當(dāng)汽車開的比較快時(shí)，車身會有發(fā)飄的感覺，特別是有側(cè)向風(fēng)的時(shí)候這種感覺會更明顯，這一現(xiàn)象是由于汽車高速行駛產(chǎn)生的氣動升力所致。為了改善汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)師們給汽車加上了各種各樣的空氣動力學(xué)裝置。

汽車行駛時(shí)，氣流與汽車相遇后分開，一部分氣流會沿著車頂流過，一部分氣流沿著車底流過。氣流在車頂?shù)男谐滔鄬嚨讈碚f更長，氣流的密度相對也較低。根據(jù)伯努利原理：流體速度越快，壓力就會越小。因此汽車頂部的空氣壓力就比底部小，從而產(chǎn)生了向上的升力。

然而，升力是飛行的要素，對于地面行駛的汽車來說，升力越大，汽車的穩(wěn)定性就越差。為此工程師們開發(fā)了各種各樣的汽車空氣動力學(xué)裝置，以改善汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。

擾流板

擾流板是指安裝在汽車后箱蓋上類似倒裝的飛機(jī)尾翼的部件，主要是為汽車提供一定的下壓力。

擾流板的工作原理就是阻礙氣流流動，以在擾流板前方形成高壓區(qū)，這種較高的壓力作用在后箱蓋上從而提供下壓力。



擾流板作用原理

汽車上的擾流板多種多樣。如賽車上的擾流板較高，這是為了充分發(fā)揮擾流作用，使沒有亂流的氣流直接作用在擾流板上，而且使它產(chǎn)生的下壓力不致于作用車身而抵消其效應(yīng)。因此必須將擾流板離開車身表面安裝。

兩廂車的頂蓋后緣常安裝一個(gè)像鴨尾那樣的擾流板，引導(dǎo)頂蓋上一部分氣流流過后窗表面。這樣既可使后窗后部的升力降低，也可引導(dǎo)氣流將后窗表面浮塵消除，避免塵污附著而影響汽車的后視野。

在許多普通轎車上，也裝有擾流板。但由于這些車的速度都不是很高，因此擾流板也難以發(fā)揮實(shí)際作用，僅僅達(dá)到美化車身外觀的目的。



實(shí)車安裝的擾流板

氣壩

氣壩，也就是前擾流器，是指在汽車前部配置一個(gè)像墻壁一樣的“大壩”，通?？拷访娌⑶已刂嚿韮蓚?cè)向后延伸，用于阻止氣流進(jìn)入汽車底部，從而在車身底部產(chǎn)生真空或低壓區(qū)域。

低壓區(qū)域與車輛前部以及頂部的高壓區(qū)域相配合，對汽車前部產(chǎn)生了下壓力。



氣壩作用原理

值得注意的是，如果沒有側(cè)裙的話，氣流很快從側(cè)面進(jìn)入車底以平衡車底的壓力，這樣將影響前氣壩的效果。

因此通常將氣壩沿汽車兩側(cè)延伸成為“裙”，以擴(kuò)大車身底部的真空區(qū)或低壓區(qū)。側(cè)裙不僅具有一定的擾流作用，在一定條件下還可以明顯降低空氣阻力。



實(shí)車安裝的側(cè)裙

翼片

目前市場上最流行、最廣為人知的汽車空氣動力裝置非“翼片”莫屬了。

根據(jù)伯努利原理，一定體積的空氣流動速度越快，空氣壓力就越低。 因此，需要加快氣流的流速以得到較低的空氣壓力。

翼片正是通過上下邊緣距離不同來達(dá)到這個(gè)目的。較長下邊緣的空氣流動速度快（壓力較低），較短上邊緣的空氣流動速度慢（壓力較大），上下邊緣的壓力差產(chǎn)生了從上到下的推動力。



翼片上下邊緣的壓力差

另外，還可以通過增加攻角和翼片角度來實(shí)現(xiàn)更大的壓力差，但隨著攻角增加，阻力也會隨之增加，而且翼片終將失效而失去下壓力。這時(shí)可以通過在大翼片的后面放置一個(gè)或多個(gè)小翼片以避免翼片的失效。

圣地亞哥州立大學(xué)航空和航天工程力學(xué)主席Joseph Katz在《Race Car Aerodynamics: Designing for Speed》一書中提出了“復(fù)合多翼片的壓力系數(shù)圖”，其中各翼片的位置是非常關(guān)鍵的。通過精確定位每個(gè)翼片，使得翼片之間的間隙恰好可以“彌補(bǔ)”較小翼片那一側(cè)的低壓。



復(fù)合多翼片的壓力系數(shù)（Cp）圖

此外，翼片還可以與平板組合以阻止高壓空氣在翼片上部“溢出”到下部低壓區(qū)。



翼片與平板組合

文丘里管

文丘里管是意大利物理學(xué)家Giovanni Battista Venturi（文丘里）發(fā)明的一種先收縮而后逐漸擴(kuò)大的管道，利用收縮的氣流在汽車底部產(chǎn)生高速的低壓區(qū)域。



配置文丘里管的汽車示意圖

有些賽車設(shè)計(jì)師將賽車底板設(shè)計(jì)成“倒置的翼片”來實(shí)現(xiàn)文丘里管的功能。通過車輛底板與道路間的距離變化，實(shí)現(xiàn)文丘里管的“收縮與膨脹”，使得“收縮”產(chǎn)生的低壓沿著車身中后部得以持續(xù)。

文丘里管是非常有效的氣動裝置，但是很容易受到車輛行駛高度限制的影響，因此使用范圍較窄。
擴(kuò)散器
擴(kuò)散器，位于車尾底部的氣流出口，是賽車高速彎道行駛時(shí)獲得下壓力的主要來源。

擴(kuò)散器的工作原理類似于文丘里管。車尾安裝擴(kuò)散器后使得車尾底部的氣流速度加快，壓力降低，從而產(chǎn)生下壓力。有時(shí)也可以利用噴射到擴(kuò)散器中的高速排氣來獲得更低的壓力。


擴(kuò)散器原理示意圖

某些情況也可以通過傾斜的底盤實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散器的功能，也就是說底盤前部比后部更靠近地面。

汽車較低的“鼻子”可以減少通過前車底的氣體體積，而較高“尾部”可以形成真空（或低壓）效應(yīng)的區(qū)域，從而形成下壓力。



實(shí)車安裝的擴(kuò)散器

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伯努利先生和伯努利原理