汽車工程中的空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計

關(guān)鍵詞：汽車工程；空氣動力學(xué)；計算流體動力學(xué)

中圖分類號：U445.58+5 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

汽車工程中的空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計是提升車輛性能的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)化空氣動力學(xué)不僅能提高燃油效率，還能增強車輛的穩(wěn)定性和安全性。本文綜述了汽車空氣動力學(xué)的基本理論、優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用，并探討了未來的發(fā)展趨勢，通過對計算流體動力學(xué)（CFD）、風(fēng)洞試驗和形狀優(yōu)化等技術(shù)的應(yīng)用案例分析，旨在為汽車設(shè)計者和工程師提供一種系統(tǒng)的方法論，以實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的汽車設(shè)計。

1 空氣動力學(xué)基礎(chǔ)

1.1 流體力學(xué)的基本原理

在討論汽車工程中的空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計之前，理解流體力學(xué)的基本原理是必不可少的，流體力學(xué)是研究流體（液體和氣體）在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下的行為學(xué)科，其核心包括了流體的運動、相互作用以及流體與固體邊界的相互作用。

（1）在汽車空氣動力學(xué)中，最關(guān)鍵的原理之一是流體的連續(xù)性方程，這一方程基于質(zhì)量守恒定律，表達了在封閉流動系統(tǒng)中，流體的質(zhì)量不會發(fā)生改變。根據(jù)這一原理，流體通過不同截面的速度與截面積的乘積必須保持恒定，這對于分析和設(shè)計汽車的空氣動態(tài)特性，如空氣流過車體的速度分布及其引起的壓力變化，提供了理論基礎(chǔ)。

（2）另一個重要的原理是伯努利方程，它是描述在理想流體流動中，流速增加時壓力降低的基本原理，伯努利方程在汽車空氣動力學(xué)中的應(yīng)用極為廣泛，特別是在分析和設(shè)計車輛外部輪廓以減少空氣阻力和提高燃油經(jīng)濟性時。例如，通過調(diào)整車輛的前端和尾部設(shè)計，可以有效地管理空氣流動，以減少湍流和阻力，同時增加下壓力，這有助于車輛在高速行駛時保持穩(wěn)定，通過對車輛形狀的精細調(diào)整來優(yōu)化空氣流動的方法，能夠大幅提升車輛的整體性能，降低能源消耗[1]。

1.2 空氣動力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)

在汽車工程的空氣動力學(xué)研究中，關(guān)鍵的參數(shù)主要包括阻力系數(shù)（Cd）和升力系數(shù)（Cl），這兩個參數(shù)對于理解和優(yōu)化車輛的空氣動力學(xué)性能至關(guān)重要。

（1）阻力系數(shù)是一個無量綱參數(shù)，用于描述車輛在運動中克服空氣阻力所需的力量大小，其值取決于車輛的形狀、表面粗糙度及其與空氣的相對速度，計算阻力系數(shù)涉及到流體動力學(xué)的多個方面，包括壓力阻力和摩擦阻力。其中，壓力阻力與車體前后壓差有關(guān)，摩擦阻力則與車體表面與流動空氣的摩擦有關(guān)，通過優(yōu)化車輛的外形設(shè)計，如平滑的車身線條和封閉的車底，可以有效降低阻力系數(shù)，進而減少燃油消耗和提高車輛的經(jīng)濟性與環(huán)保性。

（2）升力系數(shù)則是描述車輛在行駛過程中由于空氣動力效應(yīng)產(chǎn)生的垂直向上力的大小，這種力量影響車輛的操控穩(wěn)定性和輪胎的抓地力，當(dāng)車輛高速行駛時，較大的升力會導(dǎo)致車輛輪胎與地面的接觸力減小，從而影響到車輛的操控性能和安全性。因此在汽車設(shè)計中，工程師會通過調(diào)整車身形狀如擾流板、后翼和其他空氣動力輔助裝置來控制或減少升力，確保車輛在各種速度下都能保持優(yōu)良的穩(wěn)定性和操控性，這些調(diào)整需要精確地計算和測試，通常通過計算流體動力學(xué)模擬和風(fēng)洞實驗來完成，以確保設(shè)計的有效性和可靠性。

2 汽車工程中的空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

2.1 仿真技術(shù)

2.1.1 計算流體動力學(xué)（CFD）

計算流體動力學(xué)（CFD）作為一種先進的仿真技術(shù)，在汽車工程中的應(yīng)用主要集中于優(yōu)化汽車的空氣動力學(xué)設(shè)計，通過模擬空氣在汽車各部分表面的流動特性，為設(shè)計提供科學(xué)的改進依據(jù)。此技術(shù)基于對流體運動的基本方程—納維- 斯托克斯方程的數(shù)值解析，使得工程師能夠在沒有進行實體模型測試的情況下預(yù)測車輛設(shè)計對空氣流動的影響。

在CFD 仿真過程中，工程師將車輛模型分割成數(shù)以百萬計的小網(wǎng)格，每個網(wǎng)格內(nèi)的流體流動情況都被詳細計算，包括速度、壓力、溫度等參數(shù)，從而精確地模擬_{93adeac3ba64c3c47d543041d2e67725}出空氣在車輛表面的流動模式，以詳細分析車輛外形對空氣阻力和升力的具體影響，進而優(yōu)化車輛的整體設(shè)計，比如改進車體的流線型設(shè)計，減少空氣阻力并提高車輛的燃油效率和動力性能。除此之外，CFD 技術(shù)還廣泛用于現(xiàn)有車輛的性能改進和故障診斷，CFD 仿真可以幫助工程師在設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)潛在的問題區(qū)域，如不良的空氣流動導(dǎo)致的熱點問題，或者是噪音問題由于空氣在特定部位的湍流引起，其允許對車輛設(shè)計的每一個細節(jié)進行優(yōu)化，無需物理構(gòu)建和修改就可以迭代多個設(shè)計方案，顯著降低研發(fā)成本和周期，隨著計算能力的增強和仿真技術(shù)的不斷進步，CFD 已成為連接設(shè)計與實際應(yīng)用的橋梁，大幅提升了設(shè)計的精確度，還加速了創(chuàng)新過程，使汽車制造商能夠更快速地響應(yīng)市場需求[2]。

2.1.2 風(fēng)洞試驗與模擬

風(fēng)洞試驗是汽車工程中用于測試和優(yōu)化車輛空氣動力學(xué)特性的一種經(jīng)典實驗方法，在風(fēng)洞試驗中，汽車模型或全尺寸車輛被置于可以控制風(fēng)速的封閉通道中，通過模擬不同的風(fēng)速環(huán)境，工程師能夠直觀地觀察和測量空氣流動對車輛的影響，這種試驗可以提供關(guān)于車輛阻力和升力的精確數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計師評估和改進車輛設(shè)計中的空氣動力學(xué)性能。

除了傳統(tǒng)的物理風(fēng)洞試驗，數(shù)字化風(fēng)洞模擬也在現(xiàn)代汽車設(shè)計中扮演著越來越重要的角色，利用高級計算機模擬技術(shù)，數(shù)字風(fēng)洞可以在不需物理建模的情況下，快速評估和優(yōu)化車輛的空氣動力學(xué)特性，這種方法結(jié)合了計算流體動力學(xué)（CFD）分析，允許設(shè)計師在虛擬環(huán)境中模擬和分析各種風(fēng)速和車輛行駛條件下的空氣流動情況，其可以在設(shè)計初期就預(yù)測和解決可能的空氣動力學(xué)問題，顯著降低開發(fā)成本和時間。數(shù)字風(fēng)洞模擬的準(zhǔn)確性高度依賴于模擬軟件的算法和計算精度，而這些軟件的發(fā)展已經(jīng)到了可以與實際風(fēng)洞試驗相媲美的水平，使得風(fēng)洞試驗與模擬成為現(xiàn)代汽車空氣動力學(xué)研究中不可分割的一部分。

2.2 形狀優(yōu)化

2.2.1 車身輪廓調(diào)整

在汽車工程中，車身輪廓調(diào)整是優(yōu)化空氣動力學(xué)特性的關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是通過改善車體形狀來降低空氣阻力和升力，提高車輛的燃油效率和駕駛穩(wěn)定性。車身輪廓的設(shè)計需要綜合考慮美觀性與功能性，確保車輛在高速行駛時的空氣動力學(xué)效率。通過使用計算流體動力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)和風(fēng)洞試驗，設(shè)計師可以詳細分析不同車身設(shè)計對空氣流動的影響，例如：車頭的低矮與圓滑可以減少空氣在車輛前端的積聚，以此降低阻力；而車尾的設(shè)計則關(guān)注于如何有效管理車輛后部的尾流，減少渦流的產(chǎn)生，這將大大減少阻力，也有助于提升車輛的后向穩(wěn)定性。

應(yīng)用輕質(zhì)復(fù)合材料可以在不犧牲強度的情況下，實現(xiàn)更為復(fù)雜的車身形狀，這些形狀在傳統(tǒng)材料中難以實現(xiàn)，卻能顯著改善空氣流動。隨著電動汽車的興起，傳統(tǒng)的冷卻需求減少，為車身設(shè)計帶來了更多變革空間，比如可以更大膽地封閉車底，以達到更佳的空氣動力學(xué)效果[3]。

2.2.2 附加裝置的設(shè)計（擾流板和側(cè)裙）

附加裝置的設(shè)計，如擾流板和側(cè)裙的應(yīng)用是形狀優(yōu)化技術(shù)中一個重要的部分，這些裝置的設(shè)計與應(yīng)用旨在通過精細調(diào)整車輛與空氣的相互作用來提升整體的空氣動力學(xué)性能。擾流板通常安裝在汽車的前端、尾部或頂部，其主要功能是通過改變空氣流動的方向來減少車輛運行時的空氣阻力及升力，進而增強車輛的高速穩(wěn)定性并降低燃油消耗。例如，尾部擾流板可以有效地切斷車輛后部的空氣流動，減少尾部渦流的生成，這對于高速運動的汽車來說能夠顯著降低阻力和提升下壓力，保證車輛在高速行駛時的操控穩(wěn)定性。另一方面，側(cè)裙則安裝在車輛的兩側(cè)，緊貼地面，其主要作用是控制車輛兩側(cè)的空氣流，減少從車輛底部流過的空氣量，在一定程度上減少側(cè)風(fēng)對車輛行駛穩(wěn)定性的影響。

實現(xiàn)這些優(yōu)化的過程中，工程師需要綜合考慮擾流板和側(cè)裙的材料、形狀、尺寸以及安裝位置，這些因素都會直接影響到附加裝置的效能。

2.3 材料創(chuàng)新

2.3.1 輕量化材料的使用

在汽車工程中，使用輕量化材料是實現(xiàn)空氣動力學(xué)優(yōu)化的重要途徑，這種材料可以大大減少整車的質(zhì)量，還有助于提高燃油效率和動態(tài)性能，輕量化材料如碳纖維復(fù)合材料、鋁合金以及高強度鋼等，因其優(yōu)異的強度與重量比而被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)、底盤和內(nèi)部組件中。

實施輕量化策略時，工程師需要考慮到材料的成本、加工技術(shù)和與現(xiàn)有汽車設(shè)計的兼容性，例如盡管碳纖維復(fù)合材料提供了無與倫比的重量優(yōu)勢，其高成本和復(fù)雜的制造過程卻限制了它在普通商用車中的應(yīng)用，因此工程師通常需要在材料性能與成本效益之間找到平衡點[4]。

2.3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減少阻力

在汽車工程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減少空氣阻力是提升車輛性能和燃油效率的關(guān)鍵，如調(diào)整車身線條和輪廓，使之更加流線型。除此之外，對車輛的細節(jié)部分如外后視鏡、門把手和車窗邊框進行重新設(shè)計，也是減少阻力的有效手段，這些細節(jié)雖小，但在高速行駛時對空氣阻力的影響卻是顯著的，這些結(jié)構(gòu)上的調(diào)整可以提高車輛的空氣動力學(xué)效率，同時提升整車的性能和駕駛體驗。

3 未來發(fā)展方向

3.1 可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的整合

在汽車工程領(lǐng)域，可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的整合是未來發(fā)展的重要方向，這一趨勢不僅響應(yīng)了全球環(huán)保和節(jié)能的呼聲，還促進了汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新，可持續(xù)技術(shù)的核心在于優(yōu)化能源利用效率并減少環(huán)境污染，具體到汽車工程，這包括電動車技術(shù)的發(fā)展、高效能動力系統(tǒng)的設(shè)計以及使用可回收和環(huán)保材料。

電動車技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，通過替代傳統(tǒng)燃油車輛減少了對化石燃料的依賴和排放，同時KbjjOkX7nQ4tlCrhUhNRiQ==電動車的能效通常高于傳統(tǒng)車輛，這對降低整個行業(yè)的碳足跡具有重要意義。

除了電動化之外，可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的整合還包括智能化和網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，智能駕駛技術(shù)通過減少交通擁堵和提高道路使用效率，有助于降低能耗和減少排放，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則通過實時數(shù)據(jù)交換來優(yōu)化車輛的運行參數(shù)和行駛路線，進一步提升能效和減少碳排放。這些技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了駕駛的安全性和便捷性，為汽車工業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了強有力的技術(shù)支持。

隨著新材料技術(shù)的進步，更多輕質(zhì)、高強度且可回收的材料被應(yīng)用于車輛生產(chǎn)中，這些材料有助于減輕車輛重量、提高燃油經(jīng)濟性，還有助于資源的可持續(xù)利用。

3.2 智能汽車與空氣動力學(xué)的融合

未來汽車工程的一個重要發(fā)展方向，是智能汽車技術(shù)與空氣動力學(xué)的深度融合，這種融合不僅僅是在技術(shù)層面上對車輛性能的優(yōu)化，更是在智能化管理系統(tǒng)中實現(xiàn)對空氣動力學(xué)特性的動態(tài)調(diào)控，進而在不同的駕駛環(huán)境和條件下，實現(xiàn)車輛性能的最優(yōu)化。具體來說，隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，未來的智能汽車將能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛的空氣動力學(xué)狀態(tài)，如車速、車輛與地面的相對位置以及環(huán)境風(fēng)速等因素，智能系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整車輛的空氣動力學(xué)配置，如可變形的車體結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)空氣動力學(xué)裝置（如可調(diào)節(jié)的擾流板和側(cè)裙）。例如，在高速行駛時，系統(tǒng)可自動調(diào)整擾流板的角度，以減少阻力和提升穩(wěn)定性；在遇到側(cè)風(fēng)時，智能系統(tǒng)則可調(diào)整側(cè)裙的配置，以穩(wěn)定車輛行駛。

除此之外，智能汽車與空氣動力學(xué)的融合還包括通過先進的機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化空氣動力學(xué)設(shè)計的過程，這意味著設(shè)計師可以利用大量通過模擬和實際測試獲得的數(shù)據(jù)。結(jié)合機器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測和實現(xiàn)最佳的空氣動力學(xué)設(shè)計方案，其能夠顯著提升設(shè)計效率，減少試錯成本，還能夠在設(shè)計階段就充分考慮到各種駕駛情況下的空氣動力學(xué)需求，使得車輛設(shè)計更為精確和高效[5]。

4 結(jié)束語

本文深入介紹了流體力學(xué)的基本原理、關(guān)鍵空氣動力學(xué)參數(shù)以及通過仿真技術(shù)、形狀優(yōu)化和材料創(chuàng)新等多種手段，未來汽車工程將繼續(xù)在可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的整合和智能汽車的空氣動力學(xué)融合方面尋求突破，這標(biāo)志著對傳統(tǒng)汽車設(shè)計的革新，也預(yù)示著一個更加高效、環(huán)保的汽車未來。隨著新技術(shù)的融入和創(chuàng)新思維的持續(xù)推動，汽車工程師和設(shè)計師有望開發(fā)出更安全、更符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的汽車，使得汽車不僅是交通工具，更是推動社會可持續(xù)發(fā)展的重要力量。

作者簡介：朱宗才，本科，助理工程師，研究方向為汽車工程。