汽车的气动技术与开发现状（一）

近些年，随着汽车的高速化与高性能化，以及环境问题变得更加突出，舒适性提升的需求也明显加强，车身周围流体的控制技术与汽车空气动力学性能也越来越受到重视。

从全球二氧化碳排放量的比例来看，运输行业的排放量占比约四分之一，其中有七成左右的二氧化碳是汽车排放的。汽车的气动阻力与二氧化碳排放有着密切的关系，所以如何降低气动阻力是一项重要课题。

汽车相关的流体控制技术不只是关注车身周围的流体，还包括发动机的燃烧、驱动系统的油液流动、散热器及冷凝器的水流动、制动冷却风的流动、发动机舱内的冷却风流动、乘员舱内的空调风流动等，这些都是需要运用流体控制技术去进行研发的领域。

本文讲述的是汽车开发与流体力学的关系，其中特别是针对“空气动力”这一细分项目进行详细讲述。

在1885年戴姆勒奔驰发明了最早的燃油车之后，18世纪90年代便已经有了汽车竞速比赛，为了使赛车跑的更快（动力性能提升）从而开始了降低空气阻力的研究。

19世纪20年代末，德国建立了世界上最早的高速公路，在19世纪30至40年代期间，更多的高速公路被投入使用，至此汽车高速行驶的机会大幅增加，降低空气阻力的研究也变的更加有意义。

另一方面，这个时代的低风阻汽车被指出在受到侧风时会表现出较差的操稳性能，所以需要对侧风稳定性能进行研究。再之后，虽然进入汽车快速普及的时代，但是乘坐舒适性和外观造型更被优先看重，所以在19世纪60至70年代，对于降低C_D的研究进入了缓慢时期（图1，图2）。

又因为在19世纪70年代时爆发了第一次与第二次石油危机，人们在燃油经济性的观点上再次认识到降低风阻的重要性。与此同时车辆的最高车速提升，使得侧风稳定性成为汽车空气动力学密不可分的一部分，研发投入再次增加。除此之外，在乘坐舒适性方面有降低气动噪声的需求，行驶安全性方面则需要对与侧窗视认性相关的雨水管理、车身及风挡污染控制、车身附雪等工况开展技术研究。

基于以上的发展过程，近些年的汽车空气动力开发已经不再只关注风阻系数C_D和升力系数C_L，而是从经济性，安全性和舒适性的整体观点上来改善整车流场情况的开发技术。

3.1 气动特性

车辆受到的各个方向的空气力统称为气动六分力，方向分别为车辆的前后、左右、上下三个轴上的力和沿这三个轴顺时针旋转的力矩（图3）。

通常空气力的表述为无量纲量，分别为前后方向的阻力系数（C_D）、左右方向的侧向力系数（C_S）、上下方向的升力系数（C_L），这里的阻力系数C_D我们一般称为空气阻力系数，在后文里的“阻力”将采用“空气阻力”来表示。

力矩也是用无量纲量来表述的，分别为沿前后轴旋转的侧倾力矩系数（C_RM）、沿左右轴旋转的俯仰力矩系数（C_PM），沿上下轴旋转的横摆力矩系数（C_YM）。

上述的气动特性与车辆的运动性能紧密相关，每个分力所影响的项目由表1所示。

3.2 空气阻力

空气阻力是气动特性中最重要的特性之一，阻力系数对燃油费和最高速度等有非常大的影响。

其中影响燃油费的行驶阻力，它包含空气阻力、加速阻力、滚动阻力、斜面阻力，这些阻力所做的功如图4所示，正常工况下的行驶，通过空气阻力、加速阻力、滚动阻力的做功量来进行评价。

以平均水平的小型乘用车为例，空气阻力消耗的能量占行驶阻力消耗的比例为：WLTC（取消超高速段）下约20%，欧洲NEDC下约30%（图5）。也就是说降低10%的空气阻力能够降低2%~3%的燃油费。

假设每年行驶距离为1万公里，降低10%的空气阻力就可以减少几十公斤的二氧化碳排放，所以降低空气阻力很重要。EV和HEV车在行驶工况下，因为有减速回收能量和怠速启停等功能，对空气阻力的敏感度会更高。

在平坦的道路上进行定常行驶时虽然只有空气阻力和滚动阻力，但是以60km/h为界限速度，速度越高空气阻力的占比会越大（图6）。此界限速度会因车辆质量而有所不同，更大质量的车型界限速度会在80km/h左右。此外，空气阻力对最高速度也有很大的影响，如图7所示，但是这里需要注意的是对最高速度的影响程度与车辆发动机特性和变速箱特性有关系。