汽車空氣動力學的案例
汽車空氣動力學數值計算
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汽車空氣動力學數值計算
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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。
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。
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技術 | 汽車空氣動力學中不得不說的兩種關系
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。
展開 神工坊作為承辦單位，支撐中國汽研空氣動力學標準模型創新仿真大賽！
中國汽研空氣動力學標準模型（CAERI Aero Model）創新仿真大賽創辦于2021年，由中國汽車工程學會聯合各單位共同舉辦，已成功舉辦兩屆。第三屆大賽已于2023年3月6日正式啟動。
本屆大賽，神工坊作為承辦單位，對大賽提供算力支持，共同推進我國汽車空氣動力學仿真技術發展，激發行業人員對汽車空氣動力學的創新研究。
大賽啟動通知原文
2023第三屆中國汽研空氣動力學標準模型
（CAERI Aero Model）創新仿真大賽
為了進一步普及汽車空氣動力學仿真知識，推廣應用國內首個感知型汽車空氣動力學標準模型——CAERI Aero Model，進一步提高在校大學生空氣動力學仿真技術能力、工程實踐能力和創新意識，為我國汽車空氣動力學仿真技術發展培養后備力量，同時激發行業人員對汽車空氣動力學的創新研究，2023第三屆中國汽研空氣動力學標準模型（CAERI Aero Model）創新仿真大賽啟動。
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 【技術】AICFD助力汽車空氣動力學設計
概述
隨著汽車工業發展與汽車行駛速度日益提高，汽車的空氣動力學亦愈來愈受到重視，優秀的空氣動力學設計不但可以達到高效節能的目的，還能夠減少噪音、提高車輛的平順性和行駛穩定性，提供更強的安全保障。如今，它已經不是航空航天領域的專利，而是現代工業設計必不可少的元素之一。
汽車空氣動力學研究主要有兩種方法：一種是進行風洞實驗，另一種則是利用計算流體動力學（CFD）技術進行數值仿真。相比風洞實驗，CFD數值仿真有著可再現性、周期短、成本低，以及全面且豐富的流場分析功能等優點。隨著計算機性能的不斷提高，CFD 軟件逐漸成為工程師的常用工具，通過數值仿真，在產品開發的初期就確立設計方案。外流場空氣動力學仿真計算作為CFD的一個方面，在現代汽車設計中扮演著至關重要的角色。
AICFD軟件介紹
AICFD 是由天洑軟件研發的一款智能熱流體仿真軟件，它實現對流動及傳熱的快速智能仿真。
展開 模擬普利司通世界太陽能挑戰賽的旋轉輪空氣動力學
汽車下游 (x=-1.8) 垂直剖切面上的 Q 不變和表面流線（紅色）。與旋轉輪（右）相比，固定輪（左）顯示渦流脫落。
旋轉輪對皮膚摩擦阻力的影響很小，而壓力阻力很大。仿真結果還表明，前輪比后輪具有更高的壓力阻力。這可以用后輪中較低的滯止壓力來解釋。此外，氣流從前輪引起的渦旋脫落接近后輪。前輪下游尾流中的壓力（左側）低于后輪尾流中的壓力（右側）。
水平切口上靜壓的底視圖。
值得注意的是，車輪的旋轉減少了大約 40% 的阻力。這顯著影響了汽車設計，因為空氣阻力系數 C d A 降低了 10%。模擬提供了對旋轉輪周圍流場的詳細了解。在車輪前部和輪拱周圍觀察到一個小的再循環區。在這里，來自上游的氣流在車輪和輪拱之間匯合成單一的氣流。
流線按前輪胎周圍的速度著色。
結論
通過與 Fidelity Hexpress 和 Fidelity Flow 的合作，可以更深入地了解旋轉輪周圍的流場及其對壓力阻力的影響。車輪的旋轉導致車輪阻力降低 40%，整車的C d A 降低 10%。該案例研究增加了我們對仿真解決方案的信心，因為結果非常接近實驗測試（道路測試和風洞測試）。
參考
Borgions K., Holemans T.，太陽能汽車旋轉輪的空氣動力學模擬。KU Leuven，工程技術學院。碩士論文, 2019.
Vandervelpen E., Uten J.，用于太陽能汽車空氣動力學模擬的湍流模型測試，KU Leuven，工程技術學院。碩士論文, 2018.
文章來源：cadence博客
展開 Cadence CFD 研討會點播 – 汽車空氣動力學仿真預報
研討會內容要點
?展示汽車空氣動力學的完整 CFD 仿真工作流程
?比較了不同湍流模型的計算速度和精度
?應用了多個汽車標準模型
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解密幾種常見的汽車空氣動力學裝置
老司機們都知道：當汽車開的比較快時，車身會有發飄的感覺，特別是有側向風的時候這種感覺會更明顯。當然，老司機們卻未必知道這一現象是由于汽車高速行駛產生的氣動升力所致。為了改善汽車高速行駛時的穩定性，設計師們給汽車加上了各種各樣的空氣動力學裝置。本文將為你解密這些裝置的工作原理。
引言
汽車行駛時，氣流與汽車相遇后分開，一部分氣流會沿著車頂流過，一部分氣流沿著車底流過。氣流在車頂的行程相對車底來說更長，氣流的密度相對也較低。根據伯努利原理：流體速度越快，壓力就會越小。因此汽車頂部的空氣壓力就比底部小，從而產生了向上的升力。
然而，升力是飛行的要素，對于地面行駛的汽車來說，升力越大，汽車的穩定性就越差。為此工程師們開發了各種各樣的汽車空氣動力學裝置，以改善汽車高速行駛時的穩定性。
擾流板
擾流板是指安裝在汽車后箱蓋上類似倒裝的飛機尾翼的部件，主要是為汽車提供一定的下壓力。
擾流板的工作原理就是阻礙氣流流動，以在擾流板前方形成高壓區，這種較高的壓力作用在后箱蓋上從而提供下壓力。
擾流板作用原理
汽車上的擾流板多種多樣。如賽車上的擾流板較高，這是為了充分發揮擾流作用，使沒有亂流的氣流直接作用在擾流板上，而且使它產生的下壓力不致于作用車身而抵消其效應。因此必須將擾流板離開車身表面安裝。
兩廂車的頂蓋后緣常安裝一個像鴨尾那樣的擾流板，引導頂蓋上一部分氣流流過后窗表面。這樣既可使后窗后部的升力降低，也可引導氣流將后窗表面浮塵消除，避免塵污附著而影響汽車的后視野。
在許多普通轎車上，也裝有擾流板。但由于這些車的速度都不是很高，因此擾流板也難以發揮實際作用，僅僅達到美化車身外觀的目的。
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 汽車開發中的空氣動力學及流體力學仿真
汽車開發中的空氣動力學及流體力學仿真
隨著計算機性能的不斷提高，CFD 軟件逐漸成為工程師的常用工具，在產品開發的初期就確立設計方案。今天所面臨的挑戰是如何更好地利用這些軟件，以及由誰使用。
“大約十年前，我們要說服人們相信CFD 及仿真可以帶來價值。今天，CFD 已經成為汽車行業中普遍使用的工具，應用于整個汽車開發流程的各個階段，”福特公司熱系統及空氣動力系統工程以及計算機輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說道。他所領導的團隊主要負責新車空氣動力學及動力總成冷卻設計的虛擬優化及驗證工作。
一項成熟的技術一旦可以帶來可靠的結果就可以得到廣泛的應用?！霸谲囕v基本空氣動力學設計及車輛外形及底部設計優化方面所采用的方法已經非常成熟了，”他說道。因此，人們對CAE技術在開發流程中所發揮的作用的期望也發生了巨大的改變。以前，CAE 主要用來評估設計提案的可行性。“今天，由于設計參數數量的大量增加，人們希望CAE 可以幫助推進整個車輛的開發流程?！盚upertz 說道。
為了達到這個目的，福特公司正在制訂新的開發流程——如何更好地通過CFD 軟件來確定車輛設計中最重要和最有依賴性的參數。Hupertz 認為基于CAE 的實驗設計（DOE）是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對大量的有關車輛造型和系統性能的設計參數的效果進行深入探索。對如何利用幾百次的測試運行有詳細規劃的優化軟件包是關鍵。此外，還有一個關鍵因素是復雜的變形工具，可以幫助設計人員知道如何對車輛造型做出改進。最后， “我們在用戶友好界面方面投入了大量精力，這樣設計人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動力學工程師想表達的意思，”Hupertz 表示。
展開 汽車開發中的空氣動力學及流體力學仿真
今天，CFD 已經成為汽車行業中普遍使用的工具，應用于整個汽車開發流程的各個階段，”福特公司熱系統及空氣動力系統工程以及計算機輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說道。他所領導的團隊主要負責新車空氣動力學及動力總成冷卻設計的虛擬優化及驗證工作。
一項成熟的技術一旦可以帶來可靠的結果就可以得到廣泛的應用?！霸谲囕v基本空氣動力學設計及車輛外形及底部設計優化方面所采用的方法已經非常成熟了，”他說道。因此，人們對CAE技術在開發流程中所發揮的作用的期望也發生了巨大的改變。以前，CAE 主要用來評估設計提案的可行性?！敖裉?，由于設計參數數量的大量增加，人們希望CAE 可以幫助推進整個車輛的開發流程?！盚upertz 說道。
為了達到這個目的，福特公司正在制訂新的開發流程——如何更好地通過CFD 軟件來確定車輛設計中最重要和最有依賴性的參數。Hupertz 認為基于CAE 的實驗設計（DOE）是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對大量的有關車輛造型和系統性能的設計參數的效果進行深入探索。對如何利用幾百次的測試運行有詳細規劃的優化軟件包是關鍵。此外，還有一個關鍵因素是復雜的變形工具，可以幫助設計人員知道如何對車輛造型做出改進。最后， “我們在用戶友好界面方面投入了大量精力，這樣設計人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動力學工程師想表達的意思，”Hupertz 表示。
新車型，新擔心
CFD/CAE 軟件開發和解決方案供應商CD-adapco 公司道路交通總監Frederick Ross 指出，隨著CFD 軟件仿真技術的發展，其所服務的市場也在不斷發展和變化中。他認為電動汽車和電動汽車相關技術都是目前非常重要的設計對象。能源使用和管理對電動汽車和各種混合動力車來說都是非常重要的一項工作。
展開 使用 ANSYS FLUENT 進行汽車空氣動力學仿真（僅車模） ￥10
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軟件：
Pro/Engineer 野火版， 渲染
car.stp
car.prt.5
類別：
汽車
標簽：
汽車, 空氣動力學, ansys , Fluent , CFD
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