1、汽車空氣動力學性能概述

汽車是現代生產生活中必不可少的交通工具。在汽車行駛時，空氣與汽車的相對運動產生的氣動阻力、風噪聲和側向力對汽車的油耗、噪聲及振動（聲品質）、冷卻（熱管理）、行駛穩定性和安全性、結構強度等車輛品質產生影響，尤其在中高速時的影響表現明顯。當前汽車設計中，整車企業在設計各階段通過CFD標準分析流程獲取汽車空氣動力學性能指標參數，以此為依據指導汽車新產品的造型設計和性能指標評估與優化工作。

常見汽車外形及汽車外流場實驗（圖片來自網絡）

2、特斯拉Cyber-truck空氣動力學研究

2.1 研究背景

作為全球領先的新能源汽車開發領導者的特斯拉，首席執行官埃隆·馬斯克于2019年在美國加州洛杉磯舉辦的活動上發布了該公司第一輛電動皮卡，名為Cyber-truck，其風格與市面上的皮卡完全不同，車輛造型極具“賽博朋克”風格。特斯拉Cyber-truck激進的外形設計對其空氣動力學特性目標帶來更大的挑戰。

在外形的開發和優化過程中，為了達到設計要求，常規做法往往需要進行大量的實驗，這將會付出高昂的人力物力成本，并導致較長的設計周期。應用CFD數值模擬技術可低成本更高效的為車身氣動外形的選擇和優化提供支撐。CFD模擬分析的結果不僅可以得到整車風阻系數，而且可以方便直觀地了解特斯拉Cyber-truck表面壓力分布、各部分的氣流分離情況以及尾部渦系結構及分布情況，為進一步空氣動力學優化設計提供指導方向和依據。更進一步，還可以結合CAA（計算氣動聲學）分析風噪聲性能與流致噪聲聲源的發生與聲傳播細節；同樣結合熱分析、車輛動力學分析為風阻、風噪、熱管理、操穩、NVH等性能進行同步優化。

2.2 基于Simdroid的Cyber-truck空氣動力學特性分析

從Cyber-truck的實車圖來看，整個前風擋從車頭到車頂是一個角度的傾角，這是該車型降低車輛風阻系數的一個外部造型設計特征。我們應用自主研發的多物理場仿真平臺Simdroid流體模塊，對Cyber-truck的空氣動力學特性進行了分析與解讀。

Simdroid流體模塊基于自主CFD仿真內核開發，可以提供基于壓力的求解器（分離式、耦合式）和基于密度的求解器（隱式算法、顯式算法），模擬空氣等流體的流動以及其他相關物理現象的完整的流體動力學解決方案。在本案例中，根據汽車外流場空氣流動的一般規律，湍流模型采用穩態雷諾平均k-ω SST湍流模型。

2.3 分析流程

基于Simdroid對Cyber-truck的外流場進行模擬，整體分析過程如下：

（1）幾何建模：特斯拉Cyber-truck整車模型，由Simdroid實現幾何建模與流體域抽取。 

汽車整體模型

汽車及外流場模型

（2）材料屬性設置：流體采用Simdroid物性庫中的氣體（常密度）物性，具體參數如下：

（3）網格剖分：采用非結構網格對特斯拉Cyber-truck表面進行面控制和網格加密，便于捕捉車輛周圍流動細節。車輛表面及地面網格如圖所示。總網格量約229萬。

汽車網格模型

（4）邊界條件設置和計算：使用穩態雷諾平均k-ω SST湍流模型對特斯拉Cyber-truck外流場進行計算模擬。入口為速度入口，大小為30m/s，出口為壓力出口，大小為表壓0 Pa，汽車表面和地面為無滑移壁面。

（5）結果后處理：輸出顯示特斯拉Cyber-truck的表面速度分布圖、表面壓力分布圖、截面流線圖等空氣動力學參數細節特征。

2.4 結果展示

表面風壓分布

中間截面速度分布

中間截面壓力分布

通過Simdroid后處理對特斯拉Cyber-truck的速度分布及流線進行綜合分析,可以看到在特斯拉Cyber-truck皮卡車廂及前車輪處存在著低速低壓區域，在汽車尾部存在著低速區域,在車廂及車尾部位存在著大量的漩渦分布。

3、結論

基于Simdroid全三維建模與流體仿真分析軟件，能夠實現對特斯拉Cyber-truck模型的快速建模仿真，并完成了高速行駛工況時氣流流經汽車表面、輪胎、底盤和上部及尾部等區域渦系等氣流局部特征的高效獲取，為汽車外形設計、空氣動力學、操穩、風噪聲等相關性能預測、評估及優化提供數據支撐，相比于傳統試驗而言，可實現低成本、短周期的研發目標，這對提升產品設計開發能力和市場競爭力具有重要意義。