近年来，汽车空气动力学作为汽车减阻降耗的关键性能指标越来越被车企所重视。国外车企通过研究汽车空气动力学标准模型和采用标准模型进行风洞试验积累了丰富的气动数据，国内在相关领域的研究却相对较为落后。本期邀请了清华大学徐胜金副教授为您详解研究汽车标准模型的必要性。

徐胜金博士：

清华大学航天航空学院副教授, 博士生导师，清华大学钱学森班共建风洞实验室主任，清华河北发展研究院空气动力学工程技术中心主任，中国汽车工程学会空气动力学分会委员，中国汽车工程学会空气动力学标准委员会委员。主要研究方向：湍流转捩、边界层流动与减阻，在流场精细结构测量方面有十几年的研究经历。

人们普遍有个常识，汽车行驶过程中会受到空气阻力的影响而加大耗油量。但是，要说清楚其中的道理，例如阻力是怎么产生的？如何控制阻力？如何利用实验和计算方法研究汽车受到的气动力问题？研究结果如何服务于实车设计？可能对一些人来说仍是难事。今天，我们从力学的角度，结合汽车空气动力学标准模型的作用和发展进行一些粗浅的探讨，尝试回答以下几个问题：1. 汽车受到的气动力与周围流体有什么关联？2. 什么是汽车空气动力学标准模型？3. 如何利用汽车空气动力学模型理解汽车的流体物理问题？4. 模型研究成果如何服务于实车设计？

1 汽车受到的气动力与周围流体有什么关联？

提到风阻，汽车行业的工作人员都不会陌生。风的阻力只是汽车受到空气作用而产生的力的一个分量。汽车在路面上行驶，不仅受到空气的作用力，这些力对空间中某个选定的点也可能存在力矩的作用，经常将这些力和力矩统称为汽车受到的气动力。

图1给出了一个行驶中的汽车与空气相互作用的示意图。站在固定于车身上的坐标系观察，气流是围绕汽车运动的，并最终在汽车尾部汇合。

图1 在车身坐标系中流动的特征

无论是车顶还是车底，远离汽车的位置（数学上定义为无穷远）流动速度都与来流速度相同。车身顶部具有一般性的钝体特征，即沿流向及垂直流向的方向物体的尺度相差不大。而车底是具有表面结构的平板结构，流动经过这样的平板结构和钝体结构时流动特征会有本质差别。一般情况，车速或者等效成流动速度较高，车身尺寸较大，所以，无论选择车身长度、还是选择投影面积的算术根为特征长度，定义的雷诺数都很大，加上车身上下表面存在凸凹、拐折、棱角、突出物等情况，流动很快转捩成为湍流，车身表面大部分区域附近的流动都为湍流，仅有车身前部很小的区域在车速很低的情况下才可能是层流。 以一个三箱乘用车为例，长度大约在4.5米左右，按照中国公路的常规设置，车辆怠速时速为6公里，高速行驶最高时速120公里，即车正常的运动速度是1.7 ~ 33.3米/秒, 相应的以车身长度定义的雷诺数范围大约在50万~1000万，在这个雷诺数范围内，常温下，任何钝体形状的绕流流动都已经是湍流，因此，有关汽车的流动都应该考虑湍流。

从物理上看车身附近流动非常复杂，给研究和数据获取带来极大挑战： 1） 流动是在时间上和空间上都连续变化的物理量，以当前的实验和计算手段，任何实验和计算只能做到在有限时间内、局部空间上的片面观察，要获得全时、空变化的物理量可能要付出无法承受的代价；2） 不同物理量之间存在时间和空间上的物理关联，任何单一目标或者非全目标的实验和计算都是片面的。例如，风洞实验中，阻力仅仅是一个合力的分量，但阻力的大小与车身表面压强分布有关联，分布规律不同可能获得相同的阻力，也有可能获得不同的阻力，所以仅知道合力而不知道压力分布就无法提出控制合力的方法； 3） 流动从大尺度空间区域和长的时间尺度上看都是湍流，湍流具有随机性、多尺度性，而且尺度之间也存在各种耦合，这导致汽车绕流湍流问题非常复杂，给认识其规律带来巨大困难；4）流体物理与结构动力学之间的耦合进一步增加了复杂性，汽车结构是弹性结构，在力作用下可产生形变或振动，这反过来影响接触的流动，二者耦合使汽车受到的气动力存在脉动、引起疲劳、产生宽频噪声等问题。

考虑到汽车相对流动仍是低速运动物体，其速度远小于当地声速，来流条件假设为均匀的，那么可以认为围绕汽车的流动是不可压的恒温流体，来流可认为是定常的流动，但绕过汽车后的流动可以是非定常的。根据雷诺输运定理（关于这个定理的来龙去脉可以参考一些有名的教科书，例如Frank M. White 的Fluid Mechanics），我们可以获得一个关于汽车气动力的漂亮而不实用的方程：

（1）式针对任何形状物体绕流问题都成立。等号左边表示汽车受到的气动力矢量和。等号右边中的U是流动速度矢量，代表流动速度，是时间和空间的函数。 V和S分别表示包裹汽车的流体体积和表面积。（2）式为力矩矢量。只要作用力确定，对空间中某点的力矩就确定了。根据（1）式， 汽车的气动力与周围流体的流动速度矢量有关，与流体在车身外的体积的时空变化率有关，与包裹车身流体表面积的时空变化率有关 ，正常条件下无法得到（1）式的显式表达式。但根据（1）和（2）式至少可以知道气动力与周围流动紧密相关，这也是为什么要了解气动力形成机理就必须要了解周围流动的原因。可以通过一个简化的情况进一步看清这一问题，例如将流体看成是理想流体，只考虑定常流动，利用伯努利定理，（1）和（2）可以简化成下面方程：

虽然（3）和（4）式对于大多数情况都不准确，但可以更 好地看清楚气动力与流动速度场的关系。通常，利用风洞实验或者计算获得的力，仅仅是一 个合力，合力与汽车表面受到的压力的时、空分布有关，而压力的时空分布与周围流动有关。 从实验的观点上看，直接获得合力比较容易，而获得全场的压力时空分布最难，几乎没有实 用方法。相对而言，流场细节的获得却比较容易。因此，获得流场是研究气动力的一种重要 可行的方法，特别是关乎到气动力产生机理及控制时，了解流场就显得更为重要了。

2 什么是汽车空气动力学标准模型？

为了降低研究代价，人们制作出外形类似汽车的小尺度模型，利用实验和计算手段围绕汽车的流动问题开展研究，积累汽车空气动力学理论知识，服务于汽车设计。汽车空气动力学模型脱胎于实车，对外形进行了适度的抽象和简化，保留了与实车一样或者相近的流体物理特征，通过对模型的流体物理研究，弄清模型空气动力学机制和规律，建立相应的理论去理解实车的空气动力学本质，这些认识和理论可对实车的创新设计提供理论指导。同时，因标准模型的规范性，模型本身及其研究成果可以为实验和计算的对标提供所需的标准数据。同一模型用的久了，其功能和作用得到行业认可，就成为标准模型，可以作为一种语言，在行业内进行沟通。但可能存在 一种错误的理解：实车外形设计将根据汽车空气动力学标准模型的形状来设计。 这其实弄反了汽车空气动力学模型与实车之间的关系，也没有了解汽车空气动力学模型的真正用途。

自上个世纪八十年代，国际上曾经出现过十几种具有不同特征的模型，如Ahemd、 SAE、 Rover、Davis、GM、Ford Block、ASMO、DOCTON、RMIIT、Chrysler、MIRA、DrivAer模型等。利用这些模型，人们对涉及到的流体物理规律、气动力产生机理、气动力或流动的控制等问题进行了广泛的研究，积累了丰富的数据，建立起现代汽车空气动力学的理论框架。 表1列出了这十几种模型的设计机构和产生时间。其中，最著名、最流行的有Ahemd、MIRA和DrivAer三种模型。

图2 Ahemd、MIRA和DrivAer模型的侧轮廓图

图2从左到右、从上到下分别给出了这三种模型的简笔画示意图。严格来说，Ahemd模型根本就不是车的形状，所以经常有人称之为类车体。其基本轮廓为规则的长方体，后背是个倾斜的斜面。模型上没有任何实车身上的附件，如后视镜、ABC柱、车门、车窗、天线、车轮等等，就是一个表面光滑、棱角分明的几何体。MIRA模型外形已经大致有了车的外貌， 车头、车身、车尾形状基本像车，甚至有不能转动的车轮。但其局部结构仍与实车有很大区别，大部分区域都是平面，面与面为直角连接，棱角分明。与此不同，DrivAer外形与真车相同，面与面之间过度圆滑，有与真车形状相同的局部结构如后视镜、天线、车门、车窗、ABC柱等，车轮可以转动。上述三种模型形状从简单到复杂，简化到真实，是三个典型的汽车空气动力学模型代表。根据研究目的不同，其尺寸可以做到1:1，也可以做成缩比模型。

但汽车的形状特征都在三种模型上有类似的体现，后背的倾斜方式类似，头部的基本形状类似，车身底部类似，尾部基本形状类似。这里只是说类似，不是相同，是因为基本形状中仍存在有直角过度的，有倒角过度的差别。后背倾角的角度和表面的平直情况也不尽相同。这样的设计不仅具有传承，也有相互借鉴的痕迹，并且都是实车的几何抽象。当这些模型处于流场中，流动与模型作用，会出现极其相似的物理现象。例如，模型各个部位形成的涡系，其空间位置、相互关系、动力学过程等特征都很类似，这也给研究实车空气动力学问题带来了方便。显然，这三个模型代表汽车研究从简单到复杂、从高度抽象到具体细节化的发展过程，也符合人类认识事物的规律。

3 如何利用汽车空气动力学模型理解汽车的流体物理问题？

§1已经介绍过，汽车受到的气动力与周围流动状态有极强的关联。因此，研究流动的物理特征对理解气动力产生机理、气动力控制非常重要。利用模型研究这些空气动力学问题，代价小，实验和计算方便，更能发挥实验室级别测试技术的长处。同时，行业都以同类模型作为研究对象，在数据定义、实验标准、计算标准等方面成为通用的沟通语言，可减少重复性工作，实现数据共享。经过大量的文献调研，针对汽车空气动力学问题，利用模型至少可以开展五个方面的研究工作。因篇幅原因，并未将所有文献都列入，挑选一些流体力学领域权威性的文献作为说明。

3.1 气动力与绕流流场

气流绕过Ahmed、MIRA和DrivAer等模型时，因模型几何外形的变化、流体存在惯性和粘性，导致流动在模型不同部位产生分离。分离的流动一般含有剪切梯度很大的、不同尺度的流动结构，形成包含以涡或波为典型特征结构的流动。其中，以大尺度涡为典型特征的流动结构一般称为相干结构，相干结构与周围流体一起会沿着流动方向持续很长的距离，成为涡街，涡街的几何特征及运动特性反映了模型上的压力的分布和变化，因而体现了气动力的变化。以波为特征的流动结构一般出现在距离模型表面很近的薄层里，形成以高低速区分为特征的条带，这些结构与壁面摩擦力具有很强的关联。这些波也可能会演变成涡，例如图3模型顶部出现的发卡涡。

图3为气流绕过Ahemd模型（后背倾角为30°）表面的时均涡系结构。车身大部分流动均是涡和波的混合体，只是不同部位二者混合比例不同。这些流动结构不但给模型提供了脉动的作用力，结构自身尺度上也会变化，这导致流场中压力在不同频率宽度内出现波动，这些脉动力恰恰都是不可忽视的噪声源。

图3 Ahemd模型表面复杂的流动结构[18]

可以看到，因Ahemd模型的几何外形，流动从模型棱角处就产生流动分离，并产生具有特点的涡结构。在较低雷诺数时，靠近头部还可能出现存在不断自循环的分离泡，这些分离泡并不稳定，随雷诺数增加会破裂消失，但它的出现已经修改了Ahemd头部的形状，也改变了流动特征。在模型中部流动会再度分离并产生涡。尾部的流动分离最为明显，流动分离后不再重新附着在模型上，而是在模型尾部与其它流动混合向下游输运，形成结构复杂、几何特征不明显、非定常的混合尾流。

Ahemd模型在后背倾角为30°时还有一个特殊的性质，倾斜的后背也会产生分离泡，使分离区增大。具有大量涡结构的区域反映了当地压强变低的性质，所以，这个分离泡的出现会使模型尾部局部压力快速降低，导致整个模型阻力增加。当后背倾角大于30°时，分离泡破裂消失，使模型尾部压强迅速回升，总阻力也迅速降低，如图4所示，阻力系数在后背倾角等于30°时出现间断。

图4 Ahemd高阻模型表面复杂的流动结构与后背角度对风阻系数的影响[1]

文献[1]还对Ahemd后背倾角分别在0°~12.5°之间和12.5°~30°之间的阻力系数表现从平缓到急剧上升的机理进行了研究。这个机理就是通过精细研究尾部的流动结构而获得的。当后背倾角在0°~12.5°之间时，模型尾流结构基本相同，如图5（a）所示。气流在倾斜面上附着较好，到达尾部曲面后，气流从尾部垂直面顶边分离形成尾涡，随着后背倾角增加，尾涡分离范围缩小，阻力系数减小。气流在尾部垂直面顶边和底边分离后进入尾流区形成马蹄形涡A和B，两涡与尾部垂直面基本平行并被分离泡D包围；倾斜表面左右侧边附近剪切层卷起形成一对流向涡C。这些涡结构稳定存在，说明模型尾部当地压强基本不变，阻力系数基本保持不变。当后背倾角在12.5°~30°之间时，可以看到气流在倾斜面上也产生了分离，出现了分离泡（图5b）改变了模型尾部的外形，局部压强降低，总的压差阻力上升，随后背倾角增加，分离泡增大，总的压差阻力增加。

图5 Ahemd模型后背倾角变化对尾部流动结构的影响[1]

Ahemd模型的流场研究结果可以推论到实车。尽管实车周围流动会更复杂，但其主要的流场结构与该模型展现的类似。后背倾角的不同对尾流的涡系、模型尾部压力分布有重要影响，仅从阻力方面考虑，后背的倾斜方式关乎着阻力系数的高低。MIRA模型用三种背部构型反映乘用车的三种常用的的车身类型，即方背式（squareback）、快背式（fastback）和阶背式（notchback），如图6所示。可以看到，三种后背形状一方面影响着乘用空间，另一方面对阻力有重要的影响。其中，快背式在同样流动条件下获得了最小的阻力系数，这与其尾部的流动结构有关联。

图6 MIRA模型不同后背的相干结构[19]及风阻系数[20]

快背式尾部沿着C柱形成的两个流向涡，在背部后窗上还会产生一个流动分离区，模型尾部从下至上也会形成小的回流区。这里要注意的是，分离区里是含有不同尺度涡的流动结构。这些结构都会在模型尾部形成低压区。低压区的大小与流向涡的强度、分离区大小及内部流动结构强弱相关，涡越强、分离区尺寸越大引起的局部压力会越低。几种后背方式相比，快背式具有相对较低的总阻力系数[20]。同样，DrivAer模型也设计了三种不同的背部构型，其表面的时均流动结构与MIRA模型基本一致，图7中DrivAer模型的Fastback在C柱位置同样形成两个反向旋转的流向涡，在后窗上形成一个低压区，由于车顶与和后窗的过渡连接处相对光滑，此处的流动分离结构相对较小。相对MIRA尾部的粗壮、零散的流动结构，其表面产生的流动结构形状细小而集中。与MIRA模型类似，快背式后背能获得更小的阻力系数。

图7 DrivAer模型Fastback尾部的相干结构[21]及不同后背的风阻系数[22]

深入了解模型周围流动的能量分布，对模型受力、动力学分析都是一个重要的输入条件。通过对流动的动量和能量输运规律研究，也可以对类似“为什么产生这样流动结构”的问题进行回答。比较常见的流场能量分析功率谱方法[18]、DMD[23,24]、POD[25]等方法（关于这些方法的定义和内涵，读者可自行查阅相关资料，本文将不再展开讨论），通过这些方法可以了解流场中不同能级的结构组成以及演化特征。Ahmed模型尾部不同位置处的速度的频谱信息表明（图8），尾部流动是模型不同位置产生的涡系的混合，存在多个主导频率。在距离模型尾部不同距离、不同高度的空间位置，主导的频率也不同，说明这些涡系之间存在相互作用，存在明显的非定常性，这些频率的空间分布信息为流动控制方法选择及控制指标的提出提供了依据[18]。图9给出了DrivAer模型流场的POD分解结果，结合这些模态能量占比，可以验证以较低成本的降阶计算模型获得高精度的气动数据是否可行[25]。

图8 Ahmed模型尾部不同位置处流动速度信号的功率谱特征[18]

图9 DrivAer模型仿真流场的POD分析[25]

3.2 流动控制

当仅靠外形的改变仍无法实现气动力指标要求时，一个可行的方法是流动控制。流动控制在航空领域已经有成熟的技术应用案例，例如波音及空客飞机利用翼稍小翼减弱翼尖涡的干扰和副作用，机翼上的涡流发生器可以延缓流动分离、减弱横流转捩等。在水下工程、海洋、建筑、桥梁、等领域也有工程范例。例如建筑和桥梁的流致振动控制，海洋输油管路振动的控制，水下航行器空泡减阻和噪声抑制等，这些控制不仅需要精确的理论、精确的实验方法和计算方法，也需要电测技术和传感器技术的配合，因此，流动控制具有重要的学术意义和工程价值，控制理论和方法本身就值得研究。在学术界，人们也从未停止汽车流动控制的尝试。同样，汽车模型在研发流动控制方法和技术方面也起着重要的作用，尽管现在很多方法都在研究中，但这不代表未来不会有性价比高的汽车流动控制技术的出现。

纵观现有文献，流动控制方法可笼统地分为被动控制和主动控制两大类。控制实现的方式可以是开环控制也可以是闭环控制[26-33]。从控制效果上看，被动控制和开环控制方法代价低、技术要求低，容易实现，但效果往往并不理想。人们一直期望闭环主动控制能发挥更好的作用。然而，闭环主动控制技术也将更复杂、代价也更高，更为关键的是是否存在那样有效的控制技术（可控性）都是未知数。流动控制的目的基本上是控制气动力、摩擦力，提升需要的力分量指标，降低消耗能量的分力指标，例如减阻；也可能需要控制气动力使其平稳变化，增加车辆的可操控性；也可能为了控制脉动力，降低噪音。不管控制目的如何，物理机理上是通过抑制流动分离、改变流动分离位置、延缓流动转捩、改变流动结构特征、改变流动相互作用等方式实现流动控制，在汽车里已经有人尝试模型尾部添加扰流板[26,27]、涡流发生器[28]、安装零质量射流装置[29-32]、设置表面微结构[33]，汽车前部添加气坝、底盘抽吸等对模型的剪切层进行控制，改变其尾流特性，降低压差阻力以实现减阻。

文献[26]在对Ahmed模型表面的流动特征充分了解的基础上（如图10），在尾部两侧添加扰流板对主流向涡的控制。扰流板与后背的角度接近70度时，扰流板一定程度上减弱了两侧流向涡的形成，并给背部分离泡自由成长的空间，背部分离区的流动与被削弱的流向涡有很强的相互作用，进一步降低了含涡结构的强度，从而使模型尾部的压强升高，降低了模型的阻力（图11）。

图10 扰流板对Ahmed模型两侧流向涡的控制 [26]。

（a）尾扰流板安装位置（b）没有扰流板时的速度云图

（c）有扰流板的速度云图

图11 阻力系数随绕流板倾斜角度的变化[27]

3.3 多车相互作用空气动力学

基于模型可以进行多车相互作用（会车、超车等）时出现的复杂环境空气动力学问题进行研究，通过流场特性分析评估汽车行驶安全。图12利用DrivAer模型超越卡车，在此过程中，针对不同的相对位置（X/L），给出两车之间流场的数值模拟结果[34]。文献[34]利用DrivAer模型，计算获得了超车过程中平均流场、瞬态流场、车身表面压力的变化，分析了两个车的阻力、升力和侧向力以及相应的力矩受到的影响，发现DrivAer模型的阻力系数会发生先减小后增大的变化。这些认识对理解实车超车过程的空气动力学，评估车辆可控性、行驶的安全性具有重要意义。

图12 基于DrivAer模型测试超越卡车过程中流场的变化[34]

3.4 验证计算及对标

汽车空气动力学模型也给CFD研究带来了方便。首先，针对同一模型，可以对不同计算方法、不同计算程序、选用不同湍流模型进行比较，获取最合适的计算方法。文献[35]比较了不同计算方法对Ahmed标准模型表面流动结构解析的影响，发现利用雷诺平均方法可以很好地再现了尾部两个反向旋转的纵向涡，但无法对瞬态流场进行精细解析（图13）；相比之下，SAS-SST模型能够较好地计算出较大的流动结构但对小尺度结构却很难捕捉；LES方法则对较小尺度的斜向结构和尾迹结构的展现有优势。与实验比较，LES方法得到的阻力值误差较大，根据图13（b）中的速度分布，模型后背的分离区速度被高估，且分离后再附的现象在LES方法中没有得到正确的复现。

其次，模型实验的代价低，可以获得精准的实验数据用于验证计算。针对已有的汽车空气动力学模型，已有丰富的研究成果可以直接借鉴。正是因为这些模型的便利，可以开展难度很高的非定常[36,37]、非稳态[17,21,38]流场研究，这些结果为理解汽车绕流流场提供了更全面的素材，特别是基于时间相关的流场信息。文献[36]基于Ahmed模型采用大涡模拟（LES）获得了尾部横截面时均-瞬时流场结构以及气动力随时间的变化（图14）。从瞬时流场上看，尾部流场结构不是固定不变的，具有非定常性，阻力系数成随机的脉动变化，侧向力系数随时间也是随机变化，且存在较大幅度的低频波动，充分反映了流场与气动力数据存在内在的联系。

图13 基于Ahmed模型考察计算模型对仿真结果的影响[35]。（a）Ahmed模型表面的涡结构和阻力系数

（b）Ahmed模型尾流速度剖面

图14 采用LES方法仿真获得的Ahmed模型尾部横截面时均和瞬时流场结构 [36]。

（a）Ahmed模型（j =0°） (b) 尾部横截面时均流场

（c）尾部横截面瞬时流场 （d）阻力系数随时间的变化

（e）侧向力系数随时间的变化

利用DrivAer标准模型可开展模型部件流场和对气动力影响的研究。实车的后视镜[22]、车轮旋转及轮仓开闭[21]等情况都会对气动力有影响，且车身表面流场的变化对流致噪声也有较大的贡献。

图15 后视镜对车窗表面压力的影响[22]

此外，汽车空气动力学模型在CFD计算程序开发上也发挥了重要作用，为验证CFD代码提供测试算例。汽车CFD技术早期借鉴了许多航空CFD技术，但两者存在一定的差异，而汽车空气动力学模型丰富的气动力数据就成了测试和改进CFD代码准确性、考察数值仿真中的网格、湍流模型正确性的对标依据。

图16 车轮转动对轮仓表面压力的影响（a）不转动（b）转动[21]

3. 5风洞实验对标

任何风洞实验，因为风洞的不同、测试手段的不同、实验者的不同等等都可能对实验的不确定度有贡献。而如何控制这些因素产生的不确定性一直是个难题。利用统一的实验模型，可以减少其中的很多不确定性。因此，汽车空气动力学模型可以用于风洞实验的对标工作。由于模型外形、尺寸等数据一致，可以很好地避免加工误差带来数据的不确定性。从大型汽车风洞的使用经验来看，不少风洞的建设和运行过程中均会选用一款标准模型进行对标测试，确保风洞试验段流场指标或测试方法满足要求，如MIRA风洞每三个月会使用MIRA全尺寸模型对风洞的流场进行一次校准。汽车空气动力学模型也可用于分析风洞试验段阻塞比影响[2，12]，地面效应的影响[39]、试验段压力梯度对测试结果的影响[40-42]等。图16为利用DrivAer模型研究阻塞比对其气动力的影响，其数据可作为该风洞阻塞比修正方法提供参考[43]。再如文献[44、45]利用MIRA标准模型，研究了风洞边界层厚度对气动力测量结果的研究，为汽车风洞设计边界层控制系统提供了实验数据。

图17 阻塞比对DrivAer模型气动力测试的影响 [43]

综上讨论可以发现，利用汽车空气动力学模型，结合流体力学、结构动力学实验和计算手段，可较为全面地了解汽车绕流的流场特点、流场与气动力的关联，为流动控制寻找切入点，能验证计算并为计算对标，能校准风洞及测试方法，能针对不同风洞实验进行对标。这些工作如果能在一个统一的模型上进行，将更加节省人力物力。同时，模型研究的结果可以帮助年轻的汽车工程师深入地理解汽车空气动力学物理本质，获取可以指导设计的实验和计算数据，对汽车外形及结构设计必定有着重要的意义。

4 模型研究成果如何服务于实车设计？

通过上面讨论，相信读者可以对汽车空气动力学模型及模型的研究有了一个概括性的认识。厘清汽车空气动力学模型的内涵，了解其功能和作用，主动尝试应用，可以为汽车造型设计者增加新的视角。汽车设计必定是多目标的，如果写成一个价值函数（如式5所示）。

显然，汽车设计需要考虑的目标越多，目标之间的关联度越大越难求解。但是借助汽车空气动力学模型对汽车空气动力学的认知，可以弄清（6）基本含义，为确定最终的优化指标提供服务。

1）理论指导。通过对汽车空气动力学模型的研究，定性了解车身绕流流体的物理性质、规律，了解车身形状改变可能对流动特征的影响，从而了解对气动力的影响。造型设计从美学、成本和实用角度考虑，已经限定了修改空间，在此空间内，了解形状改变带来的气动力变化，就可能兼而有之。

2）在汽车外形设计开发阶段，利用汽车空气动力学模型可对油泥模型的实验环境、实验方法进行对标，减少实验环境、实验方法及操作带来的不确定性。同时，可以验证CFD计算方法，获得计算数据，最终利用计算和实验数据支持设计。现代汽车设计阶段，仍离不开缩比模型实验、油泥模型实验等，风洞实验本身带来的不确定性往往让开发者有愤怒地摒弃空气动力学的考虑。如何消除这些不确定性，其实完全可以使用标准模型来解决，规范实验流程，确保能获得可靠的数据。

3）规范汽车设计流程，减少不必要的重复性劳动，减少开发成本。如果能在理解汽车空气动力学模型作用的基础上，在行业内推广通用的标准模型，使模型的空气动力学数据成为通用的语言，那么就可以让设计流程更加合理，资源更合理利用，因为，这一切都有了更为科学的指导。

诚然，汽车设计与开发是个多目标函数，而空气动力学指标仅仅是其中的一个函数。这个函数与其它函数之间可能存在关联，例如，减小气动阻力既可以实现节能环保的目的，同时也可能对乘用空间、美观造成不利影响，但是，空气动力学指标又是不能完全忽视的因素，尤其是在未来对环保节能的严苛要求，更是增加了空气动力学指标的权重。所以，如何利用好空气动力学指标给汽车增值，可能先从发挥好汽车空气动力学模型作用开始是一个不错的选择。

本文其他作者：清华大学刘锦生，中国汽研王庆洋、鲍欢欢、王勇。

这篇文章拖了很久，一是因为杂事太多不能专心，二是写的过程中遇到不少困难。作者大都是力学出身，比较擅长以力学观看物理世界。汽车工业发展了一百多年，一辆汽车身上往往蕴含着十几代设计者的智慧、匠心和用户的期盼，甚至还包含哲学、艺术等思想，博大精深，而仅仅从力学观点看待汽车设计一定是片面的。为了文章的表述严密，经得起推敲，又尽量少用术语，对于我来说，确实是一件劳心劳力的事情。限于作者水平、世界观，文章一定有很多局限，也许有很多方面是一己之见，且对有些观点欲言又止，并未详尽列出，也请汽车行业的工程师、老师们多包涵，只希望读了这篇文章能对设计者有个启发。最后感谢中国汽研、CSAE汽车空气动力学分会的支持。

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本期为“中国汽研汽车风洞技术”公众号特邀原创稿件，感谢原创作者对CSAE汽车空气动力学分会科普工作的大力支持。 其他公众号转载本文请联系我们授权，读者转发朋友圈请随意。

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