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科普 | 空氣動力學工程師怎么看《飛馳人生》
2019-03-01 13:59:58· 來源：中國汽研汽車風洞技術 作者：胡裕荃
隨著《飛馳人生》的熱映，關于影片的討論也層出不窮。有人說這是一部關于賽車的勵志片，所表達的世界觀既高級又樸素，鼓勵人們找到內心的熱情所在，不管能否成功
隨著《飛馳人生》的熱映，關于影片的討論也層出不窮。有人說這是一部關于賽車的勵志片，所表達的世界觀既高級又樸素，鼓勵人們找到內心的熱情所在，不管能否成功，也永不言棄。然而除了這些深層次的意義，作為一名汽車空氣動力學工程師，又會有哪些不同的觀影感受呢？本期邀請了上汽技術中心氣動工程師胡裕荃先生一起來聊聊。
作者簡介
胡裕荃：
上海汽車集團股份有限公司技術中心空氣動力學工程師。
*本文內容為作者個人意見，不代表所在企業(yè)觀點。
引 言
賀歲檔電影《飛馳人生》正在上映，電影講的是一個五連冠賽車手因飆車而被禁賽五年，禁賽期滿為了贏得尊嚴、追逐夢想又重新復出，并最終取得冠軍，但付出生命的故事。這顯然不是一部看了只能讓人哈哈大笑的電影，電影里葉經理和張弛在樓頂上伴著落日余暉合唱《光輝歲月》的片段總是在我腦中回映，不過這部電影對于汽車行業(yè)從業(yè)者，對于一名氣動工程師而言，可回味的顯然不僅于此。
賽車比賽追求的是更快的駕駛速度，更好的成績。而想要達成這個目標，除了賽車手本身的操作和駕駛技術外，車手所使用車輛本身的技術含量也很重要，工欲善其事必先利其器。動力更強勁的發(fā)動機，更輕但結構強度更高的車體，效率更高的傳動系統(tǒng)，控制更靈敏的轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，性能表現更好的車輪，以及空氣動力學性能更好的造型設計等都能提高賽車成績。
什么是操穩(wěn)？
在F1比賽中平均車速為200~230km/h，高車速讓車手對車輛的控制提升了成倍的難度，一個彎沒過好就可能導致車輛失控，一旦車輛在高速下失控則車手九死一生。
即使車輛未失控，過彎耗時對比賽成績的影響也是巨大的，賽場上零點幾秒就是領獎臺上接受鮮花和掌聲與領獎臺下懊惱不已希望下一次能證明自己的區(qū)別。因此賽車操縱穩(wěn)定性（簡稱操穩(wěn)）對車手人身安全和比賽成績而言至關重要。
操穩(wěn)是指車能按照車手駕駛意圖行駛（操縱性），同時也能抵抗外界干擾的能力（穩(wěn)定性）。
汽車能前進是因為車輪給了地面作用力，地面給了車輪反作用力（牛頓第三運動定律）。車手的駕駛意圖最終都是通過這個力來實現的。
影響這個力的因素有很多，賽車所受垂直方向正壓力（本文簡稱正壓力）就是其中重要因素。
另外賽車在有很大正壓力的情況下抵抗橫風或偏載等外界干擾的能力也大大增加。
因此合適的正壓力能直接提升賽車的操縱性和穩(wěn)定性。
什么是正壓力，如何調整正壓力？
正壓力由重力以及整車所受空氣在Z方向的合力合成，空氣對車輛在Z方向合力如果向上，則該力稱為升力，如果空氣對車輛在Z方向的合力向下，則該力稱為下壓力。同樣空氣在X 方向合力稱為氣動阻力，在Y方向的合力稱為側向力。
我們可以通過造型設計以及氣動附件添加來改變空氣對整車縱向、橫向、垂直方向的作用力，自然也能控制垂直方向的升力/下壓力，影響正壓力。
升力影響正壓力最直觀的感受就是高速上開車。在高速上開車常常感覺“發(fā)飄”，這個所謂的“發(fā)飄”，就是因為車速上升，整車所受升力增加，正壓力減小，車輪抓地力減小，駕駛員感覺車輛不能及時響應駕駛操作。
賽車氣動設計目標就是保證在確定的整車前后設計配重情況下，高速時整車氣動下壓力分布能使得前后軸正壓力平衡，同時整車阻力盡可能小。如果前后軸正壓力沒有平衡，如前軸正壓力過大，后軸正壓力不足，轉彎時車尾有甩出趨勢，容易產生轉向過度現象；若后軸正壓力過大，前軸正壓力不足，轉彎時后輪有保持直線運動趨勢，容易產生轉向不足現象，這兩種情況均會影響過彎成績。
升力如何產生？
我們可以把汽車簡單理解成上表面是個弧形，下表面是個平面的物體，當前方有均勻來流吹過的時候，這股氣流被分成兩部分（為了便于理解忽略兩側氣流），一部分向上走，從車頂越過，到達車尾，一部分直接從車下方流過，到達車尾。由于上表面的距離比下表面的距離長，所以從宏觀上可以認為流經上表面的空氣平均速度比流經下表面的空氣平均速度大，而由伯努利原理可知，速度越大的地方壓力越小，速度越小的地方壓力越大，因此可做定性判斷，整車上表面的壓力比下表面小，這個壓力差會形成升力，并且來流速度越高，這個壓差越大，既車速越快，升力越大。
實際汽車氣動升力形成機理比這復雜，受壓差影響，也受地面效應影響，受流場結構影響，也受氣流形態(tài)影響，但我們可以這么粗略理解為什么汽車會產生升力。
影響下壓力的氣動附件
這是一張賽車的圖片，賽車的主要氣動套件是前翼和尾翼，這兩處的套件截面可以大致認為是一個反過來的飛機機翼。
機翼上表面流速高，下表面流速低，可以為飛機提供飛行所需的升力。
反過來安裝，則上表面流速低，下表面流速高，上表面壓力大，下表面壓力小，這個壓差可以為賽車提供所需的下壓力。這前后兩處的下壓力，就像兩只無形的大手，將賽車按在地上，保證了賽車高速行駛不會有“發(fā)飄”的感覺，提升了操縱穩(wěn)定性。
這里可以開個腦洞，當車速足夠高的情況下，下壓力數值會大于整車重力，如果車是在天花板上開，那作用在車上的上壓力會大于車的重力，這樣是不是在高架橋的背面行駛，就成為了可能呢？
尾翼的高級玩法
尾翼不僅僅能影響下壓力，還能影響阻力。當尾翼水平放置時候，阻力??；當尾翼與車身呈一定角度放置時候，阻力大，此時下壓力也大。
為了適應直線段和彎道段不同的阻力下壓力需求，可調式尾翼（Drag Reductuion System）應運而生。在直線段尾翼放平，減小阻力提高車速；在彎道段尾翼升起提供下壓力增加過彎速度。有些車也讓尾翼在剎車時升起，提供阻力增加剎車效率。
在賽車攻彎時由于車有向彎道外側側翻的趨勢，倘若賽車在彎道中能夠自適應地調整車輛兩側的下壓力以抵消這個趨勢，則更有利于車手控制賽車在彎道中的走向，提升彎道成績，而這就是2018年廣州車展上亮相的蘭博基尼Aventador SVJ的最新設計。
該車尾翼內有一個氣流通道，該氣流通道入口是在尾翼根部，出口是橫貫整個尾翼下端面的一道縫隙，氣流通道入口的開閉狀態(tài)可以決定是否有氣流從氣流通道出口流出，從而改變尾翼處的氣流狀態(tài)，實現自適應改變下壓力的效果。
尾翼加裝
談起汽車改裝，就免不得提起尾翼加裝。人們往往通過夸張的尾翼造型來表達自我，展示個性。
然而在沒有經過氣動設計與優(yōu)化的情況下，這些尾翼通常會提供巨大的后輪下壓力，而又沒有前輪下壓力或車前部配重來與之匹配，這會產生一個俯仰力矩，該力矩輕則減輕前輪抓地力，影響操縱穩(wěn)定性；重則使汽車直接起飛。
超車時的空氣動力學應用
以上聊了升力與下壓力形成原因及其如何對賽車比賽產生影響，實際上空氣動力學在賽車設計及比賽中的應用遠不止于此。在賽車比賽中通常是在彎道超車，不過也能看到長直線段超車的情況。
這時觀眾往往會噓聲一片，前面那車怎么不加速呀，踩油門呀，二檔八千轉干啊，怎么直線段被超車了。殊不知前車車手是極其無奈的，并不是他沒踩油門，而是他真的已經踩到底了，只能絕望地看著對手一點點超過自己。
為什么兩輛動力水平差不多的車在此時的動力表現會有如此差異呢？這里涉及到一個空氣動力學知識。
前車開過之后，前車尾部氣體是被帶向行駛方向的，也就是說前車尾部氣體有了向前方的初速度。這個初速度使得后車與空氣的相對速度比前車與空氣的相對速度小，相當于后車以更小的速度撞向空氣，因此后車空氣阻力也就小。
我們知道發(fā)動機功率P=FV，功率等于總阻力乘以速度。在保持相同的行車速度跟車時，因后車阻力小，故其所需發(fā)動機功率是低于前車的，換句話說，當跟車階段前車油門已經踩到底的情況下，后車油門還保有余量，正是這點余量讓后車有剩余動力超過前車，取得領先地位。
到這里有沒有想起一句話，一群大雁往南飛，一會兒排成個人字，一會兒排成個一字。
空氣動力學可不僅僅是升力/下壓力
前面說了當汽車行駛速度相同的時候，阻力低，所需發(fā)動機的功率也就低。當兩臺車發(fā)動機最高輸出功率相同時，其中一臺車的空氣阻力越低，則總阻力越低，則該車最高車速越高。因此在賽車造型設計時，若在保證足夠下壓力的情況下還能降低賽車的空氣阻力，那無疑這個造型能夠讓該款賽車在激烈的比賽中占得先機。
乘用車和賽車所面臨的情況是不同的，對于乘用車而言，降低阻力的優(yōu)先級無疑是大于降低升力提高下壓力的。賽車追求的是速度和操控，而這需要提升下壓力來保證車手駕駛意圖的準確實現；乘用車追求的是舒適和經濟，乘用車不會開到極限速度，沒有緊迫的提升下壓力需求，而降低空氣阻力能降低油耗，這既能讓整車廠的產品增加競爭力，又能讓用戶節(jié)約實實在在的真金白銀，贏得產品口碑，可以說是不同的用車需求使得賽車和乘用車有不同的氣動發(fā)展方向。
以賽車為落腳點的電影《飛馳人生》的熱映顯示了大眾對于賽車的熱情，而影片中賽車尾翼的運用也表明了空氣動力學在賽車設計中不可或缺的重要性已成為社會普遍認識。
空氣動力學不僅僅包含本文主要提到的升力下壓力，也包含阻力，還包括側向力；空氣動力學也不僅僅應用在賽車上，也運用在乘用車上，商用車上，飛機上，空氣、運動交叉領域（如自行車賽）及其他領域上。這些領域的進步和發(fā)展，都蘊含氣動工程師的心血，都有氣動工程師不可磨滅的功勞，希望在社會各界的關注下，業(yè)界同仁的努力下，空氣動力學技術的升級迭代會更迅速，空氣動力學的發(fā)展會更蓬勃。
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