汽车工程应用力学：主要部位对干扰阻力的影响

1.凸起物和凹槽

（1）凸起物 除了靠近车身外表面的附件以外，还有窗框、密封胶条、排水槽、刮水器片和装饰条等凸起物。

若凸起物高度h较大时，它使气流从车身表面分离，在物后形成涡流；若高度很小，凸起物全浸没在车表附面层中，虽然不直接引起气流分离，但也会对附面层有所影响而使附面层增厚加快，促使气流在下游提前分离，如图5-92所示。为了使气流不在后窗上发生分离而精心设计的后背，可能会只因为一道凸起的窗框而前功尽弃。

图5-92 车表凸起物对气流的干扰

如图5-93所示，把凸起的车门把手改为与车身表面齐平，把前照灯、前小灯灯面改为与周边部件合缝，把收音机天线置于干扰范围缩小、气流速度较低的后顶部，把刮水片隐蔽在集水槽里，采用粘贴技术来固定风窗玻璃，去掉不必要的密封胶条和外饰件，采用流线形的外后视镜等，都是可行的减小干扰阻力的措施。

图5-93 减小干扰阻力的措施例举

a）隐蔽的刮水片 b）与车表齐平的门把乎 c）后顶置的天线 d）流线形的外后视镜 e）与周边合缝的前照灯

（2）凹槽 车身表面上还有一些小凹槽，例如发动机室盖、车门、行李箱盖等活动活板件周围的接缝，车门把手处的凹坑等。这些凹缝虽然没有增加迎风面积，但也如同凸起物一样，影响着空气的流动，产生干扰阻力。

凹槽相对于气流方向有不同的走向，典型的走向有垂直或平行于气流方向两种。

当凹槽走向垂直于气流方向时（如图5-94所示），它所引起的气动阻力的增是随槽的相对深度而变化。试验表明，当h=b=0.6时，气动阻力的增量有最大值。如果将后侧槽棱倒一个5°的斜角，可将气动阻力增量降低35%；若罩盖把凹槽遮住一部分，并且向槽里略作倾斜，也可降低气动阻力。

当凹槽走向平行于气流方向时（如图5-95），如果凹槽的两个端面与槽底面互成直角相连（图5-95a），则气流在槽底的两端直角处形成强烈的涡流；如果凹槽的两个端面为斜面（图5-95b），则气流能比较顺畅地通过。试验表明，当凹槽的h=b时，直角槽的空气阻力约为斜槽的9倍。

图5-94 横向凹槽深宽比（h/b）对气动阻力的影响

图5-95 纵向凹槽两端形状对气动阻力的影响

a）成直角 b）成斜面(www.xing528.com)

2.车轮

车轮可以看成是车身上的凸起物，轮罩是个大凹坑。这两者对气流的干扰作用很大，尤其是车轮旋转时对空气的搅动、对汽车底部和两侧空气的干扰，更是影响气动阻力的重要因素。

图5-96a为单独悬空的车轮在周围没有约束的、静止的空气中转动的气流情形。由于空气具有粘性，车轮周围的空气跟着车轮进行旋转运动，其速度分布如图所示。

图5-96b为离地的汽车车轮在匀速来流中转动的气流情形。其周围气流速度则是旋转运动气流和直线运动气流叠加的结果。这时车轮上、下方的气流速度不对称。上方旋转气流对来流起减势作用，叠加结果使来流速度降低；而下方旋转气流对来流起助势作用，叠加结果使来流速度提高。相应地，车轮周围的压力分布也不对称，其合力F有一个方向向下的分量。

图5-96c为实际的汽车车轮贴着地面滚动的气流情形。这时，仍可以把车轮周围的气流看成是随车轮转动并与迎面直线来流的叠加。由于车轮下方通道被堵塞，致使来流绕过上方的速度加快，但过中仍受到上方反向旋转气流的制约作用。这样一来，车轮周围的压力分布就完全不同了，气动合力F的方向是斜向上方，即有一个气动升力的分量。

若贴地滚动车轮没有轮罩的遮挡，气流会在车轮上部发生分离，使车轮前后产生一个压差阻力。像F1赛车没有轮罩的四个车轮，其引起的气动阻力约占总的气动阻力45%，仅两个前轮就占去了其中65%。但一般轿车的车轮都被部分遮挡在轮罩中，其气流状况与完全暴露在气流中的车轮又有很大的区别。

图5-97为有轮罩的汽车车轮贴着地面滚动的气流情形。由于空气有粘性，车轮的转动将空气从车轮后a处吸入轮罩下的空间，继而绕过车轮上方b处来到车轮前c处。这时，在汽车前部，由于进入底部的气流所形成的附面层厚度还较小，还没有更多地受到凹凸不平底面的阻碍，所以在c处下方的流速较快、静压力较低，于是被旋转车轮带到c处的空气便向下喷出，与底部来流汇合。与此同时，速度较高的车侧气流也将轮罩里的空气从车轮前边吸出。被吸出的气流扰乱了原本比较平稳的底部气流和侧面气流，并且往往使气流发生分离。

轮罩的遮挡，减轻了旋转车轮对周围主气流的干扰，从而减小了旋转车轮所引起的气动阻力。其原因可以理解为轮罩的遮挡减小了车轮在气流中的搅动范围，从而减小了气流的动量损失，车轮搅动气流所做相应的功也就减小。

图5-98为轮罩对车轮的遮挡程度对车轮气动阻力系数的影响。图中，C_D是在风洞中测得的单独的车轮的空气阻力系数。h/D值越大，表示车轮被遮挡越多。当h/D值等于0.75左右时，车轮的空气阻力系数为最小值；若进一步增加h/D值，C_D值又开始增大，这是气流在轮罩内产生的摩擦阻力增加之缘故。

图5-96 旋转车轮周围的流谱

a）在静止空气中旋转的车轮 b）在匀速来流中旋转的车轮 c）贴地面滚动的车轮

图5-97 装有轮罩的车轮滚动的气流状况

图5-98 轮罩的遮挡程度对车轮气动阻力系数的影响

对于后轮，由于其周围的侧面气流和底部气流的流速都较低，而且主要是紊流和涡流，因此对轮腔内气流的外吸作用减弱了，从轮腔外流的空气对外部主气流的干扰作用也小多了。这时，后轮前部正压区的正压值以及上部负压区的负压绝对值都小于前轮。因此，后轮引起的气动阻力要比前轮的小得多。一般认为，后轮的气动阻力约占车轮总气动阻力的35%。