汽車空氣動力學發展綜述

李豐勤 楊勇 張萬鑫

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640）

主題詞：汽車空氣動力學 風阻系數 外飾設計

1 前言

汽車空氣動力學是研究空氣與汽車相對運動時的現象、作用規律以及氣動力對汽車各項性能影響的一門學科[1]。汽車空氣動力學特性主要由汽車造型決定，而不是汽車空氣動力學參數。然而，在汽車產業發展的初期，造型設計主要考慮安全性、舒適性以及美觀性，空氣動力學性能并不在考慮范圍內，并且汽車和飛機或輪船不同，在自然界中很難找到理想的仿生學參考原型，因此汽車空氣動力學經歷了緩慢和不平凡的發展階段[2]。在國外針對汽車空氣動力學的研究中，存在多種數學模型，研究結果不能通用，資源不能共享。國外大學和研究機構對汽車空氣動力學的研究相對領先，國內的相關研究大部分還處于技術跟隨的階段。但是在全球氣候變化和“雙碳”目標的大背景下，國內汽車低碳化和電動化發展進度加快，汽車空氣動力學的研究熱度不斷提升，降低汽車風阻系數對節能減排、增加電動汽車續駛里程具有很大潛力。

本文闡述了汽車空氣動力學及汽車風阻系數的發展歷史、梳理了國內空氣動力學的研究現狀，并介紹了外飾設計在汽車空氣動力學中的應用，最后凝練了目前國內汽車空氣動力學研究存在的問題，為汽車空氣動力學未來的發展提出了建議。

2 發展歷史和國內外研究現狀

空氣動力學最初引入到汽車設計中是為了降低汽車的風阻系數，通過比較研究文獻中的數據發現，汽車風阻系數一直都是空氣動力學研究的重點[2]。隨著汽車工業的發展以及汽車空氣動力學研究的深入，研究人員意識到汽車空氣動力學不僅僅是汽車風阻研究的內容，汽車空氣動力學還影響車輛的行駛穩定性、視野與清潔、舒適性和機艙冷卻性能，涉及到的詳細專業范圍如圖1[3]所示。

2.1 汽車造型及汽車風阻系數的發展

乘用車的造型經過了多年發展和演化，到上個世紀20到50年代左右，汽車空氣動力學研究工作得到推進，研究成果開始體現在量產的流線形車型上。上個世紀80年代至今，汽車空氣動力學的主要工作體現在汽車的整體局部及整體的優化，以期望達到最優的空氣動力學特性，隨著造型的升級及局部的細化，汽車風阻系數也在一步一步降低[1-2]。汽車風阻系數隨著時間的發展和演化如圖2[2]所示。

2.2 國內汽車空氣動力學發展

國內汽車在空氣動力學方面的研究起步較晚，風阻系數與國外有較大的差距。如中國工程院院士李駿在國際汽車技術論壇上所闡述，國內汽車的風阻系數與國外汽車有10年以上的差距，具體差異情況及全球SUV/CUV未來發展的挑戰見圖3[3]。

隨著汽車行業的快速發展，國內產業和學術屆研究人員在空氣動力學領域也開始深入研究。劉錦生等[4]通過梳理國內外學者基于物理模型對空氣動力學的研究成果，指出了目前汽車空氣動力學無系統性理論的重大問題。同時指出針對Ahmed模型阻力系數的研究中存在研究深度不足，對Ahmed模型在后背傾角為30在時，汽車阻力系數出現躍變的問題無法做出機理性的解釋。汽車行駛環境中的顆粒物及污水的特性以及對汽車空氣動力學的影響不清楚，風洞試驗和道路滑行試驗結果關聯性不清晰，空氣動力學和車輛NVH的關聯性不清晰。劉錦生等[4]希望能形成汽車空氣動力學系統性理論，通過理論指導汽車造型設計及通用仿真模型的建立，為未來汽車的發展提供理論支持以及數據支撐。

2.2.1 優化造型降低風阻

張風利等[5]通過比亞迪汽車的某款車型，介紹了空氣動力學在汽車造型設計過程中的應用，前期通過CFD仿真分析對競品車型進行分析，通過對標競品車型，對新開發車型提供參考的優化方向。造型設計時，造型設計師和空氣動力學研究人員充分交流溝通，確?？蓪崿F造型降阻手段一次做對，節約造型設計時間，后期通過風洞試驗驗證CFD仿真的準確性，為后續車型開發提供依據。西華大學周洪婷[6]采用CFD仿真模擬，對市場上某款電動車造型進行優化，通過對比優化分析，最終優化模型比原模型的風阻系數降低0.1，為車身的造型設計提供參考。西安理工大學王博[7]采用Grasshopper參數化編程方法、汽車曲面造型設計、空氣動力學理論、CFD數值模擬方法和正交試驗理論，實現了汽車造型設計與風阻特性的參數化設計，通過改變造型參數來快速優化汽車的風阻性能，為快速優化造型提升風阻性能提供參考。但是隨著優化造型、降低風阻研究的深入，人們發現，造型的同質化越來越嚴重。為了滿足消費者對個性化的追求，具有降阻性能的外飾件引起了研究人員的重視，相關研究也從專注簡單的降阻飾件到專注主動降阻飾件。

2.2.2 優化外飾結構降低風阻

武漢理工大學李嘉成[8]通過CFD及AMEsim分析了發動機底護板對汽車流場及散熱性能的影響，經過對汽車高速、怠速、低速爬坡工況的研究，提煉出發動機底護板設計的關鍵參數，并通過對比分析得出關鍵參數的最優解，對后續發動機底護板的設計具有一定的參考意義。李勝琴等[9]通過控制變量法對某純電汽車的前輪擋泥板對整車空氣動力學的影響進行分析，經過3種方案的對比分析，選出對降低風阻最有效方案，選用的最佳擋泥板模型，可降低風阻系數0.014。唐杰等[10]對汽車冷卻裝置的百葉窗曲面進行了分析優化，研究發現將百葉窗的迎風面從平面改為曲面可以減小汽車的行駛阻力，并計算出了百葉窗最佳迎風面的尺寸。劉旺等[11]基于某車型通過STAR-CCM++建立尾翼模型，通過分析發現在車輛速度＜120 km/h時，可同時降低整車風阻以及氣動升力，即可改善空氣動力學性能還可以提高操縱穩定性，該研究可以為后續尾翼的開發提供參考。劉歡等[12]采用了CFD和風洞試驗，研究了主動尾翼在不同姿態下對整車氣動阻力系數、前后軸升力系數的影響，分析及試驗得出如下結論，即在特定的角度下，整車氣動阻力隨主動尾翼的展開而降低，超過該角度限值，氣動阻力隨主動尾翼的展開而增加。前軸升力和后軸升力隨著主動尾翼的展開有相反的變化趨勢，前軸升力呈上升趨勢，后軸升力呈下降趨勢，通過CFD分析的風洞試驗的結果對比可知，CFD仿真分析對風洞試驗的方法具有指導意義。姚一鳴等[13]探索了外置式主動進氣格柵存在的技術難點，并分析了不同材料以及不同葉片截面的優缺點，為外置式主動進氣格柵的開發提供了技術參考。劉傳波等[14]基于某MPV車型研究，通過調整主動進氣格柵開啟角度平衡整車風阻和散熱性能，先通過熱平衡試驗明確發動機對散熱量和進風量的需求，然后再滿足散熱的前提下，匹配主動進氣格柵的開度去降低整車風阻。

2.2.3 優化造型設計降低賽車風阻

空氣動力學設計是賽車發展的關鍵技術，因此賽車或高性能車的空氣動力學研究及應用，一直處于領先地位。齊曉靜等[15]提出了一種新的空氣動力學套件——百葉窗式整流罩結構，可用于各種帶有側翼的方程式賽車，以提高側翼的空氣動力學效率。作者通過分析百葉窗的關鍵參數（翅形、翅片音教、翅片弦長、平均間距等），發現偏平形側翼對提高空氣動力學效率效果最好。在一定的風速情況下，翅片的平均間距有最佳值。另外側翼的效率隨弦長、迎角的變化，呈現出先增加后減少的趨勢。整體來說優化后的結構可將側翼效率提升10%。王達等[16]以吉林大學學生方程式賽車為例,使用新的動力總成布局方式，在探索最大限度利用后置式發動機冷卻系統中做了一系列改進措施，相應地改變汽車空氣動力學的設計思路，并優化汽車每個部件的空氣動力學性能，結果表面，新的設計方案可顯著提升車輛的整體性能。武漢理工大學王世權等[17]以武漢理工大學WUT車隊2019季賽車為例，利用三維建模軟件及ANSYS分析軟件，對加裝空氣動力學套件的整車進行外流暢分析，通過優化前翼、尾翼的翼型以及翼片的寬度、弦長、翼片的間距等參數，以及增加底部擴散器以及預埋件材料調整來改善賽車的空氣動力學性能，通過研究，該優化措施可以降低賽車的整備質量從而降低賽車的風阻系數，同時還可以通過提升賽車的負升力來提高賽車的過彎速度和行駛穩定性。本次研究賽車空氣動力學套件質量較上賽季降低了45%，負升力較上賽季提升了20%，可為后續賽車設計奠定了基礎。

3 外飾設計空氣動力學應用

隨著國內對空氣動力學的研究，汽車有效降低風阻系數的措施不在僅僅從造型出發。汽車設計工程師開始使用多種氣動飾件，如氣壩、全覆蓋底護板、前保導風管、尾翼擾流板等來降低汽車的風阻系數。王琛等[18]梳理了汽車外飾的歷史與發展，提出汽車外飾件未來主要從氣動性、裝飾性、集成化、輕量化等方面發展。隨著汽車工業的進一步發展，智能氣動飾件陸續在中高端車輛上開始使用，如能平衡散熱需求及降阻需求的主動進氣格柵，可平衡車輛操縱穩定性與降阻需求的主動尾翼，能平衡低速高離地間隙和高速降阻需求的主動氣壩[9-14]。

3.1 氣壩

氣壩因其結構簡單，安裝容易，成本較低等原因，是較早在汽車上使用的氣動飾件，常用的氣壩有前唇氣壩（主要裝在前保的底部）、擋泥板氣壩（一般來講三角形氣壩相比于L形氣壩能顯著降低風阻系數），部分車型上還有側裙氣壩，氣壩主要用于改善汽車底部空氣的流動；如圖4所示。主動氣壩技術目前主要運用在賽車上，乘用車上的導入還需一定的時間。

3.2 全覆蓋底護板

空氣動力學的研究發現，車身整體曲面的光順平滑可以減少氣動分離，降低空氣阻力[2]。隨著消費者對造型個性和美觀的追求以及汽車基本功能的要求，車身可見外表面的無附件化還無法實現，因此使車身底部光滑平整，成了降低風阻系數的首選。但底盤結構復雜，會對汽車底部的氣流造成較大的影響，因此在汽車底部增加氣動飾件成為常用的解決辦法[19]。圖5[2]為某車型的全覆蓋底護板，最大程度地實現了車身底部的光滑平整。

3.3 主動進氣格柵

為滿足機艙內發動機或者電機散熱的需求，大部分車輛在前端都設計有進氣格柵，達到調節進入機艙內冷卻風量的目的。但隨著消費者對燃油車燃油經濟性或電動車長續駛里程的追求，降阻也成了主機廠急需解決的問題[13-14]。因主動進氣格柵可在需要時打開、不需要時關閉，且可調節葉片開度，越來越多地受到主機廠設計工程師的關注，寶馬5系、奔馳C級、廣汽AION.S Plus等車型采用了主動進氣格柵設計。圖6是某車型主動進氣格柵開啟和關閉時的兩種狀態。

3.4 主動尾翼

尾翼早期主要使用在賽車上，為了提高賽車的操縱穩定性。1965年在Chaparral 2賽車上設計的反向可變翼型是最早的主動尾翼技術，通過在車輛不同的位置配置主動式尾翼，可以為車輛提供降低阻力的需求或者提升下壓力的需求[20]。主動尾翼近期陸續在中高端乘用車上使用，寶馬3系GT、名爵MG7、長安UNI-V等產品采用了主動尾翼設計。圖7[2]為某車型主動尾翼收起和打開位置的兩種狀態。

4 空氣動力學發展難點

在汽車低碳化、電動化的大趨勢下，汽車對降阻的要求越來越高，但相對應的智能虛擬仿真技術和新的降低風阻理念仍在發展中，國內汽車空氣動力學的發展還存在一些難點。

（1）從空氣動力學理論出發，汽車的流線型、簡潔性可顯著降低汽車的氣動阻力系數。為了追求較低的氣動阻力系數，多數車企在汽車造型上僅有很小的差異，導致了造型同質化的問題。在追求個性化和兼顧低碳化的當今，如何使汽車既有優秀的動力學特性，又有鮮明的造型特征，是未來空氣動力學和汽車造型學發展中需要面對的難點。未來的汽車造型設計師，除了是美術家之外，還需要儲備汽車空氣動力學的相關知識。

（2）國內汽車空氣動力學的研究手段主要有虛擬仿真分析和風洞試驗。目前汽車中常用的CFD計算方法，大多來自航空領域，然而汽車的使用環境和飛機有較大的不同。汽車作為地面上行駛的車輛，除了受氣流的影響，還會受到地面以及空氣中的懸浮物的影響，因此一種能對汽車真實繞流進行既定性又定量的計算方法還有待研究[1]。另外國內仿真技術的速度、精度及智能化方面還需進一步提升。如何能快速的給造型設計及產品設計提供有效的指導是未來仿真發展方向。目前，用來驗證汽車CFD計算結果的試驗主要是風洞試驗，但是汽車風洞種類較多，且設備及費用較高，不利于采用風洞試驗的結果進行仿真模型的修正。另外，雖然風洞試驗已經盡可能的模擬實車道路環境，但是仍和實車的使用環境有一定的差距，因此風洞試驗的結果的準確性仍待進一步提升。

（3）汽車空氣動力學的理論研究是CFD仿真分析及風洞試驗的基礎，因此隨著CFD仿真結果及風洞試驗結果的積累，形成一套統一的空氣動力學理論研究體系至關重要。但是由于目前仿真分析基準和風洞試驗模型都存在不統一的情況，導致分析結果和試驗數據很難對空氣動力學的理論研究提供支撐。

（4）目前針對造型的空氣動力學優化研究還是在常規造型上進行的局部優化，造型方向突破性的研究以及無附件化車身外觀的研究還是進展緩慢。

（5）氣動飾件方向的研究大多還集中在底部覆蓋件、氣壩、主動進氣格柵、主動尾翼等上，儲備新的降阻飾件技術也是未來汽車空氣動力學需要努力的方向。

5 結束語

通過對汽車空氣動力學歷史的闡述、對國內外研究現狀的收集以及對外飾在汽車空氣動力學應用上的整理，提煉出了目前國內汽車空氣動力學發展存在的問題。國內空氣動力學的研究在理論、數字模型、分析方法和空氣動力學套件應用上都還在起步階段，大多數研究是在國外研究的基礎上進行。因此國內空氣動力的發展還有較長的道路，汽車空氣動力學理論體系的形成還任重而道遠。未來汽車空氣動力學的發展應專注以下4個方向：

（1）未來的造型設計師除具備美學知識外，還需儲備空氣動力學知識；

（2）統一仿真分析的數字模型及風洞試驗標準，積累數據，為汽車空氣動力學理論的形成奠定基礎；

（3）在空氣動力學理論的指導下進行造型變革性研究；

（4）儲備新的降阻技術，為未來汽車的發展提供技術支撐。