汽车空气动力学的四个发展阶段
基本形
流线形
细部优化
整体优化
1899－1922
1922－1967
1974－
1983－
汽车空气动力学发展概述
基本形造型阶段
基本形是人们直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上。采用了鱼雷形、飞 艇形、船尾形等水滴形汽车外形。 1899年卡米勒·詹
鱼雷形
那兹（C.Jenatzy）
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1970年美国加里·盖布里奇 1016.086km/h
美国“反作用力”联盟设计的“蓝色火焰”车，火箭发动机 外形酷似火箭
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1997年英国人35岁的飞行员安迪·格林 “Trust SSC”喷气式汽车 1227.73km/h
汽车空气动力学发展概述
汽车空气动力学发展概述
整体最优化阶段
“功能服务于造型”的设计思想：从一个总体尺寸和体积与所需汽车基本
类似的理想低阻形体出发，从总体的角度逐渐向实用车型逼近，以满足性能、 人机工程学、工艺学、美学造型及安全法规等方面的要求。
低阻形体CD＝0.16
基本形体CD＝0.18
基本模型CD＝0.24
式样模型CD＝0.28
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1947年9月6日 英国人约翰·科布 634.26km/h 车身光顺平滑、形状扁平，恰似一拉长的水滴，车身没有散热器进气装置来破坏 整个车身的光滑线条
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1965年美国人格雷格·布里德洛夫 美国精神号（声速一号）966.36km/h，实际是一辆装有车轮的飞机
尾涡。
汽车外形与气动阻力的关系
诱导阻力
这种尾涡会在翼型上产生一个向下的诱导 速度w。 流线型好的轿车，其外形与翼展极短 的翼型相仿。 在汽车行驶时流经汽车上部的气流速 度必定比下部的高，因而汽车两侧也会有 尾涡拖出，从而产生诱导阻力。
诱导速度与来流合成后，使实际来流速度
改变。根据二维机翼理论，机翼实际产生 的合力应与合成速度垂直。 实际产生的合力被分解为两个分力，一个 是与来流垂直的升力，另一个是与来流平 行的阻力。 这个阻力是由升力诱导产生的阻碍下行的
汽车空气动力学发展概述
细部最优化阶段
“造型服务于性能”的设计思想：以满足性能、人机工程学、工艺学、美学
造型和安全法规等方面的要求而初步确定的车身造型基础上，为达到减小气动
阻力和提高行驶稳定性的目的，而进行的车身局部改型和加装空气动力学附加
装置。
大众－西若柯 I型（1974） CD从0.50降至0.41,外形挺拔
设计，长宽比为 4:1 早期采用船尾形外 形的高速敞篷车 （1912年N.A.G）
船尾形
1913年问世的阿
尔法.罗密欧汽车
飞艇形
汽车空气动力学发展概述
基本形造型阶段
相对于马车来说，其气动阻力系数明显改善。没有认识到旋转体靠近地面 加上车轮及行驶系统，气流流经这种旋转体时已不再是轴对称的。造型实用型不 强，没有获得广泛应用。
汽车零部件节能技术高研班
重庆理工大学车辆工程学院 2016. 6.14
赖晨光
内容提要
汽车空气动力学发展概述 汽车外形与气动阻力关系 汽车汽车空气动力学设计方法——风洞试验与数值模拟 汽车空气动力学多目标优化方法及其运用
汽车空气动力学发展概述
汽车空气动力学是研究空气与汽车相对运动时的现象和作用规律的一门科学。
力，因此称为“诱导阻力”。
汽车外形与气动阻力的关系
干扰阻力
干扰阻力即汽车外表面上的各种附件和孔眼、凹槽以及缝隙等影响气流流动 所导致的阻力。约占汽车总气动阻力的5％～16％。 • 车身附件：
– 1.后视镜 2.流水槽、表面脊、凸起窗框 – 3.凹槽、缝隙 4.表面孔和凹痕 5.刮水器 – 6.轮腔、车轮、挡泥板
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1935年4月 英国马尔科姆·坎贝尔爵士 484.51km/h 采用飞机发动机，为减少阻力，在高车速时可将小型散热器的进气装置去掉
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1938年 法国 安德尼奥（J.Andreau） 575.3km/h 他研究了压强分布和稳定性，该车是带尾翅的流线形车身，具有较好的侧风稳 定性。
– – – – 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。 增大紊流度 增大物面的粗糙度。
分离是产生在附面层 – 流体没有粘度，就没有附面层。 – 没有附面层，就不会产生气流分离现象。
汽车上的分离区：气流在前风窗下部、车顶前端、行李舱 前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气 泡”( bubble)）。
门、盖罩等的四周缝隙是主要的车 身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于 和平行于气流方向两种典型状况。
欧宝－GT（1969） 流线形化设计 CD=0.41
汽车空气动力学发展概述
细部最优化阶段
细部最优化方法的局限性： 对于气动阻力系数CD>0.45的汽车，应用细部最优化法可取得明显的效果；
但对于CD<0.40的车，用此方法再降低阻力就相当困难了。
在细部优化阶段，设计师充分利用风洞这一工具，对汽车细部进行优化，取
汽车空气动力学发展概述
短尾流线形造型阶段
1934年，德国人卡姆（W.Kamm）开始系统地研究车身尾部设计，通过
风洞试验研究表明“J”型车的长而尖的尾部并不是必不可少的，而且汽车 高速时侧风稳定性差，因而提出了有名的“短尾”造型概念（或称为“K” 型车）。 1938年第一辆具有“K”型车 造型的艾沃林车问世。 20世纪50、60年代各大汽车公司都投入巨额资金建造实车风洞以大力开发新车型。
汽车外形与气动阻力的关系
诱导阻力
诱导阻力由车身附着涡诱导而成，实际上是汽车升力在水平方向的分力。 约占汽车总气动阻力的8％～15％。 在有限翼展的情况下，在翼型左右
翼梢处，下翼面的高压气流会绕过翼
型翼梢向上翼面的低压区流去，这就 形成了绕翼梢的旋涡。左右翼梢形成 的旋涡成对并且方向相反。这对旋涡
在翼型后缘拖出并向后方流去，形成
空气 汽车
汽车空气动力学涉及的汽车性能
使用性 驱动性能 最高车速 发动机冷却 尘土污染
经济性 燃油经济性 材料经济性 造价经济性
安全性 侧风稳定性 高速操纵稳定性 视野性
舒适性 通风、散热 空调 气动噪声 有效空间
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1895年举办了世界上第一次汽车竞赛，路线从巴黎到波尔多。潘哈得
(L.R.Panhard)和拉瓦索(E.Levassor)夺冠，平均速度24km/h。 未考虑气动阻 力影响，但考
虑了发动机冷
却问题
第一次世界汽车竞赛冠军车
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
1899年卡米勒·詹那兹（C.Jenatzy） 电动车 创纪录105.8km/h
“鱼雷形” 考虑了气动阻力
汽车空气动力部最优化阶段
20世纪70年代，汽车空气动力学进入了最优化的研究阶段。1974年德国的胡乔
(W.H.Hucho)、简森(Jansen)和艾墨南(Emme-Lmann) 提出了著名的细部最优化 概念。
汽车设计应首先服从汽车工程的需要，即首先要充分保证总布置、安全、舒适性和 制造工艺的要求，并在保证造型风格的前提下，进行外形设计，然后对形体细部 (如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等)逐步或同时进行修改，控制以及防止气 流分离现象的发生，以降低阻力，称为“细部优化法”（Detail Optimization）。
汽车空气动力学发展概述
整体最优化阶段
应用整体最优化设计的典型例子是Audi 100C3轿车。 1982年，Audi 100以仅仅0.30的风阻系数创下了轿车工业空气动力学的世界纪录
1984年 Audi100型 荣获全球年
度最佳轿车
Audi 100 C3
汽车外形与气动阻力的关系
汽车空气动力学涉及的汽车性能
使用性
经济性
安全性
舒适性
驱动性能
燃油经济性
侧风稳定性
通风、散热
最高车速 发动机冷却
材料经济性 造价经济性
高速操纵稳定性 视野性
空调 气动噪声
尘土污染
有效空间
汽车外形与气动阻力的关系
汽车外形与气动阻力的关系
形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。压差阻力是由于 运动空气的粘性导致汽车前后产生压力差而形成的阻力。约占汽车总气动阻 力的50%~60%，是气动阻力的主要组成部分。 减小形状阻力的措施
柴油车的陆地速度记录
2006年 英国 安迪-格林
汽车空气动力学发展概述
F1赛车的速度记录
2006年，本田创造F1陆地速度纪录354.975km/h
汽车空气动力学发展概述
速度的追求
总结： 人们对陆地速度的追
求中，无论外形怎么变化，
它的发展始终贯穿着汽车空 气动力学这根脉络。
车速的发展
汽车空气动力学发展概述
汽车外形与气动阻力的关系
形状阻力
再附着点 分离点
分离流的扩展区
前端高压区
分离的回流区 尾流区属于低 压区（气流分 离伴有回流）
分离流的区域变小
汽车外形与气动阻力的关系
摩擦阻力
由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身表面产生摩擦而形成的阻力。
约占汽车总气动阻力的6％～11％。
与车身表面面积和粗糙度有关
车外小物件产生的干扰阻力 气流流经物体时流速增加， 另一物体置于这被加速了的气 流中时，就会受到更大的空气 阻力作用。两物体距离越小， 干扰阻力越大。
汽车外形与气动阻力的关系
干扰阻力