浅说汽车造型与空气动力学的联系

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前言：1886年卡尔·奔驰制造出世界上首辆三轮内燃汽车，这种汽车和马车的主要区别就是动力系统不同，而现代四轮车的雏形则来源于戴姆勒的灵感。在此后一百多年时间里，随着人们对汽车机动性的需求越来越高，以及审美的变化，汽车外形也一直更新换代。从甲壳虫汽车到船型车，再到楔形车，人们总是倾向于使汽车外形阻力更小且兼具美观的方向发展。本文将简单讨论汽车外形与空气动力学的关系。

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、干涉阻力和内循环阻力。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，υ2∞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，可以看出，不同车型的气动阻力系数差异非常大。

图1

接下来我们将对以上空气动力学阻力逐个简要分析。

1. 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τw 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。

2. 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4 汽车诱导阻力示意图

3. 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。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5），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5

4. 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%。

汽车造型与气动升力

汽车气动升力来源于其特殊形状（图6）。

图6

根据理想状态下的伯努利方程：

结合汽车形状，理想状态下：

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、有粘的二维绕车的流动情况和压力分布如图7。

图7

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）

来源：中科院物理所微信公众号（ID：cas-iop），原文来自APC科学联盟，作者：APC君。