空氣動力學優化的案例
空氣動力學優化方法
典型的氣動優化遺傳算法結構示意圖
粒子群優化屬于群智能算法的一種，是通過模擬鳥群捕食行為設計的。其基本思想是通過群體中個體之間的協作和信息共享來尋找最優解。研究人員發現，通過粒子群算法很容易實現空氣動力學解算器，并且不需要價格高昂的存儲器，僅通過簡單的數學運算就可以實現計算。
典型的氣動優化粒子群算法結構示意圖
模擬退火是一種基于熔融金屬物理冷卻過程的隨機逐點優化算法。在空氣動力學領域主要運用于發動機進氣道擴壓器設計、收斂擴張噴管和超音速軸對稱噴嘴。
非梯度法的模型魯棒性很優秀，不需要目標函數連續就能可靠地找到全局最優點；其缺點是研究人員要付出更多的時間在數值計算上。
論文作者S.N.Skinner和H.Zare-Behtash指出，對于有效的空氣動力學優化，我們必須深刻理解以下幾個問題：參數化設計空間的范圍；設計變量的類型（離散/連續）；單目標優化亦或是多目標優化；優化的約束條件；設計空間的屬性（局部最優化/全局最優化）。將數學優化問題與空氣動力學相結合還有很多工作研究需要進行，從幾何參數化，最優化問題如何定義函數，最優化算法，到如何嵌套調整優化算法都是重要的考慮因素。
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典型的氣動優化遺傳算法結構示意圖
粒子群優化屬于群智能算法的一種，是通過模擬鳥群捕食行為設計的。其基本思想是通過群體中個體之間的協作和信息共享來尋找最優解。研究人員發現，通過粒子群算法很容易實現空氣動力學解算器，并且不需要價格高昂的存儲器，僅通過簡單的數學運算就可以實現計算。
典型的氣動優化粒子群算法結構示意圖
模擬退火是一種基于熔融金屬物理冷卻過程的隨機逐點優化算法。在空氣動力學領域主要運用于發動機進氣道擴壓器設計、收斂擴張噴管和超音速軸對稱噴嘴。
非梯度法的模型魯棒性很優秀，不需要目標函數連續就能可靠地找到全局最優點；其缺點是研究人員要付出更多的時間在數值計算上。
論文作者S.N.Skinner和H.Zare-Behtash指出，對于有效的空氣動力學優化，我們必須深刻理解以下幾個問題：參數化設計空間的范圍；設計變量的類型（離散/連續）；單目標優化亦或是多目標優化；優化的約束條件；設計空間的屬性（局部最優化/全局最優化）。將數學優化問題與空氣動力學相結合還有很多工作研究需要進行，從幾何參數化，最優化問題如何定義函數，最優化算法，到如何嵌套調整優化算法都是重要的考慮因素。
展開 ANSYS網絡研討會——利用網格變形技術進行空氣動力學形狀探索和優化
徹底的設計探索對于（如空氣動力阻力）改進車輛各方面性能十分必要。優化算法與計算流體動力學 (CFD) 等計算工具相結合，能在設計探索中發揮重要作用。本次網絡研討會說明了如何針對空氣動力學形狀優化問題制定快速解決方案。在網絡研討會上，我們提出了用 ANSYS Workbench 作為框架、RBF 作為變形技術、 ANSYS Fluent 作為求解器且以 DesignXplorer 作為實驗設計工具部署的新方法。
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利用網格變形技術進行空氣動力學形狀探索和優化
展開 基于Simdroid解讀特斯拉Cyber-truck革新外形下的空氣動力學特性
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。
特斯拉Cyber-truck激進的外形設計（圖片來自網絡）
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。
展開 
車企都在“吹”的空氣動力學究竟是什么？ 附空氣動力學基礎劉沛清下載
很多人第一次聽到空氣動力學這個詞時，或許會比較頭痛，感覺進入到了一個玄之又玄的領域。畢竟在大家印象中，空氣動力學大多與飛行器有關，比如飛機、火箭、戰斗機等等。但其實，空氣動力學其實距離我們日常生活很近。
從字面理解，空氣動力學解決的就是如何讓物體在空氣中保持更高效運動的科學。因此，一切需要運動的物體，就比如，跑步中的人、騎行中的自行車，甚至是行駛中的高鐵、汽車等，想要保持更快速、更省力、更節能的運動，都與空氣動力學息息相關。
當然，雖然空氣動力學對汽車領域非常重要，但在汽車百年多發展歷史中車企真正開始研究空氣動力學的歷史并不是特別長。我們都知道早期的汽車造型都非常方正，沒有任何流線型的設計概念，而一直到20世紀中葉以后，車企才開始重視起汽車空氣動力學的設計，而在汽車空氣動力學中需要解決的兩個問題就是風阻和升力。
車企為何愛吹噓“風阻系數”
在力學中，空氣動力學其實是流體力學的一個分支，空氣也被認為是流體的一種。而我們都知道，流體密度越大，對任何通過它的物體形成的阻力就越大，汽車在高速行駛中所遇到的最大阻力就是“風阻”。風阻形成了一個平行于車輛行駛平面的力，阻礙汽車運動，而且這個阻力也會隨著車速變快而變大，風阻變大也意味著油耗越高、車輛最高車速也降低得越多（發動機功率輸出保持恒定的情況下）。
同時一輛車想要保持更高時速，那背后所需要解決的技術難題也成幾何數增長，這也是為什么當布加迪Chiron創下490km/h時速記錄時，會引起那么大關注的重要原因。當然，如果你無法理解，那么以F1賽車為例會更容易想象背后的難度。
展開 不得不學的空氣動力學！ 附空氣動力學陳再新下載
Evija的空氣動力學設計
可是由于它采用碳纖維結構，它本身的重量只有1.68噸，這說明理論上講，它是可以倒立著懸在平的隧道頂部狂奔的。
當然，這只是理論上，大家千萬不要嘗試。還有一個原因是，這輛車價格在2000萬左右，絕大多數人也沒法嘗試。
從研究一杯水，一口氣，到一架飛機，一輛跑車。科技正在越來越快的改變著世界。孔子說：學而時習之，不亦說乎。有許多人把“習”理解成復習。我倒覺得，理解成實踐更好。科林查普曼把他學到的空氣動力學知識用到了汽車上，并且創造了超一流的跑車品牌路特斯，這是一件多么快樂的事啊！
下載地址：空氣動力學陳再新
展開 汽車空氣動力學中不同車輪旋轉模擬方法的比較研究
車輪空氣動力學是車輛空氣動力學的重要組成部分。車輪可以顯著影響車輛的總氣動阻力，升力和通風阻力。為了模擬駕駛汽車的真實路面狀況，移動地面和車輪旋轉在CFD中具有重要意義。然而，車輪旋轉狀態難以準確表示，因此這仍然是一個需要研究的關鍵問題。本文主要研究兩種類型的汽車：快背轎車和a notchback DrivAer，通過比較三種不同的車輪旋轉模擬方法：穩定移動壁，MRF和非定常滑動網格，揭示了不同方法對車輛空氣動力學數值模擬的影響。討論了方法之間氣動力以及流動的差異。并將模擬結果與已發表的實驗數據進行比較以進行驗證。結果表明，不同的旋轉模擬方法可能不會對氣動阻力產生顯著影響，但氣動升力和通風阻力可在較大范圍內進行修正。此外，升力顯示對車輪輪輻的位置高度敏感，因此兩種穩定的方法可能導致錯誤。總之，當進行CFD模擬時，如果僅需要計算氣動阻力，則可以引入兩種穩定方法。如果需要考慮通風阻力，則MRF方法更合適。但是，如果必須評估空氣動力升力，即使計算成本更多，滑動網格方法也是唯一可取的方法。本研究可為未來旋轉模擬方法的工作奠定基礎。
車輛空氣動力學是汽車工業中的一個關鍵領域。因為它與減少總阻力和燃料消耗密切相關。在未來，可以預見空氣動力學優化將受到大量制造商的關注。因此，在汽車開發過程中獲取精確的空氣動力數據非常重要。
由于這種擔憂，進行風洞試驗是一個至關重要的方法。然而，風洞試驗需要巨大的成本和復雜的準備。對于許多中小型公司來說，它給他們帶來了嚴重的經濟負擔。由于這種情況，計算流體動力學（CFD）應運而生，并且隨著計算機能力的提高，它一直在不斷發展。 CFD通過計算機數值模擬簡化了風洞試驗，大大節省了汽車開發過程中的成本。因此它已成為現代汽車空氣動力學中常用的研究方法。同時，提高CFD方法準確性和效率的方法同樣成為一個重要的研究課題。
展開 通過 CFD 和設計優化改進 Eclipse 公務機的空氣動力特性（免費視頻）
本次網絡研討會將介紹：
CFD 阻力預示準確性的提高
Eclipse 公務機的空氣動力學設計
借助 CFD 改進里程和空氣動力效率
空氣動力學設計探索和優化
與我們的專家一起探討空氣動力學設計難題和方法
Kestrel Aircraft 公司空氣動力學和性能高級工程師杰森·博登 (Jason Borden)
Siemens Digital Industries Software 設計空間探索應用專家阿倫·戈弗雷 (Aaron Godfrey)
Siemens Digital Industries Software 航空航天與國防領域 Simcenter STAR-CCM+ 軟件主管杜雷爾·里滕貝格 (Durrell Rittenberg)
Siemens Digital Industries Software 航空航天應用專家克里斯·納爾遜 (Chris Nelson)
研討會受眾：
飛機制造商
工程師、研究人員和學術界人士
航空航天專家
空氣動力學專家
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以下為部分截取
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展開 關于汽車動力學-空氣動力學清單
1、汽車空氣動力學的重要性: 汽車空氣動力學是研究空氣流經汽車時的流動規律及空氣與汽車相互作用的一門科學。
作用在汽車上的空氣力有三種：空氣阻力、升力、側向力。作用在汽車上的力矩也有三種：縱傾力矩、側向力矩、橫擺力矩。這些力和力矩稱之為空氣動力六分力。
2、汽車空氣動力特性對汽車的影響主要有三個方面：
1）汽車動力性：：汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度；
2）汽車經濟性：氣動阻力與總阻力的比、氣動阻力所耗功率、氣動阻力與燃料消耗量；
3）汽車操縱穩定性：升力與縱傾力矩、側向力及橫擺力、側傾力矩。
3、關于風洞的一些知識：一臺新車設計好后，需進行風洞試驗。風洞試驗有模型風洞和實車風洞。最后還需進行道路試驗。
1）汽車風洞的分類與名稱
全尺寸風洞與模型風洞：為試驗真車的風洞叫全尺寸風洞。為試驗縮比模型或零部件的風洞叫模型風洞。
2）、空氣動力試驗風洞、全天候風洞與多用風洞：不能隨意調節試驗段氣流溫度、濕度的風洞稱為空氣動力試驗風洞；一般在這種風洞中主要進行不受氣流溫度影響的空氣動力測定。
3）可改變試驗段氣流溫度、濕度、陽光強弱和其它氣候條件的風洞稱為全天候風洞；
4）那種即用于測定空氣動力又用于測定氣候環境效果的風洞稱為多用風洞。
4、汽車風洞試驗主要研究的問題：1）研究汽車空氣動力特性：汽車的氣動阻力特性和操縱穩定性；汽車上的力及力矩；2）通過汽車表面的壓力分布與流場性能分析，研究汽車各部位的流場；3）發動機冷卻氣流的進氣和排氣特性；4）駕駛室內的通風、取暖及噪聲特性。
5、汽車行進時都受到哪些阻力：汽車行進時所受阻力大致可分為機械阻力和空氣阻力兩部分。隨著車速的提高，空氣阻力所占比例迅速提高。
展開 關于汽車動力學-空氣動力學清單
1、汽車空氣動力學的重要性: 汽車空氣動力學是研究空氣流經汽車時的流動規律及空氣與汽車相互作用的一門科學。
作用在汽車上的空氣力有三種：空氣阻力、升力、側向力。作用在汽車上的力矩也有三種：縱傾力矩、側向力矩、橫擺力矩。這些力和力矩稱之為空氣動力六分力。
2、汽車空氣動力特性對汽車的影響主要有三個方面：
1）汽車動力性：：汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度；
2）汽車經濟性：氣動阻力與總阻力的比、氣動阻力所耗功率、氣動阻力與燃料消耗量；
3）汽車操縱穩定性：升力與縱傾力矩、側向力及橫擺力、側傾力矩。
3、關于風洞的一些知識：一臺新車設計好后，需進行風洞試驗。風洞試驗有模型風洞和實車風洞。最后還需進行道路試驗。
1）汽車風洞的分類與名稱
全尺寸風洞與模型風洞：為試驗真車的風洞叫全尺寸風洞。為試驗縮比模型或零部件的風洞叫模型風洞。
2）、空氣動力試驗風洞、全天候風洞與多用風洞：不能隨意調節試驗段氣流溫度、濕度的風洞稱為空氣動力試驗風洞；一般在這種風洞中主要進行不受氣流溫度影響的空氣動力測定。
3）可改變試驗段氣流溫度、濕度、陽光強弱和其它氣候條件的風洞稱為全天候風洞；
4）那種即用于測定空氣動力又用于測定氣候環境效果的風洞稱為多用風洞。
4、汽車風洞試驗主要研究的問題：1）研究汽車空氣動力特性：汽車的氣動阻力特性和操縱穩定性；汽車上的力及力矩；2）通過汽車表面的壓力分布與流場性能分析，研究汽車各部位的流場；3）發動機冷卻氣流的進氣和排氣特性；4）駕駛室內的通風、取暖及噪聲特性。
5、汽車行進時都受到哪些阻力：汽車行進時所受阻力大致可分為機械阻力和空氣阻力兩部分。隨著車速的提高，空氣阻力所占比例迅速提高。
展開 空氣玩家JIM HALL 空氣動力學黑科技的故事
Chaparral系列車型的問世改變了汽車運動的發展方向，Jim Hall作為一個工程師，用創造性的思維處理問題，大膽實踐有條不紊，Jim Hall是將空氣動力學運用在汽車運動領域的先驅者。
Altair CFD 以技術賦能工程創新
? 效率領先，縮短研發周期：GPU原生加速、自動化網格、并行計算等技術的應用，讓仿真速度較傳統工具大幅提升，例如整車空氣動力學仿真可在5-10小時內完成高精度瞬態分析，一天內即可完成一輪設計迭代，幫助企業減少物理樣機制作，縮短研發周期40%以上。
? 生態完整，適配性強：與Altair結構仿真、優化設計、AI、HPC等工具無縫協同，可實現多學科聯合仿真，同時適配汽車、航空、建筑、醫療、電子等全行業，無需額外適配即可投入不同領域的研發工作，靈活性極強。
四、標桿案例：Altair CFD? 助力汽車空氣動力學優化
客戶背景：Altair CX1概念車研發團隊，希望在保證車身美學設計的前提下，優化車輛空氣動力學性能，降低風阻系數和升力系數，提升車輛續航和操控穩定性，同時縮短設計迭代周期，避免傳統風洞測試的高成本和低效率問題。
核心挑戰：概念設計階段造型數據不完善，傳統仿真工具迭代速度慢，無法快速響應造型調整；需在兼顧車身視覺沖擊力的同時，解決氣流分離、尾渦過大等問題，平衡美學與氣動性能；車輪、輪罩等部件的氣流干擾的問題難以精準預測。
解決方案：研發團隊采用Altair CFD? 平臺，結合Inspire Studio造型工具，構建了“造型-仿真-優化”的閉環流程：
1. 利用Inspire Studio的Polyandrous工具快速創建3D車身模型，無需清理幾何數據，直接導入Altair CFD? 的HyperMesh CFD模塊，幾分鐘內完成面網格劃分，通過自動 enclosure工具創建水密模型。
2. 采用LBM求解器（ultralight）進行高精度瞬態LES大渦模擬，開啟GPU加速，設置虛擬風洞參數（地面移動系統、輪胎旋轉等），精準模擬車身周圍流場分布。
3.
展開 汽車中的空氣動力學
回到正題那么何為空氣動力學呢？學術界給出的定義是這樣滴，空氣動力學，是流體力學的一個分支，主要研究物體在空氣或其它氣體中運動時而產生各種力。簡單來說，就是物體在運動時與空氣接觸而產生的各種力，有些力可能是“好力”，但有些力可能是“壞力”，會阻礙物體的運動。而這些壞力，也就是我們老說的“空氣阻力”。而這些個“壞力”，就是由于空氣密度和它自身的黏性特質等因素而造成。開頭說了，這貨很高逼格。其實，它就真的很高逼格！能非常精通和熟練運用確實需要花大工夫和力氣去鉆研。話說回來，空氣動力學到底對車輛的行駛有何影響呢？不論是在在民用汽車領域還是在賽車領域，空氣動力學設計對于降低風阻、提升車速、節約油耗、減少噪音和增強行駛穩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生的摩擦力），當一輛汽車以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。當今量產車的風阻系數一般在0.28至0.40之間而風阻系數（coefficient of drag，簡稱Cd）又是何方神圣？其實吧，這個就沒那么玄乎了，它就是衡量空氣阻力大小的一個數值而已，兩者成正比！有人突然發問了，為嘛F1（世界一級方程式）賽車的風阻系數比民用車高那么多！問得好，現代F1賽車的風阻系數約為0.70至1.1。當然，還得根據不同的賽道特性從而做出不同的調校，有時為了獲得更大的下壓力，甚至可以高達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風阻系數這么高，勢必空氣阻力會大，為何還跑得那么快！少年，當然是因為人家車輕啊，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？
展開 【福利】空氣動力學，學習資料免費領！
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三等獎
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*采購近兩期發行的期刊
四等獎
空氣動力學電子資料合集
包含：空氣動力學、航空航天技術概論、飛機空氣動力學、近代空氣動力學（湍流）等等
航空航天行業官方前沿資料
領取方式
活動時間：截止至11月30日
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目標人群：航空航天行業
活動費用：免費免費免費！！
參與方式：微信掃碼下方小程序碼，參與抽獎（手機端保存圖片）
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隱藏福利
二次抽獎
參與第一次抽獎的用戶沒有抽到自己心儀的獎品？
還有第二次機會！！！
展開 技術 | 汽車空氣動力學漫談
汽車行業目前已有一種共識，具有良好空氣動力學性能的汽車，加速性能更好、行駛穩定性更強、燃油經濟性更佳。隨著節能環保汽車的呼聲愈強，汽車空氣動力學性能相比以往任何時候，都更被車企所重視。本期作者將帶你走近汽車空氣動力學。
引言
如果一輛汽車以105公里/小時的速度駛向墻壁，將會發生什么？
可以想象：汽車車架會斷裂，玻璃會破碎，當然，安全氣囊也會彈出試圖保護司機和乘客，但即使現代汽車在安全方面已有著巨大進步，這樣的撞車也將會是一次嚴重的事故。因為汽車根本不可能通過任何改良設計而順利穿過一面磚墻。
但是大自然中卻存在著另外一種“墻”，汽車通過改良設計就可以順利從中穿過，這就是“空氣墻”——當汽車高速行駛時遇到的“墻”。
也許大多數人并不認可這種說法，空氣或者風怎么能算一堵墻呢。
汽車低速行駛或風不大時，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時，空氣阻力（空氣對運動物體的作用力）對汽車的加速性能、行駛穩定性和燃油經濟性都有巨大的影響。
空氣動力學是力學的一個分支，主要研究物體與氣體相對運動時的受力特性、氣體流動規律以及伴隨發生的物理化學變化。空氣動力學在航空、航天、汽車領域都有廣泛的應用。
近幾十年來，汽車設計不同程度的考慮了空氣動力學，汽車制造商們也進行了各種各樣的創新設計，試圖使“空氣墻”更容易被穿過。
在了解空氣動力學如何應用于汽車行業之前，先了解一下“風阻系數（Cd）”。
風阻系數（Cd）
風阻系數（Cd）是衡量汽車空氣阻力的數值。
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。通常使用風阻系數來衡量汽車的空氣動力學能力。簡單來講，風阻系數越低，汽車的空氣動力學相對更佳，也更容易通過“空氣墻”。
一起來看幾個阻力系數值。
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