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汽车设计师锱铢必较的风阻系数，是怎么测出来的？

2018年03月23日 21:35:16

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来源：雅斯顿

原标题:汽车设计师锱铢必较的风阻系数，是怎么测出来的？

本文是雅斯顿原创分享文章

撰文 ✎ 萌爷

过去，空气动力学在人们脑海中是一个晦涩难懂但又充满逼格的概念，往往只有航空领域和塞车运动上会运用到。而随着汽车技术的发展，空气动力学的成果也越来越多被运用到汽车设计中。我们都知道风阻系数越低，代表这辆车的空气动力学性能越好，但你又知道它是怎么测出来的吗？

风洞的历史

诞生于19世纪晚期的风洞最早是用来研发飞行器的。著名的“莱特兄弟”在制造他们的飞机”Wright Flyer”期间就用了一个简单的风洞来研究气流经过不同表面时的效应。在二战和后来的冷战时期，更大尺寸的风洞被广泛用于各种飞机、导弹、火箭的空气动力学研究。

1934年，一架Boeing P-26A在NASA的风洞中等待测试

空气动力学之父普朗特(冯卡门的老师，钱学森的老师的老师)曾说过一句话，很好地概括了风洞应用的推广：

“I remembered the wind tunnelin Gottingen was started as a tool for studies of Zeppelin behavior, but thatit had proven to be valuable for everything else from determining the directionof smoke from a ship’s stack, to whether a given airplane would fly. ”

(“我记得哥廷根的风洞起初是用来研究飞艇的，但事实证明它对很多其他的研究也有价值，从确定船烟囱出来的烟的方向，到一架飞机能不能飞起来。”)

世界气体动力学三代掌门人的合照：祖师爷普朗特(左)，师父冯卡门(右)，徒弟钱学森(中)。

风洞在汽车行业

汽车的发展距今已有一百多年的历史，而把空气动力学的研究方法、研究结果引入汽车设计是从上世界20年代末期才开始的。再后来，风洞也被推广到了汽车的研发过程中，”空转陆”、“军转民”，成了汽车工业里的”黑科技”。

（一）空气动力学与汽车性能

显然，给汽车做风洞测试并不是为了研究怎么让它飞起来，那是为什么呢？起初，是为了降低油耗。

让我们先来看个公式：

看着有点晕？没关系，你只需要知道T代表汽车行驶中的总阻力，而等号右边的三项分别是空气阻力、前轮的滚动阻力、后轮的滚动阻力。(未考虑坡度阻力和加速阻力)

单把空气阻力拿出来：

也就是说，空气阻力=(空气阻力系数Cd x空气密度ρx车头正面投影面积A x车速平方v2)÷2

特别需要注意的是，公式中速度是以平方的形式存在的，这就意味着，随着速度增加，空气阻力会以平方的速度增长。下面这张图很直观的显示了空气阻力和滚动阻力在车速变化时相对比例的变化：

可见，当车速为80km/h 时气动阻力与滚动阻力水平相当；当车速为160 km/h 后，气动阻力已经占到了总阻力的三分之二。

说完力再来看看功率。发动机所做的功有相当大一部分用来克服空气阻力。再祭出一个公式：

公式左边的N代表空气阻力消耗的功率，右边是不是很眼熟？是的，跟空气阻力的公式有点像，但请注意，在功率的公式里速度是三！次！方! 换句话说，速度从10km/h增加到100km/h，速度变为10倍，而空气阻力所消耗的功率则变为1000倍!

举个更实际的例子，按照欧盟的综合测试模式，平均时速在32 km/h，此时的油耗大概有四分之一是因为风阻而产生。而如果以90 km/h的速度巡航，将有一半的燃油消耗都由风阻引起，这时的空气动力学水平对于油耗将变得极为重要。

最著名的、日常使用最多的评判车辆空气阻力水平的一个参数叫空气阻力系数(或气动阻力系数、风阻系数)，英文叫“Drag Coefficient”，也就是上面的公式里反复出现的Cd，作为阻力、阻力消耗功率这两个公式里的重要因子，它对燃油经济性的重要性自然就不必多说了，除此之外，它对车辆的动力性的影响也很大，看两条结论：

-当车重及其他因素不变，传动效率一定时，汽车的加速度取决于气动阻力系数。

-当车重及其他因素不变，最大驱动力一定时，汽车的最大速度取决于气动阻力系数和气动升力系数。

摘自汽车空气动力学的教材，不展开说了，大家有兴趣可以自己去翻翻。

对于多数现在的家用汽车来说，Cd大致在0.2-0.4之间，如果Cd<0.3就说明这款车的空气动力学设计属于优秀了。很多我们熟悉的主打运动的家用车型的Cd都在0.3上下(来自维基百科)，如下表：

0.34

Mitsubishi Lancer Evolution X

0.31

Audi A5

0.30

BMW 3 Series (F30/F31)335i

0.30

Nissan 370Z Coupe
(0.29 with sport package)