阻力系数

在流体动力学中，阻力系数（通常表示为：c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} , c x {\displaystyle c_{x}} 或 c w {\displaystyle c_{\rm { w}}} ) 是一个无量纲量，用于量化物体在流体环境（例如空气或水）中的阻力或阻力。它用于阻力方程式，其中较低的阻力系数表示物体将具有较小的空气动力或流体动力阻力。阻力系数始终与特定表面积相关联。

任何物体的阻力系数都包括流体动力阻力的两个基本贡献者的影响：表面摩擦和形状阻力。升力机翼或水翼的阻力系数还包括升力引起的阻力的影响。 飞机等完整结构的阻力系数还包括干扰阻力的影响。

阻力系数 c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} 定义为

c d = 2 F d ρ u 2 A {\displaystyle c_{\mathrm {d} }={\dfrac {2F_{\mathrm {d} }}{\rho u{2}A}}}

在哪里：

• F d {\displaystyle F_{\mathrm {d} }} 是阻力，根据定义，它是流速方向的分力；
• ρ {\displaystyle \rho } 是流体的质量密度；
• u {\displaystyle u}是物体相对于流体的流速；
• A {\displaystyle A} 是参考区域

参考区域取决于所测量的风阻系数类型。对于汽车和许多其他物体，参考区域是车辆的投影正面区域。 这不一定是车辆的横截面积，具体取决于截取横截面的位置。例如，对于球体 A = π r 2 {\displaystyle A=\pi r{2}}（注意这不是表面积 = 4 π r 2 {\displaystyle 4\pi r{2} }).

对于机翼，参考面积是标称机翼面积。 由于这与正面面积相比往往较大，因此产生的阻力系数往往较低，远低于具有相同阻力、正面面积和速度的汽车。

飞艇和一些回转体使用体积阻力系数，其中参考面积是飞艇体积立方根的平方（体积的三分之二次方）。 浸没式流线型主体使用润湿表面积。

具有相同参考面积的两个物体以相同的速度在流体中移动，将受到与其各自的阻力系数成比例的阻力。 非流线型对象的系数可以为 1 或更大，流线型对象的系数要小得多。

阻力方程

F d = 1 2 ρ u 2 c d A {\displaystyle F_{\rm {d}}={\tfrac {1}{2}}\rho u{2}c_{\rm {d} }一种}

本质上是一种说法，即任何物体所受的阻力与流体的密度成正比，并与物体与流体之间相对流速的平方成正比。 1 / 2 {\displaystyle 1/2} 的系数来自流体的动压，等于动能密度。

c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} 的值不是常数，而是随流速、流向、物体位置、物体大小、流体密度和流体粘度变化的函数。 物体的速度、运动粘度和特征长度尺度被合并到一个称为雷诺数 R e {\displaystyle \scriptstyle Re} 的无量纲量中。 C d {\displaystyle \scriptstyle C_{\mathrm {d} }} 因此是 R e {\displaystyle \scriptstyle Re} 的函数。 在可压缩流中，声速是相关的，并且 c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} 也是马赫数 M a {\displaystyle \mathrm {Ma} } 的函数。

对于某些体型，阻力系数 c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} 仅取决于雷诺数 R e {\displaystyle \mathrm {Re} } ，马赫数 M a {\ displaystyle \mathrm {Ma} } 和流向。 对于低马赫数 M a {\displaystyle \mathrm {Ma} } ，阻力系数与马赫数无关。 此外，在实际感兴趣的范围内，雷诺数 R e {\displaystyle \mathrm {Re} } 的变化通常很小，而对于高速行驶的汽车和巡航速度的飞机，来流方向也更多- 或差不多。

因此，阻力系数 c d {\displaystyle c_{\mathrm {d} }} 通常可以视为常数。

流线型车身要实现低阻力系数，车身周围的边界层必须尽可能长时间地保持附着在车身表面，从而导致尾流变窄。 高形式阻力会导致宽尾流。 如果绕体流动的雷诺数足够大，边界层将从层流过渡到湍流。 更大的速度、更大的物体和更低的粘度会导致更大的雷诺数。