科普空气动力学，为何在汽车领域越来越重要,全球大型风洞揭秘

空气动力学是研究空气运动的学科，早期的空气动力学主要集中在航空学中，但随着汽车技术的发展，空动设计成为汽车必不可少的一环，在赛车领域，空气可以带来下压力，让车辆过弯更稳定，在新能源汽车领域，良好的空动设计可以降低风阻，如今一部分电动车已经将风阻Cd降低到0.2以下，如何优化空气动力学？风洞的作用是什么？全球有哪些大风洞？下面我们来详细分析。

空气动力学的起源

现代空气动力学仅可追溯到 17 世纪，但人类利用空气动力已有数千年历史，包括帆船和风车，飞行的图像和故事在人类历史长河的记载中随处可见，连续体、阻力和压力梯度等基本概念出现在亚里士多德和阿基米德的著作中。

汽车领域的空动研究已经有百年历史，早在20世纪20年代，工程师们就开始考虑通过改变汽车外形来减少高速行驶时的气动阻力。到了50年代，德国和英国的汽车工程师开始系统地分析汽车阻力对高性能汽车的影响。

空气动力学的核心设施--风洞

风洞是一种模拟空气在物体上流动的机器，通过不同的方法（例如强力风扇）引入气流，将模型或物体放置在管道内，并控制气流，研究在不同条件下（例如不同的风速）对这些物体的影响。风洞可以测试汽车、飞机和航天器的空气动力学特性，模拟速度、高度和温度，以此模拟汽车或者飞机前进时遇到的气流，风洞最早于19世纪末开发，如今，风洞可以模拟出音速30倍的气流。

世界主要风洞

JF-22风洞：目前世界上最先进的风洞位于国内，当然这并不是汽车风洞，主要用于航空航天领域，由中国科学院力学研究所建造，2023年通过验收，命名为JF-22超高速激波风洞，全长达到了167米，其各项性能指标打破记录，JF-22可以模拟30马赫的飞行条件，即每秒10.3公里。

这是音速的30倍，是高超音速起始极限的6倍（5马赫）。JF-22不使用风扇，因为风扇无法产生如此高速的气流。相反，它使用定时爆炸来产生冲击波，这些冲击波相互反射并汇聚在一个直径4米、长度167米的管道内的一点上。可以进行实验的实验模型的尺寸可以达到8米。

JF-12风洞：这是JF-22的前身，JF-12使用冲击波模拟飞行器在25000-50000米高空的飞行状态，速度可以达到5-9马赫，JF-12由中国科学院力学研究所于2008年至2012年间研制，对DF-ZF高超音速滑翔飞行器 (HGV) 的研发至关重要。

T-117 TsAGI风洞：T-117是俄罗斯莫斯科中央航空流体力学研究院于70年代建造的大型高超音速排风电弧加热器风洞。该风洞采用排风原理，即将高压气体快速释放到测试段以产生气流，两个独立的电弧加热器加热气流，电弧利用磁场旋转，随着电极移动和旋转，加热通过电极之间的空气。T-117 TsAGI可以复制高超音速飞行器在飞行过程中可能遇到的高温，测试速度在5-10马赫之间。

HTF高超音速隧道设施；HTF位于美国宇航局的尼尔·阿姆斯特朗测试设施，用于测试速度范围从5马赫到7马赫的大型高超音速吸气式推进系统，并进行真实高度模拟，石墨芯储热器加热氮气，然后将其与常温氧气和常温氮气混合，以产生真实成分、无污染的合成空气，控制合成空气的温度以达到测试所需的特定温度。

UPWT整体式风洞；这是目前世界上最大的风洞之一，位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德的NASA艾姆斯研究中心。自1955年建成以来，统一平面风洞 (UPWT) 一直用于测试传统飞机和NASA航天器。由四台65000马力、工作电压为7200伏的绕线转子式感应电机提供动力。

NFAC全尺寸空气动力学综合体；由美国空军阿诺德工程发展中心运营，是美国宇航局艾姆斯研究中心的另一个风洞设施。该设施可以测试全尺寸和大型飞行器，从波音737等商用飞机到2012年登陆火星的好奇号火星车降落伞。安装了六台直径40英尺的风扇，实用22500 马力的电机从室外抽取空气，初段速度185km/h，末端达到555km/h。也就是说，这个风洞不仅可以测试飞行器，也可以测试车辆。

汽车风洞

测试汽车的风洞则要更小，全世界用于汽车空气动力学研究的风洞超过50座，沃尔沃汽车风洞、奥迪汽车风洞、斯图加特大学汽车风洞、戴姆勒汽车风洞、通用汽车风洞等均有长久的历史，国内汽车风洞的起步时间较晚，2012年首座整车热力学风洞落户上海泛亚技术中心，2015年长城汽车环境风洞开始运作，2018年，松芝整车气候风洞中心将国内风洞的技术提高到新领域，2019年，中国汽车工程研究院（CAERI）风洞中心启用，由德国WBI打造，囊括现代化汽车空气动力学-声学风洞（AAWT）及环境风洞（CWT）部分。

以中国汽研气动声学风洞为例，其安装了直径9米的风机，最高风速可达250km/h，作为动力源，中汽研两座汽车风洞采用了两台轴流式风机系统，精度和效率达到国际主流水准，可精确模拟汽车在外部道路上的行驶环境。中国汽研气动-声学风洞采用低噪音设计，140km/h风速，背景噪声仅为58分贝，满足汽车气动噪声测量的环境要求。

目前量产车中拥有最低风阻系数的燃油车是奔驰CLA，风阻系数Cd为0.22，新能源车由于冷却要求更低，没有进气需求，进一步降低风阻，比亚迪海豹为0.219Cd，奔驰EQS率先达到0.2Cd，如今自主品牌则频繁刷新记录，比如吉利银河E8达到0.199Cd，小鹏MONA M03为0.194Cd，享界S9为0.193Cd，东风风行星海S7则进一步突破到0.191Cd。

总结：对空气动力学的正式研究始于18世纪。空气动力学领域早期的大部分研究都是为了实现飞行，科学家通过数学分析、近似实验等积累数据，如今则主要靠风洞实验和计算机模拟，随着技术的发展，空气动力学越来越清晰明了，具有可计算性，不仅航天航空领域受益，汽车领域也不断推陈出新，刷新风阻系数记录，成为造车新势力内卷的方向。