为什么跑车又低又平，有的还有大尾翼？
为什么跑车又低又平，有的还有大尾翼？
本文来自微信公众号：CLauto酷乐汽车（ID：cl_auto），作者：蟹爪朝天，Photo by Cory Rogers on Unsplash
在《赛车空气动力学》这个系列中，我们放弃那些复杂的公式，只来简要说一些和赛车有关的空气动力学原理，以及在车辆设计、调校中对空气动力学的实际应用。
悬挂等部件产生的机械作用力主要在低速行驶中起作用。整车外形产生的空气作用力主要在高速行驶中起作用。
在一条高低速弯兼备的赛道上，车队通常会通过悬挂和尾翼等部件分别设定车辆在低速弯和高速弯中的操控特性。想要赢得更好的成绩，真的应该了解一些赛车的空气动力学特性。
在车辆的空气动力学应用中，主要是要考虑：通过流线外形减小风阻系数、尽量减小正面迎风面积、引导并利用气流。常用的设计方法是：流体仿真模拟、油泥模型风洞测试、实际赛道测试等。
我们今天来说说，关于空气本身的特性。
空气密度
从应用的角度来说，湿度等因素导致的空气密度变化不需要考虑了。
除非是在SPA、纽博格林那种气候复杂多变的赛道。只简单考虑温度导致的空气密度变化即可。
在开放的空间中，比如对于车身外形来说，气温越高其密度越小，压强也就越小。
应用到赛车上，在后车紧跟前车但并没有进入其乱流区时：前车后部被前车加热了的热空气会使后车的各种空气动力学部件的效率减弱。比如前翼、尾翼等。
此时后车的空气下压力作用较弱，可能不足以在弯中稳定住车身或导致一些意外的操控特性的变化。
空气纵向受力时
空气并不是一个整体，也不是分散开的绝对独立的粒子。在考虑空气的问题时，我们可以根据需要把空气分为若干层或小气团。
如图，在两团空气受到纵向力互相挤压的时候，其整体体现出的是：随着挤压力的增加，其内部向外抵抗这种挤压力的能力也在增加。
简单来说体现在赛车上就是车速越快，车头前方的空气被挤压的就越严重，此时车头处正对的空气阻力也就越大。
空气切向受力时
如图，在两团空气受到切向力互相错开时，其整体体现出的是：虽然最终两个气团会相互分离，但其接触面上还是有一些“粘性”来抵抗这种分离的。
这是由于气体内部的摩擦阻力导致的，并受气体密度影响。简单来说体现在赛车上就是车身表面的不平整会增加阻力。
边界层
在车身表面很薄的一小层空气，叫做边界层，或者更形象的可以说是表面层。
其厚度通常可以以mm计算。在边界层中，气体体现出的就是这种“粘性”。
在远离车身表面的外部，气体体现出的是没有（或几乎没有）这种“粘性”的更自由的流动形式。
分离层
如图，在边界层中，有时会由于外层气体流速较快，内层气体“粘性”较大，导致出内外相邻的小气团速度不一致的情况。
这种速度差就导致了局部的小乱流，Turbulent。
小乱流会导致出更大的流速差，进而出现更大的乱流。
于是就会在体现出空气摩擦阻力的边界层和体现出自由流动的外部自由流体之间，产生出空气团的另一个分层：分离层，Separation。
其中主要是乱流。
气流流过固体表面，刚刚出现微小乱流的位置叫做：转逆点，Transition Point。
转逆点之前的气流基本上是平顺的，转逆点之后的气流大体上是不平顺的。
对于整车或反光镜等一个单独的突出物来说，转逆点的相对位置越靠后，整车或这个部件的风阻就越小。
图为两种角度的车尾造型所产生出的分离层（乱流）对比。产生乱流越严重的造型，后玻璃附近造型所导致的风阻就越大。
压强、流速
对于固体的两侧来说，其运动速度的相同的。
外形导致的气体流速更快的一侧，气体压强就更小。
外形导致的气体流速更慢的一侧，气体压强就更大。也就是说会有一个由于固体两侧压强差引发的力，从气体流速慢的一侧将固体向气体流速快的一侧推。
图中箭头为各个切面上的作用力矢量。
将所有矢量相加后，可以简化为一个向上的力。
这种关系，主要体现在远离车身表面的自由流动层中。
比如引擎盖、前玻璃、尾翼等。底盘和地面之间的部分，也在一定程度上适用这种关系。
一些车型并不十分平坦的底盘设计就是在利用这个原理调整整车前后的空气下压力分布。
对于在密闭管道中的持续稳定气流来说，流速越快的地方，气体压强越低。
图中左侧较粗部位的气流速度低于右侧较细部位的气流速度。在进排气管路中，气体的这个特性常被用来提高进排气效率。
从宏观上讲，由于局部空间和压强流速的关系，在车身外形的设计中，相对平缓的曲线可以带来更小的内外侧气团流速差，也就可以让转逆点更靠后方，并带来更小的乱流和分离层尺度。
因此，类似兰博基尼车型顶部的平缓坡面，是为整车带来低风阻的重要原因。
本文来自微信公众号：CLauto酷乐汽车（ID：cl_auto），作者：蟹爪朝天