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，如何减少行驶时的阻力是实现低排放、高动力输出的重要目标。其中，风阻系数作为衡量车辆空气动力学性能的关键指标，其优化设计对提升车辆性能具有重要意义。本文将深入探讨风阻系数的定义、测量方法及其在汽车设计中的具体应用。
根据空气动力学原理，车头行进时会因迎风产生高压，而在车尾部分则会产生平衡的低压真空区。上图展示了梅赛德斯-奔驰风洞实验室的实验场景，验证了这一理论。
行驶中的“风”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”，首先需要明确风阻系数的定义。风阻系数涉及复杂的空气动力学原理，但可以简化为以下公式：
$$
F_d = \frac{1}{2} \rho v^2 C_d A
$$
其中：
- $F_d$：车辆受到的实际阻力
- $\rho$：空气密度（单位：kg/m³）
- $v$：车速
- $C_d$：风阻系数
- $A$：车辆迎风面积
当环境气体为不可压缩牛顿流体时，上述公式成立。值得注意的是，当物体移动速度超过367.5公里/小时（0.3马赫）时，流体的连续性将被破坏，转变为次音速可压缩流。
风阻系数的测量方法
一般而言，车辆的风阻系数是通过风洞测试获得的。具体方法是将车辆置于风洞中，模拟不同车速下的气流环境，然后使用测试仪器测量车辆需要克服风阻所需的力（$F_d$）。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，通过观察车辆在风洞中产生的流线，来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。
车辆外形与用途决定风阻大小
车辆的初始设计和用途对其风阻系数有重要影响。以当前市售车型为例，轿车的风阻系数通常在0.25至0.45之间，而SUV车型则在0.35至0.55之间。商用货车的风阻系数可能更高，甚至达到0.5以上。
随着科技的进步，制造商开始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，在保持车辆用途不变的情况下，实现了25%的风阻改善，这是一项显著的技术成就。
本田CR-V风阻系数的演变：从第一代的0.45（上图）到第四代的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。
直接影响风阻的关键设计要素
车头设计
汽车行驶时，气流最先接触的部分是车头。车头设计直接影响车辆的迎风面积和底盘气流。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。在商用货车中，加装导流罩已成为降低风阻的常见措施。研究表明，有无导流罩的货车在迎风阻力上可相差约30公斤（275牛顿），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。
车身收窄设计
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限制无法采用这种形状，但制造商可以通过优化俯视角度来实现类似效果。例如，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，创下世界纪录。
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的超低风阻系数纪录。
底盘平整化
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，许多跑车都采用平滑的底盘设计，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，许多跑车采用平滑的底盘设计。
空力套件的使用效果分析
虽然空力套件（如扰流尾翼）常被用于改善车辆外观和性能，但其对降低风阻的实际效果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，但是否能有效降低风阻，需要实测数据支持。马自达3的不同尾翼设计流场模拟显示，某些设计确实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验证。
扰流板的设计原理类似于飞机机翼，迎风面朝上时会产生负升力，以增加车身稳定性。
降低风阻设计的平衡考量
在追求低风阻的同时，制造商还需考虑车辆的实用性、市场接受度和经济效益。以梅赛德斯-奔驰Bionic概念车为例，虽然其采用仿生学设计实现了0.19的超低风阻系数，但由于设计过于前卫，市场接受度有限，最终未实现量产。
梅赛德斯-奔驰Bionic概念车采用仿生学设计，实现了0.19的超低风阻系数，但因市场接受度有限，未实现量产。
目前，市售车型在宣传时较少强调风阻系数，更多关注实用性和功能性。这可能意味着在当前技术水平下，风阻系数的优化已达到一定瓶颈，制造商开始将更多精力投入到拓展车辆的多功能性上。
结语
风阻系数作为影响车辆行驶阻力的重要因素，其优化设计对提升车辆性能具有重要意义。虽然当前市售车型在外形设计上更注重实用性和市场接受度，但持续降低风阻仍是汽车工业的重要发展方向。期待未来，制造商能在保持车辆功能性的前提下，进一步优化风阻系数，为社会和环境做出更大贡献。