01 汽車風(fēng)阻系數(shù)定義

汽車的風(fēng)阻系數(shù)是一個(gè)重要的數(shù)學(xué)參數(shù)，它通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定。風(fēng)阻系數(shù)的主要作用是用于計(jì)算汽車在行駛過程中所面臨的空氣阻力，其大小主要取決于汽車的外形。簡(jiǎn)單地說，風(fēng)阻系數(shù)是衡量汽車行駛時(shí)遭遇風(fēng)的阻力大小指標(biāo)?？諝庾枇κ瞧囆旭倳r(shí)遇到的主要外力。風(fēng)阻系數(shù)與空氣阻力緊密相關(guān)，汽車的最高行駛時(shí)速不僅取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，風(fēng)阻系數(shù)同樣在其中起到了決定性的作用。

現(xiàn)代汽車的風(fēng)阻系數(shù)通常在0.23到0.5之間。在車型產(chǎn)品定義階段，通過優(yōu)化車輛迎風(fēng)面積來降低風(fēng)阻系數(shù)，二者成正比。汽車空氣阻力，基本上會(huì)占到汽車能源消耗的70%。小鵬汽車創(chuàng)始人何小鵬指出，在其他條件不變時(shí)，一款純電車型的風(fēng)阻系數(shù)，每降低0.01，續(xù)航里程大致可以增加5-8km。這也意味著，在保持續(xù)航里程不變的情況下，降低0.01的風(fēng)阻系數(shù)，可以少用1度動(dòng)力電池。在碳酸鋰成本居高不下的當(dāng)下，1度動(dòng)力電池的BOM成本接近1000元。這也是為何，在油車時(shí)代，轎車的風(fēng)阻系數(shù)一般會(huì)在0.3左右，在電車時(shí)代，小米SU7的風(fēng)阻系數(shù)已經(jīng)逼近了0.2，特斯拉Model3的風(fēng)阻系數(shù)則是0.23。

風(fēng)阻系數(shù)的公式如下：

其中Fd是空氣阻力；ρ為空氣密度；v為空氣流速；A為迎風(fēng)面積；Cd為風(fēng)阻系數(shù)

02 案例模型

建立如圖Model3的二維流體計(jì)算域，風(fēng)洞的長(zhǎng)為15m，高為5m。車頭距離進(jìn)風(fēng)口7.2m。在Ansys模型前處理時(shí)，如圖所示命名inlet和outlet面，汽車表面命名car_wall，其他壁面命名為wall。

圖1 Model3的二維流體計(jì)算域

03 網(wǎng)格劃分

如圖2所示，在①插入網(wǎng)格劃分方法，在③選擇整個(gè)計(jì)算域，在④處【方法】選用四面體優(yōu)先，【網(wǎng)格類型】為全四邊形，然后右擊模型樹的網(wǎng)格插入膨脹邊界層，層數(shù)設(shè)置為4，增長(zhǎng)率為1.2，在牛頓摩擦系數(shù)的作用下，靠經(jīng)壁面的流動(dòng)為層流，內(nèi)部為湍流，因此插入邊界層膨脹網(wǎng)格可更好的模擬流體在壁面的流動(dòng)情況。點(diǎn)擊⑦處網(wǎng)格，在⑧處單元設(shè)置尺寸為100mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)8670，網(wǎng)格單元數(shù)8393，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.89，網(wǎng)格均勻無明顯畸變。

圖2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

04 求解設(shè)置

打開Fluent后，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e湍流模型。

設(shè)置入口速度120km/h，換算單位后為33.33m/s，在下圖設(shè)置入口速度為33.33m/s。

接下來是汽車的最大迎風(fēng)面積的提取，我的方法是在網(wǎng)上下載1:1的step模型，然后運(yùn)用Ansys Spaceclaim建立截面，提取迎風(fēng)處的面積，通過處理得知Model3的迎風(fēng)面積為1.007㎡。

在Fluent的模型樹【參考值】處紅框處面積設(shè)置為1.007㎡。

按照下圖定義阻力系數(shù)的報(bào)告，首先在Fluent模型樹的【報(bào)告定義】處新建名字為drag-cofficient的報(bào)告。

設(shè)置仿真迭代的次數(shù)為200，在計(jì)算前先進(jìn)行混合初始化。

05 計(jì)算結(jié)果

如圖4，通過計(jì)算得到Model3的風(fēng)阻系數(shù)為0.241，與官方給出的0.23結(jié)果吻合，表明該計(jì)算方法較準(zhǔn)確，如圖6，空氣在汽車尾部形成了渦流，是因?yàn)槠囋谛旭倳r(shí)，其空間會(huì)排擠相應(yīng)大小的空氣。由于流體的粘滯性質(zhì)，空氣無法迅速填充汽車所排開的空間，因此在車尾處形成真空，進(jìn)而產(chǎn)生渦流。此外，渦流還可能對(duì)汽車的尾部造成污染。例如，在雨天，車頂和車底的氣流中混雜了雨水和泥水，這些雜質(zhì)在渦流的作用下可能會(huì)被帶到汽車尾部，尤其是在兩廂車的后窗玻璃上，形成泥漿和污跡，遮擋視線，造成安全隱患。從圖6可以看出，Model3的渦流區(qū)沒有在后車窗玻璃上，無泥漿和污跡，遮擋視線的安全隱患。

為了減少渦流的影響，汽車設(shè)計(jì)師在車型設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)進(jìn)行多方面的優(yōu)化，如改進(jìn)車尾的形狀，減少氣流在車尾處的分離，從而降低渦流的形成。此外，對(duì)于兩廂車等容易在尾部形成渦流的車型，安裝后雨刷可以有效地清除后窗玻璃上的污跡，提高行車安全。

圖4 風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖5 速度云圖計(jì)算結(jié)果

圖6 車尾部的渦流

圖7 車頭空氣流動(dòng)情況