汽车空气动力学发展综述

李丰勤 杨勇 张万鑫

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 510640）

主题词：汽车空气动力学 风阻系数 外饰设计

1 前言

汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时的现象、作用规律以及气动力对汽车各项性能影响的一门学科[1]。汽车空气动力学特性主要由汽车造型决定，而不是汽车空气动力学参数。然而，在汽车产业发展的初期，造型设计主要考虑安全性、舒适性以及美观性，空气动力学性能并不在考虑范围内，并且汽车和飞机或轮船不同，在自然界中很难找到理想的仿生学参考原型，因此汽车空气动力学经历了缓慢和不平凡的发展阶段[2]。在国外针对汽车空气动力学的研究中，存在多种数学模型，研究结果不能通用，资源不能共享。国外大学和研究机构对汽车空气动力学的研究相对领先，国内的相关研究大部分还处于技术跟随的阶段。但是在全球气候变化和“双碳”目标的大背景下，国内汽车低碳化和电动化发展进度加快，汽车空气动力学的研究热度不断提升，降低汽车风阻系数对节能减排、增加电动汽车续驶里程具有很大潜力。

本文阐述了汽车空气动力学及汽车风阻系数的发展历史、梳理了国内空气动力学的研究现状，并介绍了外饰设计在汽车空气动力学中的应用，最后凝练了目前国内汽车空气动力学研究存在的问题，为汽车空气动力学未来的发展提出了建议。

2 发展历史和国内外研究现状

空气动力学最初引入到汽车设计中是为了降低汽车的风阻系数，通过比较研究文献中的数据发现，汽车风阻系数一直都是空气动力学研究的重点[2]。随着汽车工业的发展以及汽车空气动力学研究的深入，研究人员意识到汽车空气动力学不仅仅是汽车风阻研究的内容，汽车空气动力学还影响车辆的行驶稳定性、视野与清洁、舒适性和机舱冷却性能，涉及到的详细专业范围如图1[3]所示。

2.1 汽车造型及汽车风阻系数的发展

乘用车的造型经过了多年发展和演化，到上个世纪20到50年代左右，汽车空气动力学研究工作得到推进，研究成果开始体现在量产的流线形车型上。上个世纪80年代至今，汽车空气动力学的主要工作体现在汽车的整体局部及整体的优化，以期望达到最优的空气动力学特性，随着造型的升级及局部的细化，汽车风阻系数也在一步一步降低[1-2]。汽车风阻系数随着时间的发展和演化如图2[2]所示。

2.2 国内汽车空气动力学发展

国内汽车在空气动力学方面的研究起步较晚，风阻系数与国外有较大的差距。如中国工程院院士李骏在国际汽车技术论坛上所阐述，国内汽车的风阻系数与国外汽车有10年以上的差距，具体差异情况及全球SUV/CUV未来发展的挑战见图3[3]。

随着汽车行业的快速发展，国内产业和学术届研究人员在空气动力学领域也开始深入研究。刘锦生等[4]通过梳理国内外学者基于物理模型对空气动力学的研究成果，指出了目前汽车空气动力学无系统性理论的重大问题。同时指出针对Ahmed模型阻力系数的研究中存在研究深度不足，对Ahmed模型在后背倾角为30在时，汽车阻力系数出现跃变的问题无法做出机理性的解释。汽车行驶环境中的颗粒物及污水的特性以及对汽车空气动力学的影响不清楚，风洞试验和道路滑行试验结果关联性不清晰，空气动力学和车辆NVH的关联性不清晰。刘锦生等[4]希望能形成汽车空气动力学系统性理论，通过理论指导汽车造型设计及通用仿真模型的建立，为未来汽车的发展提供理论支持以及数据支撑。

2.2.1 优化造型降低风阻

张风利等[5]通过比亚迪汽车的某款车型，介绍了空气动力学在汽车造型设计过程中的应用，前期通过CFD仿真分析对竞品车型进行分析，通过对标竞品车型，对新开发车型提供参考的优化方向。造型设计时，造型设计师和空气动力学研究人员充分交流沟通，确保可实现造型降阻手段一次做对，节约造型设计时间，后期通过风洞试验验证CFD仿真的准确性，为后续车型开发提供依据。西华大学周洪婷[6]采用CFD仿真模拟，对市场上某款电动车造型进行优化，通过对比优化分析，最终优化模型比原模型的风阻系数降低0.1，为车身的造型设计提供参考。西安理工大学王博[7]采用Grasshopper参数化编程方法、汽车曲面造型设计、空气动力学理论、CFD数值模拟方法和正交试验理论，实现了汽车造型设计与风阻特性的参数化设计，通过改变造型参数来快速优化汽车的风阻性能，为快速优化造型提升风阻性能提供参考。但是随着优化造型、降低风阻研究的深入，人们发现，造型的同质化越来越严重。为了满足消费者对个性化的追求，具有降阻性能的外饰件引起了研究人员的重视，相关研究也从专注简单的降阻饰件到专注主动降阻饰件。

2.2.2 优化外饰结构降低风阻

武汉理工大学李嘉成[8]通过CFD及AMEsim分析了发动机底护板对汽车流场及散热性能的影响，经过对汽车高速、怠速、低速爬坡工况的研究，提炼出发动机底护板设计的关键参数，并通过对比分析得出关键参数的最优解，对后续发动机底护板的设计具有一定的参考意义。李胜琴等[9]通过控制变量法对某纯电汽车的前轮挡泥板对整车空气动力学的影响进行分析，经过3种方案的对比分析，选出对降低风阻最有效方案，选用的最佳挡泥板模型，可降低风阻系数0.014。唐杰等[10]对汽车冷却装置的百叶窗曲面进行了分析优化，研究发现将百叶窗的迎风面从平面改为曲面可以减小汽车的行驶阻力，并计算出了百叶窗最佳迎风面的尺寸。刘旺等[11]基于某车型通过STAR-CCM++建立尾翼模型，通过分析发现在车辆速度＜120 km/h时，可同时降低整车风阻以及气动升力，即可改善空气动力学性能还可以提高操纵稳定性，该研究可以为后续尾翼的开发提供参考。刘欢等[12]采用了CFD和风洞试验，研究了主动尾翼在不同姿态下对整车气动阻力系数、前后轴升力系数的影响，分析及试验得出如下结论，即在特定的角度下，整车气动阻力随主动尾翼的展开而降低，超过该角度限值，气动阻力随主动尾翼的展开而增加。前轴升力和后轴升力随着主动尾翼的展开有相反的变化趋势，前轴升力呈上升趋势，后轴升力呈下降趋势，通过CFD分析的风洞试验的结果对比可知，CFD仿真分析对风洞试验的方法具有指导意义。姚一鸣等[13]探索了外置式主动进气格栅存在的技术难点，并分析了不同材料以及不同叶片截面的优缺点，为外置式主动进气格栅的开发提供了技术参考。刘传波等[14]基于某MPV车型研究，通过调整主动进气格栅开启角度平衡整车风阻和散热性能，先通过热平衡试验明确发动机对散热量和进风量的需求，然后再满足散热的前提下，匹配主动进气格栅的开度去降低整车风阻。

2.2.3 优化造型设计降低赛车风阻

空气动力学设计是赛车发展的关键技术，因此赛车或高性能车的空气动力学研究及应用，一直处于领先地位。齐晓静等[15]提出了一种新的空气动力学套件——百叶窗式整流罩结构，可用于各种带有侧翼的方程式赛车，以提高侧翼的空气动力学效率。作者通过分析百叶窗的关键参数（翅形、翅片音教、翅片弦长、平均间距等），发现偏平形侧翼对提高空气动力学效率效果最好。在一定的风速情况下，翅片的平均间距有最佳值。另外侧翼的效率随弦长、迎角的变化，呈现出先增加后减少的趋势。整体来说优化后的结构可将侧翼效率提升10%。王达等[16]以吉林大学学生方程式赛车为例,使用新的动力总成布局方式，在探索最大限度利用后置式发动机冷却系统中做了一系列改进措施，相应地改变汽车空气动力学的设计思路，并优化汽车每个部件的空气动力学性能，结果表面，新的设计方案可显著提升车辆的整体性能。武汉理工大学王世权等[17]以武汉理工大学WUT车队2019季赛车为例，利用三维建模软件及ANSYS分析软件，对加装空气动力学套件的整车进行外流畅分析，通过优化前翼、尾翼的翼型以及翼片的宽度、弦长、翼片的间距等参数，以及增加底部扩散器以及预埋件材料调整来改善赛车的空气动力学性能，通过研究，该优化措施可以降低赛车的整备质量从而降低赛车的风阻系数，同时还可以通过提升赛车的负升力来提高赛车的过弯速度和行驶稳定性。本次研究赛车空气动力学套件质量较上赛季降低了45%，负升力较上赛季提升了20%，可为后续赛车设计奠定了基础。

3 外饰设计空气动力学应用

随着国内对空气动力学的研究，汽车有效降低风阻系数的措施不在仅仅从造型出发。汽车设计工程师开始使用多种气动饰件，如气坝、全覆盖底护板、前保导风管、尾翼扰流板等来降低汽车的风阻系数。王琛等[18]梳理了汽车外饰的历史与发展，提出汽车外饰件未来主要从气动性、装饰性、集成化、轻量化等方面发展。随着汽车工业的进一步发展，智能气动饰件陆续在中高端车辆上开始使用，如能平衡散热需求及降阻需求的主动进气格栅，可平衡车辆操纵稳定性与降阻需求的主动尾翼，能平衡低速高离地间隙和高速降阻需求的主动气坝[9-14]。

3.1 气坝

气坝因其结构简单，安装容易，成本较低等原因，是较早在汽车上使用的气动饰件，常用的气坝有前唇气坝（主要装在前保的底部）、挡泥板气坝（一般来讲三角形气坝相比于L形气坝能显著降低风阻系数），部分车型上还有侧裙气坝，气坝主要用于改善汽车底部空气的流动；如图4所示。主动气坝技术目前主要运用在赛车上，乘用车上的导入还需一定的时间。

3.2 全覆盖底护板

空气动力学的研究发现，车身整体曲面的光顺平滑可以减少气动分离，降低空气阻力[2]。随着消费者对造型个性和美观的追求以及汽车基本功能的要求，车身可见外表面的无附件化还无法实现，因此使车身底部光滑平整，成了降低风阻系数的首选。但底盘结构复杂，会对汽车底部的气流造成较大的影响，因此在汽车底部增加气动饰件成为常用的解决办法[19]。图5[2]为某车型的全覆盖底护板，最大程度地实现了车身底部的光滑平整。

3.3 主动进气格栅

为满足机舱内发动机或者电机散热的需求，大部分车辆在前端都设计有进气格栅，达到调节进入机舱内冷却风量的目的。但随着消费者对燃油车燃油经济性或电动车长续驶里程的追求，降阻也成了主机厂急需解决的问题[13-14]。因主动进气格栅可在需要时打开、不需要时关闭，且可调节叶片开度，越来越多地受到主机厂设计工程师的关注，宝马5系、奔驰C级、广汽AION.S Plus等车型采用了主动进气格栅设计。图6是某车型主动进气格栅开启和关闭时的两种状态。

3.4 主动尾翼

尾翼早期主要使用在赛车上，为了提高赛车的操纵稳定性。1965年在Chaparral 2赛车上设计的反向可变翼型是最早的主动尾翼技术，通过在车辆不同的位置配置主动式尾翼，可以为车辆提供降低阻力的需求或者提升下压力的需求[20]。主动尾翼近期陆续在中高端乘用车上使用，宝马3系GT、名爵MG7、长安UNI-V等产品采用了主动尾翼设计。图7[2]为某车型主动尾翼收起和打开位置的两种状态。

4 空气动力学发展难点

在汽车低碳化、电动化的大趋势下，汽车对降阻的要求越来越高，但相对应的智能虚拟仿真技术和新的降低风阻理念仍在发展中，国内汽车空气动力学的发展还存在一些难点。

（1）从空气动力学理论出发，汽车的流线型、简洁性可显著降低汽车的气动阻力系数。为了追求较低的气动阻力系数，多数车企在汽车造型上仅有很小的差异，导致了造型同质化的问题。在追求个性化和兼顾低碳化的当今，如何使汽车既有优秀的动力学特性，又有鲜明的造型特征，是未来空气动力学和汽车造型学发展中需要面对的难点。未来的汽车造型设计师，除了是美术家之外，还需要储备汽车空气动力学的相关知识。

（2）国内汽车空气动力学的研究手段主要有虚拟仿真分析和风洞试验。目前汽车中常用的CFD计算方法，大多来自航空领域，然而汽车的使用环境和飞机有较大的不同。汽车作为地面上行驶的车辆，除了受气流的影响，还会受到地面以及空气中的悬浮物的影响，因此一种能对汽车真实绕流进行既定性又定量的计算方法还有待研究[1]。另外国内仿真技术的速度、精度及智能化方面还需进一步提升。如何能快速的给造型设计及产品设计提供有效的指导是未来仿真发展方向。目前，用来验证汽车CFD计算结果的试验主要是风洞试验，但是汽车风洞种类较多，且设备及费用较高，不利于采用风洞试验的结果进行仿真模型的修正。另外，虽然风洞试验已经尽可能的模拟实车道路环境，但是仍和实车的使用环境有一定的差距，因此风洞试验的结果的准确性仍待进一步提升。

（3）汽车空气动力学的理论研究是CFD仿真分析及风洞试验的基础，因此随着CFD仿真结果及风洞试验结果的积累，形成一套统一的空气动力学理论研究体系至关重要。但是由于目前仿真分析基准和风洞试验模型都存在不统一的情况，导致分析结果和试验数据很难对空气动力学的理论研究提供支撑。

（4）目前针对造型的空气动力学优化研究还是在常规造型上进行的局部优化，造型方向突破性的研究以及无附件化车身外观的研究还是进展缓慢。

（5）气动饰件方向的研究大多还集中在底部覆盖件、气坝、主动进气格栅、主动尾翼等上，储备新的降阻饰件技术也是未来汽车空气动力学需要努力的方向。

5 结束语

通过对汽车空气动力学历史的阐述、对国内外研究现状的收集以及对外饰在汽车空气动力学应用上的整理，提炼出了目前国内汽车空气动力学发展存在的问题。国内空气动力学的研究在理论、数字模型、分析方法和空气动力学套件应用上都还在起步阶段，大多数研究是在国外研究的基础上进行。因此国内空气动力的发展还有较长的道路，汽车空气动力学理论体系的形成还任重而道远。未来汽车空气动力学的发展应专注以下4个方向：

（1）未来的造型设计师除具备美学知识外，还需储备空气动力学知识；

（2）统一仿真分析的数字模型及风洞试验标准，积累数据，为汽车空气动力学理论的形成奠定基础；

（3）在空气动力学理论的指导下进行造型变革性研究；

（4）储备新的降阻技术，为未来汽车的发展提供技术支撑。