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汽車空氣動力學

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在卡車頂部增加氣動部件以減少空氣阻力

空氣動力學(英語:Aerodynamics)主要研究物體穿過空氣時產生的各種力及物體運動的模式(空氣動力學與氣體動力學常常混用,但後者研究的氣體不局限於空氣)。[1]汽車的空氣動力學(英語:Automotive Aerodynamics)則是指四輪的汽車的空氣動力學研究(不包括四輪以下的汽車的原因是英語「Automotive」只是指四輪的汽車)。這門科學主要用於減少汽車的空氣阻力、風噪聲,減低噪音排放,和消除汽車高速運動時產生對汽車有負面影響的上升力,及空氣對車身控制有不良影響的因素。由於空氣動力學是流體力學與氣體動力學的一個分支,所以空氣被認為是流體的一種。對於賽車而言,空氣動力套件能為車體產生下壓力,從而提升賽車的抓地力和過彎能力。

基本原理

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流體阻力

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當物體穿過大氣時,會推開周圍的空氣,物體的運動也會受到重力及各種阻力影響。當物體穿過各種流體如水或空氣,便會遇上流體的阻力,物體的速度越高,阻力就越大。

物體的運動可通過牛頓第二運動定律來描述,其方程式為,

F = m * a

其中,F是外力,m是質量,a是加速度。

由於物體重量W和阻力D為相反的向量,因此淨外力為兩個數值之差,

F = W – D

因此,物體的加速度可用以下公式表達,

a = (W – D) / m[2]

以上公式顯示,阻力會直接對物體的加速度構成影響。當物體的加速度上升,它的速度及阻力也會上升,當阻力上升到與物體重量相同的數值時,即施加於物體的淨力為零,物體便會停止加速。換句話說,當一輛汽車的速度越來越快,其空氣阻力也隨之上升,最後汽車因為加速度受限而變成恆速。而通過下列方程式,可找出物體的阻力系數(英語:drag coefficient),[3]

Cd = D / (A * .5 * r * V^2)

Cd 為阻力系數

D為阻力,是施力平行流場方向的分量

ρ為流體密度

v 是流體相對物體的速度

A 為參考面積(即物體面向流體的面積)

而由上述方程式可得知,汽車的阻力與它的阻力系數、速度及面向表面積有關。[4]

空氣升力

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當汽車高速行駛穿過空氣,車前方的氣壓會不斷上升,而車底的氣流因此會形成相對於車頂較高的氣壓區(因為空氣只能於狹窄的空間流動),產生升力。升力會降低汽車的抓地力,對汽車的操控造成負面影響,這尤其發生在賽車上。這些上升的力量是由於汽車周圍地面的氣流造成。假如升力過於巨大,會令車身有升起或傾斜的現象。通過空氣動力學開發的配件,能使汽車產生下壓力,使汽車行駛時有更高抓地力及穩定性。不過,氣動配件產生下壓力的同時,亦會產生空氣阻力。升力的方程式為,

L = CL x A x 0.5ρ x V2

L為升力

CL 為升力系數

ρ為流體密度

v 是流體相對物體的速度

A 為相關面積(即物體面向流體的面積)

從上述方程式可知,汽車的升力與它的升力系數、速度及面向表面積有關。汽車的升力系數越低,受到升力的影響就越低。[5]

詳看升力系數

下壓力

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下壓力是指與升力相反的力。汽車利用空氣將自身壓向地下面,使汽車在高速過彎時能夠抓着地面,提升汽車的性能。當汽車高速行駛時,空氣對汽車造成的壓力會不斷上升,這種與汽車運動方向相反的力稱為阻力。假如將這氣流正確引導到特定地方(如氣動部件),便會產生下壓力。[6]一般情況下,汽車產生的下壓力越高,它面對的阻力便越高。優良的空氣動力配件能很好地平衡汽車的抓地力及速度的比例。由於下壓力與升力的方向相反,因此它的方程式為,

F = -CL x A x 0.5ρ x V2

F為下壓力

CL 為升力系數

ρ為流體密度

v 是流體相對物體的速度

A 為相關面積(即物體面向流體的面積)

測試方式

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測試時氣流通過汽車時的情況

電腦模擬測試

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計算流體力學(英語:Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)被廣泛應用於各工程學範疇上。將計算流體力學應用於汽車設計的主要優勢在於,它可以從長年累月的測試中將大量數據收集,並累積起來,方便研究人員工作。而通過不斷審視和分析這些數據,研究人員便可以優化各種氣動力部件。電腦模擬測試的優點有,[7]

-測試準備時間大幅降低(除了電腦外,毋須其他硬件成本)

-測試成本較便宜

-只要電腦計算容許,沒有測試空間的限制

-各種氣流環境容易模擬出來(包括氣壓、風速及氣溫)

-艙內的氣流容易模擬出來

-數據收集不受環境影響

-在開發初期作出的貢獻尤其顯著

-能於很短時間評估出不同氣動部件的優劣

-在製造實體原型前,系統能模擬出虛擬的原型

儘管電腦模擬測試的優點很多,卻存在一些缺點,包括

-因為涉及複雜的數據計算,所以需要高性能及計算能力高的電腦支持

-相關數學模型只能模擬出與現實世界相近的狀況,未必能完全準確模擬出所有物理現象

-電腦計算及數據驗証的過程可能很長

-有系統出錯的風險,需要不時更新系統

-用家需擁有豐富的相關知識,以正確使用系統和解讀當中的數學含意[8][9]

風洞測試

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風洞測試是一種借鑒於航空工業的空動測試方式。風洞是一個巨大的管道型設施,洞內的風扇能產生氣流,透過將空氣吹向靜止不動的測試物,模擬出物體高速運動時,氣流通過物體的情況。在這受控的環境下(如風速、風向、溫度等其他變量),工程人員便可以測試汽車在不同風速下的阻力系數、風阻、升力及下壓力,亦可以測試汽車遇上側風時的能力。

風洞測試需要用到多種儀器及感應器,包括測壓孔、測力平衡儀、氣流視化及激光探測技術。測壓孔一般安置於汽車的表面上,用來偵測車身的氣壓分佈;測力平衡儀用來測量施加於汽車的淨力和力矩;氣流視化技術則利用煙霧、染色劑的流動,或於車上不同地方放置簇絨等方法,使空氣的流動可視化;激光探測技術利用激光及攝影機來測量空氣的速度及密度,包括粒子圖像測速技術(英語:particle image velocimetry (PIV))和激光多普勒技術(英語:laser Doppler anemometry (LDA))。[10]

風洞測試有以下的缺點

-建造風洞設施時間長

-建造及營運風洞設施成本昂貴

-測試空間有限

-不能呈現汽車引擎冷卻的狀態

-難以計算艙內的氣流

-風洞的阻塞效應(Blockage effect)及尺寸效應(Scale effect)有可能造成測試結果不準確

道路測試

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有別於風洞測試,道路測試解決了風洞測試存在的限制及問題,例如,道路測試容許汽車行駛,因此可以測量汽車運動時和車輪轉動時的氣動情況,它亦解決了阻塞效應。由於不需要製造較小尺寸的模型迎合風洞的大小,因此亦解決了尺寸效應的問題。道路測試的最大好處是,由於測試處於現實環境,所以測試結果應該是比電腦模擬及風洞測試準確,不過仍存在一些缺點,包括,[7]

-準備時間長

-測試成本昂貴(場地租金等)

-空氣流動狀態不穩定

-受制於天氣條件

-難以計算艙內的氣流

-數據收集受到環境因素影響

-汽車基本成型後才可進行測試

部分空氣動力學用語

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氣壓分佈

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汽車的空氣動力受到車身上的氣壓分佈影響。氣壓是指空氣粒子施加於汽車的力,高的氣壓指空氣對汽車施加的力較大,低的氣壓指空氣對汽車施加的力較小。汽車不同區域的氣壓差異會為汽車帶來一定的阻力(或下壓力)或升力,例如,當車前的氣壓比尾部氣壓大時,便會造成阻力。當車下的氣壓比車上的氣壓大時,便會產生升力。通過氣壓分佈的圖表,可以了解空氣產生的力如何對汽車產生影響。[11]

邊界層與邊界層分離

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詳看:邊界層分離

當物體在氣流中移動時,有黏性的空氣分子會依附在表面,形成了一層「薄膜」,稱為邊界層。因為空氣的黏性不是很強,分子距離表面愈遠,就愈難"黏住"表面,跟表面"分離"。邊界層理論假設物體接觸空氣的尖端非常薄,有近乎"零"的厚度(0 thickness),所以可以像刀峰一樣"切開"氣流。剛被"切開"的氣流,仍然能夠穩定的流動,所以歸類為「層流」(Laminar Flow)。可是通過實驗觀察,當這些氣流的流動距離增加,開始表現得"鬆散",到最後變成亂雜無章、無法預測的「紊流」(Turbulent Flow)。若邊界層受到逆壓梯度的影響,使得邊界層相對物體的速度漸漸下降,甚至接近0,此時就會出現邊界層分離的現象。此時流體的流動脫離物體的表面,會產生渦流及渦旋。[12]

雷諾數

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雷諾數是用來描述流體流經物體時的情況。雷諾數的大小,與氣流的流速、空氣密度、動態黏度、運動黏度及氣流位置和物體尖端的距離這些因素有關。雷諾數數值越高,流體流動較不穩定,流速的微小變化容易發展、增強,形成紊亂;雷諾數數值越低,流體流動穩定,為層流。雷諾數的應用,對了解空氣如何影響產生在汽車上的阻力及升力,很有幫助。[11]

尾流區

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尾流是指運動中的物體穿過流體時,尾部產生的擾流便稱為尾流。汽車尾流的形成與氣流的黏度、邊界層分離及紊流有關。一般而言,層流邊界層產生的阻力雖然比紊流邊界層來得少,卻較易發生邊界層分離而脫離車身表面,並在車尾產生較大的尾流,增加了施加於汽車的阻力。[13]

基本影響空氣動力的汽車部件

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車的形狀

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汽車整體的形狀與空氣動力學有直接的關係,一般會以阻力系數來表示物體在流體受到阻力的程度。如果將汽車的阻力系數越低,它受到空氣或流體阻力的影響就越少。[6]阻力系數與物體的形狀及表面特性有關。理論上,淚珠形的物體具有最小的阻力系數。[14]現代汽車的阻力系數一般界乎0.25至0.3。運動型多用途車(SUV)則由於形狀呈四四方方,阻力系數為較高的0.35至0.45。[15]雖然跑車與賽車給人的印象是高速的象徵,但一些賽車或跑車的阻力系數可以很高,例如F1賽車的阻力系數甚至可以高達0.7至1.0,因為它們被造成能產生巨大的下壓力,目的是提升過彎的性能,不過這亦伴隨着一定的阻力上升。[16]

車輪與輪胎

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車輪與輪胎在空氣動力學中亦扮演重要的角色。以下因素影響它們在空氣動力上的表現,[17]

-光滑及較薄的輪胎產生較少的阻力,凹凸不平及較厚的輪胎則相反。

-較小的車輪產生較大阻力,使汽車的耗油量下降。較大的車輪則相反。

-使用輪轂蓋能減少紊流干擾車輪及產生的空氣阻力。

-使用車輪整流罩能調整氣流流動的方向,減少氣流因與車輪接觸而產生的阻力。

汽車的大小與重量

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越重和越大的車受到的阻力越大。越輕和越小的車則因為受到的阻力小,油耗會較少和有更高的最大速度。[18]

相關空動部件

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翼形部件(Wing)及前後擾流器(Front and Rear Spoilers)

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翼形部件是一種高性能汽車(如賽車和跑車等)常用的氣動部件。外觀上,尾翼與擾流器(英語:Spoiler)看似相同,但功能上卻有所不同。尾翼原理上是飛機翼的相反操作,意思即是將翼面上下的氣壓區顛倒,通過翼面設計,減少上翼面的流速(或引導更多氣流到上翼面),以製造比下翼面氣壓更高的區域,為汽車製造下壓力。擾流器則是通過干擾空氣的流動,減低空氣的流速及升力,從而降低空氣阻力。不過使用翼形部件或擾流器會同時產生空氣阻力,導致汽車的最大速度下降。[19]

導流板(Splitter)

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前導流板一般安置於前保險槓下面,作用是將車前的空氣引導至導流板之上,使導流板上面產生高氣壓區和下面產生低氣壓區,因而產生下壓力,這使到汽車能壓向地面,除了增加汽車過彎性能外,也可以用來平衡汽車前後的下壓力分配。[6]

側裙(Side skirts)

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側裙的作用不是為汽車底部製造氣壓差,它的作用是將汽車兩邊的氣流與車底的氣流隔開,目的是減少車體兩側的氣流進入車底。如果沒有側裙,其氣壓差會為汽車製造不必要的升力。側裙的性能視乎它與地面之間的距離,2厘米或更少的距離能效用最佳,超過這範圍性能會大幅下降。如果一輛車只用導流板而不用側裙,由於車底已經產生低氣壓區,會導致汽車兩側的高氣壓氣流湧入車底,令汽車的下壓力下降。[6][20]

擴散器(Diffusers)

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擴散器主要是利用流體速度的大小與壓強成反比的原理,將賽車底盤下部的氣流梳理後快速導出,增加賽車底盤下部氣流的速度,從而形成低壓區,達到增強賽車下壓力的效果。[21]當汽車行走時,氣流從車前方經過車底,到達尾部的擴散器。當空氣穿過擴散器內的膨脹腔時,隨着擴散器腔體容積的增加,為了滿足車輛不可壓流動狀態下的連續性條件,氣流需要減速以填補更大的空間。[22]這是由於當氣流膨脹,便會發生文丘里效應,擴散器內的氣壓便會上升,流速因此而下降。擴散器內的較高氣壓,與車底的較低氣壓形成氣壓差,因此產生吸力,加快將車底的空氣抽走。這使到車底下的空氣流速上升,使得汽車上部的氣流氣壓大於底部的氣流壓力,從而形成氣壓差,使汽車產生一股往地面方向的壓力,即所謂的增大下壓力,使賽車輪胎有很好的抓地力。[23][24]

進氣口及出氣口

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各種進氣口及出氣口(如氣箱(Airbox)、側通風(Side Duct)和制動冷卻通風(Brake Duct)等)其中一個重要的作用就是,將車前方的氣流引導到汽車的各個部件,以達至冷卻的效果,這些部件包括引擎或剎車系統。但由於它們都會產生紊流,因此汽車會受到阻力影響。而出氣口的洞口越大,進氣口抽氣的速度便越快,因此冷卻的效果越好。[18]

主動空氣動力部件(Active Aerodynamics)

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傳統的空氣動力部件雖然會產生下壓力,但同時會產生阻力。主動空氣動力部件則不同,因為它們是可變動的,部件在直路時會收起,減少阻力;在彎路時則會開啟,增加抓地力。不過主動空氣動力部件有很多種,功能可以完全不同,[6]

主動前網罩:當汽車處於低速時,由於引擎或電子組件的溫度不高,所以前網罩的葉片會關閉,這會減少阻力及亂流的產生;當汽車高速前進時,葉片便會開啟,使更多空氣進入各個部件,達至冷卻效果。

主動前導流板或尾翼:開啟能增加下壓力;關閉能提升直線速度。

  1. ^ What is Aerodynamics?. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2023-12-26) (英語). 
  2. ^ Falling Object with Air Resistance. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-02-04) (英語). 
  3. ^ Kundan, Chakraborty. Automobile aerodynamics. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  4. ^ Drag Coefficient. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-02-09) (英語). 
  5. ^ All About Automotive Aerodynamics. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 AERODYNAMICS OF VEHICLES. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  7. ^ 7.0 7.1 AN INTRODUCTION TO AUTOMOBILE AERODYNAMICS. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  8. ^ Advantages and disadvantages of Computational Fluid Dynamics. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-27) (英語). 
  9. ^ Advantages and Disadvantages of Computational Fluid Dynamics. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  10. ^ How do wind tunnel experiments improve vehicle aerodynamics?. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  11. ^ 11.0 11.1 How do you explain the aerodynamic benefits of your vehicle designs?. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  12. ^ 空動超入門#6 紊流,阻力,邊界層(Boundary Layer). [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (中文). 
  13. ^ Aerodynamic Analysis of a Car for Reducing Drag Force. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  14. ^ Shape effects on drag. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  15. ^ Automobile drag coefficient. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-02-08) (英語). 
  16. ^ Aerodynamics of F1. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  17. ^ The Impact of Wheel Design on Aerodynamics and Fuel Efficiency. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  18. ^ 18.0 18.1 What affects the aerodynamics of a car?. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  19. ^ Drag reduction by application of aerodynamic devices in a race car (英語). 
  20. ^ Side skirts. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (英語). 
  21. ^ 擴散器. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (中文). 
  22. ^ 汽车空气动力学附件应用技术(一)——扩散器. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-02) (中文). 
  23. ^ What Is The Function of A Car Rear Diffuser?. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2022-12-05) (英語). 
  24. ^ Diffuser - Explained. [2024-01-02]. (原始內容存檔於2024-01-30) (英語).