呵就好。精確的風阻係數一定是通過風洞測試吹出來的,CFD都未必準確。

以上只適用於亞音速的狀況。

有一些「汽車」,是超音速的。那就不適用於普通的「流線型」原則了。原因是在超音速下,風阻的主要來源不再是壓差阻力,而是激波。如果仍然是圓頭長尾那種設計的話,在車頭產生的激波的能量將會極為恐怖,不僅阻力極為巨大,也會產生極高的溫度。

這時候,這類「汽車」的車頭就和超音速飛機一樣,多採用尖頭設計:

最後,風阻係數不是汽車設計的全部,也不是普通消費者在購買汽車時需要重點考量的參數。

在汽車設計的時候,風阻×迎風面積 是一個優化項,而不是核心要素。它必定要向總布置和熱管理做出妥協。比如總不能為了減小風阻,把內燃機汽車的迎風口全部封上,這不現實,也不能為了減小迎風面積把市售車做成EcoRunner那樣只能躺著開的樣子。對於高性能車型來說,還得平衡下壓力和風阻係數之間的矛盾。

最好的空氣動力學形狀是雨滴形狀,但這不適合汽車的形狀。必須把它切成兩半,形成如下的形狀:

風阻係數,也叫CD值。普通轎車0.25到0.3左右,suv等沒屁股的車大點。

這個值受幾個因素影響。

水滴型是風阻係數最小的,但最大的問題是速度快了會產生升力,導致汽車不可控甚至飛起來。所以儘可能的採取前擾流板和後尾翼等來增加下壓力。所以法拉利那種超跑,車頭巨大的鼻孔,車頭蓋上的孔道,都是為了增加下壓力和減少撞風面積。

底盤平整度影響cd。越平整越好。事實上,越少氣流通過底盤越好。所以有心的朋友可以去觀察車頭底下保險槓後,有些車型會有一塊塑料的板。咋一看覺得這不是增加車頭迎風面積嗎,其實不然,這塊板減小了底盤進風量,形成負壓,將車子吸在地上,提高了高速操控性。

帶稜角的造型會增大cd。所以儘可能使用圓潤的造型。

多餘的突出會增加cd。所以負責減小風阻的朋友對汽車兩隻耳朵是很討厭的。

車身表面粗糙度會影響cd值。這個基本都塗漆,只有少數概念車用布啊啥的材料,不理會。

還有,車身橫截面面積越大,風阻越大。注意這個是風阻,不是風阻係數。

但是,僅僅這些基礎是不夠的。

實際上會遇到渦流等複雜情況,所以我們會看到,有些講究的車,會搞些導流板導流槽,鯊魚鰭等,引導氣流。

還有用於冷卻的開口,這些都是增大風阻係數卻又必須的。

實際上,方程式賽車的風阻係數不低,甚至很高,因為它的尾翼和前擾流板要提供巨大的下壓力,否則賽車要飛出賽道出事,所以這兩個風阻係數很高。輪胎暴露在外,風阻係數也很高。但它的橫截面迎風面積小,所以風阻並不高。

回到題目,不考慮美觀,風阻要小,那麼細長是必須的,減小橫截面積。考慮到水滴的低cd,可以採取水滴造型,但不是簡單的砍掉水滴下半,而是讓汽車從頂部看下去像水滴。後視鏡啊輪子啊隱藏就好了。這麼一搞,風阻不是問題了,實用性和造型美觀成問題了。

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