汽车风阻测试

汽车外形和风阻的测试

摘要：风阻系数是不是越小就越好，为什么车商要反复强调他的车风阻系数比跑车还小，为什么有些车主要在车尾装上一支大大的尾翼，或许有些专业的车主会振振有词地告诉你。这是考虑到了空气动力学的原理。话是没有错,但是实际上车辆应用的空气动力学,是无法用简单的用如下压力、Cd 值(风阻系数)、风阻等词语来解释,它是门很复杂的学问，本文主要介绍了风阻测试的原理以及个别实例。 关键词：风阻 测试 风洞实验 压力系数

1.理论基础

汽车在行驶中由于受到空气的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向、侧向和垂直等3个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响，其中纵向空气动力量最大，大约占整体空气作用力的 80%以上，因此，将汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以 100 km/h 速度行驶的汽车，发动机输出功率的 80%将被用来克服空气阻力，因此减少空气阻力就能有效地改善汽车行驶的经济性。 在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都描述成与气流相对速度的动压力u r 22

1ρ成正比例的形式，即

22

1r d w u A C F ρ= 式中，C D 为空气阻力系数；ρ 为空气密度(kg/m 3

)；A 为迎风面积，即汽车行驶方

向的投影面积(m 2)； u r 为相对速度，在无风时即汽车的行驶速度(m/s)。

上式表明，空气阻力是与 C D 及 A 值成正比的。A 值受到乘坐使用空间的限制

不易进一步减少，所以降低 C D 值是降低空气阻力的主要手段。据试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省 7%左右。曾有人对两种相同质量。相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是 0.44 和 0.25)的轿车进行比较，以 88 km/h 的时速行驶了 100 km ，燃油消耗后者比前节约了 1.7 L 。考察轿车车身的发展史，从 20 世纪初的福特 T 型箱式车身到 30 年代中型的甲虫型车身，从甲虫型车身到 50 年代的船型车身，从船型车身到 80 年代的楔型车身，直到今天的轿车车身模式，每一种车身外形的出现，都不是某一时期单纯的工业设计的产物，而是伴随着现代空

气动力学技术的进步而发展的。空气阻力系数在过去的轿车手册中从未出现过，今天则是介绍轿车的常用术语之一，成为人们十分关注的一种参数了，现在的轿车空气阻力系数一般在 0.28～0.4 之间。

(1).风洞的特性及空气阻力系数

即使两个风洞测试的是相同的模型车并且使用相同的测试方法，它们的空气阻力系数也不会完全相同。差异主要体现在试验区内气流的特点上，而且这种差异从一定程度上来说是无法避免的。此外，可能影响空气阻力系数的因素还包括标准流速试管的位置，平衡装置衬垫的安装方式，地板以及外部风力的强度。

(2).试验车条件与空气阻力系数之间的关系

通常，同一辆车的不同模型车的空气阻力系数是不一样的。

1)车身越新，空气阻力系数越小。

2)车前部倾斜角度越大，车的空气阻力系数就越小。

3)车外部灰尘较多则空气阻力系数较大。

4)如果车的前排有乘客，则该车的空气阻力系数较大。

5)一辆车吸收的发动机冷却气体以及流通空气的量越多，空气阻力系数越大。

2.试验目的及要求

(1)了解空气阻力对燃油经济性的影响。

(2)了解汽车风洞试验的原理及作用。

3.试验所用的主要仪器和设备原理

(1)整车空气动力学风洞。

(2)平衡装置。

平衡装置是测量风洞中空气动力的必要工具，一般安装在试验区内。汽车风洞中的平衡装置分为四轮型和用于模型风洞的支撑杆型。前者主要用于对实物车的测试，但是由于四轮的负载量相对来说比较容易测量，因此有时模型风洞中也会应用这种装置。四轮型平衡装置适用于不同尺寸(包括轴距和轮距)的汽车，支撑杆型平衡装置的使用范围较小，使用时间也较短。

4.试验设备及试验方法

(1).风洞试验介绍

空气阻力系数值是由风洞试验测试得出来的，由于实车风洞投资巨大，通常是采用缩小的汽车模型在小风洞中进行试验，如图 1 所示。

图1 汽车的风洞试验

风洞是一种专门设计的空气试验装置，它用动力装置在其试验段内造成可调节速度的气流，以进行各种类型的空气动力学试验研究。试验时用支架把模型固定在试验段中，当气流吹过模型时，作用在模型上的气动力通过与支架相连的测力机构传给测量仪器，从而获得模型在各种状态下的气动力，根据相似理论则可推算出与模型相对应的原型物在空气中运动时受到的气动力。因此，要求模型与原型物几何相似且空气动力学相似。所谓几何相似就是要求缩小的模型与真实汽车完全相似；空气动力学相似是指模型在风洞中试验时，与汽车实际行驶情况下的雷诺数应相等，即 m m

m m a m a a l u l u μρμρ==e R

式中，l a 和l m 分别为汽车和模型的长度(m)μa 和μm 分别为汽车行驶速度和风洞中空

气的速度(m/s)；ρa 和ρm 为大气和风洞中空气的密度；μa 和μm 分别为大气和风洞

中空气的黏滞系数。

对于整车空气动力学风洞，要求其尽量准确地模拟运动车辆周围的空气动力学场，且至少能完成下列试验工作：

1)测量汽车上所受到的气动力和力矩，通常通过六分量测量天平来完成。

2)显示汽车外部和内部的空气流动状况(流谱)，测量车身表面给定点或流场中其他一些点上的压力，以及实施为了解流场的其他辅助测量工作。

汽车风洞的基本结构形式有开式风洞和闭式回路风洞两种。开式又称直流式，

它直接从大气中吸进空气，然后再排到大气中去。闭式又称回流式，它有连续的空气回路，气流通过试验段后，经过迂回路线再循环返回到进气口。开式风洞要求风扇电动机提供全部所需功率，而闭式风洞空气流的一部分动能得到回收，风扇电动机只需补充回路中损失掉的那部分能量，因此风洞效率较高。风洞效率即收缩段出口功率与风扇功率之比： P A V /)2

1(3ρη= 式中，A 为收缩段出口面积(m 2

)；V 为出口风速(m/s)，闭式风洞的 V 值常可大于 1；P 为风扇功率(W)。

此外，与开式风洞相比，闭式风洞还有不受外界环境和气候影响等优点。但由于建造这种风洞投资巨大且需要对循环空气进行冷却而又使总的风洞效率有所下降，因此造价相对较低且气流无需冷却的开式汽车风洞仍有不少的应用。

试验段是风洞的核心部位，试验对象、模拟实际适用条件的一些装置、测量仪器及其传感部分和观察控制室等都设置在这里。试验段也可以分为开式、闭式等类型。闭式试验段是完全封闭的，通常直流式风洞的试验段只能做成闭式。回流式风洞可以采用开式或半开式(如两端封闭、上部开顶)试验段。在闭式试验段中，气流与洞壁四周接触，而在开式试验段中气流则与大量的静态空气接触。因此对截面尺寸相同的试验段而言，开式试验段能够比较好地模拟试验汽车周围的流场，从而获得较为准确的试验结果。

(2).试验方法

1)对于路面障隙相对较大的车型(如客车、大型车)，可以在车轮及道路都处于静止固定状态的时候进行测量(试验法)；但是，由于路面障隙和汽车摆放方式对空气动力的影响很小，因此将试验车安装到平衡装置上时要十分注意，以确保车的状态与行驶中的状态相似。

首先找到能使汽车下拉力达到最大值的路面障隙，而后在一个能最大限度地使汽车保持在行驶状态的环境下对障隙进行测量。这种测量方法可以得到更精确的数据。

2)对于路面障隙相对较小的汽车(如赛车等)，若要相对准确地确定它们的空气动力特点，就要让车轮在一个类似路面的表面上移动一段距离(即驱动带法)。还有一种镜像法，如图2、图3所示，是将两个外形相同的车模型沿相反的方向安装在风洞中心轴的两侧。