如果不考虑美观,汽车设计成什么形状风阻最小?

希望不要笼统地说“流线型”、“纺锤形”、“子弹头”。说得具体点,比如铅笔状的锥形好还是有点弧度的子弹头形好?
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“风阻”,还是“风阻系数”?这两个不是一个概念。

F_d=\frac 1 2 C_d\rho u^2 A

其中 F_d 是风阻, C_d 是风阻系数, \rho 是流体密度, u 是相对速度, A 是迎风面积。比如F1风阻系数非常大,高下压力设定甚至可以超过1,但是迎风面积比一般车辆小得多——然而没有用,跑起来之后风阻和速度平方正比,以F1跑起来的速度,实际受到的风阻比一辆在市区里晃悠的大巴都大。——简单点说,任何车辆,只要无风静止,风阻其实就是0。

只与形状相关的应该是风阻系数,而不是风阻。

至于什么样的造型风阻系数小,目前全球风阻系数最低的汽车是由荷兰TUDelft理工一帮学生开发的Eco-Runner系列,目的是参加壳牌石油组织的环保马拉松赛。最新的Eco-Runner VII长这样:

Eco-Runner VII的风阻系数我没有查到,但是上一代的Eco-Runner VI可以查,是0.0512。只有一般民用轿车的五分之一不到。整个设计的风阻就是让气流尽可能不要从车身分离,而是附着在车身上一路从车头到车尾,车身上也不要有突兀的凸起或者凹陷,对于一些外露的零部件如车轮,也用圆滑的壳体包裹起来。而且低风阻系数只是一方面,它的截面积也极小,这辆车只能躺在里面开,车轮也很窄,以降低滚动阻力。所以最后的形状比较接近于水滴,圆头长尾,并且用尽可能圆滑的曲面包覆一切外露零部件(包括车底),同时尽可能减少车身的接缝。

至于普通轿车的风阻系数,结论比较反常识。一些见棱见角的造型未必就比线条流畅的造型风阻系数来得大。下面两辆车,风阻系数是一样的,都是0.3。所以哪个跳大神的张口说“这车看着线条流畅,风阻系数一定小”,呵呵就好。精确的风阻系数一定是通过风洞测试吹出来的,CFD都未必准确。

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哦对了,以上只适用于亚音速的状况。

有一些“汽车”,是超音速的。那就不适用于普通的“流线型”原则了。原因是在超音速下,风阻的主要来源不再是压差阻力,而是激波。如果仍然是圆头长尾那种设计的话,在车头产生的激波的能量将会极为恐怖,不仅阻力极为巨大,也会产生极高的温度。

这时候,这类“汽车”的车头就和超音速飞机一样,多采用尖头设计:

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最后,风阻系数不是汽车设计的全部,也不是普通消费者在购买汽车时需要重点考量的参数。

在汽车设计的时候,风阻×迎风面积( C_d A )是一个优化项,而不是核心要素。它必定要向总布置和热管理做出妥协。比如总不能为了减小风阻,把内燃机汽车的迎风口全部封上,这不现实,也不能为了减小迎风面积把市售车做成EcoRunner那样只能躺着开的样子。对于高性能车型来说,还得平衡下压力和风阻系数之间的矛盾。