王淳正

摘 要：隨著人們生活水平的日益提高，我國汽車的保有量也是逐年增長，汽車污染問題受到越來越大的關注。由于汽車風阻是汽車行駛阻力的主要來源，降低汽車風阻是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要方式。本文研究了汽車阻力的來源，各外形設計對風阻的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)進氣格柵，底盤等為影響整車風阻的關鍵因素；輪眉，車門把手等為次要因素，對影響風阻的關鍵因素加以改進能有效降低汽車的能耗，并通過比亞迪“漢”的成功案例給出降阻方案的應用。本文對汽車風阻研究具有一定參考價值。

關鍵詞：低風阻外形 降阻設計 汽車風阻

Research Progress in Automobile Wind Resistance Analysis and Shape Optimization

Wang Chunzheng

Abstract：With the improvement of people's living standards， the ownership of automobiles in China is also increasing year by year， and the problem of automobile pollution has received more and more attention. Since automobile wind resistance is the main source of automobile driving resistance， reducing automobile wind resistance is an important way to achieve energy saving and emission reduction. In this paper， the sources of automobile resistance and the influence of each shape design on wind resistance are studied. Through the study， it is found that the air intake grille and chassis are the key factors affecting the wind resistance of the whole vehicle. Wheel fenders， door handles， etc. are secondary factors， and improving the key factors affecting wind resistance can effectively reduce the energy consumption of automobiles， and give the application of drag reduction scheme through the successful case of BYD "Han". This paper has certain reference value for the study of automobile wind resistance.

Key words：low wind resistance shape， drag reduction design， automotive wind resistance

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，汽車成為家家戶戶的“必需品”，人們對汽車的動力性、經(jīng)濟性與環(huán)保性有了更高的要求。汽車所受的風阻是油耗高的重要因素，相關研究表明，當汽車時速達到70km/h時，整輛車的氣動阻力占總阻力的比率迅速提高。因此，汽車的低風阻外觀設計不僅可以提升汽車的動力性與舒適性，更能改善燃油經(jīng)濟性，減少能源消耗以應對日益嚴重的能源危機問題。在現(xiàn)有的研究中，大致分為車前端、車身側面、底盤與車尾，每個部分都會對汽車風阻產(chǎn)生影響，找出影響汽車風阻的各個因素并加以改進就能大幅降低其風阻。

本文首先分析了汽車行駛時所受的空氣阻力的構成和風阻系數(shù)。通過把汽車分為四部分——車前端、車身側面、底盤以及車尾，逐個部分找出影響汽車風阻的因素，通過對每個影響因素的研究，找出主要影響因素與次要因素。在此基礎上以比亞迪“漢”成功的低風阻外觀設計為例進行實際分析。本文對汽車的降阻設計研究具有一定的參考價值。

2 空氣阻力與風阻系數(shù)

汽車在行駛過程中需要確保自身動力能夠克服外界所帶來的行駛阻力。汽車行駛阻力的來源可分為：坡度阻力、加速阻力、滾動阻力和空氣阻力。由于坡度阻力只存在于上坡行駛，加速阻力只存在于加速行駛。汽車降阻應主要注重滾動阻力和空氣阻力，其中空氣阻力是汽車在正常行駛過程所受的主要阻力。

空氣阻力由以下五部分構成：

（1）摩擦阻力—根據(jù)空氣流體力學所研究的結果，汽車表面附有很薄的一層空氣，附面層與空氣流層之間存在速度梯度[1]。空氣所具有的粘性導致汽車表面各層空氣之間產(chǎn)生摩擦力，即摩擦阻力。

（2）壓差阻力—空氣流過汽車后，汽車前后兩端形成壓力差形成了壓差阻力。

（3）干擾阻力—因為空氣具有粘性，汽車所突出的外觀件會產(chǎn)生分離現(xiàn)象和渦流。分離現(xiàn)象和渦流會耗散能量，產(chǎn)生了干擾阻力。

（4）內(nèi)部阻力—空氣通過進氣格柵流入車內(nèi)，保證汽車內(nèi)部空氣流通以及滿足機艙動力需求，這部分阻力即內(nèi)部阻力。圖1為汽車內(nèi)循環(huán)阻力圖。

（5）誘導阻力—誘導阻力主要與升力相關，由于汽車上下形狀不同，氣流流速不同所以形成升力。

以上五部分共同構成了空氣阻力，計算空氣阻力時使用公式[1]。

其中CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；ρ為空氣密度；ua為行駛速度。

在汽車高速行駛時，空氣阻力甚至占到總阻力的85%。為了提升燃油經(jīng)濟性，減少能源消耗，降低所受的空氣阻力至關重要。由公式可知，風阻系數(shù)是決定空氣阻力最重要的因素。根據(jù)仿真實驗顯示，當風阻系數(shù)從0．35降低到0．26時，汽車的最高時速可以從189km／h提升到199km／h，變化趨勢如圖2。

由公式可知，降低空氣阻力主要是降低汽車的風阻系數(shù)，可以通過改變車身形態(tài)，改善外觀件等均能減少風阻系數(shù)。

3 影響汽車風阻的因素

汽車的造型經(jīng)歷了巨大的轉(zhuǎn)變，早期汽車造型設計并沒有考慮汽車風阻，最開始的汽車造型甚至沒有車頂，經(jīng)過科技的不斷進步，汽車空氣動力學的不斷發(fā)展與演化，汽車造型逐漸趨向于流線型。每次汽車造型的改進都與降低汽車風阻系數(shù)的研究同步，從箱型、流線型、船型到魚型和契型，從最初的1.0到現(xiàn)在的0.23，汽車低風阻化得到巨大的提升。圖3為汽車風阻系數(shù)隨時間的變化。

根據(jù)研究顯示，作用在汽車上的空氣，有35%-40%從車身上面流過；10%-15%從底盤流過，25%從車身側面流過，還有20%作用在汽車的尾部[4]?？諝庾枇ψ饔迷谲嚿砀鞑糠郑渲熊嚽岸苏伎諝庾枇偭康?5-30%；車身側面占空氣阻力總量的5%-10%；車底部占空氣阻力總量的10-15%；車后端占空氣阻力總量的55-65%。因此可以把影響汽車風阻的因素分成四個部分進行研究，分別是車前端，車身側面，底盤以及車尾。

3.1 車前端

3.1.1 進氣格柵

在對各主要迎風區(qū)域的風阻系數(shù)進行研究后發(fā)現(xiàn)，前保系統(tǒng)對整車風阻的影響非常大。因為在車輛行駛過程中，車輛最先接觸到空氣的部分是前保系統(tǒng)，其中進氣格柵是前保系統(tǒng)的重要組成部分，進氣格柵是為了保證機艙內(nèi)發(fā)動機與電機的散熱。空氣進入機艙內(nèi)流經(jīng)機艙內(nèi)零部件時產(chǎn)生能量的損失，進而產(chǎn)生了風阻。因為進氣格柵不僅是車輛行駛時與空氣正面接觸的主要部分，還是車外與發(fā)動機艙的氣壓分界點，所以進氣格柵是產(chǎn)生風阻的主要影響因素。

對于燃油車型還不能完全做到去除前保格柵，可以采用主動進氣格柵設計，可在需要時打開，不需要時關閉，并能控制調(diào)節(jié)近氣大小。很多豪華品牌如奔馳C級等已經(jīng)采用了這項設計。對于新能源純電動車型，除了保留必須的散熱口，應盡可能去除進氣格柵，使前保系統(tǒng)平整化，這將大大降低汽車的風阻。

3.1.2 前風窗傾角

前風窗傾角是前風窗與豎直面間的夾角c，如圖5所示。

增大汽車前風窗的傾角，可以使得前風窗和發(fā)動機罩的夾角增大，使空氣流動更加順暢，從而減少氣流分離的情況，從而減少汽車的氣動阻力。此外，增大前風窗的傾角還能夠增加前風窗和車頂?shù)膴A角，使整個汽車的流線性更加優(yōu)化，進一步降低氣動阻力。

3.1.3 車頭高度優(yōu)化

為了降低汽車風阻，除了車頭的設計應盡可能倒圓角，還應該考慮車頭高度的影響。圖6所示為車頭高度的變化對風阻系數(shù)的影響。根據(jù)圖6，最初車頭的設計為紫色線所示，既未倒圓角又車頭高度過高，隨著車頭的倒圓角處理與高度的不斷優(yōu)化，最終為紅色線所示，風阻系數(shù)降低了14%。車頭作為最先接觸氣流的車身結構，車頭的任何結構改變都對后期的整車風阻優(yōu)化至關重要，因此需要最先確定車頭的設計。

3.1.4 保險杠

保險杠會對汽車風阻產(chǎn)生影響，主要與保險杠的斷面形狀、與車身的過渡圓角、突出距離和正面投影面積四各方面。

前保險杠截面形狀應是外凸形，與車身的過渡要盡量圓滑，保障流體能成功地分流而不產(chǎn)生阻滯現(xiàn)象。當前保險杠突出距離越大，因氣流急劇轉(zhuǎn)折而產(chǎn)生的渦流就越少，因此而產(chǎn)生的氣動阻力就越小。此外，增大前保險杠突出距離還有利于增強汽車的安全性能。當前保險杠正面投影面積越小，則氣流與其相沖突的阻力就越小，汽車的氣動阻力就越小。

3.2 車身側面

3.2.1 輪轂

輪轂的形態(tài)是產(chǎn)生風阻的重要因素。當空氣流經(jīng)輪轂時，如果輪轂暴露的面積過大，將產(chǎn)生嚴重的氣流分離現(xiàn)象。所以，適當封閉車輪輪轂是降低風阻的好方法，可設計成開孔面積小且表面凹凸結構少的輪轂。

3.2.2 后視鏡、門把手、擋泥板、輪眉

后視鏡、門把手、擋泥板、輪眉這些部件均是汽車側表面的突出部件。這些部件使車身側表面氣流分離異常嚴重，同時還增強了車身側表面的流場擾動，使得汽車風阻明顯增加。

門把手：目前大多數(shù)汽車都對門把手采取了隱藏式設計，這樣的大大降低了汽車風阻。

擋泥板：擋泥板在保證能達到擋泥效果的前提下，擋泥板的圓弧度越大，向外突出越小，受的空氣阻力就越小，氣流流動越順暢，就越有利于降低汽車風阻。

輪眉：輪眉作為裝飾外觀，并沒有實際用處，為降低風阻可以完全取消。

后視鏡：后視鏡作為整車最突出的部件，對風阻有較大影響，目前各大汽車廠商正在研發(fā)用攝像頭來代替后視鏡，如果實現(xiàn)將大大降低汽車風阻。

3.3 底盤

流經(jīng)底盤的氣流受到旋轉(zhuǎn)車輪的擾動和底盤不平整度的相互作用，氣流管理難度極大。底盤對汽車風阻的影響分為兩個方面：一個是底盤的離地高度，另一個則是底盤的平整度。

3.3.1 離地間隙

底盤的離地間隙是影響汽車風阻的重要因素之一?？諝饬鹘?jīng)底盤時，如果離地間隙過高，流經(jīng)車底的氣流量會變大，對底盤凸出的暴露件就會產(chǎn)生更大的沖擊，因此會產(chǎn)生較大的風阻。但是并不是越低的底盤越好，不同于在專業(yè)賽車道馳騁的跑車，對于家用車，過低的離地間隙不利于通過日常道路。因此，在保證足夠通過性的前提下，盡可能的降低離地間隙是降低風阻的有效方法。

3.3.2 暴露件隱藏

汽車的底盤遍布著各種部件，如：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)等。如何將其中的暴露件更好的隱藏，減少氣流對其的沖擊，是降低底盤風阻的有效方法。

為將暴露件隱藏起來，需要給底盤加裝氣動附件，氣動附件大致分別為前保下護板及前機艙護板、前輪擾流板、電池包前端及兩側護板、后保險杠下護板。譚暢等人[6]在試驗研究中將氣動附件組合，做了四種不同方案的試驗，分別是1.前保下護板+機艙下護板2.前保下護板+機艙下護板+前輪擾流板3.前保下護板+機艙下護板+前輪擾流板+電池包前端及左右兩側護板4.前保下護板+機艙下護板+前輪擾流板+電池包前端及左右兩側護板+后保險杠下護板

通過CFD對四種方案進行模擬，結果表明[6]，方案四降阻效果最明顯，通過對照四個實驗可知，每個氣動附件均能起到減少空氣阻力的效果，其中前輪擾流板的效果最佳。因此，在允許的條件下，最大限度的將底盤暴露件隱藏將極大降低汽車風阻。

3.4 車尾

汽車尾部的風阻是車輛前后的壓差阻力導致的，降低壓差阻力需要提升車尾部的背壓。汽車尾部會受到來自渦流旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，為了提升車尾部的背壓，應使渦流旋轉(zhuǎn)的中心盡可能遠離車體。要使車尾獲得更高的背壓，車尾周圍的氣流應分離明顯，車尾應設計成邊緣明顯分離的“方尾”造型。

4 設計案例

4.1 概述

“漢”是比亞迪全新研制的高端旗艦轎車，采用全新造型設計語言?！皾h”的核心目標是高續(xù)航，而低風阻化造型是實現(xiàn)高續(xù)航的重要途徑。根據(jù)空氣動力學計算，“漢”的風阻系數(shù)每降低10計數(shù)單位，續(xù)駛里程可提升約8km[7]。因此，全新比亞迪“漢”特別重視低風阻，風阻系數(shù)低至0.233，目前風阻系數(shù)在0.235以內(nèi)的量產(chǎn)轎車在全球不超過10款。

4.2 研究方法

比亞迪“漢”采用CFD仿真與風洞試驗相結合的方法。

傳統(tǒng)汽車空氣動力學的研究采用風洞實驗，但隨著科技的不斷進步，計算機技術的不斷發(fā)展，CFD仿真設計孕育而生。CFD根據(jù)給出的流體力學方程進行仿真。能獲得例如溫度，速度，壓力等物理量的分布，還能得到這些物理量隨時間變化的規(guī)律。相比于傳統(tǒng)的風洞實驗，CFD仿真設計有著許多明顯的優(yōu)勢，首先就是節(jié)約成本，CFD仿真設計耗資少，只需在電腦上就可以生成。其次，CFD仿真設計的設計周期短，節(jié)省時間。最后CFD仿真設計更加全面，能解決許多風洞實驗無法解決的問題。

當然CFD仿真實驗仍然不是完美的，因為它根據(jù)數(shù)學方程進行計算，有時無法保證數(shù)學方程的準確性，因此，現(xiàn)在測試汽車風阻大都先采用CFD仿真設計再進行風洞實驗，這樣能最大限度的確保實驗的準確性。

風洞試驗是模擬汽車在真實空氣環(huán)境中的狀態(tài)，是研究汽車風阻系數(shù)的主要手段，在汽車開發(fā)與空氣動力學計算中發(fā)揮著至關重要的作用。風洞實驗主要用于研究氣體流動及其與汽車模型之間的相互作用，將汽車模型置于人工試驗環(huán)境中，固定后利用大型風扇模擬真實氣體流動環(huán)境。

4.3 外觀設計

比亞迪“漢”分別對車頭、車底、前艙內(nèi)流與低風阻輪轂進行重點設計。

4.3.1 車頭

車頭應通過降低自身的高度來減小正壓區(qū)的面積進而降低風阻。“漢”通過降低車頭高度40mm，使風阻系數(shù)減少了5個計數(shù)單位。如圖7所示。

4.3.2 車底部

車底部的風阻設計應做到兩方面：一是在縱向垂直截面上，氣流進入車底后需要保持附著，一旦氣流脫離車底表面，將造成動量損失。二是在車底的水平截面上，氣流受到車輪旋轉(zhuǎn)的干擾，在車輪處產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象，使車底部氣流集中，造成動量損失。針對這兩點，“漢”對車底部的暴露件、前后保險杠、前輪擾流板以及各導流板進行了大量的優(yōu)化設計，來優(yōu)化車底部氣流的流動。

4.3.3 低風阻輪轂

旋轉(zhuǎn)車輪占整車風阻的10%左右?！皾h”為追求動力性，需要確保輪胎有足夠的抓地力，這也增大了車輪輪轂的設計難度。因此，“漢”的研發(fā)團隊投入大量精力，通過對多種輪輞設計方案的仿真分析和優(yōu)化，最終設計出風阻系數(shù)僅比全封閉狀態(tài)高出4個計數(shù)單位的低風阻輪轂，具備極佳的降阻效果。

4.4 小結

比亞迪“漢”的空氣動力學性能開發(fā)過程，采用CFD仿真技術結合風洞實驗，對整車風阻進行優(yōu)化，分別對車頭采取降低高度設計、車底部加裝護板以及暴露件隱藏、車輪選用低風阻輪輞等，最終實現(xiàn)低風阻化。

5 結語

本文分析了汽車各個部件對整車風阻的影響，通過對國內(nèi)外關于汽車低風阻外觀設計的研究進行分析與總結，得出進氣格柵、底盤等為主要因素，輪眉、保險杠等為次要因素，對這些主要因素提出改進方法與建議，通過對主要因素的改進，使整車風阻有效降低。通過比亞迪“漢”的低風阻外觀設計案例，給出汽車降阻方法的應用

目前汽車低風阻CFD仿真實驗方法仍有可提升空間，當前大多測試汽車風阻的方法為風洞實驗與CFD仿真相結合，而風洞實驗需要大量的人力與財力，消耗巨大，如果CFD仿真實驗可以完全替代風洞實驗，將大大節(jié)約時間與物質(zhì)成本。當前的汽車造型仍然處于整車造型階段，隨著人們獨特的審美出現(xiàn)，追求個性成為主流，未來的汽車造型趨向于分體式，如何實現(xiàn)分體式造型的汽車低風阻外觀成為未來的研究目標。

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