汽车风阻分析与外形优化研究进展

王淳正

摘 要：随着人们生活水平的日益提高，我国汽车的保有量也是逐年增長，汽车污染问题受到越来越大的关注。由于汽车风阻是汽车行驶阻力的主要来源，降低汽车风阻是实现节能减排的重要方式。本文研究了汽车阻力的来源，各外形设计对风阻的影响。通过研究发现进气格栅，底盘等为影响整车风阻的关键因素；轮眉，车门把手等为次要因素，对影响风阻的关键因素加以改进能有效降低汽车的能耗，并通过比亚迪“汉”的成功案例给出降阻方案的应用。本文对汽车风阻研究具有一定参考价值。

关键词：低风阻外形 降阻设计 汽车风阻

Research Progress in Automobile Wind Resistance Analysis and Shape Optimization

Wang Chunzheng

Abstract：With the improvement of people's living standards， the ownership of automobiles in China is also increasing year by year， and the problem of automobile pollution has received more and more attention. Since automobile wind resistance is the main source of automobile driving resistance， reducing automobile wind resistance is an important way to achieve energy saving and emission reduction. In this paper， the sources of automobile resistance and the influence of each shape design on wind resistance are studied. Through the study， it is found that the air intake grille and chassis are the key factors affecting the wind resistance of the whole vehicle. Wheel fenders， door handles， etc. are secondary factors， and improving the key factors affecting wind resistance can effectively reduce the energy consumption of automobiles， and give the application of drag reduction scheme through the successful case of BYD "Han". This paper has certain reference value for the study of automobile wind resistance.

Key words：low wind resistance shape， drag reduction design， automotive wind resistance

1 引言

随着我国经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，汽车成为家家户户的“必需品”，人们对汽车的动力性、经济性与环保性有了更高的要求。汽车所受的风阻是油耗高的重要因素，相关研究表明，当汽车时速达到70km/h时，整辆车的气动阻力占总阻力的比率迅速提高。因此，汽车的低风阻外观设计不仅可以提升汽车的动力性与舒适性，更能改善燃油经济性，减少能源消耗以应对日益严重的能源危机问题。在现有的研究中，大致分为车前端、车身侧面、底盘与车尾，每个部分都会对汽车风阻产生影响，找出影响汽车风阻的各个因素并加以改进就能大幅降低其风阻。

本文首先分析了汽车行驶时所受的空气阻力的构成和风阻系数。通过把汽车分为四部分——车前端、车身侧面、底盘以及车尾，逐个部分找出影响汽车风阻的因素，通过对每个影响因素的研究，找出主要影响因素与次要因素。在此基础上以比亚迪“汉”成功的低风阻外观设计为例进行实际分析。本文对汽车的降阻设计研究具有一定的参考价值。

2 空气阻力与风阻系数

汽车在行驶过程中需要确保自身动力能够克服外界所带来的行驶阻力。汽车行驶阻力的来源可分为：坡度阻力、加速阻力、滚动阻力和空气阻力。由于坡度阻力只存在于上坡行驶，加速阻力只存在于加速行驶。汽车降阻应主要注重滚动阻力和空气阻力，其中空气阻力是汽车在正常行驶过程所受的主要阻力。

空气阻力由以下五部分构成：

（1）摩擦阻力—根据空气流体力学所研究的结果，汽车表面附有很薄的一层空气，附面层与空气流层之间存在速度梯度[1]。空气所具有的粘性导致汽车表面各层空气之间产生摩擦力，即摩擦阻力。

（2）压差阻力—空气流过汽车后，汽车前后两端形成压力差形成了压差阻力。

（3）干扰阻力—因为空气具有粘性，汽车所突出的外观件会产生分离现象和涡流。分离现象和涡流会耗散能量，产生了干扰阻力。

（4）内部阻力—空气通过进气格栅流入车内，保证汽车内部空气流通以及满足机舱动力需求，这部分阻力即内部阻力。图1为汽车内循环阻力图。

（5）诱导阻力—诱导阻力主要与升力相关，由于汽车上下形状不同，气流流速不同所以形成升力。

以上五部分共同构成了空气阻力，计算空气阻力时使用公式[1]。

其中CD为风阻系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；ua为行驶速度。

在汽车高速行驶时，空气阻力甚至占到总阻力的85%。为了提升燃油经济性，减少能源消耗，降低所受的空气阻力至关重要。由公式可知，风阻系数是决定空气阻力最重要的因素。根据仿真实验显示，当风阻系数从0．35降低到0．26时，汽车的最高时速可以从189km／h提升到199km／h，变化趋势如图2。

由公式可知，降低空气阻力主要是降低汽车的风阻系数，可以通过改变车身形态，改善外观件等均能减少风阻系数。

3 影响汽车风阻的因素

汽车的造型经历了巨大的转变，早期汽车造型设计并没有考虑汽车风阻，最开始的汽车造型甚至没有车顶，经过科技的不断进步，汽车空气动力学的不断发展与演化，汽车造型逐渐趋向于流线型。每次汽车造型的改进都与降低汽车风阻系数的研究同步，从箱型、流线型、船型到鱼型和契型，从最初的1.0到现在的0.23，汽车低风阻化得到巨大的提升。图3为汽车风阻系数随时间的变化。

根据研究显示，作用在汽车上的空气，有35%-40%从车身上面流过；10%-15%从底盘流过，25%从车身侧面流过，还有20%作用在汽车的尾部[4]。空气阻力作用在车身各部分，其中车前端占空气阻力总量的25-30%；车身侧面占空气阻力总量的5%-10%；车底部占空气阻力总量的10-15%；车后端占空气阻力总量的55-65%。因此可以把影响汽车风阻的因素分成四个部分进行研究，分别是车前端，车身侧面，底盘以及车尾。

3.1 车前端

3.1.1 进气格栅

在对各主要迎风区域的风阻系数进行研究后发现，前保系统对整车风阻的影响非常大。因为在车辆行驶过程中，车辆最先接触到空气的部分是前保系统，其中进气格栅是前保系统的重要组成部分，进气格栅是为了保证机舱内发动机与电机的散热。空气进入机舱内流经机舱内零部件时产生能量的损失，进而产生了风阻。因为进气格栅不仅是车辆行驶时与空气正面接触的主要部分，还是车外与发动机舱的气压分界点，所以进气格栅是产生风阻的主要影响因素。

对于燃油车型还不能完全做到去除前保格栅，可以采用主动进气格栅设计，可在需要时打开，不需要时关闭，并能控制调节近气大小。很多豪华品牌如奔驰C级等已经采用了这项设计。对于新能源纯电动车型，除了保留必须的散热口，应尽可能去除进气格栅，使前保系统平整化，这将大大降低汽车的风阻。

3.1.2 前风窗倾角

前风窗倾角是前风窗与竖直面间的夹角c，如图5所示。

增大汽车前风窗的倾角，可以使得前风窗和发动机罩的夹角增大，使空气流动更加顺畅，从而减少气流分离的情况，从而减少汽车的气动阻力。此外，增大前风窗的倾角还能够增加前风窗和车顶的夹角，使整个汽车的流线性更加优化，进一步降低气动阻力。

3.1.3 车头高度优化

为了降低汽车风阻，除了车头的设计应尽可能倒圆角，还应该考虑车头高度的影响。图6所示为车头高度的变化对风阻系数的影响。根据图6，最初车头的设计为紫色线所示，既未倒圆角又车头高度过高，随着车头的倒圆角处理与高度的不断优化，最终为红色线所示，风阻系数降低了14%。车头作为最先接触气流的车身结构，车头的任何结构改变都对后期的整车风阻优化至关重要，因此需要最先确定车头的设计。

3.1.4 保险杠

保险杠会对汽车风阻产生影响，主要与保险杠的断面形状、与车身的过渡圆角、突出距离和正面投影面积四各方面。

前保险杠截面形状应是外凸形，与车身的过渡要尽量圆滑，保障流体能成功地分流而不产生阻滞现象。当前保险杠突出距离越大，因气流急剧转折而产生的涡流就越少，因此而产生的气动阻力就越小。此外，增大前保险杠突出距离还有利于增强汽车的安全性能。当前保险杠正面投影面积越小，则气流与其相冲突的阻力就越小，汽车的气动阻力就越小。

3.2 車身侧面

3.2.1 轮毂

轮毂的形态是产生风阻的重要因素。当空气流经轮毂时，如果轮毂暴露的面积过大，将产生严重的气流分离现象。所以，适当封闭车轮轮毂是降低风阻的好方法，可设计成开孔面积小且表面凹凸结构少的轮毂。

3.2.2 后视镜、门把手、挡泥板、轮眉

后视镜、门把手、挡泥板、轮眉这些部件均是汽车侧表面的突出部件。这些部件使车身侧表面气流分离异常严重，同时还增强了车身侧表面的流场扰动，使得汽车风阻明显增加。

门把手：目前大多数汽车都对门把手采取了隐藏式设计，这样的大大降低了汽车风阻。

挡泥板：挡泥板在保证能达到挡泥效果的前提下，挡泥板的圆弧度越大，向外突出越小，受的空气阻力就越小，气流流动越顺畅，就越有利于降低汽车风阻。

轮眉：轮眉作为装饰外观，并没有实际用处，为降低风阻可以完全取消。

后视镜：后视镜作为整车最突出的部件，对风阻有较大影响，目前各大汽车厂商正在研发用摄像头来代替后视镜，如果实现将大大降低汽车风阻。

3.3 底盘

流经底盘的气流受到旋转车轮的扰动和底盘不平整度的相互作用，气流管理难度极大。底盘对汽车风阻的影响分为两个方面：一个是底盘的离地高度，另一个则是底盘的平整度。

3.3.1 离地间隙

底盘的离地间隙是影响汽车风阻的重要因素之一。空气流经底盘时，如果离地间隙过高，流经车底的气流量会变大，对底盘凸出的暴露件就会产生更大的冲击，因此会产生较大的风阻。但是并不是越低的底盘越好，不同于在专业赛车道驰骋的跑车，对于家用车，过低的离地间隙不利于通过日常道路。因此，在保证足够通过性的前提下，尽可能的降低离地间隙是降低风阻的有效方法。

3.3.2 暴露件隐藏

汽车的底盘遍布着各种部件，如：转向系统、制动系统、行驶系统等。如何将其中的暴露件更好的隐藏，减少气流对其的冲击，是降低底盘风阻的有效方法。

为将暴露件隐藏起来，需要给底盘加装气动附件，气动附件大致分别为前保下护板及前机舱护板、前轮扰流板、电池包前端及两侧护板、后保险杠下护板。谭畅等人[6]在试验研究中将气动附件组合，做了四种不同方案的试验，分别是1.前保下护板+机舱下护板2.前保下护板+机舱下护板+前轮扰流板3.前保下护板+机舱下护板+前轮扰流板+电池包前端及左右两侧护板4.前保下护板+机舱下护板+前轮扰流板+电池包前端及左右两侧护板+后保险杠下护板

通过CFD对四种方案进行模拟，结果表明[6]，方案四降阻效果最明显，通过对照四个实验可知，每个气动附件均能起到减少空气阻力的效果，其中前轮扰流板的效果最佳。因此，在允许的条件下，最大限度的将底盘暴露件隐藏将极大降低汽车风阻。

3.4 车尾

汽车尾部的风阻是车辆前后的压差阻力导致的，降低压差阻力需要提升车尾部的背压。汽车尾部会受到来自涡流旋转所产生的离心力，为了提升车尾部的背压，应使涡流旋转的中心尽可能远离车体。要使车尾获得更高的背压，车尾周围的气流应分离明显，车尾应设计成边缘明显分离的“方尾”造型。

4 设计案例

4.1 概述

“汉”是比亚迪全新研制的高端旗舰轿车，采用全新造型设计语言。“汉”的核心目标是高续航，而低风阻化造型是实现高续航的重要途径。根据空气动力学计算，“汉”的风阻系数每降低10计数单位，续驶里程可提升约8km[7]。因此，全新比亚迪“汉”特别重视低风阻，风阻系数低至0.233，目前风阻系数在0.235以内的量产轿车在全球不超过10款。

4.2 研究方法

比亚迪“汉”采用CFD仿真与风洞试验相结合的方法。

传统汽车空气动力学的研究采用风洞实验，但随着科技的不断进步，计算机技术的不断发展，CFD仿真设计孕育而生。CFD根据给出的流体力学方程进行仿真。能获得例如温度，速度，压力等物理量的分布，还能得到这些物理量随时间变化的规律。相比于传统的风洞实验，CFD仿真设计有着许多明显的优势，首先就是节约成本，CFD仿真设计耗资少，只需在电脑上就可以生成。其次，CFD仿真设计的设计周期短，节省时间。最后CFD仿真设计更加全面，能解决许多风洞实验无法解决的问题。

当然CFD仿真实验仍然不是完美的，因为它根据数学方程进行计算，有时无法保证数学方程的准确性，因此，现在测试汽车风阻大都先采用CFD仿真设计再进行风洞实验，这样能最大限度的确保实验的准确性。

风洞试验是模拟汽车在真实空气环境中的状态，是研究汽车风阻系数的主要手段，在汽车开发与空气动力学计算中发挥着至关重要的作用。风洞实验主要用于研究气体流动及其与汽车模型之间的相互作用，将汽车模型置于人工试验环境中，固定后利用大型风扇模拟真实气体流动环境。

4.3 外观设计

比亚迪“汉”分别对车头、车底、前舱内流与低风阻轮毂进行重点设计。

4.3.1 车头

车头应通过降低自身的高度来减小正压区的面积进而降低风阻。“汉”通过降低车头高度40mm，使风阻系数减少了5个计数单位。如图7所示。

4.3.2 车底部

车底部的风阻设计应做到两方面：一是在纵向垂直截面上，气流进入车底后需要保持附着，一旦气流脱离车底表面，将造成动量损失。二是在车底的水平截面上，气流受到车轮旋转的干扰，在车轮处产生气流分离现象，使车底部气流集中，造成动量损失。针对这两点，“汉”对车底部的暴露件、前后保险杠、前轮扰流板以及各导流板进行了大量的优化设计，来优化车底部气流的流动。

4.3.3 低风阻轮毂

旋转车轮占整车风阻的10%左右。“汉”为追求动力性，需要确保轮胎有足够的抓地力，这也增大了车轮轮毂的设计难度。因此，“汉”的研发团队投入大量精力，通过对多种轮辋设计方案的仿真分析和优化，最终设计出风阻系数仅比全封闭状态高出4个计数单位的低风阻轮毂，具备极佳的降阻效果。

4.4 小结

比亚迪“汉”的空气动力学性能开发过程，采用CFD仿真技术结合风洞实验，对整车风阻进行优化，分别对车头采取降低高度设计、车底部加装护板以及暴露件隐藏、车轮选用低风阻轮辋等，最终实现低风阻化。

5 结语

本文分析了汽车各个部件对整车风阻的影响，通过对国内外关于汽车低风阻外观设计的研究进行分析与总结，得出进气格栅、底盘等为主要因素，轮眉、保险杠等为次要因素，对这些主要因素提出改进方法与建议，通过对主要因素的改进，使整车风阻有效降低。通过比亚迪“汉”的低风阻外观设计案例，给出汽车降阻方法的应用

目前汽车低风阻CFD仿真实验方法仍有可提升空间，当前大多测试汽车风阻的方法为风洞实验与CFD仿真相结合，而风洞实验需要大量的人力与财力，消耗巨大，如果CFD仿真实验可以完全替代风洞实验，将大大节约时间与物质成本。当前的汽车造型仍然处于整车造型阶段，随着人们独特的审美出现，追求个性成为主流，未来的汽车造型趋向于分体式，如何实现分体式造型的汽车低风阻外观成为未来的研究目標。

参考文献：

[1]刘全有，赵福全，杨安志，金吉刚，翟洪军.浅析汽车风阻系数[J].农业装备与车辆工程，2012，50（11）：59-62.

[2]孙琪.汽车车身外流空气动力模拟及造型优化[D].上海工程技术大学，2015.

[3]李丰勤，杨勇，张万鑫.汽车空气动力学发展综述[J].汽车文摘，2022（11）：51-56.

[4]孙景新，孙逸昊.汽车空气动力学风洞试验方法及减阻研究[J].汽车文摘，2022（10）：41-44.

[5]周兴.某车型的低风阻设计与气动优化研究[D].吉林大学，2016.

[6]谭畅，孙伟卿，孙平，赵书培，张中亚.某型轿车底部气动附件的空气动力学减阻研究[C]//.2022中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集——气动分会场，2022：131-140.

[7]罗秋丽，张风利，张荣荣，魏晓冲，李兵，彭倩.比亚迪“汉”空气动力学开发[J].汽车工程学报，2020，10（06）：399-406.