究竟如何划「风」而驰？风阻系数导论与设计重点介绍

究竟如何划「风」而驰？风阻系数导论与设计重点介绍

汽车设计中，降低风阻系数是提升性能和燃油经济性的关键。本文将深入探讨风阻系数的定义、测量方法及其对汽车设计的影响，通过多个实际案例和实验数据，揭示汽车制造商如何通过优化设计来降低风阻，实现更好的行驶性能。

根据空气动力学原理，车头行进时会因迎风产生高压，而在车尾则会产生平衡的低压真空区。上图展示了梅赛德斯-奔驰风洞实验室的测试场景，验证了这一理论。

行驶中的“风”该如何定义？风阻系数的物理意义详解

要理解如何在行驶中破“风”，首先需要了解风阻系数的定义。风阻系数涉及复杂的空气动力学原理，简而言之，当环境气体为不可压缩牛顿流体时，可以导出以下阻力与风阻系数的公式：

Fd = 1/2ρv²CdA

其中：

• ρ（希腊字母rho）为空气密度，单位为 kg/m³
• Fd为车辆接受风速时产生的实际阻力
• v为车速
• Cd为风阻系数
• A为车辆迎风面积

随着车速的增加，空气阻力也会逐渐增加。据研究，在时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行驶阻力的85%。

一般而言，汽车制造商通过风洞测试来获取车辆的风阻系数。测试方法是将车辆置于风洞中，模拟汽车行驶时的车速，通过测量仪器检测车辆需要克服风速所需的力（Fd）。在进行特殊空气动力学设计时，一些制造商还会采用流场可视化技术，观察车辆在风洞中接受测试时产生的流线，以评估流线平顺度和导流特性，从而优化车辆外形以降低风阻。

外型与用途决定风阻大小

车辆的外形和用途在很大程度上决定了其风阻系数。以现行市售车型为例，轿车的风阻系数通常在0.250.45之间，而SUV则在0.350.55之间，巴士或商用货车的风阻系数甚至可能超过0.5。

科技进步使得制造商能够突破车辆初始用途的限制，逐步降低风阻。以本田CR-V为例，该车型的风阻系数从第一代的0.45，降至最新版本的0.34，在未改变车辆用途的情况下，实现了25%的风阻改善，实属不易。

本田CR-V风阻系数从第一代的0.45（上图）降至第四代的0.34（下图），在保持车辆用途不变的情况下，实现了25%的风阻改善。

最直接影响：车头形状设计

汽车行驶时，气流最先接触的部分是车头，因此车头设计对迎风面积和底盘气流影响最大。现代汽车制造商通常会在车头加入圆角或导角设计，以优化气流平顺度和导流性能。

在商用车领域，加装车头导流罩是常见的降低风阻措施。研究表明，有无导流罩的车辆在迎风阻力上可相差约30公斤（275牛顿）以上，长途行驶时的油耗差异更为显著。

未加装导流罩的货车，其方正的形状如同逆风持板。研究显示，加装导流罩可有效减少车头迎风阻力。

收窄车身，利于划风而驰

研究表明，水滴形几何形状在风阻系数方面表现最佳。虽然许多车辆因设计考量无法采用这种形状，但制造商会在俯视角度上进行优化。例如，通过收窄车尾宽度，采用经典的水滴形设计来减小空气阻力。

苏黎世理工学院开发的PAC-Car II概念车，采用水滴形设计，创造了0.07的超低风阻系数，是目前世界最低风阻车辆纪录保持者。

底盘平整化，利于空气流动

平滑的底盘设计可以减少空气摩擦阻力。理论上，不平整的底盘设计容易产生涡流，增加阻力。因此，许多跑车都将底盘设计为平滑表面，以优化空气流动。

理论研究表明，不平整的底盘设计容易产生涡流，增加阻力。因此，许多跑车采用平滑底盘设计以优化空气流动。

空力套件的迷思：对降低风阻的实际效益

虽然车辆的风阻与原始用途关联紧密，但外型改变可能会影响风阻。其中，加装空力套件是最常见的改变方式。然而，加装空力套件是否能有效降低风阻，需要通过风洞测试或计算机模拟来验证。

以扰流尾翼为例，虽然它能增加高速行驶时的下压力，但是否能降低风阻则需实测验证。某些设计可能改善车尾真空吸力，但也会增加下压力，对油耗的影响需要实测才能确定。

扰流板设计类似飞机机翼，迎风面朝上时会产生负升力，以增加车身稳定性。

降低风阻设计手段多样，但需兼顾实用性

汽车外型空力设计与汽车发展密切相关，追求更低风阻系数有助于提升燃油经济性。然而，在追求低风阻的同时，制造商还需考虑车辆用途和市场接受度。

以梅赛德斯-奔驰Bionic概念车为例，该车采用仿生学设计，风阻系数低至0.19，但可能因用途、市场接受度或制造成本等原因未能量产。

梅赛德斯-奔驰Bionic概念车采用仿生学设计，风阻系数达到0.19。

目前市售车型较少强调风阻系数，可能是因为在追求多功能性和实用性的同时，风阻系数已不再是首要设计目标。但不可否认，风阻系数仍是影响行驶阻力的重要因素。未来，期待制造商能在各车型级别中继续优化风阻设计，为社会和环境做出更多贡献。