風(fēng)阻系數(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-15
風(fēng)阻系數(shù)的視頻教程
某型轎車整車風(fēng)阻系數(shù)有限元分析
對某輕型轎車進(jìn)行有限元建模，開展了整車風(fēng)阻系數(shù)仿真分析，catia處理數(shù)據(jù)，hypermesh網(wǎng)格劃分，fluent分析
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starccm汽車外流場
通過hypermesh做模型前處理，之后導(dǎo)入starccm中做整車外流場分析，得出包括汽車風(fēng)阻，風(fēng)阻系數(shù)，升力系數(shù)，流場軌跡線和汽車表面壓力等。做好的模型sim文件在附件中可以隨意下載
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風(fēng)阻系數(shù)的實(shí)例教程
根據(jù)測試，當(dāng)一輛轎車以80公里/時前進(jìn)時，有60%的耗油是用來克服風(fēng)阻的。 風(fēng)阻系數(shù)Cd是衡量一輛汽車受空氣阻力影響大小的一個標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)阻系數(shù)越小，說明它受空氣阻力影響越小，反之亦然，因此說風(fēng)阻系數(shù)越小越好。一般來講，流線性越強(qiáng)的汽車，其風(fēng)阻系數(shù)越小。
另一個數(shù)據(jù)則是風(fēng)阻系數(shù)和油耗的關(guān)系，對于傳統(tǒng)能源汽車來說，目前國際上認(rèn)可度較高的說法是風(fēng)阻系數(shù)每降低10%，油耗能夠下降3%；而對于新能源汽車來說，風(fēng)阻系數(shù)降低0.02，行駛里程就可以增加3km；所以汽車造型近百年的發(fā)展，也就是在為了降低一個又一個0.01Cd而努力。這其中三個值得紀(jì)念的車型分別是以下三款：
1.1982年第三代AUDI 100：第一臺風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到0.3的量產(chǎn)車
2.1999年P(guān)ASSAT B5：首款強(qiáng)調(diào)風(fēng)阻系數(shù)重要性的國產(chǎn)轎車，風(fēng)阻系數(shù)僅為0.28
3.2016年BMW NEXT 100 Conecpt：截止到目前為止全球最佳氣動性能車，風(fēng)阻系數(shù)為0.18
車輛在行駛時，還要克服的阻力有機(jī)件損耗阻力、輪胎產(chǎn)生的滾動阻力(一般也稱做路阻)。 隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力也逐漸成為最主要的行車阻力，在時速200km/h以上時，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。
展開 最近某汽車風(fēng)阻系數(shù)的話題很火，沒想到流體力學(xué)領(lǐng)域也能這么熱鬧，讓人興奮。
風(fēng)阻系數(shù)的水很深，怕你把持不住。為了幫你看懂車企和博主到底在吵什么，水一篇。
一、什么是風(fēng)阻系數(shù)
初中學(xué)過，物體在空氣中運(yùn)動會受到摩擦力。
大學(xué)時候我們又學(xué)了一個概念，叫“壓差阻力”。即前方空氣受到擠壓形成高壓區(qū)，而后方由于氣流分離形成低壓區(qū)，前后壓力差產(chǎn)生的阻力。
因此定性地說：物體受到的總空氣阻力等于摩擦阻力+壓差阻力。速度越快，壓差阻力越明顯。
而定量地計(jì)算，總空氣阻力為：
嘿，你關(guān)心的“風(fēng)阻系數(shù)”就出現(xiàn)了，就是上圖中的Cd，阻力系數(shù)。
有的資料還叫它“空氣阻力系數(shù)”、“氣動阻力系數(shù)”、“空氣動力學(xué)阻力系數(shù)”或者“形阻系數(shù)”。別迷糊，只是孫悟空和孫行者的區(qū)別。
二、風(fēng)阻系數(shù)影響什么
主要是能耗。
航空屆歷來非常關(guān)注風(fēng)阻系數(shù)，畢竟飛機(jī)在天上受到的阻力就只有空氣阻力。對更小阻力更大升力飛機(jī)的不懈追求，也極大促進(jìn)了計(jì)算流體力學(xué)CFD的工程化應(yīng)用。
但飛機(jī)畢竟太高，汽車才是普通人的好朋友。
低速行駛時，汽車受到的阻力主要是地面給輪胎的滾動阻力。但速度超過80km/h后，風(fēng)阻占比就會超過一半。時速到120km，風(fēng)阻占比甚至可達(dá)80%。
可以這么說：你跑高速時，斥巨資加的油充的電，基本都被風(fēng)吹走了。
對新能源汽車來說，風(fēng)阻系數(shù)每降低0.01，續(xù)航里程就能提升將近10km。
除了能耗，還有駕駛體驗(yàn)。比如噪音，風(fēng)噪通常和風(fēng)阻成正相關(guān)。風(fēng)阻太大，說話只能靠吼。
再比如加速性能，阻力大，汽車加速度自然減小，推背感瞬間減弱。
總之，減小風(fēng)阻能讓汽車省錢又舒適，還不需要增加任何零件，性價比可謂頂天高。車企也都會成立空氣動力學(xué)優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，猛攻風(fēng)阻系數(shù)。
展開 在許多車廠的產(chǎn)品介紹書中，常常會提及新車的風(fēng)阻系數(shù)降低至多少多少Cd，而Cd所指的并不簡單是指我們一般所說的空氣阻力，而是流氣拉力系數(shù)（DRAG COEFFICIENT），一般而言氣流在車尾造成的拉力，數(shù)值越低，表示車尾氣流處理的越流暢，該部分的浮升力亦會越小，相對而言，車輛行走時的阻力會低一點(diǎn)，后輪的下壓力也會好一點(diǎn)。說到這里我們就應(yīng)該明白，加裝尾翼并不一定會增加Cd值！如果加裝尾翼和尾擾流器后，車輛尾部氣流通過的流暢度增高，那么這輛車的Cd值反而應(yīng)該降低。汽車設(shè)計(jì)的空氣動力學(xué)問題并不止于車尾，其實(shí)車頭的長度和寬度也會影響一部汽車的總拉力數(shù)值。比如前縱置引擎的中心點(diǎn)要比前軸的中心點(diǎn)更前，車頭就容易造得很長，而如果加闊前輪距來橫置擺放引擎，車頭部分就會隨著加闊，以上兩種情況都會影響到整體的氣流拉力（CdA）。雖然有可能一輛車的Cd造得很低，但是同樣難以彌補(bǔ)車頭部分增加的長度和寬度所帶來的整體氣流拉力數(shù)值的上升,舉個例子來說，一部汽車的風(fēng)阻系數(shù)由原來的Cd0.40下降至Cd0.38，但是車頭的寬度卻增加了75MM，這時它的CdA數(shù)值約會上升5％，這樣一來等于完全抵消了Cd下降的效果。（比如新款的ACCORD，雖然風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到了驚人的Cd0.25,可是因?yàn)檐圀w全面比上一代要加大許多,所有在高速時的穩(wěn)定性表現(xiàn),我個人估計(jì)不會有大幅的攀升，如果這方面的表現(xiàn)的確有所改進(jìn)，也首先應(yīng)該歸功于軸距的加長和懸掛設(shè)定的改進(jìn)，空氣動力學(xué)的成就反而是次要的。因?yàn)槊裼密嚨目諝鈩恿W(xué)表現(xiàn)必須兼顧降低風(fēng)噪和燃油經(jīng)濟(jì)性，所有在設(shè)計(jì)時必然會對汽車的下壓力作出一定的犧牲。）
因此，在大家談?wù)揅d時，不應(yīng)該認(rèn)為Cd代表了一部汽車的整體空氣動力表現(xiàn)，更不能輕易的認(rèn)為隨便加裝一只尾翼或者巨型擾流器就必然可以獲得更好的空氣動力學(xué)表現(xiàn)！其實(shí)充其量它只不過改善了空氣動力學(xué)中某個部分的表現(xiàn)而已。
展開 不論是在在民用汽車領(lǐng)域還是在賽車領(lǐng)域，空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)對于降低風(fēng)阻、提升車速、節(jié)約油耗、減少噪音和增強(qiáng)行駛穩(wěn)定性等方面都非常重要。為了讓大家更清楚，我來舉個栗子。車輛的行駛阻力通常主要是空氣阻力和滾動阻力（就是我們車輪與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力），當(dāng)一輛汽車以80km/h的速度行駛時，約有60%的阻力來自空氣。而當(dāng)速度攀升至200km/h，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。足以可見，車輛克服空氣阻力的必要性。當(dāng)今量產(chǎn)車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.28至0.40之間而風(fēng)阻系數(shù)（coefficient of drag，簡稱Cd）又是何方神圣？其實(shí)吧，這個就沒那么玄乎了，它就是衡量空氣阻力大小的一個數(shù)值而已，兩者成正比！有人突然發(fā)問了，為嘛F1（世界一級方程式）賽車的風(fēng)阻系數(shù)比民用車高那么多！問得好，現(xiàn)代F1賽車的風(fēng)阻系數(shù)約為0.70至1.1。當(dāng)然，還得根據(jù)不同的賽道特性從而做出不同的調(diào)校，有時為了獲得更大的下壓力，甚至可以高達(dá)1.3。而這個所謂的下壓力，就是使車輛能夠緊貼地面的一種力。那么問題又來了，那F1風(fēng)阻系數(shù)這么高，勢必空氣阻力會大，為何還跑得那么快！少年，當(dāng)然是因?yàn)槿思臆囕p啊，加車手一起算的話也就680kg，而且跑得快就一定得空氣阻力小么？F1空氣動力學(xué)的主要作用就是兩個方面：1.產(chǎn)生下壓力，2. 減小空氣阻力。換句話說，空氣阻力的大小也并非單純的就由風(fēng)阻系數(shù)來決定的，所以嘛，別問那么多為什么了！你以為你是十萬個冷笑話啊！汽車空氣阻力的計(jì)算公式：Fd=1/16·A·Cd·v2其中：v為行車速度，單位：m/s；A為汽車橫截面面積，單位：m2：Cd為風(fēng)阻系數(shù)。從這個公式中，你有沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為定值的時候，還有一個因素也決定了空氣阻力的大小呀！沒看出來的自己面壁去！F1賽車在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中吹吹風(fēng)咱說完了空氣動力學(xué)是個啥，以及它的具體作用之后，咱們就來簡單聊聊，如何把它運(yùn)用到汽車研發(fā)上。
展開 也許大多數(shù)人并不認(rèn)可這種說法，空氣或者風(fēng)怎么能算一堵墻呢。
汽車低速行駛或風(fēng)不大時，我們總是很難注意到空氣與車輛的相互作用；但是高速行駛或異常大風(fēng)時，空氣阻力（空氣對運(yùn)動物體的作用力）對汽車的加速性能、行駛穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性都有巨大的影響。
空氣動力學(xué)是力學(xué)的一個分支，主要研究物體與氣體相對運(yùn)動時的受力特性、氣體流動規(guī)律以及伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化。空氣動力學(xué)在航空、航天、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
近幾十年來，汽車設(shè)計(jì)不同程度的考慮了空氣動力學(xué)，汽車制造商們也進(jìn)行了各種各樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，試圖使“空氣墻”更容易被穿過。
在了解空氣動力學(xué)如何應(yīng)用于汽車行業(yè)之前，先了解一下“風(fēng)阻系數(shù)（Cd）”。
風(fēng)阻系數(shù)（Cd）
風(fēng)阻系數(shù)（Cd）是衡量汽車空氣阻力的數(shù)值。
汽車以110公里/小時的車速行駛時，空氣對汽車的阻力比60公里/小時車速行駛時多出四倍。通常使用風(fēng)阻系數(shù)來衡量汽車的空氣動力學(xué)能力。簡單來講，風(fēng)阻系數(shù)越低，汽車的空氣動力學(xué)相對更佳，也更容易通過“空氣墻”。
一起來看幾個阻力系數(shù)值。
記得上世紀(jì)70和80年代方方正正的Volvo汽車嗎，比起Volvo960轎車0.36的阻力系數(shù)，而較新的Volvo汽車比如S80轎車就可以達(dá)到了0.28的阻力系數(shù)。
這是為什么呢？
我們來看看大自然中空氣動力學(xué)性能最佳的物體——水滴。水滴各個面都是均勻光滑的，并且從底部到頂部逐漸變細(xì)。當(dāng)其墜落到地面的過程中，空氣流動順暢。汽車也一樣—光滑圓潤的車身使得空氣流過車身表面時的“推力”大大減小。
如今大多數(shù)的轎車達(dá)到了約0.30的阻力系數(shù)。SUV由于容量比較大，能容納更多的人，而且通常需要更大的進(jìn)氣格柵以提升發(fā)動機(jī)冷卻性能，所以阻力系數(shù)通常為0.30-0.40或者更高。皮卡，出于用途而特意設(shè)計(jì)為方方正正的形狀，阻力系數(shù)通常為0.40及以上。
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風(fēng)阻系數(shù)的最新內(nèi)容
通過與全尺寸油泥模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)態(tài)GEKO方法風(fēng)阻系數(shù)誤差控制在3%以內(nèi)，適用于快速優(yōu)化仿真；SBES方法雖僅完成單工況計(jì)算，但展現(xiàn)出更高的絕對精度，可能具備作為關(guān)鍵工況高精度驗(yàn)證的潛力，仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。本研究為基于Fluent的汽車外氣動仿真開發(fā)提供了全新的標(biāo)準(zhǔn)化流程。
四、標(biāo)桿案例：Altair CFD? 助力汽車空氣動力學(xué)優(yōu)化
客戶背景：Altair CX1概念車研發(fā)團(tuán)隊(duì)，希望在保證車身美學(xué)設(shè)計(jì)的前提下，優(yōu)化車輛空氣動力學(xué)性能，降低風(fēng)阻系數(shù)和升力系數(shù)，提升車輛續(xù)航和操控穩(wěn)定性，同時縮短設(shè)計(jì)迭代周期，避免傳統(tǒng)風(fēng)洞測試的高成本和低效率問題。
空氣動力學(xué)優(yōu)化
小米SU7擁有全球量產(chǎn)車中最佳的風(fēng)阻系數(shù)0.195，這一成就的背后，CAE仿真技術(shù)功不可沒。通過CAE仿真，工程師可以模擬汽車在不同速度下的氣流行為，優(yōu)化車身設(shè)計(jì)，減少風(fēng)阻，從而提高行駛效率和穩(wěn)定性。
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
2.
3.5 KPI值訓(xùn)練和預(yù)測：風(fēng)阻系數(shù)
從仿真結(jié)果推導(dǎo)：積分車身表面的Pressure 和 Wall Shear Stress 在x方向的分量獲得FD，參考面積A值可以從車身幾何的x方向正投影獲取。
來自風(fēng)洞試驗(yàn)：空氣動力系數(shù)和場值結(jié)果一起作為訓(xùn)練集。
參考案例-分析方法-劇本動畫：評估車輛空氣動力學(xué)
參考案例-分析方法-高級渲染：光線追蹤
· 減阻 (Drag Reduction)：通過仿真分析車身外流場，優(yōu)化車身造型（如A柱角度、車頂曲線、后視鏡設(shè)計(jì)、車尾擾流等），降低風(fēng)阻系數(shù)（Cd值）。每降低0.01的Cd值，對燃油車和電動車的續(xù)航都至關(guān)重要。
通過與全尺寸油泥模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)態(tài)GEKO方法風(fēng)阻系數(shù)誤差控制在3%以內(nèi)，適用于快速優(yōu)化仿真；SBES方法雖僅完成單工況計(jì)算，但展現(xiàn)出更高的絕對精度，可能具備作為關(guān)鍵工況高精度驗(yàn)證的潛力，仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。本研究為基于Fluent的汽車外氣動仿真開發(fā)提供了全新的標(biāo)準(zhǔn)化流程。
除了積分值Cd，還可以預(yù)測風(fēng)阻發(fā)展曲線，即在 CFD post 工具中沿車身長度切多個截面，每個截面的風(fēng)阻貢獻(xiàn)累加得到風(fēng)阻發(fā)展曲線，曲線末端即為總風(fēng)阻系數(shù)。
預(yù)測存在誤差的原因包括超參數(shù)的設(shè)置、樣本數(shù)量和質(zhì)量，以及噪聲點(diǎn)（outlier）的影響。盡管訓(xùn)練樣本還不夠充分，但整體趨勢已經(jīng)相當(dāng)不錯。
我們可以對整車進(jìn)行外部氣流仿真，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測：
風(fēng)阻系數(shù)；
升力、下壓力分布；
以及風(fēng)噪聲源和傳播路徑。
這些分析可以幫助整車設(shè)計(jì)優(yōu)化氣動性能、控制噪聲。
我們可以對整車進(jìn)行外部氣流仿真，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測：
風(fēng)阻系數(shù)；
升力、下壓力分布；
以及風(fēng)噪聲源和傳播路徑。
這些分析可以幫助整車設(shè)計(jì)優(yōu)化氣動性能、控制噪聲。
阻力危機(jī)我們提到過：《風(fēng)阻系數(shù)的水很深》，你可以理解為當(dāng)球速增大后，表面發(fā)生流動分離。后方低壓區(qū)變大，阻力也變大，球下墜更快。
對于足球來說，只要出球速度超過20m/s，就有可能發(fā)生阻力危機(jī)。
伴隨流動分離的，還有渦脫落。下圖就是用AICFD模擬的結(jié)果，這種周期脫落的渦也會讓足球的運(yùn)動軌跡產(chǎn)生搖擺。
