汽车设计师锱铢必较的风阻系数，是怎么测出来的？

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？

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)。

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：

铺垫了这么多，就是想说明空气动力学对于提升汽车动力性、燃油经济性的重要作用，而风洞作为研究空气动力学的利器自然是不能少的了。

（二）风洞在汽车行业的应用

车辆的风洞测试，简单来说就是“风动车不动”，通过吹风来模拟车辆在路上跑时跟空气的相对运动关系，测量压力、噪声、流场、温度等等。

按照用途，车用风洞可以分为气动声学风洞和热环境风洞(又叫气候风洞)。按照构造形式，可以分为开路式和回(闭)路式。按大小可以分整车(全尺寸)风洞和模型风洞…还有其他分类方法，咱不是教科书，就不用那么面面俱到了。

气动声学风洞，顾名思义，主要用来研究空气动力学和声学特性的。

环境风洞，则可以改变气流温度、湿度、阳光强弱和其他气候条件（雨、雪等），主要用来进行汽车热力学特性的测试，比如散热、通风试验等。

开路和回路(闭路)

开路式: 直接从大气中吸入空气，经过试验段后又排入大气。

回路式：气流在洞体形成的封闭回路中运行。

以回路式风洞为例说说风洞的结构：

洞体由动力段、扩散段、收缩段、试验段、拐角导流片、稳定段、蜂窝器等部分组成。

动力段，顾名思义就是为气流提供动力的部分。风洞的动力系统由大功率直流电机驱动，风扇系统由轻量化的叶片如玻璃钢/碳纤维桨叶组成。

扩散段的作用是通过风道横截面积的增加，降低风洞中气流的速度，从而降低能量损失。

收缩段位于试验段的前面，随着其横截面积的不断缩小，气流从入口被逐渐加速到试验段所需要的流动参数值。

试验段是风洞的核心部位，试验对象、模拟环境条件的一些装置以及测量仪器、观察控制室等都设置在这里。

稳定段的作用主要是消除旋涡、稳定气流状态。在稳定段中通常装置有整流网(阻尼网)和蜂窝器。

很多知名的汽车厂商几乎都有自己的风洞， 比如

BMW位于总部慕尼黑研发中心的风洞

通用(GM)已有37岁”高龄”的风洞

特别值得我们开心和自豪的是，2009年，中国的第一个整车风洞“上海地面交通工具风洞中心”在同济大学嘉定校区落成，大大提升了我国汽车空气动力学试验设备的水平。

上海地面交通工具风洞中心，我国首个整车风洞，建成于2009年