汽車空氣動力學
關注創(chuàng)建者：thinking1989 創(chuàng)建時間：2016-12-01
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汽車行業(yè)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(wěn)定性更強、燃油經濟性更佳。隨著節(jié)能環(huán)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(fā)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(wěn)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(guī)律以及伴隨發(fā)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(chuàng)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(yè)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。
展開 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(guī)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(wěn)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(jié)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(huán)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(wěn)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(fā)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 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(guī)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(wěn)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(jié)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(huán)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(wěn)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(fā)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 隨著汽車在日常生活中越來越普及，汽車的低油耗以及高速行駛時的穩(wěn)定性和安全性，都已成為汽車用戶關注的焦點，而這些都和汽車空氣動力學密切相關。本期作者將帶你了解汽車空氣動力學中不得不說的兩種關系。
風阻系數和風阻的關系
話說，這是非常容易混淆的兩個概念。
但是，必須強調的是，它們有關系，但是絕對不等同。
談論一輛汽車的空氣動力學性能通常會用到風阻系數這項參數。比如說，與氣流方向垂直的平板具有1.25的Cd值，目前市場上空氣動力學性能較好的量產車型具有0.25左右的Cd值。
然而，Cd值低的汽車卻不能代表它的風阻低。
要評價風阻大小，必須同時考慮汽車的正投影面積。 正投影面積是指從正前方觀察到的汽車橫截面積。
汽車受到的風阻越低，在任何給定的速度下行駛所消耗的動力就越少。一輛全尺寸的汽車和其對應的比例模型具有相同的Cd值，但是全尺寸汽車因為其更大的正投影面積，則需要更多的動力來實現加速。
以捷豹XJ6為例，新系列的Cd為0.38、正投影面積為2.06平方米，舊系列的Cd為0.44、正投影面積為1.98平方米。 因此新系列XJ6的CdA為0.7828，舊系列的CdA為0.8712。這意味著捷豹XJ6新系列相比舊系列來說，在任何特定的速度下都能用較少的動力來驅動，并且在相同的功率下會達到更快的速度。
雖然有可能某輛汽車的Cd很低，但是同樣難以彌補車頭部分增加的長度和寬度所帶來的整體風阻的上升。
總之，比較汽車的風阻大小，更準確的對比參數是CdA（阻力系數乘以正投影面積）。
風壓中心和行駛穩(wěn)定性的關系
氣流氣動力在汽車上的作用點，稱為風壓中心。
由于汽車外型的對稱性，風壓中心在汽車的對稱平面內，但它不一定與重心重合，風壓中心與重心的相對位置對于汽車的穩(wěn)定性至關重要。
風壓中心由汽車外形和風向共同決定，可以看做所有“風產生的力”都施加在這個點上。
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四、標桿案例：Altair CFD? 助力汽車空氣動力學優(yōu)化
客戶背景：Altair CX1概念車研發(fā)團隊，希望在保證車身美學設計的前提下，優(yōu)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(xù)航和操控穩(wěn)定性，同時縮短設計迭代周期，避免傳統(tǒng)風洞測試的高成本和低效率問題。
空氣動力學車身 F1概念車4個月前
使用 SolidWorks 進行參數化建模，基于 F1 設計理念的空氣動力學車身
- 具有多單元輪廓的前后翼組件 -
懸架系統(tǒng)布局（雙叉臂式、推拉桿式結構）
- 底盤布局和組件集成
- 精確的車輛比例和工程細節(jié) -
用于可擴展性的結構化特征樹和裝配層級
風洞試驗模型制作和試驗實施的周期長，成本高，因此如何減少風洞實驗次數，提高汽車設計效率，一直是汽車設計及空氣動力學領域研究的重點。</p><p class="ql-align-justify"> 數字風洞即風洞的數字化，是遵循數字孿生理念，通過高保真數值計算、機器學習等技術手段，將物理風洞試驗設施和試驗過程1:1還原到數字世界，從而具備實施高置信數字風洞試驗的能力。
幾何深度學習
1.什么是幾何深度學習？
幾何深度學習（GDL-Geometric Deep Learning）是從非歐幾里得數據類型中學習的一種神經網絡方法。
歐幾里得數據包括圖像、文本、音頻等。
非歐幾里得數據可以比一維或二維表達更復雜的結構
我們在包含8個NVIDIA H100 Tensor Core GPU的Supermicro AS-8125GS-TNHR服務器上求解了兩種不同的模型——第一個是包含2400萬個網格單元的燃氣輪機燃燒室內部流動模型，第二個是包含5000萬個網格單元的汽車外部空氣動力學仿真模型。我們分別在1、2、4和8個GPU上求解了這兩個模型，以測量加速和效率。
汽車的空氣動力學性能直接關系到燃油經濟性（續(xù)航里程）、高速行駛穩(wěn)定性和風噪。
參考案例-分析方法-劇本動畫：評估車輛空氣動力學
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、后視鏡設計、車尾擾流等），降低風阻系數（Cd值）。每降低0.01的Cd值，對燃油車和電動車的續(xù)航都至關重要。
23種主流自動駕駛仿真軟件及總結（附交流群&資料）
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一期一會 | 什么是流體流動？8個月前
當試圖對瞬態(tài)非常重要的流動進行建模時，例如汽車的外部空氣動力學和燃氣輪機發(fā)動機內的燃燒，LES至關重要。
高級流體流動仿真
了解流體流動的能力是開發(fā)有效計算模型的第一步。層流求解相對簡單，工程師可以使用確定性數學模型。然而，這些模型的適用范圍有限。
大多數實際問題都涉及湍流，由于其不穩(wěn)定和不確定的特性，湍流最難建模。
3.PhysicsAI 預測汽車風阻
首先我們來看 AI 和汽車空氣動力學結合的案例。在汽車主機廠通常需要進行風洞實驗，仿真方法是采用虛擬風洞模擬汽車的空氣動力學，通常這類模型規(guī)模較大，并涉及多輪設計變動，需要花費很多時間建模、修改、消耗計算資源和人工。總之、實驗成本較高，仿真也不便宜。
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