關(guān)鍵詞：汽車工程；空氣動(dòng)力學(xué)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：U445.58+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車工程中的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升車輛性能的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)不僅能提高燃油效率，還能增強(qiáng)車輛的穩(wěn)定性和安全性。本文綜述了汽車空氣動(dòng)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）、風(fēng)洞試驗(yàn)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(jì)者和工程師提供一種系統(tǒng)的方法論，以實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的汽車設(shè)計(jì)。

1 空氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)狀態(tài)下的行為學(xué)科，其核心包括了流體的運(yùn)動(dòng)、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(dòng)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(dá)了在封閉流動(dòng)系統(tǒng)中，流體的質(zhì)量不會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)這一原理，流體通過(guò)不同截面的速度與截面積的乘積必須保持恒定，這對(duì)于分析和設(shè)計(jì)汽車的空氣動(dòng)態(tài)特性，如空氣流過(guò)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(gè)重要的原理是伯努利方程，它是描述在理想流體流動(dòng)中，流速增加時(shí)壓力降低的基本原理，伯努利方程在汽車空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用極為廣泛，特別是在分析和設(shè)計(jì)車輛外部輪廓以減少空氣阻力和提高燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)。例如，通過(guò)調(diào)整車輛的前端和尾部設(shè)計(jì)，可以有效地管理空氣流動(dòng)，以減少湍流和阻力，同時(shí)增加下壓力，這有助于車輛在高速行駛時(shí)保持穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)車輛形狀的精細(xì)調(diào)整來(lái)優(yōu)化空氣流動(dòng)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(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)

在汽車工程的空氣動(dòng)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(gè)參數(shù)對(duì)于理解和優(yōu)化車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能至關(guān)重要。

（1）阻力系數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，用于描述車輛在運(yùn)動(dòng)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(duì)速度，計(jì)算阻力系數(shù)涉及到流體動(dòng)力學(xué)的多個(gè)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(dòng)空氣的摩擦有關(guān)，通過(guò)優(yōu)化車輛的外形設(shè)計(jì)，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(jìn)而減少燃油消耗和提高車輛的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

（2）升力系數(shù)則是描述車輛在行駛過(guò)程中由于空氣動(dòng)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(shí)，較大的升力會(huì)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(jì)中，工程師會(huì)通過(guò)調(diào)整車身形狀如擾流板、后翼和其他空氣動(dòng)力輔助裝置來(lái)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(jì)算和測(cè)試，通常通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，以確保設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

2 汽車工程中的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 仿真技術(shù)

2.1.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）作為一種先進(jìn)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬空氣在汽車各部分表面的流動(dòng)特性，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)的改進(jìn)依據(jù)。此技術(shù)基于對(duì)流體運(yùn)動(dòng)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(méi)有進(jìn)行實(shí)體模型測(cè)試的情況下預(yù)測(cè)車輛設(shè)計(jì)對(duì)空氣流動(dòng)的影響。

在CFD 仿真過(guò)程中，工程師將車輛模型分割成數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的流體流動(dòng)情況都被詳細(xì)計(jì)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(dòng)模式，以詳細(xì)分析車輛外形對(duì)空氣阻力和升力的具體影響，進(jìn)而優(yōu)化車輛的整體設(shè)計(jì)，比如改進(jìn)車體的流線型設(shè)計(jì)，減少空氣阻力并提高車輛的燃油效率和動(dòng)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(jìn)和故障診斷，CFD 仿真可以幫助工程師在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題區(qū)域，如不良的空氣流動(dòng)導(dǎo)致的熱點(diǎn)問(wèn)題，或者是噪音問(wèn)題由于空氣在特定部位的湍流引起，其允許對(duì)車輛設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)需物理構(gòu)建和修改就可以迭代多個(gè)設(shè)計(jì)方案，顯著降低研發(fā)成本和周期，隨著計(jì)算能力的增強(qiáng)和仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD 已成為連接設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用的橋梁，大幅提升了設(shè)計(jì)的精確度，還加速了創(chuàng)新過(guò)程，使汽車制造商能夠更快速地響應(yīng)市場(chǎng)需求[2]。

2.1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)與模擬

風(fēng)洞試驗(yàn)是汽車工程中用于測(cè)試和優(yōu)化車輛空氣動(dòng)力學(xué)特性的一種經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法，在風(fēng)洞試驗(yàn)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(guò)模擬不同的風(fēng)速環(huán)境，工程師能夠直觀地觀察和測(cè)量空氣流動(dòng)對(duì)車輛的影響，這種試驗(yàn)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(jì)師評(píng)估和改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)中的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

除了傳統(tǒng)的物理風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)字化風(fēng)洞模擬也在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的角色，利用高級(jí)計(jì)算機(jī)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(píng)估和優(yōu)化車輛的空氣動(dòng)力學(xué)特性，這種方法結(jié)合了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，允許設(shè)計(jì)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(dòng)情況，其可以在設(shè)計(jì)初期就預(yù)測(cè)和解決可能的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，顯著降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)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(jì)算精度，而這些軟件的發(fā)展已經(jīng)到了可以與實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)相媲美的水平，使得風(fēng)洞試驗(yàn)與模擬成為現(xiàn)代汽車空氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是通過(guò)改善車體形狀來(lái)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(jì)需要綜合考慮美觀性與功能性，確保車輛在高速行駛時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效率。通過(guò)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)師可以詳細(xì)分析不同車身設(shè)計(jì)對(duì)空氣流動(dòng)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(jì)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(qiáng)度的情況下，實(shí)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(shí)現(xiàn)，卻能顯著改善空氣流動(dòng)。隨著電動(dòng)汽車的興起，傳統(tǒng)的冷卻需求減少，為車身設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多變革空間，比如可以更大膽地封閉車底，以達(dá)到更佳的空氣動(dòng)力學(xué)效果[3]。

2.2.2 附加裝置的設(shè)計(jì)（擾流板和側(cè)裙）

附加裝置的設(shè)計(jì)，如擾流板和側(cè)裙的應(yīng)用是形狀優(yōu)化技術(shù)中一個(gè)重要的部分，這些裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用旨在通過(guò)精細(xì)調(diào)整車輛與空氣的相互作用來(lái)提升整體的空氣動(dòng)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(guò)改變空氣流動(dòng)的方向來(lái)減少車輛運(yùn)行時(shí)的空氣阻力及升力，進(jìn)而增強(qiáng)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(dòng)，減少尾部渦流的生成，這對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的汽車來(lái)說(shuō)能夠顯著降低阻力和提升下壓力，保證車輛在高速行駛時(shí)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?gòu)能囕v底部流過(guò)的空氣量，在一定程度上減少側(cè)風(fēng)對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響。

實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)化的過(guò)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(huì)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(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度鋼等，因其優(yōu)異的強(qiáng)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(shí)施輕量化策略時(shí)，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(jì)的兼容性，例如盡管碳纖維復(fù)合材料提供了無(wú)與倫比的重量?jī)?yōu)勢(shì)，其高成本和復(fù)雜的制造過(guò)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(diǎn)[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(duì)車輛的細(xì)節(jié)部分如外后視鏡、門把手和車窗邊框進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，也是減少阻力的有效手段，這些細(xì)節(jié)雖小，但在高速行駛時(shí)對(duì)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(dòng)力學(xué)效率，同時(shí)提升整車的性能和駕駛體驗(yàn)。

3 未來(lái)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(lái)發(fā)展的重要方向，這一趨勢(shì)不僅響應(yīng)了全球環(huán)保和節(jié)能的呼聲，還促進(jìn)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(dòng)車技術(shù)的發(fā)展、高效能動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及使用可回收和環(huán)保材料。

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

除了電動(dòng)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(guò)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(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換來(lái)優(yōu)化車輛的運(yùn)行參數(shù)和行駛路線，進(jìn)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(qiáng)有力的技術(shù)支持。

隨著新材料技術(shù)的進(jìn)步，更多輕質(zhì)、高強(qiáng)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(jì)性，還有助于資源的可持續(xù)利用。

3.2 智能汽車與空氣動(dòng)力學(xué)的融合

未來(lái)汽車工程的一個(gè)重要發(fā)展方向，是智能汽車技術(shù)與空氣動(dòng)力學(xué)的深度融合，這種融合不僅僅是在技術(shù)層面上對(duì)車輛性能的優(yōu)化，更是在智能化管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)控，進(jìn)而在不同的駕駛環(huán)境和條件下，實(shí)現(xiàn)車輛性能的最優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō)，隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的智能汽車將能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)車輛的空氣動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，如車速、車輛與地面的相對(duì)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(dòng)力學(xué)配置，如可變形的車體結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)空氣動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)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(shí)，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(dòng)力學(xué)的融合還包括通過(guò)先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程，這意味著設(shè)計(jì)師可以利用大量通過(guò)模擬和實(shí)際測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測(cè)和實(shí)現(xiàn)最佳的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方案，其能夠顯著提升設(shè)計(jì)效率，減少試錯(cuò)成本，還能夠在設(shè)計(jì)階段就充分考慮到各種駕駛情況下的空氣動(dòng)力學(xué)需求，使得車輛設(shè)計(jì)更為精確和高效[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入介紹了流體力學(xué)的基本原理、關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及通過(guò)仿真技術(shù)、形狀優(yōu)化和材料創(chuàng)新等多種手段，未來(lái)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(dòng)力學(xué)融合方面尋求突破，這標(biāo)志著對(duì)傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)的革新，也預(yù)示著一個(gè)更加高效、環(huán)保的汽車未來(lái)。隨著新技術(shù)的融入和創(chuàng)新思維的持續(xù)推動(dòng)，汽車工程師和設(shè)計(jì)師有望開(kāi)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(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要力量。

作者簡(jiǎn)介：朱宗才，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚬こ獭?/p>