Enzo Ferrari曾說:「空氣動力學是為無法製造發動機的人準備的」

風洞測試（Wind Tunnel），這是不是只有地球人類才做的事？請恕筆者才疏學淺，難以回答。但在地球上，一物體在空氣或者其他流體中作相對運動時，當中所產生的「風阻係數、Cd值」是你我他盡知的字眼，也可以高逼格地說上一句「空氣動力學」。

圖：著名的足球運動員Mesut zil，噢不，這是年輕時候的Enzo Ferrari。

圖：法拉利創始人Enzo Ferrari有一句名言，「空氣動力學是為無法製造引擎的人準備的」。這句話是早年Enzo本人在1960年回應車手 Paul Frère關於250TR的極速問題所說的。

現今大型風洞測試也是高逼格的存在，投資建設費用可是大大滴說，可對於飛機製造來說這是一筆不可缺的成本費用。因為世界上公認最早的風洞出現在19世紀末（1869～1871年），由英國人韋納姆（E.Mariotte）研究發明，後來飛機發明者美國萊特兄弟也在1900年、1901年前後均對他們的飛機進行風洞測試。可以說當年的風洞測試和空氣動力研究大多數是與航空領域有關。

圖：飛機發明者美國萊特兄弟在1900年、1901年前後均對他們的飛機進行風洞測試，雖說只是一個十分簡陋的風洞機構，但在1903年他們成功研製出載人飛機。

圖：其實當年有著不少有關風洞的設計，法國人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一個直流開放式風洞。

隨後就是在第二次世界大戰（1939～1945年）建有大型風洞，而在美蘇冷戰時期，這類型的大型風洞測試更具有重要戰略性意義，當中出品不乏有超音速戰機和作戰飛彈。在此過後的發展中風洞測試就自成一體，不再是單單地為飛機、航空領域服務。1960年第一個全尺寸實車專用風洞測試由英國MIRA建造並投入使用，除了汽車之外，現今的風洞測試還關係到高樓建築、運動員裝備、航船等等。

圖：這是北美的XP-51B戰機進行去掉外翼時的風洞測試，要知道在空戰時被擊中斷掉機翼的情況大有發生。

圖：雖說被擊中一半機翼後會更難操控戰機，但至少在通過風洞測試後能提高人機返回基地的機率。

圖：德國，在第二次世界大戰中的各種手段先不論，但不可否認的是它當中的科學技術。

圖：早年美國NACA太空總局，就曾在0.04馬赫（約為50km/h）至0.58馬赫（710km/h），圖中左至右是0.04馬赫、0.4馬赫、0.58馬赫的測試情況）的風速區間段對人體進行風洞測試，其實是為當時的飛行員提供測試數據。

圖：再往後的風洞測試就不再是局限於飛機，還將會涉及太空設備、汽車、高樓大廈建築。

圖：1960年第一個全尺寸實車專用風洞測試是由英國MIRA建造設計，圖中大家所見到的白色氣流是由於加入有煙霧，讓高速氣流可視化。

稍微說點近的，像是近期舉行的2016裡約奧運會，空氣動力學也大派用場。來自捷克的斯柯達車廠，運用汽車空氣動力學的技術協助捷克奧運自行車選手Pavel Kelemen奪金。不同於上述的風洞測試，運用的是150臺高解析度相機來建立騎乘時的3D模型，再運用CFD電腦模擬不同騎姿的風阻，這樣一來即可找出最小風阻的騎姿。不僅僅是斯柯達，像是BMW也以自動駕駛的偵測技術協助美國泳隊在本屆奧運奪冠，此前McLaren、Ferrari也曾協助過英國和義大利運動代表隊。

圖：圖上所見的是捷克斯柯達車廠，運用汽車空氣動力學的技術為捷克奧運自行車選手Pavel Kelemen進行模擬風洞測試，最終成功奪冠。

而我國也早在1937年清華大學（當年開設有航空工程課程）就建造有國內第一個風洞，1947～1948年期間繼而建造有鐵殼風洞，氣流速度達40～50m/s。而在1968年新中國成立後，位於川西山區的「中國空氣動力發展與研究中心」建成，並稱裝備有亞洲最大的風洞群，如：殲-10戰機、神舟系列航空工程、和諧號高速列車等均在此進行風洞測試。

往後就是藏身於各大學中的風洞測試實驗室：上海同濟大學地面交通工具風洞中心（國內第一個汽車整車風洞）、吉林大學汽車風洞實驗室、汕頭大學風洞試驗室、北京交通大學風洞實驗室、西南交通大學XNJD-3風洞。

圖：國內的風洞測試除了涉及軍事項目外，還涉及有高速交通工具等民生工程。

圖：C919中型客機是國內首款按照最新國際適航標準研製的幹線民用飛機，圖上所見的是研發期間對比例模型進行聲學風洞測試，以檢測飛行過程中的風噪。

圖：目前國內大大小小的風洞測試實驗室眾多，大多數置身於國內的大學校園，好比吉林大學的汽車風洞實驗室，可以進行等比例模型和實車的風洞測試。

至今，風洞技術已有100多年歷史，當中的結構組成也大致相似。目前風洞的分類有多種，假若按照流場氣流速度大小區分共有兩大類：低速風洞（氣體流動速度為0.4馬赫，約為480km/h）、高速風洞（氣體流動速度可達0.4～>5馬赫，1馬赫即1倍音速），期間高速風洞又包含：超音速風洞（Supersonic wind tunnel）、高超聲速風洞（Hypersonic wind tunnel）、亞音速風洞（Subsonic wind tunnel）和跨音速風洞（Transonic wind tunnel）。而像是汽車風洞測試之類採用的是低速風洞，而像是飛機、飛彈、航天工程等採用的是高速風洞測試。

圖：以0.4馬赫為界限，數值往下的為低速風洞，往上的為高速風洞，像是圖中的比例戰機模型就進行亞音速風洞測試。

再來就簡單介紹一下風洞的結構形式，汽車用的與航空領域用的風洞大致相似，畢竟早期汽車用的風洞大多是從航空風洞改造過來，而當中的許多空氣動力理論和概念也是從航空力學延續過來的，所以目前分有三大類風洞結構類型：直流式、回流式和立式風洞。

直流式風洞：

圖：直流閉式風洞，氣流通過試驗段後直接排到大氣中，雖結構簡單但不易保持恆定的空氣溫度和溼度，以及氣流穩定性差、噪聲大。

圖：賓尼法利納的直流開式風洞，半開式試驗段為保持有穩定氣流。

回流式風洞：

圖：回流閉式風洞，空氣溫度、溼度、噪聲等較佳，但也需要冷卻系統降溫（快速流動的空氣分子摩擦），換言之建造成本費用高。

圖：回流3/4開口式風洞，試驗段為開口設計能在測試時較好地模擬周圍氣體流動的情況，獲得相對準確的測試結果，但也由於此原因會帶來渦流和氣流能量損耗。

圖：回流槽壁式風洞，在風洞管道周圍裝有平行槽，用意是減少空氣流動阻塞。

立式風洞：

圖：立式風洞一般常見於汽車環境風洞（模擬風雪雨等氣候環境），佔地面積少是特點所在。

現今大多數風洞均採用回流式設計，當中的封閉管道是從小擴大，再由大縮小的循環迴路，好處是為了減少空氣傳輸時的能量損失，不然全尺寸相等的封閉管道會有邊緣氣流堆積、高速時氣流也會與通道邊緣有更大摩擦。

至於說到更具體的風洞組成則有：收縮段、試驗段、擴散段、穩定段（蜂窩器、阻尼網）、動力段（電機、風扇、整流罩、預扭導流片、止旋片等）、拐角段（拐角導流片）、散熱段。

其實這一大堆零部件的出現，不過是想讓風洞測試更加高效、讓測試數據更接近真實情況。所以像是蜂窩器、阻尼網、拐角導流片等部件就是消除當中的旋渦、穩定氣流；空氣分子會在傳輸中劇烈運動摩擦而產生熱量，儘管管道內設有大型水冷散熱器，可一般風洞會穩定空氣溫度在25℃左右。再來就是動力風機，以F1賽車風洞設計為例：將會被置於一大混凝土塊中作為固定，與底部承託混凝土之間將會是彈性元件連接，因為風機一旦被啟動後將會伴隨有劇烈震動，而這樣震動還會影響被測試對象，影響測試數據。

圖：像是在這種循環風道的設計，解決渦流是一大要事，因此我們可以在風道的拐角處見到有導流片（上圖），在進入試驗對象的收縮段前見到有密密麻麻的蜂窩網（下圖），均是用來儘可能地消除渦流現象。

圖：為避免風洞電機的運行震動影響被測試對象，像是F1的風洞就在固定電機的混凝土塊與承託混泥土塊之間設計有彈性元件濾震。

筆者曾閱讀過某汽車雜誌，上面寫著「當汽車以80公裡/小時行駛時，將近有60%油耗是用來克服風阻」，這準確性如何還有待考究，但這句話即便是放在各品牌車廠看來也並沒有錯，因為他們也知道等條件下，當汽車行駛的速度越快，所受的空氣阻力也就越大。用學霸的話解析就是：F=(1/2)CρSV^2（F為空氣阻力，C為空氣阻力係數，ρ為空氣密度，S為物體迎風面積，V為物體與空氣的相對運動速度）。

圖：量產民用車進行風洞測試過後，多半會搬弄出風阻係數Cd值說事，各類廣告和宣傳片也均推廣其低油耗的表現。

假設在一定的ρ空氣密度下（不同的空氣溫度和壓力，也就有不同的空氣密度），空氣阻力的大小就與空氣阻力係數、迎風面積和速度成正比，拋開「速度」這一人為主觀的變量，各品牌車廠都想旗下的量產車型有更低的空氣阻力係數和迎風面積。所以早期的汽車設計師機智地採用上流線型車身，用以降低風阻係數，而當中最為突出的是1922年，羅馬尼亞工程師Aurel Persu設計的超低風阻係數汽車，Cd值範圍在0.22～0.28（即便是最大的0.28Cd值，也如現今的保時捷Carrera一樣），要知道當時一般汽車的風阻係數在0.8～1Cd值。

圖：最小0.22Cd值，即便是現今車型也是高難度的水平，但筆者估計這僅僅是衝著降低風阻係數而來的。

圖：豐田的第一款轎車：豐田AA型（1936產），也將當年美國車型中的流線型車身搬弄過來。

但現今在汽車風洞測試中除了講求低風阻係數外，還需要考慮到整車的熱交換管理、風噪處理，以及高速行駛時車身不穩定現象等，換言之更加講求整車高效空氣動力的表現，而這就有賴於外觀包圍套件和車身設計。

為了能相對更接近地得到車輛實際上路後的表現，車廠會進行比例模型風洞測試（模型比例通常有：1:2、1:2.5、3:8、1:4、1:5、1:10）、1：1實車風洞測試、聲學風洞測試和環境風洞測試，一系列過後收集數據、綜合分析再通過計算機運算，再逐步修改當中的車身造型設計、空力包圍套件、擾流導流板。

量產民用車利用風洞測試後，改善風阻係數還能省個油耗作為賣點，那賽車的風洞測試呢？燒錢是各車隊每年早料到的事，但前提是能有那麼一套空力套件產生下壓力的同時不增加空氣阻力，就好比F1賽車。而大致上用於測試F1賽車的風洞沒多大不同，唯獨是各車隊會根據所需選用不同類型的風洞。

筆者不敢說F1賽車的風洞測試只為了下壓力，但假若說民用家庭轎車行駛時的升力係數（Lift Coefficient）為0.3，那F1賽車的升力係數將會去到3.8，再者速度越快升力也將會增加。換言之，F1賽車的空力套件在風洞測試中會在一定範圍內控制氣流壓力和溫度等，實際比賽時能緊緊咬合地面。這樣一說，就讓筆者想起各種腦洞大開的車尾擴散器，還帶風扇的。

圖：擴散器的工作原理涉及到文丘裡效應。根據文丘裡效應，流體經過縮窄斷面時，流速會增加，車底部分相當於文丘裡效應中的縮窄斷面。而且要說明的是，真正形成下壓力的區域是車底，而非擴散器，因為根據上面的CFD圖，氣體流速最快的部分是擴散器前面的車底部分，擴散器的作用只是幫助車底形成一個文丘裡式的縮窄斷面。

圖：2009賽季的F1鬧起了雙層擴散器熱潮，結構複雜的擴散器為F1賽車提供更多的下壓力，現今已被禁用。

圖：1978年的Brabham BT46賽車，它後面的那個大風扇，其實也算是一個擴散器，風扇旋轉吸走車底的氣流，只不過科技的進步使其成為一個大笑話。

除了提供有下壓力外，F1賽車還可以通過空氣動力套件減少下壓力超車，就好比DRS可調尾翼在調平狀態下大約能增加80匹馬力。總的來說，不管是為了娛樂觀賞性還是真刀實槍，F1賽車還有眾多複雜的有關空氣動力學的套件，而這一切均需要風洞測試得以實現。當然FIA也明白，也在不斷地修改F1賽車風洞規則，只可用不大於原車尺寸60%的模型測試、180km/h風速限制、即便是上限12套倍耐力輪胎也是規則指定內。

圖：曾聽說過這樣一句話（大致意思是）：誰家掌握了優秀的空氣動力，誰家就是F1賽事中的冠軍。所以如果對比起F1賽車的引擎研發費用，筆者相信空力套件研發、風洞測試的費用更大。

圖：哪怕是F1車手的頭盔形狀也需要進行風洞測試。

大尾翼、風刀、前後擾流、包圍、側裙等等是現今不少改裝玩家、賽道玩家都聽聞過的，像是World Time Attack Challenge（簡稱WTAC）賽車都會裝上這類的空力套件，而這無非也是想獲得更大下壓力和引導氣流降低風阻。

圖：其實對於賽車而言，進行風洞測試無非是想在下壓力和空氣阻力之間找出相對較佳的平衡點，當然最好的情況是增加下壓力減少阻力，因此誕生有各類的空力套件。但筆者需要在這裡表明的是至今有不少知名車廠（尤其是法拉利），其民用車型即便原廠沒有大尾翼、風刀之類的，可風洞測試中卻能提供足以稱讚的下壓力。

圖：封閉風口，是減低風阻減少渦流亂流的做法，但當中所需考慮的還有車輛散熱等問題。

上文中我們不難理解風洞測試對汽車技術、發展的重要性意義，但上文也講述了投入設計、建造風洞所需要巨大的資金財力，所以在後來催生出仿真、虛擬計算機風洞測試。雖然說是計算機虛擬仿真，但像是飛機、航空、F1賽車、量產民用車等均進行有仿真計算機風洞測試。

在進行有一系列的CAD建模後，隨後就可以在CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）中得知被測試對象的升力、阻力、壓力分布、流場（流動分離）、聲學等，可以說是在投入真實風洞測試前，為設計研發節約時間、節約金錢。至於說其準確性、精度如何？那筆者個人則認為，估計在真實的風洞測試後也難以保證汽車等物體在實際使用中一致，所以說到那CFD得出的數值只能算是輔助參考。

在本文開篇之前筆者就曾查閱過相關資料，一番過後自醒地明白真相：光憑這幾頁篇幅就想將風洞測試中的空氣動力學、流體力學說清講透，那筆者寧願選擇「身體被掏空」，因為光是那F1賽車上的空氣動力學就夠玩三天三夜了。可即便如此，後來發現搗騰那「風洞測試」還是有它的必要性，現今不都在講求高效率嗎？