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穿上空气动力学外衣,做最靓的仔

2021-4-7 16:21| 发布者: weixin| 查看: 23| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 想要在武侠的世界里装逼,最好能有些真本事。不过装逼界向来鱼龙混杂,有的人是实打实的高手,有的人则只会“闪电五连鞭”。
喜欢武侠的朋友都知道,顶级高手最喜欢低调的炫耀,俗称“凡尔赛”。最典型的代表首推天龙八部中的扫地僧,先以保洁人员的身份点评各路高手,又在谈笑间将众多高手的看家本领一一化解,最终收获两枚高质量弟子外加天下豪杰的跪拜。不过,炫耀过头的时候也可能会被打脸,比如鸠摩智虐完慕容复之后,正叫嚷着中原武林简直不堪一击的时候,便被自带音响的乔峰打到吐血,可谓装逼失败的典范。
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一、现代人的凡尔赛利器

无论成败与否,人们打小就有凡尔赛的心里需求。曾几何时,小编也手持木棍,身披塑料袋,幻想着仗剑走天涯。长大后却陡然发现,武侠不过只是成人的童话而已,没法继续装逼。不过成年人也有自己的方式,拉风的跑车无疑是其中最炸街的存在。
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对于像小编这样的CFD搬砖工,想用跑车来提升逼格或许有点难,毕竟咱们缺的也不是那几百万。不过,想要花最少的钱成为整条街最靓的仔也不是没有办法,毕竟咱就是干这个的。来吧,给咱们的买菜车穿上这件空气动力学外衣!
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二、而天下误读久矣

想要在武侠的世界里装逼,最好能有些真本事。不过装逼界向来鱼龙混杂,有的人是实打实的高手,有的人则只会“闪电五连鞭”。

空气动力学套件作为凡尔赛神器,首先也要有一定的气动性能,最主要的便是提高下压力。但是许多不按常理出牌的设计,使得很多空气动力学套件的观赏意义大于实际用途。于是有人嘲笑空气动力学改装的套件只是花架子,夺人眼球的效果很好,实用性却奇差。
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然而对于熟稔汽车空气动力学性能的小编来说,这些拉风的空气动力学套件并非花架子,只是常常被人误解和误用。

小编也有感于此,列出了以下“空气动力学套件的凡尔赛指南”,以供各位爱好者品鉴。

三、前唇的前缘越尖锐越好

在这个看脸的时代,车辆的聚焦点首当其冲便是前脸。于是我们看到不少车辆都加装了硕大的前唇,原因众所周知——增加前端的下压力,使轮胎更能抓得住地。而为了凸显其轻量化,除了采用碳纤维材质之外,有的前唇还会做的非常薄,像一把利刃一样破风而行——有人也称其为“前铲”或者“风刀”。
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这样的设计看起来确实犀利,不过小伙伴们都知道,尖锐的前缘更容易引起流动分离,造成不小的能量损失。

而从升力的角度考虑,这样也并非最优设计,即使流动不分离,薄片式前唇产生的低压区会集中在很窄的局部区域,不利于使前唇吸力面产生更大面积的低压区。
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这样的设计还会带来另一个问题,就是气动性能的鲁棒性很差,对工况过度敏感。虽然通过CFD可以分析前唇最优的安装角度,但实际行驶时,由于车身姿态的俯仰,侧风或者路面湍流的影响,使得前唇下部极易产生大尺度的分离,得不偿失。

所以对于前唇来说,在前缘加些弧度,才是更好的凡尔赛方式...

四、尾翼下压力来自于上表面

尾翼是车身上另一个吸引眼球的装备,尤其是独立式尾翼,简直是鹤立鸡群般的存在。许多人也都知道其作用机理——无非是个倒扣的机翼,把吸力面和压力面反过来,上侧压力大,下侧压力小,便能产生下压力。
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而为了彰显尾翼的下压力性能,有人把尾翼高高立起,把它放置于高速、干净的气流中。这样做虽然容易让整车的操控变得不稳定,但侮辱空气动力学之名。然而有人把尾翼的角度调整的尽量直立,以求在上表面上产生更大的压力——这就要推敲一下了,即便不考虑风阻的增加,只提高尾翼上表面的压力,真的能提高下压力吗?

素鸡里没有鸡,热狗里也没有狗。同样,下压力也并非主要来自于压力。比如下图中展示了一种尾翼截面的压力分布,可见吸力面产生的负压远大于压力面产生的正压。
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对于尾翼等翼型截面的部件来说,下压力主要来自于吸力面,这也意味着如果吸力面失效——比如发生了严重分离,将引起下压力的骤降。而对于飞机则意味着失速,许多航空事故便是拜它所赐。因此,对于尾翼来说,装逼的角度还是适度为好。

五、尾翼后部翻边只是摆设

许多车型喜欢在行李箱盖板后缘、或者尾翼后缘上增加一个小小的翻边,令不明真相的观众直呼厉害。当然,也有很多人认为它只是个摆设。真相到底如何呢?

事实上这个小小的翻边并非随意而为,它还有一个自己专用的名字——Gurney Flaps。1971年,著名的赛车手和车队经理Dan Gurney 发现,如果在尾翼的后缘添加一个小翻边,即可提升其空气动力学性能,比如增大下压力。
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1976年,麦道公司的气动专家Liebeck 将Gurney Flap 引入航空界,从此,它就作为一种极其简单的增升装置,使用在飞机上。有学者研究发现,Gurney Flap 仅仅使用约2%弦长的部件,便可使机翼的最大升力提升约30%。
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其作用原理如上图所示,当增加Gurney Flap后,流动不再沿着原始叶形设计的流动方向(红色虚线),而是向上折转——这不仅增加了翼型的气流折转角度,而且变相增加了翼型的弦长,可谓一举双得,而代价则是会增加一些流动损失,从而使阻力略微增大。不过相比于下压力的大幅增加,阻力的增加也仅仅是毛毛雨啦。因此,Gurney Flap可谓最低调的凡尔赛神器。

六、垂直尾翼只是样子货

除了传统尾翼之外,还有一种尾翼最近几年也流行起来,这便是类似莫西干发型的垂直尾翼。比如兰博基尼Veneno Roadster 以及大家更熟知的梅赛德斯AMG Project One。这个夸张的部件到底是样子货呢,是否确有其用?
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其实垂直尾翼由来已久。在F1的赛场上,垂直尾翼常被置于车尾, 在平直路段,其作用类似于火箭的稳定尾翼,可增强车辆的行驶稳定性;而到了弯心,垂直尾翼又会给整车提供侧向力的支撑,增强过弯能力。
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在2017年后,F1赛事发布了新规以控制后尾翼的尺寸,赛车的后水平尾翼不得不压低——这意味着它将处于空气流动不良的区域,垂直尾翼又有了新的作用——较大的垂直尾翼有利于理顺后部气流,提高后水平尾翼的利用效率,并给后水平尾翼带来更好的支撑。

七、扩散器是为了提高下压力

空气动力学套件中,还有一位元老级人物,便是扩散器。不过既然名字叫扩散器,那么根据传说中的伯努利原理,这里应该减速扩压,会使后车底压力增大,并削弱下压力才对,怎么会增加下压力呢?
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正确的解释如下:尾部压力一定时,扩散器的扩压效应越明显,意味着车底的负压更低,从而降低升力。而从气流折转的角度来看,扩散器出口的气流向上折转,也意味着更大的下压力。

而扩散器还有一个令人爱不释手的好处,即它通过使底部气流减速,减少底部气流和尾流之间的速度差异,从而减小掺混损失,因此扩散器还拥有降风阻的天然属性。
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扩散器虽好,也不能过量。扩散器太大会带来两个问题:首先,这会使扩散器表面曲率过大,容易产生分离,使得扩散失效;第二,扩散器上过长的导流条产生的二次涡流,会造成一定的流动堵塞,也会恶化扩散器的效果。所以,扩散器的使用需要考虑中庸之道。
八、气动套件越多越好

既然这些空气动力学套件这么有用,又拉风,那能不能多配置些?

安装气动套件最疯狂的非赛事之王F1莫属,全身上下布满五十多个空气动力学套件,不信你看,光是前唇都有五、六层之多。
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不过这么多空气动力学套件,让其协同工作并不容易。为了同时提升逼格和性能,每个车队都会配备一个神秘的空气动力学团队,并使用实验和计算等种种手段保证每个部件都能起到最佳效果。

九、后  记

看了文章之后,有的小伙伴是不是已经忍不住要给自己的爱车穿上空气动力学的外衣,然后成为整条街最靓的仔。不过如果你觉得倒腾这些气动套件还是太麻烦,小编还有一个又省钱又高效的办法,让你瞬间引爆全场。来人,把我的音响抬上来!
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来源:LBM与流体力学微信公众号(ID:LBMCFD),作者:卢比与钢蛋。

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