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[原创] 汽车空气动力学的百年演绎

跟我一起学 楼主
2022-06-15 10:00 218615
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01

汽车的诞生


1886年,德国人卡尔·本茨将一台单缸汽油发动机安装在一架三轮车上,标志着汽车的诞生。1904年,同是德国人的普朗特提出边界层理论,开启了现代流体力学之路,并极大的促进了空气动力学的发展。


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人们虽然很早便意识到空气会对行驶的车辆产生阻力,不过一百多年前,人们还很难把汽车和空气动力学这两个学科紧密的联系在一起,形成完备的汽车空气动力学理论。

因此,早期的汽车空气动力学发展缓慢而曲折,并伴随着市场的长久冷落,充满着许多不确定性。理论成型之前,大自然是最好的老师。飞机和船舶分别以鸟和鱼作为模仿的对象,然而汽车则找不到合适的参考,于是退而向航空和船舶领域借鉴。


02

极致光顺的设计


19世纪末期到1920年代,汽车的内燃机技术还很落后,行驶里程短,故障多,维修困难,因此电动车在这一时期被普遍认可。而在那个年代,检验汽车性能最好的办法就是刷比赛,谁又突破了极速也是人们津津乐道的话题,人们也逐渐认识到风阻对极速的影响。

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而第一台凸显了空气动力学性能的车,便是因刷出当时的极速记录而成名的电动车La Jamais Contente,其法语名称翻译成中文则为“永不满足”——这个名字或许昭示了多年以后,我们这些在汽车空气动力学领域的搬砖者们的生存状态。

1889年,“永不满足”号凭借62匹的马力和较低的风阻,首次突破了100公里/小时的极速。其车身形状酷似一种航空器,将车身的光顺设计发挥到了极致,尽管整车的风阻系数并不是太高,只是完全暴露的底盘和矗立在风中的驾驶员,也说明了当时的汽车空气动力学还处于萌芽阶段。


03

像鱼儿一样欢快的游动


空中飞的非常潇洒,水里游的也很欢快。1914年,奥迪生产了C14/35 Alpensieger型汽车,其尾部像当时的船尾一样快速收窄,以求减少尾部的分离区——看得出来人们对车辆的空气动力学已渐渐有了初步的概念。

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不过这种设计并不凑效——由于车头的设计过于凌乱,导致流动在车辆前部已发生严重的分离,尾部的船尾设计便无法发挥应有的效果。但正如姗姗学步的婴儿一般,这个阶段的汽车空气动力学以借鉴为主,但对于流动背后的机理并不是很了解,世界是茫然的。


04

让人泪目的泪滴车


得益于航空工业的快速发展,空气动力学在二十世纪初已渐具雏形,普朗特等流体力学家的工作为当时的人们所熟知。这也影响着汽车行业——许多航空工程师转投汽车行业时,也带来了跨界的空气动力学知识,激发了许多设计灵感。

这是一个流线型车型大放异彩的年代,犹如一个人热情洋溢的青春。汽车工程师们在这个阶段接受到各方思想的撞击,形成新的概念,并催生了许多优秀的作品和设计者。

大名鼎鼎的Rumpler Tropfenwagen是德国人Edmund Rumpler的代表作,其名称翻译成中文也和“永不满足”号一样奇葩——“泪滴车”。泪滴车的车身形状非常符合空气动力学原理,无论从顶部往下看,还是从侧面看,泪滴车都犹如一个肥胖的机翼翼型,其狭窄的前排仅能容下一人。1922年,泪滴车在哥廷根的空气动力学实验室中进行了测试,其风阻是其竞品的1/3。1979年,大众又把这台车搬到其风洞中测试,实测风阻低至0.28,这是1988年的帕萨特才达成的风阻指标。

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不过类似于“永不满足”号,泪滴车的空气动力学主要体现上车身,而忽略了地面效应和底盘的影响。而由于泪滴车的设计太过超前,比如Rumpler在广告中宣称他的车在行驶中卷起的尘土和泥土要少得多,换成今天的话说,他的车具有良好的水管理和防污性能——不过当时的人们并不在意。除了新颖的造型之外,泪滴车也使用了中置的W6发动机和四轮独立悬架等未经长期验证的新技术,于是召回连连,Rumpler在航空业赚的钱也亏的一干二净。不过Rumpler无疑是汽车空气动力学的先驱,并广受模仿。


值得一提的是,诞生于1921年的泪滴车的产量只有区区百辆,着实令人泪目。而此时,马车构型的福特T型车,虽然毫无空气动力学的基因,但凭借其便宜的价格和可靠的质量,已经在市场上大杀四方十年有余。这大概也是每一个汽车空气动力学工程师心中的隐痛。

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05

汽车空气动力学的萌芽与发展


Rumpler具有同样影响力的则是著名的汽空气动力学先驱Paul Jaray。Jaray也在航空领域工作多年,参与了著名的齐柏林飞艇的设计,并在齐柏林伯爵位于德国菲德列斯哈芬的风洞中,对不同构型的几何体进行了详尽的测试和分析。

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Jaray通过测试发现,飞艇形状的几何体越靠近地面,其风阻将逐渐增大,到了一定范围——大约是车辆的离地间隙大小时,其风阻将急剧增加,原因是在几何的后部上侧发生了明显的分离,流动丧失了对称性。

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而此时如果削去下半部分几何,并将几何尽量靠近地面,依靠地面的镜像,恢复了其对称性的流场,风阻则会降低。不过当离地间隙增加时,风阻又会增大,原因是前端的尖锐前缘会产生明显的分离;将其前缘变得圆滑又会使风阻降低。当然,加上四个轮子之后,风阻又会增大至0.15。虽然这个数字比起飞机翼型的0.05来说还是大了不少,不过相比于当时车辆的风阻通常在0.7左右还是低了很多。

Jaray清楚的认识到,几何后部上表面的分离是风阻增大的关键区域,于是他设法延长车尾,以降低逆向压力梯度——但过长的车尾会带来结构问题,于是Jaray使用了两截组合式翼型来构成车体。现在看来,1921年Jaray发明的车身形状并非是完美的空气动力学形体——在垂直翼型和水平翼型交界的位置,会产生二次流。但Jaray的构型仍然使汽车的空气动力学有了非常大的进步。Jaray是第一个系统性研究车辆构型和地面之间关系的空气动力学家,他的发现非常有影响力,其设计成为了新的风潮。大众、梅赛德斯,欧宝,迈巴赫,甚至大洋彼岸的克莱斯勒,都使用Jaray车身制造了流线型车身,并塑造了许多长相类似的汽车。而汽车空气动力学也进入到了一个前所未有的大发展时期。


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06

流线型设计的极致


随着德国的第一条高速公路建造完毕,Jaray的设计思想越来越渗透到更多的汽车设计者中,比如光滑的车身、一体式的轮罩、弧形的前风挡——这些思路和传统的马车式车厢结构泾渭分明。

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不过Jaray设计的车尾还是太长了,而当时流行的解决方案也简单粗暴——把尾巴收短并向下快速偏转。于是市面上不约而同的出现了一种车型:快背式。而人们又发现,这种看起来很“空气动力学”的设计,实验中也并未发现明显的分离,但它的风阻并不算很低,这在大家心中成为了一个谜团——直到1974年第一代大众高尔夫的出现(后续分解)。

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捷克汽车公司Tatra的T87是当时少有的采用Jaray方案并获得成功的流线型汽车,它由奥地利人Hans Ledwinka设计。它尾部依然是收短的,不过其上半车身大大前移,并使发动机后置——这变相增大了尾部长度,使得后部气流更不易分离;而更为关键的是,其发动机舱的进风口位于尾部上侧,起到了边界层抽吸的效果——我们不知道Tatra T87设计的时候是否有此考虑,或许歪打正着。

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Tatra87还启发了此时另一个名叫保时捷的设计师——他为大众汽车设计了雄冠一时的甲壳虫。仔细观察,会发现甲壳虫上有不少Tatra87的元素。

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与Jaray同时代的还有一位专注于低风阻设计的空气动力学家Lange,他在普朗特的指导下工作,并提出了上下两个翼型平行堆砌的设计思路,上方的翼型从前风挡开始,尾部和下侧翼型合并。Lange构型虽未被直接用于某一款量产车,但其设计思想影响深远,即使现在我们仍能看到Lange car的身影——保时捷911,这也是流线型设计风格在现今硕果仅存的遗珠。

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07

怀念啊,青春


空气动力学陈再新文档下载无论是Rumpler、Jaray还是Lange,流线型设计年代的工程师一直尽力向航空工业完美的空气动力学外形贴近。理想的车型风阻系数为0.15,而他们则把0.30定为设计目标——众所周知,这是一个1980年代才逐渐实现的目标。然而极致的流线型设计导致车辆在其它方面的妥协很大,反而很难被大众所接受。不过,正如我们值得怀念的青春一样,流线型的设计也在汽车空气动力学的发展史上留下了浓墨重彩的一笔,热烈而又奔放。最后,谨以流线型的登峰造极者——Schlörwagen车型来纪念那个值得怀念的时代。

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随着风洞和CFD技术的不断成熟,人们对于汽车空气动力学的认识不断加深,汽车空气动力学也逐渐跨过那个躁动的“流线型”设计,走向了更加稳重理性的中年时代。敬请期待汽车空气动力学的百年演绎(下)。

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