由化石燃料的燃燒帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，汽車制造商們因此向市場(chǎng)推出了更多的節(jié)能汽車。燃料消耗的一個(gè)重要因素是汽車的氣動(dòng)曳力。然而由于汽車形狀復(fù)雜，所以對(duì)其進(jìn)行建模極具挑戰(zhàn)性，同時(shí)也很難定量地計(jì)算其受到的氣動(dòng)阻力。Ahmed 體是一個(gè)在汽車工業(yè)領(lǐng)域被廣泛用于驗(yàn)證仿真工具的基準(zhǔn)模型，它的形狀簡(jiǎn)單，易于建模，而且還保持了汽車的幾何特征。

為什么要研究汽車的曳力系數(shù)？

曳力系數(shù)是對(duì)處于流體環(huán)境中的物體所受阻力進(jìn)行量化的參數(shù)。相對(duì)于物體的形狀來說，曳力系數(shù)并非一個(gè)絕對(duì)常數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)隨著氣流的速度和方向、物體的形狀和尺寸，以及流體密度和粘度的變化而變化。物體的曳力系數(shù)越低，其受到氣體或流體的動(dòng)力阻力則越小。就汽車而言，曳力系數(shù)越低，能效就越高。曳力系數(shù)不僅會(huì)影響汽車的最高速度，同時(shí)還會(huì)對(duì)操控性產(chǎn)生影響。基于以上原因，具有低曳力系數(shù)的汽車更受到人們的追捧。然而一味地降低曳力會(huì)造成汽車受到的下壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致牽引力的損耗，同時(shí)還會(huì)提高車禍概率。

大多數(shù)汽車的平均曳力系數(shù)都介于 30 至 35 之間。形狀方方正正的汽車曳力系數(shù)較高，例如 HUMMER? H2 的曳力系數(shù)為 57；而流線型汽車曳力系數(shù)較低，例如 Mercedes-Benz? C-Class? 的曳力系數(shù)為 24。再強(qiáng)調(diào)一下，以上僅為平均測(cè)量值。汽車曳力系數(shù)的精確數(shù)值會(huì)隨著雷諾數(shù)和其他各種因素的變化而變化。

我們可以通過多種方法對(duì)汽車進(jìn)行改裝，以優(yōu)化其空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，降低其曳力系數(shù)。為了讓您的愛車外觀呈流線型，您可以將車頂行李架、擋泥板、擾流板、無線電天線等零部件拆除。專業(yè)賽車手還會(huì)拆除他們的雨刮器及后視鏡，但是我們并不推薦普通司機(jī)也這樣做。您還可以為您的愛車裝上輪罩、進(jìn)氣格柵、車身底板、擋泥板及改裝的前保險(xiǎn)杠，對(duì)曳力系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使您的愛車脫穎而出。

Ahmed 體是什么？

Ahmed 體的概念是由 S.R. Ahmed 于 1984 年在他的名為 “Some Salient Features of the Time-Averaged Ground Vehicle Wake” 的研究中創(chuàng)造的。從那時(shí)起，它就成為了空氣動(dòng)力學(xué)仿真工具的基準(zhǔn)。其外形為簡(jiǎn)單的幾何形狀，長為 1.044 米、寬為 0.288 米、高為 0.389 米。同時(shí)其底部還設(shè)計(jì)有 0.5 米的圓柱形支腳，且后表面是傾斜度為 40 度的斜面。

Ahmed 體的簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)。

模擬流過 Ahmed 體的氣流

在流過 Ahmed 體的氣流驗(yàn)證模型中，Ahmed 體斜面的傾斜度為 25 度，被安置于 8.352 米× 2.088 米× 2.088 米的空間中，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。

流體流動(dòng)仿真的求解域及邊界條件。

氣流入口設(shè)置在車體前方，距離車體的距離為兩輛車的長度（2L）。為了減少計(jì)算量，我們引入一個(gè)對(duì)稱平面，從而只需模擬該模型的一半。

模型中的流體為湍流，這是基于由車體長度和進(jìn)氣速度決定的雷諾數(shù)所確定。此仿真不僅求解了湍流動(dòng)能和耗散問題，同時(shí)還計(jì)算出了速度場(chǎng)。相比于通常用來解決湍流問題的網(wǎng)格，我們?cè)谀Ｐ椭袣饬飨掠挝恢檬褂昧烁鼮榫?xì)的網(wǎng)格，以此來捕獲尾流區(qū)。

結(jié)果

Ahmed 體的總曳力系數(shù)是此仿真的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，它是由對(duì) Ahmed 體的正面、斜面、底面測(cè)得的壓力系數(shù)及表面摩擦力組成。在得到的仿真結(jié)果中，對(duì)總曳力的預(yù)測(cè)十分準(zhǔn)確，但個(gè)別單獨(dú)測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有出入。

上述數(shù)據(jù)偏差涉及多種不同因素。對(duì)于車體的前面和頂面而言，仿真中使用的壁函數(shù)不足以有效地預(yù)測(cè)流動(dòng)轉(zhuǎn)變（試驗(yàn)中觀察到的）。

對(duì)于斜面上的系數(shù)數(shù)據(jù)的偏差，我們可以觀察到如下圖所示的沿斜面流動(dòng)的氣流的流線，其厚度是由湍流動(dòng)能決定的。

Ahmed 體背后流線的厚度與其湍流動(dòng)能成正比。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，用來指示沿斜面流動(dòng)的氣流的流線幾乎無處不在，并且在底部后方具有兩個(gè)小的回流區(qū)。仿真結(jié)果顯示捕獲到了這個(gè)效應(yīng)，然而卻過高地預(yù)測(cè)了回流區(qū)域。

流線表示 Ahmed 體后方的回流區(qū)。

斜面的壓力曳力對(duì)回流區(qū)的精確形狀和位置非常敏感，就是這一原因?qū)е铝朔抡娉霈F(xiàn)偏差。

盡管這些數(shù)據(jù)在數(shù)值上存在差異，但由于總曳力系數(shù)值相近，故仿真結(jié)果定性地等同于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然可能存在較小的數(shù)據(jù)偏差，但仿真依然捕獲了流過 Ahmed 體的氣流的主要特征。因此，這個(gè)仿真完全可以勝任對(duì)總曳力系數(shù)的計(jì)算。

*HUMMER 為 General Motors LLC 的注冊(cè)商標(biāo)。

*Mercedes-Benz 和 C-Class 為 Daimler AG Corporation 的注冊(cè)商標(biāo)。

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