减小气动升力的5种主要措施

欲减小汽车的气动升力必须联想到气动升力产生的原理。既然上弯下平形状的车身和地面效应的影响是产生气动升力的主要原因，那么减小车身上弯度以避免负压峰值区的产生和疏通底部气流通道、提高气流速度是我们减升措施的主导思路。但从实际出发，轿车车身上表面不可能不上弯，也不可能不起伏，只不过是弯折有度罢了。因此可以说，凡能使车身在有关纵、横表面圆滑过渡以增加两侧气流量的措施，以及加快底部气流速度的措施都有利于降低气动升力。

1.采用楔形车身

早期的空气动力学汽车造型设计，只着眼于减小气动阻力，车身造型倾向于前大后小的水滴状流线形体，“甲壳虫”就是这种造型的典型（见图5-106）。随着人们对空气动力学的全面深入研究，汽车造型发生了很大的变化，把减小气动升力也列为汽车造型设计范畴。这旨在使车身造型由前大后小变成了前小后大，轿车前端高度降低，后端高度增加，车身整体向前下方倾斜，车身背部像刀切一样平直，头尖如楔。这就是从20世纪60年代初开始出现的楔形车。20世纪70～80年代是楔形车的鼎盛期，它至今仍是轿车造型的潮流，只不过是在楔形车的基础上融合了船形、鱼形的优点，使造型更加丰富罢了。

图5-106 老“甲壳虫”水滴状的车身造型

楔形轿车有以下特点：

1）低矮的前端减少了进入轿车底部的气流量，缓解了底部气流的阻塞程度，从而有利于减小气动阻力和气动升力。

2）楔形车突然转折的后背，可以减小气动升力和诱导阻力。

3）发动机室盖与前风窗之间的衔接趋于平滑，减小了该处的气流分离区，相应地减小了该处所产生的气动阻力。

4）楔形车具有较小的“翼型”迎角，所受的气动升力较小。

5）楔形车车身的侧视投影形心偏后，所形成的侧风风压中心靠后，有效地提高了侧风的稳定性。

6）楔形车与甲壳虫形、船形、鱼形等车身相比，在车身外表的压力分布方面，其负压值较小且分布较均匀，没有突出的“吸力峰”，这说明其车身上、下表面压差较小，气动升力较小（可参阅图5-41）。

7）楔形车在车尾可能形成较大的尾流区，压差阻力可能较大。

鉴于楔形车身造型具有以上优点，至今仍是轿车造型的基础和主要格调。

图5-107为楔形车与新“甲壳虫”车的外形对比。

图5-107 楔形车与新“甲壳虫”车的车身造型对比

2.采用低头缘大弧面车头

汽车前端形状对前部气动升力有较大影响。前凸且高的头缘（见图5-108a）不仅会产生较大的气动阻力，而且还会在车头上部形成局部的负压峰值区（见图5-44），从而增大了气动升力。采用低头缘大弧面车头，可以缩小头部正压区的范围，还可使气流较顺畅在头缘处分流，这样既可减小汽车的气动阻力，又可减小车头上部产生气动升力的局部负压区的峰值。采用图5-108b的凹形进气通道的分流方法，也可减小车头正压区的压力，同时也可以减小头部上部负压区的负压值。图5-108c所示的车头，经过局部修形也可以较好地改善了车头上部的气流流态。采用具有较好流线形车头（见图5-108d），可以达到产生较小气动升力乃至产生负升力（即下压力）的效果。

图5-108 车头形状对气动升力的影响

a）前凸车头 b）凹形进气通道 c）局部修形车头 d）流线形车头

图5-109为车头头缘高度对气动升力的影响。图5-109c中车头的气动升力系数C_LF=-0.094，获得了“不升反压”的效果，即气动升力为负值（负升力）。

图5-109 车头头缘高度对气动升力的影响

a）C_LF=0.198 b）C_LF=0.022 c）C_LF=-0.094

对于轿车头缘上的负压峰值（吸力峰值），要辩证地看待。它的产生固然助长了升力，但将头缘处理得好，可以得到合力方向偏向前方的吸力峰，也有助于减小压差阻力。问题在于设计时所需的侧重是什么，或者是采取折中的办法，对头部进行改选、修饰。

3.前风窗不宜过于后倾

气动升力是由车身上表面的静压力与底面的静压力合成的。方向指向物面的压力为正压，方向指向物面以外的压力为负压。“上大下小”的合力为下压力，“下大上小”的合力为上升力（简称升力）。在分析气动升力时，车身上表面的气动压力状态对气动升力有直接影响。

前风窗不宜过于后倾，是指前风窗与发动机室盖之间的夹角不宜趋于180°。此夹角趋于180°固然可以减小夹角凹处气流的正压力，有利于减小气动阻力，但另一方面由于凹处趋于平直，此处气流流速提高，静压降低，也相对地帮助了气动升力的提升。为了解决这一矛盾，在设计时应兼顾各方面性能的要求，选择前风窗适当的后倾角。

4.适当的底部离地间隙

图5-110 物体与地面距离对气动升力的影响

（1）文杜里效应 文杜里效应的涵义可通过图5-110的试验来阐述。图为一根圆柱在气流中逐渐接近地面时所受气动升力的变化情况。当圆柱离地距离h较大时，圆柱下表面所形成的粘性附面层对气流还没有什么影响，但随着h的减小，地面对流过圆柱下方的气流开始有一个约束作用，使圆柱下方的气流通道比上方的窄，流速较快，静压较低，圆柱受到一个向下的合力，其气动升力系数C_L为负值。这种由于气流通道变窄而产生负压力的现象称为文杜里效应（Ventu-ri effect）。

h越小，这种现象就越强烈，负压的绝对值越大（即下压力越大）。随着圆柱逐渐接近地面，其表面附面层对气流的影响开始明显，起着阻碍气流流动的作用。当h小到一定值时，圆柱下表面的附面层和地面的附面层一起对气流产生阻碍作用，使气流流速反而减慢，静压力相应增大。h越小，附面层对气流的堵塞作用越强，圆柱下表面的静压力越大，大至使气动升力系数C_L的减小由负值变为正值，正值又稳定上升，上升至圆柱即将接近地面时为正压最大值，即作用在圆柱上的升力达到最大值。若再减小h，使柱面与地面相贴，甚至使圆柱“陷入”地面（h为负值），这时附面层的影响消失，气动升力系数又开始减小。随h变化的全过程如图5-110所示。

从以上分析可知：由于地面的影响，使接近且平行地面运动的物体受到气动升力的作用。即使是上述这种上、下轮廓对称的物体也受有气动升力的作用。这种由于地面的存在而引起气动力变化的现象称为地面效应。

图5-111 汽车底面离地间隙与气动升力的关系

（2）关于底部离地间隙 汽车的气动升力随离地间隙的变化规律也大体如图5-111所示。但试图选择一个适当的离地间隙，通过地面效应来使汽车底面产生一个气动升力由正值变为负值的文杜里效应，虽然是个理想的愿望，然而要实现这个愿望是困难的。首先，因为对于凹凸不平、杂乱无章的一般汽车底部而言，所谓的“离地间隙”是几乎无规律性可循。其二，对汽车重心高度有一定的要求，重心低可以提高行驶的稳定性。所以，试图增加“离地间隙”来产生文杜里效应，使在汽车上产生一个方向向下的负升力的做法是受到了很大的限制。

对于底部无腹板遮盖的一般轿车，其底面离地间隙的选择应由气动阻力、气动升力、汽车重心、汽车的通过性等方面的因素来综合考虑。

但对于底部有腹板完全覆盖起来的轿车、跑车、赛车，则存在一个最佳离地间隙，如图5-111中的CitroenID19赛车。而VW-vna、VW-Porsche914和CompetitorF2-2三种车型，其车身底面离地间隙对气动升力系数的影响却各不同，这主要是底部凹凸不平，引起气流杂乱无章的缘故。现代轿车有一部分也采用了底部半覆盖的方法，也收到了不同程度的减升效果。

5.底部前端设置阻风板后端加大离去角

有关试验证明，对于无腹板遮盖的轿车底部，可通过减少进入底部的空气量和底部后端向后敞开的方法来减小气动升力。这些方法与减小底部引起的气动阻力是一致的。

现车许多车型的轿车采用在底部前端适当的位置设置阻风板。设置的形式多为阻风板与前保险杠下缘相连接或制成一体。阻风板在阻挡一部分气流的同时，还可在其后面的一个小区域内形成一个低压区，可以减小气动升力。阻风板虽小且简单，但它可有减小气动升力系数15%的效果。

采用轿车底部后端向上敞开的做法。这种做法与加大轿车离去角的作用是一致的，都是对底部气流起着加快疏通、降低压力的作用。由前端流入的气流受到不规则底部的阻滞而速减压升，后端通口加大必然会加快气流向低压的尾流区排出。底部的压力减小了，气动升力也就减小了。加大离去角会挤占去轿车内部一部分空间。但只要设计得当，不会发生多大的矛盾。常见一些轿跑车的后端有较大的离去角（如图5-112所示），因为只有采取类似的各种措施来使气动升力减小到一定程度，才能使它在高速条件下的操纵稳定性得到保证。底部后端向上敞开设计得当，还可以阻止尾流向地面漫延，转而上卷流出（如图5-112a所示），使尾流区截面缩小而又轮廓清晰（如图5-113所示）。

图5-112 底部后端向后加大敞开的车例

a）底部后端的气流特性 b）阿斯顿马丁DBS c）奥迪A6L d）别克新君威

图5-113 梅赛德斯-奔驰新款Mclaren跑车清晰的尾流区

6.采用较小后背倾角和“鸭尾”扰流器

轿车后背倾角φ大小的不同，其后背上的气流所引起的气动升力也不同，如图5-114所示。当倾角φ从零（即从方背）开始增大时，后背空间随之逐渐打开，侧涡介入强度随之增强，洗流的速度随之增大，其结果使背面静压强随之减小，气动升力相应增加。当φ增至某一值时，后背上的涡流随φ的增大而开始陆续从后背散失，气动升力随之下降。气动升力随后背倾角φ的变化规律与诱导阻力是一致的。因为在“诱导阻力”部分中讨论过：诱导阻力与涡流密切相关，行驶中的汽车背部涡流总是不同程度地存在，因此不可能有单纯的气动升力，诱导阻力总是随同气动升力一起产生，能减小诱导阻力的措施也可以减气动升力。图中，当φ为30°左右时，气动升力达到最大值，这与图5-87的诱导阻力规律相吻合。(www.xing528.com)

有一种看上去像个鸭尾巴似的轿车后扰流器（如图5-115所示），其上翘的部分对气流起阻扰作用，在翘曲前面存在一个正压区，产生了下压力（如图5-116所示），有效地减小了气动升力。这种“鸭尾”扰流器适用于高速行驶的轿车和跑车。

对于折背式轿车，气流在后窗分离后，又有可能重新附着在行李箱盖上，使得在窗、盖之间的转角处形成一个涡流区（如图5-117所示）。和斜背式或方背式相比，折背式向后伸出的行李箱使气动阻力的变化不大，但涡流区中较高的局部压力却抵消了一部分气动升力，使气动升力减小了。折背式车身造型的这些特点，加上其人体工程学方面的优点，使这种形式的造型得到普遍采用。

图5-114 后背倾角与气动升力的关系

图5-115 轿跑车的“鸭尾”式扰流器

a）保时捷911 Sport Classic b）阿斯顿马丁DBS

图5-116 “鸭尾”式车尾的压力分布

图5-117 折背式轿车后背的气流状态

7.设置后扰流器

（1）后扰流器与后负升力翼的区别 后扰流器与后负升力翼是有区别的。这主要是：

在功能上，后扰流器是以阻扰前方来流作为手段，使来流发生速度递减、静压强递增的变化，从而达到产生汽车尾部上表面的下压力，以削弱气动升力、诱导阻力的效果。而后负升力翼的功能是利用倒置机翼的原理来使前方无湍流的来流作用在其翼面上，直接产生一个对车轴的下压力，以减小底部所产生的气动升力。产生负升力是它设置的目标。两者减小气动升力的效能是相同的，但达到效果的手段有所区别。

在结构上，后扰流器一般是车身上表面的横置凸出形体，且高度较低，它是车身整体设计的一部分，一般与汽车部件连体，但也有分立套件，前面所介绍的“鸭尾”也是后扰流器中的一种。而后负升力翼通常是根据需要而特作设计、安装，且高度较高，它的翼面必须触及到前方无湍流的来流；它的设置对象通常是赛车和高速行驶的轿跑车，一般轿车无需加装后负升力翼。

后扰流器与后负升力翼的外形与位置如图5-118所示。

（2）设置后扰流器 扰流器亦称扰流板。扰流器分为前扰流器和后扰流器。前面所讲的底部前端设置的阻风板就是前扰流器之例。后扰流器的式样比较多样，诸如：上一节所讲的“鸭尾”、“影响压差阻力的主要部位”和“诱导阻力”这两节所讲的尾端上缘的各种式样边棱以及斜背式车顶背后缘的“鸭尾”均属于后扰流器。对于一般轿车，设置后扰流器的居多，在此作重点介绍。

1）后扰流器的工作原理。后扰流器的工作原理以“鸭尾”为例。如图5-119所示，当前方气流触及扰流器时，因受阻滞而减速增压，气流有反向流动的趋势。由于气流有逆流的趋势，使得其前方受影响的流场沿流动方向形成逆压梯度（压力沿程递增）。这样一来，将产生两方面的效果：一是使背部大面积的压强分布发生了改变——负压减小了（如图5-120所示）。因此使该区域的气动总升力减小了。二是由于气流的逆流回涌效应，“击退”了背部的附着涡，削弱了洗流强度，起到了减小诱导阻力的作用。同时，这个被俗称为“气坝”的设置，使前方已经发生了分离的气流还可能在其上面得到重新附着，从而使整个背部气流的气动特性保持得更加稳定。图5-121为气流流过轿车后扰流器的情形。

图5-118 后扰流器与后负升力翼的外形区别

图5-119 后扰流器对后背流场的影响

图5-120 后扰流器对后背表面压强分布的影响

2）后扰流器的位置。后扰流器的设置位置对其作用效果的影响至关重要。最好的设置位置应该在气流即将发生分离的地方，由扰流器上缘来触发气流分离（如图5-122所示）。如果位置太靠前，使本来可以延后分离的气流在其上缘被触及而提前分离，形成了较大的基面，增加了压差阻力（如图5-122a所示）。如果位置设在气流分离处之后，则使整个扰流器埋进到尾流中，起不到对气流的阻扰作用，扰流器等于虚设（如图5-122b所示）。

图5-121 气流流过轿车后扰流器的情形（本田Insight）

如图5-122 设置位置不正确的后扰流器

a）在气流分离线之前 b）在气流分离线之后

3）后扰流器的高度。后扰流器的效果还与它的形状和尺寸有关，如图5-123所示。由图可知，较好的后扰流器能使汽车的气动升力系数降低50%左右，气动阻力系数降低10%左右。由于后扰流器结构简单，效果显著，因此在轿车上，特别是在车速较高的运动型轿车上得到广泛采用。

图5-124为轿车后扰流器高度对空气动力特性的影响。由图可见，随着扰流器高度的增加，气流分离点的位置也相应提高。其结果是，在有效地扼制了气动升力的同时，气动阻力增大了。

图5-123 轿车后扰流器高度对空气动力特性的影响

正确设置的后扰流器，具有减小气动升和诱导阻力的作用效果，这点应予肯定。但能否减小形状阻的问题，作如下分析：如果扰流器高度不大时，它产生减小诱导阻力的效果会大于形状阻力的增加；而对于已在后窗上分离的分离流，如果能在扰流器上再附着，触发分离，这样所得到的基面相对要比在后窗上的小些，可使形状阻力不升反降。只有当扰流器高度超过了一定值时，才使形状阻力的增加占主导作用。如图5-121所示的后扰流器，它的设置会使形状阻力比原来不设置的大些，但该车为本田Insight，为了保证高速状态下“0”升力的目标，以提高汽车的动力性和操纵稳定性，必须以相应增大一些形状阻力作为代价。图5-125为梅赛德斯-奔驰新款SLR Mclaren跑车的风洞试验外部流谱。其后端上缘设置有一“鸭尾”式扰流器。图像十分清晰地显示：前方气流在顶背后缘位置①发生分离，随后在后行李箱盖位置②再附着，之间形成了一个回流区，最后在后扰流器上缘位置③被触发分离；底部后端向上敞开，气流流速加快。像这样的尾部设计会取得“升、阻”同减的良好效果。图中，尾部黑色区域分明是尾流区（真空区），其轮廓清晰、范围小，说明该车的基面较小、尾流稳定。经查，果然该车的风阻系数为0.29，是一个很不错的车身造型。

图5-124 轿车后扰流器高度对空气动力特性的影响

图5-125 梅赛德斯-奔驰新款SLR Mclaren跑车设置后扰流器的良好效果

8.加装负升力翼

原本具有较小气动升力系数的轿车，在速度为160km/h左右时，可以产生一个很大的气动升力，这个升力相当于车重的很大一部分。气动升力对轿车的这个抬举作用，大大地减小了车轮对地面的正压力，即大大地减小了车轮与地面之间的附着力，从而对轿车的动力性、制动性以及操纵的稳定产生相当大的不良影响。因此，有必要在汽车上方安装“负升力翼”来产生一个下压力以抵消或部分抵消气动升力，使轿车的行驶性能得到改善。尤其是赛车，安装负升力翼更为必要。

负升力翼的工作原理：负升力翼是一个倒置的机翼，其尾端略向上翘起。当前方来流触及翼板时，因受阻滞而对翼板产生一个下压力，这个下压力可以看成是反方向的升力，故称为负升力（如图5-126所示）。

负升力翼多见于赛车，其次为跑车和常处于高速行驶的轿车。对于经济型车和上班族用车，一般不需加装负升力翼。其原因是汽车行驶速度受道路交通条件的限制，不高的车速所产生的气动升力不大，对汽车的动力性和稳定性不构成什么影响。因此，我们下面讨论负升力翼的主要对象是赛车。

9.发动机室盖两侧设置导流槽

图5-126 负升力翼的工作原理

车身上任何妨碍气流横向流动的形状和结构都不利于减小气动升力。其原因是：气流在横向受阻，必然增大纵向的流速，导致流经表面形成相对稳定的低压区，造成上、下表面压差增大。像以往的老伏尔加轿车和老上海SH760轿车发动机室盖两侧凸起的流线形翼子板在客观上成了“挡板”（见图5-127a），妨碍了气流横向流动。可是现代轿车则不同，发动机室盖两侧的表面均稍低于中部，自然形成了正面气流向两侧分流的导流槽（见图5-127b）。当正面气流触及头缘时，部分地向两侧分流，对车头部分起到了减速增压的作用，减小了发动机室盖表面的负压值。

图5-127 新、老式轿车发动机室盖两侧的不同结构

a）老上海SH760轿车 b）上海通用别克凯越