空气动力学对汽车造型的影响「浅说汽车造型与空气动力学的联系」

一、汽车造型与气动阻力

大气压下汽车均速、水平行驶中的空气动力学阻力由压差阻力和摩擦阻力构成，根据二者占比以及汽车部位不同，空气动力学阻力分为形状阻力、诱导阻力、粗糙度阻力和干涉阻力、内循环阻力。而汽车69%的燃油用于克服空气阻力，空气动力学阻力的58%为形状阻力，所以汽车造型对降低其阻力有着至关重要的影响。这里引入风阻系数

其中υ为无穷远处的均匀气流与汽车的相对速度，A为汽车正投影面积。图1-1是不同造型汽车相同水平均匀理想气流中水平匀速行驶时的气动阻力系数，可以出，不同车型的气动阻力系数差异非常大。

图1-1

接下来我们将对以上空气动力学阻力逐个简要分析。

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形状阻力

汽车形状阻力的80%-90%为压差阻力，空气摩擦阻力仅占10%-20%。图1-2 是对不同形体在相同理想流体中所受压差阻力的演示：

图1-2

钝体如横放的平板、长方体在物体横截面最大处压力增加很大，以致流体分离，在背流侧形成涡流 ，这导致在物体表面的压力分布不对称，从而产生压差阻力。倒圆角可以使绕过棱线的流动不产生分离。这样可以使流动延迟分离，减小压差阻力。压差阻力在汽车上也应如此分析。

而对于摩擦阻力：

图1-3

边界层内的速度梯度和分子粘性在壁面每一点产生的切应力τ在流动方向上的和即摩擦阻力。

当流动不产生分离的时候摩擦阻力在总阻力中占比极大，反之占比很小。这就是高尔夫球有窝点后能飞很远的原因。但是流线型物体，比如说某些车辆，它的空气摩擦阻力占比很大。

因为所有的液体和气体都有粘度。这导致当相邻的流体微团以不同速度运动的时候，它们之间存在摩擦力。粘度的导致的另一个结果是流体微团会附着在它们流经的物体表面上。这些附着的流体微团会阻滞流经它们的流体微团，并由此产生摩擦阻力。

层流边界层相较于湍流边界层而言，与形体表面发生的作用较弱，从而减小摩擦阻力和能量吸收。所以流线型物理所受摩擦阻力在总的阻力中占比较大。

这时就需要对汽车表面进行光滑处理。

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诱导阻力

诱导阻力是由于车身上下表面压力不同而产生的，但并非升力。由于车身上表面和下表面的压力差，在水平的来流上又叠加了一个垂直的流动分量，绕过车身侧面使得压力平衡，在车身侧面会产生随主流流动的涡。不断产生的涡流吸收能量并因此产生诱导阻力。诱导阻力与气动升力具有关联性，这一点在后文将会提及。

图2-1 汽车诱导阻力示意图

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粗糙度阻力和干涉阻力

粗糙度阻力和干涉阻力包括所有因表面分界和附件突出车身表面边界层而产生的阻力。其中底盘组件和悬架、车轮以及后视镜、附加车灯、雨刷等都会导致粗糙度阻力和干涉阻力出现。

干涉阻力分为正干涉阻力和负干涉阻力，顾名思义，二者对阻力的影响效果相反。正干涉阻力在两个靠近物体或者相连物体之间产生。当以汽车为主体时，后视镜会破坏汽车原有流场，使空气过早分离，增大气动阻力。而负干涉阻力指的是每个流场中的流体后面都有一个流速减小的区域，在该区域中的物体受到的阻力比在外部要小。例如前后放置的两个圆盘（图2-2），在一定距离时，二者所受阻力之和比单独放置时阻力之和小。这一点也体现在拖车上：经过空气动力学优化的拖头能有效降低总体所受的气动阻力。

图2-2

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内循环阻力

或称内部阻力，是冷却发动机和通风设备使气体通过车体内时产生的阻力，包括流体在出口处的动量损失以及流体通过冷却器和发动机舱的压力损失，这导致额外的能量损失。内循环阻力约占空气阻力的5%-12%。

二、汽车造型与气动升力

汽车气动升力来源于其特殊形状（图3-1）。

图3-1 根据理想状态下的伯努利方程：

结合汽车形状，理想状态下：

F ＜F

即存在气动升力。

事实上，考虑到汽车底盘的作用，简化的无粘、有粘的二维的绕车的流动情况和压力分布如图3-2。

图3-2

汽车滚动阻力与车轮法向作用力成正比，增加气动升力，那么这个法向作用力变小，从而使阻力减小。这似乎表明气动升力有利于降低汽车行驶的阻力。但是气动升力的增加，不仅会导致车的驱动性和稳定性减弱，还会因气动升力的增加导致额外的诱导阻力，可能远大于减小的滚动阻力。如此分析，增加气动升力来减小汽车阻力是得不偿失的，因为气动升力大幅增加会减弱汽车行驶的稳定性，增加安全隐患，比如某些车在高于70km/s时会出现“发飘”这种高速气动不稳定现象，降低路面感，导致汽车侧翻、漂移等。

于是诞生了楔形车，这种经过空气动力学优化的车身甚至装有扰流板，用以增加下压力。楔形车大部分为跑车，它们的气动升力甚至为负数，大大增加了车辆高速运动时的稳定性。

（本文部分图文参考Aerodynamics of road vehicle一书）

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来源：APC科学联盟

编辑：荔枝果冻

影响汽车外形的因素有哪些？

确定汽车外形有三个基本要素，即机械工程学、人机工程学和空气动力学。前两个要素在决定汽车构造的基本骨架上具有重要意义，特别在设计初期，受这两个要素的制约更大。

1、作为汽车，最主要的是能够行驶和耐用。以此为前提，首先必须考虑到机械工程学的要素，包括发动机、变速器内部结构设计。要使汽车具有行走功能，必须安装发动机、变速器、车轮、制动器、散热器等装置，而且要考虑把这些装置安装在车体的哪个部位才能使汽车更好地行驶。

这些设计决定之后，可根据发动机、变速器的大小和驱动形式确定大致的车身骨架。如果是大量生产，则要强调降低成本，车身钣金件冲压加工的简易化，同时兼顾到维修简便性，即使发生撞车事故后，车身要易于修复。上述这些都属于机械工程学的范畴。

2、其次是人机工程学要素，因为汽车是由人驾驶的，所以必须保证安全性和舒适性。首先应确保乘员的空间，保证乘坐舒适，驾驶方便，并尽量扩大驾驶员的视野。此外，还要考虑上下车方便并减少振动。这些都是设计车身外形时与人机工程学有关的内容。

以上两个要素决定了汽车的基本骨架，也可以说是来自汽车内部对车身设计的制约。在确定汽车外形的时候，来自外部的制约条件即空气动力学要素则显得尤为重要，特别是近年来，由于发动机功率增大，道路条件改善，汽车的速度显著提高之后。

3、最后是空气动力学，高速行驶的汽车，肯定会受到空气阻力。空气阻力的大小，大致与车速的平方成比例增加。因此，必须在车身外形上下工夫，尽量减少空气阻力。

空气阻力分为由汽车横截面面积所决定的迎风阻力和由车身外形所决定的形状阻力。除空气阻力外，还有升力问题和横风不稳定问题。这些都是与汽车造型密切相关的空气动力学问题。

汽车外形的演变：

1、马车型汽车：

从19世纪末到20世纪初，世界上相继出现了一批汽车制造公司，除戴姆勒和奔驰各自成立了以自己名字命名的汽车公司外，还有美国的福特公司、英国的劳斯莱斯公司等。当时的汽车外形基本上沿用了马车的造型，因此被人们称为无马的“马车”。

2、箱型汽车：

马车型汽车很难抵挡风雨的侵袭，美国福特汽车公司在1915年生产出一种新型的福特T型车，这种车的乘员舱很像一只大箱子，被称为“箱型汽车”。

为提高车速，人们开始降低车的高度减小空气阻力。但由于车顶高度的降低影响前方视野，这种方法最终被放弃，转而通过提高功率的方法。这样一来，发动机由单缸变成4缸、6缸、8缸，汽缸一列排开，发动机罩也随之变长。

3、甲壳虫型汽车：

1934年美国的克莱斯勒公司生产的气流牌轿车，首先采用了流线型的车身外形。1936年福特公司在“气流”的基础上，研制成功林肯和风牌流线型轿车。此车散热器罩很精练，颇具动感，俯视整个车身呈纺锤形，很有特色。流线型车身的大量生产从德国“大众”开始。

4、三厢型（船型）汽车：

这种车型改变了以往汽车造型的模式，使前翼子板和发动机罩，后翼子板和行李舱融于一体，大灯和散热器罩也形成一个平滑的面，乘员舱位于车的中部，整个造型很像一只小船，所以人们把这类车称为“船型汽车”。

福特V8型汽车的成功，不仅在外形上有所突破，还首先把人体工程学应用在汽车的设计上，强调以人为主体来设计便于操纵、乘坐舒服的汽车。从上世纪五十年代至今，船型已成为世界上数量最多的一种车型。

5、鱼型汽车：

船型汽车尾部过分向后伸出，形成阶梯状，在高速时会产生较强的空气涡流。为了克服这一缺陷，人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，倾斜的极限即成为斜背式。这类车被称为“鱼型汽车”。

与甲壳虫型汽车相比，鱼型汽车的背部和地面的角度较小，尾部较长，围绕车身的气流也比较平顺，涡流阻力较小。另外鱼型汽车基本上保留了船型汽车的长处，乘员舱宽大，视野开阔，舒适性也好，并增大了行李舱的容积。

鱼型汽车由于鱼型车后窗玻璃倾斜太甚，面积增加两倍，强度下降，产生结构上的缺陷。鱼型车的这一缺点，人们想了许多方法加以克服，例如在鱼型车的尾部安上一只翘翘的“鸭尾”，以克服一部分扬力，这便是“鱼型鸭尾”式车型。

6、楔型汽车：

为了从根本上解决因采用鱼型结构而带来的升力问题，人们进行了反复的探索，最后终于找到了楔形造型。也就是让车身前部呈尖形且向前下方倾斜，车身后部像刀切一样平直，这种造型可以有效地克服升力问题。

楔型对高速汽车来说，已接近理想造型。现在世界各大汽车生产国都已生产出带有楔型效果的小客车，这些汽车的外形清爽利落、简洁大方，极富现代气息。

汽车发展到鱼型，关于空气阻力的问题已经基本解决，楔型继承了这一成果，并有效地克服了鱼型车的升力问题，使汽车的行驶稳定性有了显著的提高，当之无愧为目前高速汽车最为理想的车身造型。

为什么说空气动力学对汽车很重要 我想知道一些有关空气动力学的事

空气动力学对车身稳定性，燃油经济性和表面尘埃有影响。当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移，同时该物体会受到重力和阻力的影响，因此阻力会由固体穿过流质（比如空气或水）的过程中产生。

 当物体加速时，其速度和阻力同时增加，速度越快，阻力越大，也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强，而且是以成倍的速率增长，最终阻力将与重量相等达到一个平衡点，此时物体将无法继续加速。

车在市区等一些低俗行驶的环境时，基本上的马力用在了对抗地心引力，在高速公路等高速行驶环境下，更大的是对方风阻。把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。

一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似水滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种水滴造型的Cd风阻系数只有0.05。

扩展资料

在研究车辆的空气动力学时，工程师不仅会研究车体表面的空气流通情况，同时还需考虑车底气流的通过状况。简单的说，越规整的车底，其车底的空气阻力和升力也会越小。这也就是为什么大家看到很多赛车和豪华车的车底都是一整块平面（也起到一定的保护作用），否则可能会造成翻车等事故。

其中最常见的就是发动机盖导流槽、翼子板导流板、前后下包围、侧裙板等这些设计，说它们能简单有效地引导气流，减小空气阻力。

要说空气动力套件还要从车辆的空气动力学讲起，当汽车行驶时，汽车周围的空气流动会对车辆产生各种各样的影响，空气能对汽车产生阻力、消耗能量、影响行驶稳定性；但另一方面，车辆的发动机、刹车等主要部件冷却又需要空气。除此之外包括气流的噪声，车身外表面的清洁，各种覆盖件的震动，甚至还有雨刷性能都会受到空气气流的影响。