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汽车风阻系数的仿真计算
01 汽车风阻系数定义
汽车的风阻系数是一个重要的数学参数，它通过风洞实验确定。风阻系数的主要作用是用于计算汽车在行驶过程中所面临的空气阻力，其大小主要取决于汽车的外形。简单地说，风阻系数是衡量汽车行驶时遭遇风的阻力大小指标。空气阻力是汽车行驶时遇到的主要外力。风阻系数与空气阻力紧密相关，汽车的最高行驶时速不仅取决于发动机的最大功率，风阻系数同样在其中起到了决定性的作用。
现代汽车的风阻系数通常在0.23到0.5之间。在车型产品定义阶段，通过优化车辆迎风面积来降低风阻系数，二者成正比。汽车空气阻力，基本上会占到汽车能源消耗的70%。小鹏汽车创始人何小鹏指出，在其他条件不变时，一款纯电车型的风阻系数，每降低0.01，续航里程大致可以增加5-8km。这也意味着，在保持续航里程不变的情况下，降低0.01的风阻系数，可以少用1度动力电池。在碳酸锂成本居高不下的当下，1度动力电池的BOM成本接近1000元。这也是为何，在油车时代，轿车的风阻系数一般会在0.3左右，在电车时代，小米SU7的风阻系数已经逼近了0.2，特斯拉Model3的风阻系数则是0.23。
风阻系数的公式如下：
其中Fd是空气阻力；ρ为空气密度；v为空气流速；A为迎风面积；Cd为风阻系数
02 案例模型
建立如图Model3的二维流体计算域，风洞的长为15m，高为5m。车头距离进风口7.2m。在Ansys模型前处理时，如图所示命名inlet和outlet面，汽车表面命名car_wall，其他壁面命名为wall。
图1 Model3的二维流体计算域
03 网格划分
如图2所示，在①插入网格划分方法，在③选择整个计算域，在④处【方法】选用四面体优先，【网格类型】为全四边形，然后右击模型树的网格插入膨胀边界层，层数设置为4，增长率为1.2，在牛顿摩擦系数的作用下，靠经壁面的流动为层流，内部为湍流，因此插入边界层膨胀网格可更好的模拟流体在壁面的流动情况。点击⑦处网格，在⑧处单元设置尺寸为100mm。网格划分结果如图3所示，网格节点数8670，网格单元数8393，平均网格质量为0.89，网格均匀无明显畸变。
图2 网格划分设置
图3 网格划分结果
04 求解设置
打开Fluent后，选择标准的k-e湍流模型。
设置入口速度120km/h，换算单位后为33.33m/s，在下图设置入口速度为33.33m/s。
接下来是汽车的最大迎风面积的提取，我的方法是在网上下载1:1的step模型，然后运用Ansys Spaceclaim建立截面，提取迎风处的面积，通过处理得知Model3的迎风面积为1.007㎡。
在Fluent的模型树【参考值】处红框处面积设置为1.007㎡。
按照下图定义阻力系数的报告，首先在Fluent模型树的【报告定义】处新建名字为drag-cofficient的报告。
设置仿真迭代的次数为200，在计算前先进行混合初始化。
05 计算结果
如图4，通过计算得到Model3的风阻系数为0.241，与官方给出的0.23结果吻合，表明该计算方法较准确，如图6，空气在汽车尾部形成了涡流，是因为汽车在行驶时，其空间会排挤相应大小的空气。由于流体的粘滞性质，空气无法迅速填充汽车所排开的空间，因此在车尾处形成真空，进而产生涡流。此外，涡流还可能对汽车的尾部造成污染。例如，在雨天，车顶和车底的气流中混杂了雨水和泥水，这些杂质在涡流的作用下可能会被带到汽车尾部，尤其是在两厢车的后窗玻璃上，形成泥浆和污迹，遮挡视线，造成安全隐患。从图6可以看出，Model3的涡流区没有在后车窗玻璃上，无泥浆和污迹，遮挡视线的安全隐患。
为了减少涡流的影响，汽车设计师在车型设计时会进行多方面的优化，如改进车尾的形状，减少气流在车尾处的分离，从而降低涡流的形成。此外，对于两厢车等容易在尾部形成涡流的车型，安装后雨刷可以有效地清除后窗玻璃上的污迹，提高行车安全。
图4 风阻系数计算结果
图5 速度云图计算结果
图6 车尾部的涡流
图7 车头空气流动情况
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