空气动力学的他山之石
《诗经·小雅》有言：“他山之石，可以攻玉”，意思是别的山上面的石头很坚硬，可以用来雕琢、打磨玉器，古时用来比喻别国的贤才可以为本国效力。作为空气动力学实用化的领头羊，航空领域的经验在过去的许多年中也逐步扩展到其他行业，尤其是二战结束以来，大量的航空工程师转行到汽车行业，为汽车空气动力学注入了新的动力，堪称空气动力学的他山之石。01主流中的非主流 永不满足La Jamais Contente19世纪末20世纪初，是汽车设计的萌芽时期，而此时汽车空气动力学向航空行业的借鉴，也处于非常初步的阶段。比如当年因刷出极速而成名的电动车“永不满足”号（La Jamais Contente），其外形就酷似一颗炮弹。那个时代的人们，对于空气动力学的认知主要停留在设计成“流线型”的阶段。车身上避免出现突起物是最基本的要求——“避免兜风”嘛。这样的借鉴盛行多年，并被许多重要的车企采用，比如下图中的奔驰和迈巴赫。不过车辆的首要目标是安全可靠的运输乘员或物品，因而流线型设计对空间的侵蚀难以被当时的消费者所接受，更不用说因其加工难度大而使得成本居高不下。 当时更受欢迎的则是车厢类似于马车一样的福特T型车。“看似”空气动力学优秀的车辆却并不受市场待见，妥妥的是主流汽车行业中的非主流。02从借鉴到实践从航空到汽车的他山之石，简单粗暴的拿来主义并非总是凑效的，更多时候还需要细细琢磨。人们逐渐认识到，从风阻来源的角度看，汽车和航空是两个不同的分野，应该区别对待。流线型的航空器周身分离极小，气动阻力中摩擦力占比较大，通常风阻系数也很低，波音787的风阻系数仅有0.024（不过不同于汽车，其参考面积为机翼的投影面积）。飞机的气动优化往往也很直观，除了降低机翼的诱导阻力之外，就是把机身上的接缝和突出部件做得尽量光滑。 而相较于飞机，车身更像是一个钝体，周围的流动复杂性更高，风阻通常由压差阻力主导。另外，考虑到整车的造型风格与乘客的舒适性，汽车的空气动力学性能还要做出许多让步，这也造成车身的许多区域不可避免的产生流动分离，引起额外的气动阻力。 因而后续汽车的发展历程中，流线型不再是设计者的极致追求，但从航空业推演而来的设计准则却无时无刻不在影响着一代又一代汽车人。03参数化优化的必经之路空气动力学在许多人口中被称为三大玄学之一。因而在航空业，人们早早就拿起了各种优化工具，对难以捉摸的气动性能进行多参数多目标优化。事实上，许多知名的商业优化软件就是脱胎于航空行业。多年来，针对汽车风阻或者升力的参数化优化也逐渐被各大主机厂采用，成为空气动力学的另一块他山之石。人们对车辆外形设置一些变化空间（如下图），从而研究在一定造型约束条件下的空气动力学最优解。 而近些年来参数化优化的涉猎范围正逐步扩展到更加细节的部件。比如电动车都愿意设计气动轮辋或者轮辋盖板，以降低车轮的风阻。不过因为流场的前后关联，凭直觉把轮辋进行封堵一番往往难以凑效。 比如对于前轮，由于车头的滞止效应，气流会自然的向两侧绕流，在车底也会斜向冲击前轮。如果轮辋堵得太死，会在轮辋内侧后部形成滞止，带来风阻增加，并造成刹车盘散热问题。而堵的太少，风漏的太多，又会造成前轮尾流过大，也会增加损失。因此在现代车辆的开发过程中，诸如气动轮辋这样的细节，往往也会进行详尽的参数化研究。 从航空到其它行业，除了整体设计思路的借鉴，还有许多部件级的参照。当我们把视线转移到轿跑甚至赛车上时，则能发现空气动力学更多的他山之石。04机翼的妙用就部件而言，尾翼无疑是车身上最“空气动力学”的装备，集逼格与科技含量于一身，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——它是个倒扣的机翼，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。 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，这样做虽然很空气动力学，但是可能会让整车的操控变得不稳定，使用时需要谨慎的考虑。然而有人把尾翼的角度调整的尽量接近竖直，以求在上表面产生更大的压力，这种做法是否合理就要推敲一下了，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。 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。对于汽车，虽然没那么容易引起安全问题，但也会使得尾翼的作用失效。除了水平尾翼，飞机上通常还有垂直尾翼，其目的是维持航向平衡以及操纵性。有些赛车上也有类似的装置。比如在F1的赛场上，垂直尾翼常被置于车尾， 在平直路段，其作用类似于飞机的稳定尾翼，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向外的侧向力支撑，增强过弯能力。 在这个看脸的时代，人们还会把尾翼放到车辆前方，这便是前唇——它能增加前端的下压力，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，因此也常被称为“前铲”或者“风刀”。 不过需要注意的是，有些前唇设计的尖锐前缘容易引起流动分离，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。05涡流发生器涡流发生器是航空器上另一个常用的部件，常常布置于发动机短舱上或者一些轻型飞机的机翼上。涡流发生器的构型类似于一种小展弦比的机翼，所以它在迎风气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡。但是由于它的展弦比很小，其翼尖涡的强度相对较高。这种高能量的翼尖涡通过掺混作用将能量传递给下游，使处于较差流动条件下容易发生分离的边界层获得附加能量，能够继续贴附在机体表面，抵抗分离。 涡流发生器凭借着其小巧精干的身材和高效的抑制流动分离的能力成为了众多工程师青睐的武器，不仅在航空领域获得的广泛应用，汽车和风力机上也常常使用涡流发生器来阻止各种气流的过早分离，成为一种散落于各行各业的他山之石。 上图的三菱EVO通过在车顶安装涡流发生器来抑制后风挡附近的流动分离。同样，风力机叶片也常常在前缘后部增加涡流发生器来控制表面的流动分离，如下图所示。 06从内部挖掘的他山之石如果说尾翼和涡流发生器是从“他山”上搬过来的石头，扩散器则属于内部挖掘的成果——从赛车场到日常使用场景。扩散器原本是F1词典里的词汇，后来才逐渐走向大众视野。 相比于尾翼，扩散器不仅拥有降风阻的天然属性（减少底部气流和尾流之间的速度差异，从而减小掺混损失），还是个更高效的降低升力的部件。尾部压力一定时，扩散器下侧的压力增加，意味着气流更容易从底部流出，形成一定的抽吸效应，使得车底的负压更低，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。扩散器的出口角度越大（越向上倾斜），其降低升力的效果越好，但扩散器的角度过大会导致分离。分离之后的气流无法沿着扩散器贴体运动，“扩散”也就无从谈起。 而后轮尾流会挤压车底的气流，导致流动在后车底向中央汇聚，这会导致扩散器表面产生横向流动，从而降低扩散器的效果。为了避免这种横向流动，可以考虑增加竖直的筋条，如上图所示，扩散器的筋条阻止了流动向中部的汇聚，从而实现扩散器更顺畅的流动和更好的扩压效果，并能在一定程度上延缓扩散器两侧的气流分离。“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，和尾翼一样，扩散器已经越来越多的出现在民用车上，不再是赛车场上的专属装备。 07长大后，我就成了你随着汽车空气动力学发展成熟之后，某些技术也成为了其他行业的他山之石，其中最具代表性的便是Gurney Flap。细心的汽车爱好者会发现，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看不懂。这个小小的翻边并非随意而为，它便是Gurney Flap。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，可以提升其空气动力学性能，比如增大下压力，特殊情况下还能降低风阻。 其作用原理如下图所示，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。 1976年，麦道公司的气动专家Liebeck将Gurney Flap引入航空界，成为他山之石逆用的典范。从此，它就作为一种极其简单的增升装置，使用在某些飞机上。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%，堪称短小而精悍。他山之石的极致说了这么多他山之石的相互借用，总觉得有点不过瘾。而现实中则有更极致的他山之石——直接把整座山搬过去。于是便出现了下图中其乐融融一家亲的各种飞行汽车的构想。 “打败你的往往不是同行，而是跨界”，相信在不久的未来，随着学科的融合，空气动力学也会迸发出更多的创造力，给人们带来无尽的遐想。-END- 来源：CFD仿真区
