摘 要：文章利用创新能源——风能的特点研究概念汽车造型及设计方法，解决如何把握创新能源汽车造型的特色及风能如何在概念造型中运用的问题。结合空气流原理及实际案例分析概念汽车造型设计中风能转换与造型的关系，有效实现在创新能源概念汽车造型中利用再生风能的特性，同时提出概念汽车造型中如何平衡美学与空气力学两者之间的关系的解决方案。
关键词：创新能源;概念汽车造型;风能;可持续
一、创新能源能源概念交通工具与风能的再利用
创新能源交通工具是指利用绿色能源的交通工具或者贯彻了绿色生态理念在交通工具中的设计与使用。目前的新能源汽车有混合动力、电力、氢动力、燃氣汽车等。随着传统能源存贮量的减少，可再生能源成为能源的生力军，在汽车行驶中必然会产生的风能也逐渐被发现和重视，因此风能也成为一种新型能源出现在交通工具的设计和制造上。
风能的使用，延续了以绿色制造为方向的主流，更加突显可持续性。汽车风能（气动阻力）是存在于汽车行驶过程中的一种不以人的意志为转移的自然现象。风电能汽车主要利用运行中所产生的能量转换变成动力来源，通过能源转换，转移空气动力及空气阻力对于驱动系统的作用，风能汽车有望成为新的交通工具类型。风能混合动力汽车的主要特点是：不仅使现有混合动力汽车在低速行驶时对风能量进行有效的采集，还让大量存在于汽车高速行驶过程中的被损耗了的风能及发动机空转时消耗的能量得到一定利用。其关键设备——车用风力发电机在设计与制作原理上已无问题，若能实用化则不仅可以与现有混合动力汽车及所有创新新能源汽车结合，还可以和普通汽车进行结合。
二、汽车设计中风能的应用
随着新能源不断开发，风能已经成为石油的替代能源而得到广泛的关注。同时，汽车造型早已超越早期仅仅作为交通工具的造型要求，而逐渐向同时符合实用需求与消费者审美要求的商业化产品造型方向发展。
（一）风能汽车的工作原理
风能汽车在运行中的工作原理如下：充分利用能量守恒定律，能量只可能转化，不可能消失，气动阻力存在于汽车行驶的整个过程中，汽车速度越低，气动阻力越小，汽车速度越高，气动阻力越大，其初始能量来源于燃油（气），即风能来源于燃油（气）。在传统汽车的动力结构中，气动阻力是以阻碍汽车行驶的能量形式存在的，直接的后果是削弱了汽车的动能，也就是说风能是被损耗了的部份动能。在风能混合动力汽车的动力结构中，气动阻力作用于车用风力发电机中的涡轮并使其转动（或加速转动），也就是涡轮吸收了部分风能。由于涡轮对风能的不停吸收转化，在通风孔的端口处形成了涡流效应，从而改变了气流方向，使以前直接作用于汽车并阻碍汽车行驶的空气集中流向了通风孔而成为发电机的动力。
（二）风能概念汽车造型设计
由于大气压力差导致空气流动而产生“风”，风能本身就是蕴藏丰富，清洁无污染同时可以再生的新能源，可以有效帮助交通工具实现轻量化设计，并且能利用空气动力学的影响，提高能耗利用效率。目前第一辆适运行于路面的风能汽车，以风能为主要驱动力，这辆创新能源驱动汽车拥有碳纤维车身和自行车轮胎，整车大约204千克，单独车身仅重82千克，在质量轻便的同时时速达88千米以上，其造型有点像大型的风筝，拥有大型的风力扇叶。另外一辆风力驱动的风能助力车出现在底特律Maker Faire展上，由风能转换为电能的电池驱动三轮汽车，尾部有一个翘起的拱门。宝马的三轮风力驱动车型，车尾两端有两个车轮，其驾驶位置顶部设计成一个类似船帆的造型，前面是细长车身，可以根据风的方向进行自动行驶，也可通过手动调节改变行驶方向。
三、风能在概念汽车造型设计中的关键点
由于新能源交通工具对能源的利用、转化方式与传统汽油车完全不同，因而不能够将传统设计汽车的思路直接用来设计创新能源汽车。风能汽车造型可以直接影响到汽车空气动力学特性，因此风能概念汽车的造型需要反映出动力性、经济性以及汽车的操作性与安全性。
（一）空气动力学与车头造型
汽车空气动力学（Automobile Aerdynamic）指汽车行驶时，四周气流的流动规律及其与汽车相互作用以及所产生的作用。主要指汽车在气流中所受到的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其他风力特性。由于是行驶于路面上的钝形体，外形多变，行驶状态非常复杂，且一般行驶速度均小于音速，故汽车空气动力学具有自身的特点。要利用风能，最直接的方法是在汽车的头部开进风口，设置迎面风能量回收装置，其迎风面面积不大于原来汽车前部迎风面积，基本不增加汽车行驶阻力。进风口开多大，头部开进风口后对汽车的风阻会有多大的影响，这是概念汽车车头设计的重点。由于汽车前端的开口造型对车辆的减阻是很有利的，利用前端开口造型对周围流场的影响来进行车头设计是需要解决的关键问题。
在车辆前端开口可以减少迎风面积，因此也减少了车辆行驶时的阻力。从行驶阻力系数可以得出：车头开口越大，车辆行驶阻力系数越小。无论流速大小，流态几乎保持定常稳态，即保持漂亮的流线型，提高流速后仅仅比低速时物体表面流速为零的区域急骤增大而已，同时流线型物体与非流线型物体所受的阻力不同。利用风能进行混合动力匹配时，开口的大小和车头的比率在设计上需要进行考量，流线体附近流体的压差阻力比其他各种型状物体的压差阻力要小很多，由此流线体或接近流线体型状，可获得更小的压差阻力。
（二）汽车车身造型与空气流特征
由于车身上各种造型因素对其空气动力特性的影响并不确定，并且时常发生相互干扰的情况，对其进行修改、优化时无法保证其造型风格的固定，阻碍了空气动力学造型设计效率与水平的提高。行驶中汽车受到的气动力非常复杂，把空气流的特征运用到车身的造型上更能与风动力原理融合。
汽车周围的流场是一种复杂的流动，汽车运行过程中的空气流场有两大类型：一是外部流，包括车身表面所有气流;二是内部流，即流过车辆发动机、排气系统、冷却系统以及驾驶室内的气流。近年来随车汽车水平与设计水平的飞速发展，汽车造型风格也呈现出多样化的发展趋势。风能汽车的首要问题是如何获得汽车所需要动力，减小行驶中的阻力和提高行驶速度。因此，由于汽车前脸部分造型设计与变化使流向车辆车身底盘下方气流量会发生变化，应避免车身的不平顺与各种外凸造型。
四、风能概念汽车造型的案例研究
根据风能的特征和能量转换原理设计一款创新能源概念汽车，本设计要求在造型上对风动力及空气流进行研究分析提出新颖的造型解决方案。
设计初期，在车身元素造型轮廓线环节中，设计师采用多种曲线、曲面对车身进行描述。通过提取造型关键线，将具体造型抽象化，研究线条的造型规律（节奏、长短、韵律等）和线条间的组合关系，从而对整车造型做出深入分析。图1是前期概念草图和三视图的表达，其设计理念基于汽车在高速行驶的过程中遇到很强的空气阻力，利用高效风力发电机，将行驶过程中的风力高效地转化为电能。车头前脸的开口设计与车身融为一体，根据空气流的原理利用大曲线、大开口的造型充分增加行驶中风能的获取率，同时造型整体符合风能概念汽车的创新设计理念，其造型具有新颖性和视觉冲击力。
图2为概念风能汽车造型的效果图和能量转换图，车身和车头的开口造型犹如重生的曼陀罗绽放的流线型，有效地达到了吸收风能进行能量转换的目的。车辆前部的空气套件以及车门的展开，依据曼陀罗绽放的形态来设计，不仅拥有优秀的风阻系数，而且整体造型更加自由、优雅。车身使用了碳纖维材质，整体更加轻盈。车身上的空气导流套件和车身底部的进气系统保证了车辆在高速行驶过程中的稳定性。
五、结语
未来的概念交通工具将很难被分类，会出现更多的跨界车型。但总体来看，告别了内燃机的约束，从外观和造型上，创新能源交通工具将会变得更多变且充满灵性。经过近一个世纪的发展，汽车造型一直试图在美学与空气力学两者之间寻求一个平衡点。到目前为止，对汽车风能应用技术的研究仍然存在很大的空间，所以风能的运用对概念汽车的造型设计的影响将有可能使汽车设计在未来取得更大的突破。
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作者简介：
曾莉，湖南工艺美术职业学院副教授。研究方向：产品造型设计与文创产品设计。