前言：1886年卡爾·奔馳制造出世界上首輛三輪內(nèi)燃汽車，這種汽車和馬車的主要區(qū)別就是動力系統(tǒng)不同，而現(xiàn)代四輪車的雛形則來源于戴姆勒的靈感。在此后一百多年時間里，隨著人們對汽車機動性的需求越來越高，以及審美的變化，汽車外形也一直更新?lián)Q代。從甲殼蟲汽車到船型車，再到楔形車，人們總是傾向于使汽車外形阻力更小且兼具美觀的方向發(fā)展。本文將簡單討論汽車外形與空氣動力學的關(guān)系。

汽車造型與氣動阻力

大氣壓下，汽車均速、水平行駛中的空氣動力學阻力由壓差阻力和摩擦阻力構(gòu)成，根據(jù)二者占比以及汽車部位不同，空氣動力學阻力分為形狀阻力、誘導(dǎo)阻力、粗糙度阻力、干涉阻力和內(nèi)循環(huán)阻力。而汽車69%的燃油用于克服空氣阻力，空氣動力學阻力的58%為形狀阻力，所以汽車造型對降低其阻力有著至關(guān)重要的影響。這里引入風阻系數(shù)

其中，υ2∞ 為無窮遠處的均勻氣流與汽車的相對速度，A 為汽車正投影面積。圖1是不同造型汽車相同水平均勻理想氣流中水平勻速行駛時的氣動阻力系數(shù)，可以看出，不同車型的氣動阻力系數(shù)差異非常大。

圖1

接下來我們將對以上空氣動力學阻力逐個簡要分析。

1. 形狀阻力

汽車形狀阻力的80%-90%為壓差阻力，空氣摩擦阻力僅占10%-20%。圖2是對不同形體在相同理想流體中所受壓差阻力的演示：

圖2

鈍體如橫放的平板、長方體在物體橫截面最大處壓力增加很大，以致流體分離，在背流側(cè)形成渦流 ，這導(dǎo)致在物體表面的壓力分布不對稱，從而產(chǎn)生壓差阻力。倒圓角可以使繞過棱線的流動不產(chǎn)生分離。這樣可以使流動延遲分離，減小壓差阻力。壓差阻力在汽車上也應(yīng)如此分析。

而對于摩擦阻力：

圖3

邊界層內(nèi)的速度梯度和分子粘性在壁面每一點產(chǎn)生的切應(yīng)力τw 在流動方向上的和即摩擦阻力。

當流動不產(chǎn)生分離的時候摩擦阻力在總阻力中占比極大，反之占比很小。這就是高爾夫球有窩點后能飛很遠的原因。但是，流線型物體，比如說某些車輛，它的空氣摩擦阻力占比很大。因為所有的液體和氣體都有粘度。這導(dǎo)致當相鄰的流體微團以不同速度運動的時候，它們之間存在摩擦力。粘度導(dǎo)致的另一個結(jié)果是流體微團會附著在它們流經(jīng)的物體表面上，這些附著的流體微團會阻滯流經(jīng)它們的流體微團，并由此產(chǎn)生摩擦阻力。

層流邊界層相較于湍流邊界層而言，與形體表面發(fā)生的作用較弱，從而減小摩擦阻力和能量吸收。所以，流線型物理所受摩擦阻力在總的阻力中占比較大。

這時，就需要對汽車表面進行光滑處理。

2. 誘導(dǎo)阻力

誘導(dǎo)阻力是由于車身上下表面壓力不同而產(chǎn)生的，但并非升力。由于車身上表面和下表面的壓力差，在水平的來流上又疊加了一個垂直的流動分量，繞過車身側(cè)面使得壓力平衡，在車身側(cè)面會產(chǎn)生隨主流流動的渦。不斷產(chǎn)生的渦流吸收能量并因此產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。誘導(dǎo)阻力與氣動升力具有關(guān)聯(lián)性，這一點在后文將會提及。

圖4 汽車誘導(dǎo)阻力示意圖

3. 粗糙度阻力和干涉阻力

粗糙度阻力和干涉阻力，包括所有因表面分界和附件突出車身表面邊界層而產(chǎn)生的阻力。其中底盤組件和懸架、車輪以及后視鏡、附加車燈、雨刷等，都會導(dǎo)致粗糙度阻力和干涉阻力出現(xiàn)。

干涉阻力分為正干涉阻力和負干涉阻力，顧名思義，二者對阻力的影響效果相反。正干涉阻力在兩個靠近物體或者相連物體之間產(chǎn)生。當以汽車為主體時，后視鏡會破壞汽車原有流場，使空氣過早分離，增大氣動阻力。負干涉阻力指的是每個流場中的流體后面都有一個流速減小的區(qū)域，在該區(qū)域中的物體受到的阻力比在外部要小。例如前后放置的兩個圓盤（圖5），在一定距離時，二者所受阻力之和比單獨放置時阻力之和小。這一點也體現(xiàn)在拖車上：經(jīng)過空氣動力學優(yōu)化的拖頭能有效降低總體所受的氣動阻力。

圖5

4. 內(nèi)循環(huán)阻力

或稱內(nèi)部阻力，是冷卻發(fā)動機和通風設(shè)備使氣體通過車體內(nèi)時產(chǎn)生的阻力，包括流體在出口處的動量損失以及流體通過冷卻器和發(fā)動機艙的壓力損失，這導(dǎo)致額外的能量損失。內(nèi)循環(huán)阻力約占空氣阻力的5%-12%。

汽車造型與氣動升力

汽車氣動升力來源于其特殊形狀（圖6）。

圖6

根據(jù)理想狀態(tài)下的伯努利方程：

結(jié)合汽車形狀，理想狀態(tài)下：

即存在氣動升力。

事實上，考慮到汽車底盤的作用，簡化的無粘、有粘的二維繞車的流動情況和壓力分布如圖7。

圖7

汽車滾動阻力與車輪法向作用力成正比，增加氣動升力，那么這個法向作用力變小，從而使阻力減小。這似乎表明氣動升力有利于降低汽車行駛的阻力。但是氣動升力的增加，不僅會導(dǎo)致車的驅(qū)動性和穩(wěn)定性減弱，還會因氣動升力的增加導(dǎo)致額外的誘導(dǎo)阻力，可能遠大于減小的滾動阻力。如此分析，增加氣動升力來減小汽車阻力是得不償失的，因為氣動升力大幅增加會減弱汽車行駛的穩(wěn)定性，增加安全隱患，比如某些車在高于70km/s時會出現(xiàn)“發(fā)飄”這種高速氣動不穩(wěn)定現(xiàn)象，降低路面感，導(dǎo)致汽車側(cè)翻、漂移等。

于是誕生了楔形車，這種經(jīng)過空氣動力學優(yōu)化的車身甚至裝有擾流板，用以增加下壓力。楔形車大部分為跑車，它們的氣動升力甚至為負數(shù)，大大增加了車輛高速運動時的穩(wěn)定性。

（本文部分圖文參考Aerodynamics of road vehicle一書）