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特斯拉 model s 气动特性数值模拟分析
2018-10-25 20:40:24· 来源：AutoAero
本内容源于吉林大学和长城华冠的合作。合作希望通过对先进的汽车外形气动特性分析，为汽车空气空气动力学开发提供借鉴，同时希望可以联合为汽车企业提供专业的汽车空气动力学数据信息。基于此目的，我们联合对Tesla（特斯拉）的Model S车型进行了三维扫描。
本内容源于吉林大学和长城华冠的合作。合作希望通过对先进的汽车外形气动特性分析，为汽车空气空气动力学开发提供借鉴，同时希望可以联合为汽车企业提供专业的汽车空气动力学数据信息。基于此目的，我们联合对Tesla（特斯拉）的Model S车型进行了三维扫描。但是由于舱内部件的复杂性，没有对发动机舱内进行建模和仿真分析。
特斯拉的车型有公开的风洞实验报道，气动阻力系数也有相应的数值。本文所进行的仿真分析完全基于Star–CCM+的最佳实践的设置进行。
注：该文的仿真数据可以进行数据出售和交换。有全部CFD数据（Star-CCM+格式），还有网格表面，仿真结果。如有需要，可以联系吉林大学张英朝汽车空气动力学研究课题组。
仿真设置
模型和计算设置
仿真使用Model S实车经过3D扫描获取数据模型，后视镜、前进气格栅、胎纹、雨刮器、阻风板、车门缝等细节特征保留完整，与实车外形尺寸一致性好，具有气动特性研究和对标的实际意义。
仿真采用尺寸为长*宽*高=55m*22m*9m的计算域，地面设置为滑移壁面边界，侧面及顶面设为对称面边界，入口速度为X正向33.33m/s，出口相对压力为0pa，为计算方便轮胎接地处切去5mm处理，地面线及坐标系按照3D扫描姿态相应倾斜一定角度，离地间隙按不同工况区分设置。
物理模型和网格
因几何模型细节复杂，该仿真采用网格兼容性较好的K-epsilon湍流模型[1]进行气动仿真。车身表面网格尺寸为0.004m-0.01m，计算域整体设置0.064m、0.128m、0.256m三层加密域，另在尾流区、车底、车前部、雨刮、后视镜等速度梯度较大的区域做了0.016m、0.032m的加密。体网格数量共计2800万，采用240线程服务器，稳态计算5000步时长3h 25min。
仿真结果
不同工况下的整车风阻
Model S在悬架上有弹簧悬架和空气悬架两种配置，使得其离地间隙也相应的有所变化。同时，在车身姿态方面，半载工况更符合实际中汽车的大部分应用，因此我们将半载的弹簧悬架作为基础工况。
仿真得到不同工况下的整车阻力系数如表1所示，其中半载1工况表示空气悬架调整至离地间隙最小的车身姿态，而半载表示弹簧悬架。可见当汽车高速行驶时，空气悬架调整离地间隙相对较小，使得车身底部空气流速增加，压强减小，减少了气动升力。同时，高速气流冲击尾部涡旋，使尾部负压区域减小，阻力减少。由光头胎和花纹胎的风阻对比可以看出，胎纹对风阻的影响也相对较大，在气动仿真中不可忽视。
不同部件对整车风阻的贡献
仿真得到汽车外表面不同部分对风阻系数的贡献量，由表2可以看出，对风阻贡献最大的是汽车前脸的各部件。这是由于汽车行驶中的压差阻力占总体阻力的主要部分，而前脸处于迎风位置，正压大，对阻力贡献也相对较高。该车在车门设计中，使用隐藏式车门把手和内置窗框，使得车门的风阻大大减小。前轮处的阻风板使得前轮对风阻的贡献要小于后轮。另外，雨刮器也同样采用隐藏在前行李箱盖的后缘下方，减少了前风挡处的涡旋，有利于减阻。
轮胎旋转对风阻特性的贡献
如图中所示，红色曲线为使用切向速度设置轮胎旋转工况下的整车风阻系数发展曲线，绿线表示轮胎固定工况。在车身中部以前两种工况的风阻系数发展趋势一致、大小相同，而在车尾部由于轮胎旋转加速汽车底部气流向后运动，冲击尾流使尾部负压减小，从而产生了9count的阻力降幅。
同时，由表1得知由于车底速度的增加使得汽车底部压强减小，从而降低了升力系数。
汽车底部流动特性
由图8中车身底部的速度矢量分布可以看出，由于电动汽车采用电池组提供动力，在车身底部没有燃油车所特有的排气管等需要裸露散热的部件，形状复杂的杆件相对较少，且model s 的底部假装了完整的覆盖件，使得汽车底部外形非常光顺，在高速度下汽车行驶稳定。
车身表面附近的流动
由车身表面附近总压系数为0的等值面分布可以看出，model s的车身外形非常光顺，除后视镜、轮胎等不可避免流动分离的部位之外，仅在前行李箱盖前部上方和A柱附近有很少的涡流出现，而在C柱及后车窗等通常流动分离明显的部位涡流相对很少。这样使得整车在行驶中的负压区域大大减小，而减少了空气阻力。
通过3D扫描获取了Tesla Model S的数据模型，并使用Star-ccm+对其进行了详细的外气动特性仿真分析，得到不同工况下的整车阻力和升力系数，以及基础工况下汽车各部分对风阻系数的贡献量，分析和总结了该车型的流动状态和减阻机理。
TESLA出色的气动特性设计为其续航里程贡献巨大。这个数值模拟真实的展示了TESLA的流动布局和气动特性，对于新能源车的气动设计有很好的的借鉴作用，对于传统轿车也有比较好的借鉴作用。
特斯拉的车型有公开的风洞实验报道，气动阻力系数也有相应的数值。本文所进行的仿真分析完全基于Star–CCM+的最佳实践的设置进行。
注：该文的仿真数据可以进行数据出售和交换。有全部CFD数据（Star-CCM+格式），还有网格表面，仿真结果。如有需要，可以联系吉林大学张英朝汽车空气动力学研究课题组。
仿真设置
模型和计算设置
仿真使用Model S实车经过3D扫描获取数据模型，后视镜、前进气格栅、胎纹、雨刮器、阻风板、车门缝等细节特征保留完整，与实车外形尺寸一致性好，具有气动特性研究和对标的实际意义。
仿真采用尺寸为长*宽*高=55m*22m*9m的计算域，地面设置为滑移壁面边界，侧面及顶面设为对称面边界，入口速度为X正向33.33m/s，出口相对压力为0pa，为计算方便轮胎接地处切去5mm处理，地面线及坐标系按照3D扫描姿态相应倾斜一定角度，离地间隙按不同工况区分设置。
物理模型和网格
因几何模型细节复杂，该仿真采用网格兼容性较好的K-epsilon湍流模型[1]进行气动仿真。车身表面网格尺寸为0.004m-0.01m，计算域整体设置0.064m、0.128m、0.256m三层加密域，另在尾流区、车底、车前部、雨刮、后视镜等速度梯度较大的区域做了0.016m、0.032m的加密。体网格数量共计2800万，采用240线程服务器，稳态计算5000步时长3h 25min。
仿真结果
不同工况下的整车风阻
Model S在悬架上有弹簧悬架和空气悬架两种配置，使得其离地间隙也相应的有所变化。同时，在车身姿态方面，半载工况更符合实际中汽车的大部分应用，因此我们将半载的弹簧悬架作为基础工况。
仿真得到不同工况下的整车阻力系数如表1所示，其中半载1工况表示空气悬架调整至离地间隙最小的车身姿态，而半载表示弹簧悬架。可见当汽车高速行驶时，空气悬架调整离地间隙相对较小，使得车身底部空气流速增加，压强减小，减少了气动升力。同时，高速气流冲击尾部涡旋，使尾部负压区域减小，阻力减少。由光头胎和花纹胎的风阻对比可以看出，胎纹对风阻的影响也相对较大，在气动仿真中不可忽视。
不同部件对整车风阻的贡献
仿真得到汽车外表面不同部分对风阻系数的贡献量，由表2可以看出，对风阻贡献最大的是汽车前脸的各部件。这是由于汽车行驶中的压差阻力占总体阻力的主要部分，而前脸处于迎风位置，正压大，对阻力贡献也相对较高。该车在车门设计中，使用隐藏式车门把手和内置窗框，使得车门的风阻大大减小。前轮处的阻风板使得前轮对风阻的贡献要小于后轮。另外，雨刮器也同样采用隐藏在前行李箱盖的后缘下方，减少了前风挡处的涡旋，有利于减阻。
轮胎旋转对风阻特性的贡献
如图中所示，红色曲线为使用切向速度设置轮胎旋转工况下的整车风阻系数发展曲线，绿线表示轮胎固定工况。在车身中部以前两种工况的风阻系数发展趋势一致、大小相同，而在车尾部由于轮胎旋转加速汽车底部气流向后运动，冲击尾流使尾部负压减小，从而产生了9count的阻力降幅。
同时，由表1得知由于车底速度的增加使得汽车底部压强减小，从而降低了升力系数。
汽车底部流动特性
由图8中车身底部的速度矢量分布可以看出，由于电动汽车采用电池组提供动力，在车身底部没有燃油车所特有的排气管等需要裸露散热的部件，形状复杂的杆件相对较少，且model s 的底部假装了完整的覆盖件，使得汽车底部外形非常光顺，在高速度下汽车行驶稳定。
车身表面附近的流动
由车身表面附近总压系数为0的等值面分布可以看出，model s的车身外形非常光顺，除后视镜、轮胎等不可避免流动分离的部位之外，仅在前行李箱盖前部上方和A柱附近有很少的涡流出现，而在C柱及后车窗等通常流动分离明显的部位涡流相对很少。这样使得整车在行驶中的负压区域大大减小，而减少了空气阻力。
通过3D扫描获取了Tesla Model S的数据模型，并使用Star-ccm+对其进行了详细的外气动特性仿真分析，得到不同工况下的整车阻力和升力系数，以及基础工况下汽车各部分对风阻系数的贡献量，分析和总结了该车型的流动状态和减阻机理。
TESLA出色的气动特性设计为其续航里程贡献巨大。这个数值模拟真实的展示了TESLA的流动布局和气动特性，对于新能源车的气动设计有很好的的借鉴作用，对于传统轿车也有比较好的借鉴作用。
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