1.空氣動力學的概述空氣動力學是流體力學的一個分支，它主要研究物體在同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體流動規律和伴隨發生的物理化學變化。它是在流體力學的基礎上，隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科。空氣動力學特性直接影響汽車的經濟性、動力性、操縱穩定性和乘坐舒適性等。為改進汽車性能，汽車工業界投人大量人力、物力和財力研究汽車內外的空氣流動及其相關的各種現象。風洞試驗是汽車空氣動力學研究的傳統而又有效的方法，但風洞建設投資大，試驗周期長。隨著計算機和計算技術的迅速發展而蓬勃興起的數值仿真方法為汽車空氣動力學的研究開辟了新的途徑。近年來，汽車空氣動力學數值仿真發展迅速，數值仿真在汽車流場研究中的重要性不斷增加，應用范圍不斷擴大。下面從不同方面闡述汽車空氣動力學的發展情況。2空氣動力學的發展國外的汽車空氣動力學研究可以追朔到本世紀的20-30年代，但直到7O年代以覷，還沒有比較完整系統的研究。此學科在近3O年中得到了較大發展。7O年代以來，國外陸續發表了汽車空氣動力學方面的研究成果、研究報告和專著，研究手段普遍采用航空試驗用的風洞對汽車空氣動力特性進行研究，研究的重點主要是空氣動力的特性以及它們對汽車性能的影響。國內在這方面的研究起步較晚，盡管也開過專題性的學術會議，但總體上說還處于起步階段。從有關學術刊物上看到，有關汽車空氣動力學方面的論文很少，也還沒有見到國內學者編著有關汽車動力學方面的學術著作或教科書。也就是說，國內還沒有有效地進行汽車空氣動力學的研究。但是，鑒于這項課題研究的經濟效益和社會效益，以及我國經濟發展的中長期戰略，都迫切地需要將這個課題的研究提到議事日程上來。就國內目前的情況看，無論從人力還是設備上都完全具備研究的條件與實力，關鍵是要引起國內學者對此項研究的重視以及有關部門的組織與必要的投資，從而有遠見地對汽車空氣動力學進行先期研究，以適應今后十年乃至更長期國民經濟發展的需要，為國家創造較大的經濟效益。3動力學空氣的研究1.基礎理論 研究空氣運動規律的基礎是質量守衡、動量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等數學方程組來描述。然而有關不可壓流體特性、流體阻力理論以及汽車繞流特性等基礎理論研究還有待深化。2.風洞試驗 洞設計的主要任務是在動力裝置功率最小和成本最低的情況下，提供各種速度范圍內模型試驗所必需的氣動力環境，即希望在一個簡單的風洞中能大范圍地改變各種相似參數。然而經驗表明，在技術上和經濟上這都是不現實的。從而就出現了各種各樣的風洞。風洞主要由洞體、驅動系統和測量控制系統組成，各部分的形式因風洞類型而異。洞體有一個能對模型進行必要測量和觀察的試驗段。試驗段上游有提高勻直度、降低湍流度的穩定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。試驗段下游有降低流速、減少能量損失的擴壓段和將氣流引向風洞外的排氣段或導回到風洞入口的回流段。為了降低風洞內外的噪聲，往往在穩定段和排氣口等處裝有消聲器。4空氣動力學對汽車造型的影響空氣動力特性直接影響車輛的動力性、操縱穩定性、燃油經濟性以及貨車的噪聲和車身美觀。隨著車速的提高，在汽車造型中越來越重視空氣動力學這方面的影響。下面將從轎車前部、尾部、底部以及車輪淺談對汽車造型的影響。1.車頭造型對氣動阻力影響因素主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發動機罩與前風窗造型等。2.車身尾部造型對氣動阻力的影響主要因素有：后風窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度、尾部橫向收縮。3.車身底部對對氣動阻力的影響主要因素有：車身底部離地高度、縱傾角、曲率、擾流器4.車輪對氣動力的影響（被輪腔覆蓋車輪的影響）5改善汽車空氣動力學性能的措施1.車頭造型的設計 車頭造型中影響汽車空氣動力學性能的因素很多，如車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發動機罩與前風窗造型、前凸起唇及前保險杠的形狀與位置、進氣口大小和格柵形狀等。車頭邊角主要是指車頭上緣邊角和橫向兩側邊角。對于非流線型車頭，存在一定程度的尖銳邊角會產生有利于減少氣動阻力的車頭負壓區；R8車頭橫向邊角倒圓角，也有利于產生減小氣動阻力的車頭負壓區，整體弧面車頭產生的氣動阻力比車頭邊角倒圓產生的氣動阻力小；車頭頭緣位置較低的下凸型車頭的氣動阻力系數最小。但氣動阻力系數不是越低越好，因為低到一定程度后，車頭阻力系數不再變化，車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產生負升力。增加下緣凸起唇，氣動阻力變小，減小的程度與唇的位置有關。發動機罩與前風窗的設計可以改變再附著點的位置，從而影響汽車的氣動特性。發動機罩的縱向曲率越小(目前采用的縱向曲率大多為002m)，氣動阻力越小；發動機罩的橫向曲率也有利于減小氣動阻力。發動機罩具有適當的斜度(與水平面的夾角)對降低氣動阻力有利，但如果斜度進一步加大，則降阻效果不明顯。風窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過大，否則將導致視覺失真、刮雨器刮掃效果變差；前風窗玻璃的橫向曲率也有利于減小氣動阻力；前風窗玻璃的斜度(與垂直面的夾角)小于30時，降阻效果不明顯，但過大的斜度，將使視覺效果和舒適性降低；前風窗斜度等于48時，發動機罩與前風窗凹處會出現明顯的壓力降，因而造型設計時應避免出現這個角度；前風擋玻璃的傾斜角度(與垂直面的夾角)增大，氣動升力系數略有增加。發動機罩與前風窗的夾角及結合部位的細部結構對氣流也有重要影響。汽車前端形狀對汽車的空氣動力學性能具有重要影響。前端凸且高，不僅會產生較大的氣動阻力，而且還將在車頭上部形成較大的局部負升力區。具有較大傾斜角度的車頭可以達到減小氣動升力乃至產生負升力的效果。2.前立柱的設計 前立柱上的凹槽、小臺面和細棱角處理不當，將導致較大的氣動阻力、較嚴重的氣動噪聲和側窗污染，因此，應設計成圓滑過渡的外形。英國White于1967年根據試驗結果對氣動阻力影響最關鍵的車身外形參數進行分級，具有重大實際指導作用。轎車側壁略外鼓，將增加氣動阻力，但有利于降低氣動阻力系數；外鼓系數(外鼓尺寸與跨度之比)應避免處于002004。頂蓋有適當的上擾系數(上鼓尺寸與跨度之比)，有利于減小氣動阻力、綜合氣動阻力系數、氣動阻力、工藝、剛度和強度等方面因素，頂蓋的上擾系數應在006以下。對階背式轎車而言，客艙長度與軸距之比由093增至117，會較大程度地減小氣動升力系數。但發動機罩的長度與軸距之比對氣動升力系數影響不3.車身尾部造型的設計 車身尾部造型中影響氣動阻力的因素主要有后風窗的斜度(后風窗弦線與水平線的夾角)與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度及尾部橫向收縮。后風窗斜度對氣動阻力的影響較大，對斜背式轎車，斜度等于30時，阻力系數最大；斜度小于30時，阻力系數較小。后擋風玻璃傾斜角一般以控制在25之內為宜；后風窗與車頂的夾角為2832時，車尾將介于穩定和不穩定的邊緣。典型的尾部造型有斜背式、階背式和方(平)背式。由于具體后部造型與氣流狀態的復雜性，一般很難確切地斷言尾部造型式樣的優劣，但從理論上說，小斜背(角度小于30)具有較小的氣動阻力系數。流線型車尾的汽車存在最佳車尾高度，此狀態下，氣動阻力系數最小，此高度需要根據具體車型及結構要求而定。后車體橫向收縮可以減小截面面積，一定程度的后車體的橫向收縮對降低氣動阻力系數有益，但過多的收縮會引起氣動阻力系數增加。收縮程度因具體車型而定。車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動升力越小，甚至可以產生負升力。長尾車可能產生較大的橫擺力矩，而切尾的快背式汽車的橫擺力矩并不大，可以通過加尾翼減小橫擺力矩，改善汽車的操縱穩定性。4.擾流器的設計 擾流器通過對流場的干涉，調整汽車表面壓強分布，以達到減小氣動阻力和氣動升力的目的。前擾流器(車底前部)的適當高度、位置和大小對減小氣動阻力和氣動升力至關重要。目前，大多將前保險杠位置下移并加裝車頭下緣凸起唇，以起到前擾流器的作用。后擾流器(車尾上部)的形狀、尺寸和安裝位置對減小氣動阻力及氣動升力也非常重要，但后擾流器對氣流到達擾流器之前就已分離的后背無效。有的把天線外形設計成擾流器，裝在后風窗頂部；在賽車上設計前、后負升力翼，以抵消部分升力，從而改善汽車轉向輪的附著性能。5.車身主體與車輪之間的設計 車身主體與車輪之間存在很大的相互干涉。適度加寬輪胎對氣動阻力系數有利，但不宜過寬，存在一個最佳寬度。不同形狀的車輪輻板及車輪輻板上開孔面積的布置方式對氣動性能有很大影響，在總開孔面積相同的情況下，適當增加開孔數有利于改善氣動性能。改善汽車空氣動力學性能，除了優化汽車造型之外，人們也在尋求其他方法。雖然低阻汽車的動力性和經濟性得以提高，但任何事物都有兩面性。Kamm認為，對于流線型汽車，隨著橫擺角的變化，阻力系數有很大變化，即低阻汽車的側風穩定性差。汽車設計中必須綜合各方面因素，權衡利弊，才能設計出高性能的汽車。6.總結 空氣動力學與汽車的造型有很大的關系，空氣動力學主要研究運動汽車與空氣之間的相互作用力，力的大小取決于空氣與汽車之間的相對速度和汽車形狀，通過對空氣動力學課的學習，我們知道了汽車的形狀對汽車的阻力有很大的影響，通過對汽車的造型演變歷程研究發現，汽車的造型的改變很大方面是為了減少空氣阻力，所以汽車造型與空氣動力學有很大的關系在當今社會，汽車作為一種新型交通工具走進了我們的生活并扮演了重要角色。如今人們已不在僅僅把汽車當作一種交通工具，從而多汽車的外型、動力性、駕駛安全性、乘坐舒適性、操縱靈活性、燃油經濟性等性能提出了更高要求。本文將討論汽車外型對其動力性的影響。由于汽車外型與汽車高速行駛時所受的氣動阻力密切相關，且車速越快阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比，空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會增加汽車燃油消耗量或嚴重影響汽車的動力性能。三、優化分析由于氣動阻力以及功率與氣動阻力系數成正比關系，現代轎車為了減少氣動阻力就必須要考慮降低氣動阻力系數。從50年代到70年代初，轎車的氣動阻力系數維持在0.4至0.6之間。在70年代能源危機后，各國為了進一步節約能源，降低油耗，都致力于降低氣動阻力系數，現在的轎車氣動阻力系數一般在0.28至0.4之間。根據方程式（2）可看出，在空氣密度不變的前提下，如果汽車發動機消耗的功率一定，減少汽車正投影面積或者減小氣動阻力系數都可以提高汽車的最大速度，而由上可知氣動阻力系數又與車身表面的處理有關。因此可以利用流線型設計方法以減少汽車的正投影面積和氣動阻力系數，達到節油減排或者提高汽車速度的目的。有實驗數據表明，空氣阻力系數每降低百分之十，燃油就可以節省百分之七，當車速超過100km/h時，發動了功率有80%用來克服氣動阻力，所以降低阻力系數可以很好的降低汽車的油耗。曾有人對兩種相同質量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(分別是0.44和0.25)的轎車進行比較，以每小時88公里的時速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節約了1.7公升流線型原是空氣動力學名詞,用來描述表面圓滑、線條流暢的物體形狀，流線型設計的物體在流體中運動時可以保證流體從物體表面流過而不會分離物體表面。所謂流線型化是將在流體（例如空氣或水）中運動的物體外形設計成流線型,這種形狀能減少物體在高速運動時的風阻。上面已經說過，氣動阻力與汽車的正有影面積和氣動阻力系數成正比，并且渦流對風阻也有很大的影響，流線型設計車型不僅可以減小氣動阻力系數。并且通過風洞試驗知道具有流線型車身的汽車抗渦流的性能最好。汽車尾部的流線型設計，也可以減少阻力。汽車通過后留下的真空地帶需要空氣填補，就會對汽車有一個拖后的力叫曳力（drag）。流線型就解決了這個問題。原來汽車尾部的截面是正方形，汽車通過后產生很大的真空地帶，所受的曳力就很大。改成流線型的尾巴后在高速運動中產生的真空空間就小，曳力就小了；并且可得空氣相對于汽車的垂直速度減小，根據康達效應，當汽車外形流線化設計時（可以滿足物體表面的曲率不是很大），可以使空氣在車身截面積變化時不脫離車身，而是從汽車的表面流過，然后在摩擦力的作用下，空氣的相對速度減小，即弱化流動分離現象，從而減小壓差阻力。根據世界轎車車型的發展歷史，從19世紀末到20世紀初的馬車型車身，到1915年福特公司生產出第一部箱型汽車，雖然在高速行駛時幫助駕駛員抵擋住了風雨的侵襲，但是又不利于車速的大幅度提高，因為箱型車車身大，空氣阻力也就很大。所以人們開始研究流線型車身的設計。這也是汽車的運動首次與空氣動力學相結合。1934年美國的克萊斯勒公司生產的氣流牌小轎車首先采用了流線型的車身外形。以達到減少更多空氣阻力的目的，特別是流體力學的深入研究和應用，為船型車身的出現奠定了理論基礎。因為在船型車身高速行駛時會產生較強的空氣渦流，為了克服這一缺陷，設計師把船型車的后窗玻璃逐漸傾斜，這就是魚型車的雛形。但是這種車身對橫風有很強的不穩定性，當其高速行駛時，會產生升力，使車輪附著力減小。1963年首次亮相的美國斯蒂貝克公司設計出的楔形車很好的解決了魚型車的升力問題，因為這種車身前部向下方傾斜，導致后行李箱明顯高于前發動機艙，而車尾平直，形成良好的風壓，防止車輪發飄。現在的轎車基本上都朝這個方向發展。其中每一種車型的出現，都不是單純的工業產物或者藝術的作品，而是與流體力學尤其是空氣動力學的發展相結合。四、優化結果汽車車型的發展史說明了隨著空氣動力學的逐漸完善，人們明白了汽車車身的流線化對降低空氣阻力的重要性。一般情況下有以下幾種方法：（1）流線化車頭和車尾；（2）封閉車輛各部件不使其暴露在外；（3）盡可能的使車身光滑無突出物。但是車輛不是獨立的行駛在空氣中的，地面效應將使行駛的汽車受到的空氣動力量發生較大的變化。（4）使汽車弦線前低后高，底版尾部適當上翹，在適當的位置安裝導流板或擾流板（5）利用氣流分布規律，還可以巧妙地把發動機的進氣口安排在高壓區，提高進氣效率，減少高壓區附近的渦流，同時把排氣口安排在低壓區，使排氣更加順暢。綜上所述，流線型設計車身并結合上述各種經驗可以很好的減小空氣對汽車的阻力，從而減小能耗，提高動力性。汽車車型的不斷改進，流線型設計不斷進步，會使得汽車的所受阻力越來越小，直到接近某一臨界值。汽車造型與空氣動力學汽車造型與空氣動力學的關系一、轎車前部車頭造型對氣動阻力影響因素很多，主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發動機罩與前風窗造型、前凸起唇及前保險杠的形狀與位置、進氣口大小、格柵形狀等。車頭邊角的影響：車頭邊角主要是車頭上緣邊角和橫向兩側邊角。對于非流線型車頭，存在一定程度的尖銳邊角會產生有利于減少氣動阻力的車頭負壓區。車頭橫向邊角倒圓角，也有利于產生減小氣動阻力的車頭負壓區。車頭形狀的影響整體弧面車頭比車頭邊角倒圓氣動阻力小。車頭高度的影響頭緣位置較低的下凸型車頭氣動阻力系數最小。但不是越低越好，因為低到一定程度后，車頭阻力系數不再變化。車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產生負升力。車頭下緣凸起唇的影響增加下緣凸起唇后，氣動阻力變小。減小的程度與唇的位置有關。（2）斜度：前風窗玻璃的斜度（與垂直面的夾角）=300時，降阻效果不明顯，但過大的斜度，使視覺效果和舒適性降低。前風窗斜度=480時，發動機罩與前風窗凹處會出現一個明顯的壓力降，因而造型時應避免這個角度。(3)前風擋玻璃的傾斜角度（與垂直面的夾角）越大，氣動升力系數略有增加。發動機罩與前風窗的夾角與結合部位的細部結構。6.汽車前端形狀前凸且高不僅會產生較大的阻力而且還將會在車頭上部形成較大的局部負升力區。具有較大傾斜角度的車頭可以達到減小氣動升力乃至產生負升力的效果。二、轎車客艙A柱前立柱上的凹槽、小臺面和細棱角，處理不當，將導致較大的氣動阻力和較嚴重的氣動噪聲和測窗污染。應設計成圓滑過渡的外形。側壁轎車側壁略有外鼓，將增加氣動阻力，但有利于降低氣動阻力系數。但外鼓系數（外鼓尺寸與跨度之比）應避免在0.020.04之間。頂蓋綜合氣動阻力系數、氣動阻力、工藝、剛度、強度等方面的因素，頂蓋的上擾系數（上鼓尺寸與跨度之比）應在0.06以下。4.客艙長度對階背式轎車而言，客艙長度與軸距之比由0.93增至1.17，會較大程度的減小氣動升力系數。三、轎車尾部車身尾部造型對氣動阻力的影響主要因素有：后風窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度、尾部橫向收縮。后風窗斜度后風窗斜度（后風窗弦線與水平線的夾角）對氣動阻力影響較大，對斜背式轎車，斜度等于300時，阻力系數最大；斜度小于300時，阻力系數較小。后擋風玻璃的傾斜角控制在25度之內。尾窗與車頂的夾角介于28至32度時，車尾將介于穩定和不穩定的邊緣。2.尾部造型式樣典型的尾部造型有斜背式、階背式、方（平）背式。由于具體后部造型與氣流狀態的復雜性，一般很難確切的斷言或部造型式樣的優劣。但從理論上說，小斜背（角度小于300）具有較小的氣動阻力系數。3.車尾高度流線型車尾的轎車存在最佳車尾高度，此狀態下，氣動阻力系數最小。此高度需要根據具體車型以及結構要求而定。后車體的橫向收縮一定程度的后車體的橫向收縮對降低氣動阻力系數有益，但過多的收縮會引起氣動阻力系數的增加。收縮程度受具體車型而定。5.車尾形狀車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動升力越小，甚至可以產生負升力。四、轎車底部車身底部離地高度一般雖車身底部離地高度的增加氣動阻力系數上升，但高度過小，將增加氣動升力，影響操作穩定性及制動性。另外離地高度的確定還要考慮汽車的通過性與汽車中心高度。車身底部縱傾角車身底部縱傾角對氣動阻力影響較大，縱傾角越大，氣動阻力系數越大，故底板應盡量具有負的縱傾角。將汽車底板做成前底后高的形狀對減小氣動升力有用。車身底板的曲率縱向曲率：適度的縱向曲率可以減小壓差阻力。橫向曲率：適度的橫向曲率可以減小氣動升力。最佳曲率視具體車型而定。擾流器對氣動阻力的影響富康是典型的半水滴造型，這樣的造型符合當今汽車設計的最新潮流，充分運用了空氣動力學的最新成果。經過嚴格的風洞試驗，富康的風阻系數僅為0.31。風阻系數在過去的轎車手冊中從未出現過，今天則是介紹轎車的常用術語之一，在國外已經成為人們十分關注的一種參數了，它是指汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產生的縱向，側向和垂直等三個方向的空氣動力量，它的系數值是由風洞測試得出來的。汽車行駛速度越快其所受到的空氣阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會增加汽車燃油消耗量或嚴重影響汽車的動力性能。據測試，一輛以每小時100公里速度行駛的汽車，發動機輸出功率的百分之八十將被用來克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經濟性。雪鐵龍ZX系列的風阻系數只有0.305，是普及型汽車里面最優秀的，而如今的帕薩特B5德國版已達到0.28。據試驗表明，空氣阻力系數每降低百分之十，燃油節省百分之七左右。曾有人對兩種相同質量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(分別是0.44和0.25)的轎車進行比較，以每小時88公里的時速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節約了1.7公升。因此，當你決定選擇一種經濟實用的私家車時，這也是不可或缺的考量因素。當然，并不是所有的轎車都會公布自身的風阻系數，除非它在這方面很優秀。汽車空氣動力學知識阻力一輛轎車的氣動效率是由其阻力系數(Cd)所決定的。而阻力系數與面積無關，它僅僅是反映出物體的形狀對于氣動阻力的影響。理論上來講，一個圓形的平板的阻力系數為1.0，但是如果考慮到其邊緣周圍的湍流效應，它的阻力系數將會變為1.2左右。氣動效率最高的形狀是水滴，它的阻力系數只有0.05。不過，我們不可能制造出一輛水滴形狀的轎車。一輛典型的轎車的阻力系數大致為0.30。阻力的大小是與阻力系數(也叫牽引系數、風阻系數)、正面接觸面積和車速的平方成比例的。你會發現一輛時速120英里的轎車所遇到的阻力是一輛時速60英里的轎車的四倍。你還可以發現阻力對于最高時速的影響。