解析特斯拉Model S 空气动力学开发

相对内燃机而言，电动传动系统的能源效率具有显著的优点。虽然电动汽车的动力性能普遍不如内燃机汽车，但特斯拉所研发的这款Model S却不在此列。其中一个重要因素就是其出色的空气动力学性能。本期“汽车风洞技术”解析系列将为大家介绍这款车的空气动力学开发过程。

当特斯拉在建立车辆工程部的组织架构时，首要考虑的是空气动力学团队和设计团队以及其他工程团队如何进行有效整合。Model S 空气动力开发的指导思想基本上依据传统的外形优化，但这个过程的实现及其所追求的程度则是超凡的。在最初的草图设计阶段，空气动力学家就已经直接同设计师一同工作并对设计师提供帮助和指导。从而为其所设计的汽车提供了出色的空气动力学性能。

另外，计算流体力学（CFD）在汽车开发中广泛使用，并利用风洞试验辅助校正和验证，另外对CFD不能有效解决的问题则采用风洞试验的手段。

Model S 在风洞试验中

1整体外形开发
在汽车外形开发时，特斯拉公司使用了Power Flow软件，用于在初步概念设计中探索汽车的空气动力性能包线，以便取得最优的结果，也可以看是否有其他设计改变，以提供足够的性能增益。这个工作范围包括了各种不同设计特征的参数优化，广泛应用具有几何变形能力的Power CLAY软件。

起初，仿真模型并没有包含冷却系统和动力传动系统。而当有了后续的设计资料时，在模型上增加了这些项目以提高模型的逼真度。外部的后视镜也在所有仿真中出现，通用的悬架组件也在开始时使用。

在进行相关分析时仿真的地面条件和风洞的地面条件相一致，其数据从实际风洞中获得。另外，在进行相关分析时，对风洞的几何形状进行了简化表示，以便研究远场气流对汽车受力的影响。

对外形优化其追求策略是确定汽车周围的不同空气流动特点和流动系统，按有益和不利进行分类，再根据情况对有益的进行提升，对不利的进行改善。这种基于流场的优化方法意味着空气动力学家可以对同一目标使用不同方法，再给设计师提供一定范围的几何外形选择。这样设计师可以进行试验以便找到适合整体汽车美感的解决方案。下图即是车身参数化和外形特征的一个例子。在这个阶段，进行了数百次的仿真，并获得了大量的研究数据和经验。

采用不同几何参数进行仿真

在Model S 的开发过程中，使用CFD优化外形的物理模型来进行试验检验，以便得到物理数据点以保证项目优化在正确的方向上。因此，制作了一个全尺寸模型车Aerobuck。Aerobuck模型车是模块化的，可以在风洞中快速地对模型车进行大修改，以便得到多种全车身外形配置的数据。

开发中，对Aerobuck车身进行了三个大的改变：

第一个改变是Aerobuck整个前角的更换，为“base + front”；

第二个改变是在第一个改变基础上更换整个摇杆区域，为“base + front + middle”；

第三个改变是在前两个改变下更换汽车整个后部，为“base + front + middle + rear”。

特斯拉在外形开发中的目标就是将汽车的阻力系数降到了最低。

Aerobuck在克莱斯勒的气动-声学风洞

利用该模型特斯拉的开发人员在克莱斯勒的风洞中进行了大量的风洞试验，获得了该模型的气动特性，并对冷却系统参数和悬架高度进行了研究。

2 S型车的空气动力设计特点
2.1
车身前部
车身前部所提供的气流条件直接影响气流对汽车后面部分的受力及其优化潜力，因此，对车身前部的空气动力学优化是必不可少的。这个优化有5个相互关联的策略：

第一是最小化前表面相对高压区域的延伸，为冷却系统的进风口提供更高压力的空气；

第二是最大化前饰板外角表面的抽吸；

第三是对车身前部下面的气流进行调整以最小化前轮的有效摆角；

第四是确立流经前翼子板下面和车身侧面气流的平行方向；

第五是管理流经汽车前部通过可变遮板和轮罩衬里内的定向的格栅的冷却气流的进风口和排出。

下图可视化地给出了汽车前部流线型的整体性质。

CFD仿真出来的流经Model S 的流线

2.2车身底部
S型车的电池组设计使得车轴之间的得到完全平坦的地板。这对汽车的升力和阻力有很大好处，其显著的提高了在汽车底部的气流速度。下图显示了流经车轮和光滑地板表面的流线。

CFD仿真出的流经Model S 光滑底部气流

2.3
车身中部
Model S 的车身中部是光滑渐变尖细的。A柱和C柱的曲率都进行仔细的优化，尽量避免涡流的形成。侧窗玻璃的内嵌进行了最小化处理，B柱的突出也完全取消掉。前顶板和后顶板及间隙的偏移都进行了最小化处理，后高位刹车灯集成到了后挡板的内部以减小其对外部气流过度影响。

下图中显示的等值面可以看出A柱处的小涡流，C柱则没有明显的旋涡形成。在后侧面玻璃有一定压力损失。在后挡风玻璃的顶部由于和后挡板的衔接有缝隙而导致有压力损失，不过这个间隙已经最小化了。

Model S 车身中部总压系数为0的等值面

2.4汽车后部
最初Model S 的尾端是高度弯曲的，这虽然符合审美观，但却导致了高动态的尾流，使得基准压力会有很大的变化。为此，对汽车后角的方形化调整空气动力方向，并结合分离器的功能，大大稳定了尾流，降低了阻力。

在优化扩散器角度时特斯拉重点关注与最小化阻力而不是最小化升力。为了控制这两个空气动力参数，对控制行李箱盖的高度、倾角、外形都是很重要的。尽管汽车的原型基本上是快背式设计，在后尾灯和行李箱盖之间增加了表面坡度的明显改变，这样可以增大连接处的压力。

2.5空气悬架
Model S 都配备了空气悬架系统。这项技术不仅对汽车在不同乘客和货物载荷的姿态有很好的控制，而且还可以在高速公路上高速行驶时降低悬架高度以减小阻力和升力。而在决定悬架高度最佳下降位置时，要使汽车的空气动力增益和悬架行程与驾驶品质的降低之间达到平衡。

CAERI 视点
相比较传统内燃机汽车，空气动力学对电动汽车的作用更为重要。这主要是由于电动汽车在减速过程中是可以将汽车制动能量回收到电池中的，但空气阻力造成的能量损失是无法回收的，那么过大的空气阻力，将降低电动汽车可回收的能量比。因此特斯拉在Model S车型开发中才会投入巨额经费，以降低其空气阻力。

在国内，国家也一直在推广电动汽车等新能源汽车的开发和市场推广，但限于目前国内在CFD仿真和风洞试验方面的不足和缺乏，也在一定程度上制约了国内电动汽车技术的发展。随着国内以重庆中国汽研为代表的一批汽车风洞的陆续建成，相信在未来国内电动汽车的空气动力学开发将会步入一个新的阶段。