基于Simdroid解讀特斯拉Cyber-truck革新外形下的空氣動(dòng)力學(xué)特性

1、汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能概述汽車是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必不可少的交通工具。在汽車行駛時(shí)，空氣與汽車的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力、風(fēng)噪聲和側(cè)向力對汽車的油耗、噪聲及振動(dòng)（聲品質(zhì)）、冷卻（熱管理）、行駛穩(wěn)定性和安全性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等車輛品質(zhì)產(chǎn)生影響，尤其在中高速時(shí)的影響表現(xiàn)明顯。當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)中，整車企業(yè)在設(shè)計(jì)各階段通過CFD標(biāo)準(zhǔn)分析流程獲取汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)，以此為依據(jù)指導(dǎo)汽車新產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)評估與優(yōu)化工作。常見汽車外形及汽車外流場實(shí)驗(yàn)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）2、特斯拉Cyber-truck空氣動(dòng)力學(xué)研究2.1研究背景作為全球領(lǐng)先的新能源汽車開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者的特斯拉，首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克于2019年在美國加州洛杉磯舉辦的活動(dòng)上發(fā)布了該公司第一輛電動(dòng)皮卡，名為Cyber-truck，其風(fēng)格與市面上的皮卡完全不同，車輛造型極具“賽博朋克”風(fēng)格。特斯拉Cyber-truck激進(jìn)的外形設(shè)計(jì)對其空氣動(dòng)力學(xué)特性目標(biāo)帶來更大的挑戰(zhàn)。特斯拉Cyber-truck激進(jìn)的外形設(shè)計(jì)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）在外形的開發(fā)和優(yōu)化過程中，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，常規(guī)做法往往需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，這將會(huì)付出高昂的人力物力成本，并導(dǎo)致較長的設(shè)計(jì)周期。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)可低成本更高效的為車身氣動(dòng)外形的選擇和優(yōu)化提供支撐。CFD模擬分析的結(jié)果不僅可以得到整車風(fēng)阻系數(shù)，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(jié)構(gòu)及分布情況，為進(jìn)一步空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向和依據(jù)。更進(jìn)一步，還可以結(jié)合CAA（計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)）分析風(fēng)噪聲性能與流致噪聲聲源的發(fā)生與聲傳播細(xì)節(jié)；同樣結(jié)合熱分析、車輛動(dòng)力學(xué)分析為風(fēng)阻、風(fēng)噪、熱管理、操穩(wěn)、NVH等性能進(jìn)行同步優(yōu)化。2.2基于Simdroid的Cyber-truck空氣動(dòng)力學(xué)特性分析從Cyber-truck的實(shí)車圖來看，整個(gè)前風(fēng)擋從車頭到車頂是一個(gè)角度的傾角，這是該車型降低車輛風(fēng)阻系數(shù)的一個(gè)外部造型設(shè)計(jì)特征。我們應(yīng)用自主研發(fā)的多物理場仿真平臺(tái)Simdroid流體模塊，對Cyber-truck的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析與解讀。Simdroid流體模塊基于自主CFD仿真內(nèi)核開發(fā)，可以提供基于壓力的求解器（分離式、耦合式）和基于密度的求解器（隱式算法、顯式算法），模擬空氣等流體的流動(dòng)以及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的完整的流體動(dòng)力學(xué)解決方案。在本案例中，根據(jù)汽車外流場空氣流動(dòng)的一般規(guī)律，湍流模型采用穩(wěn)態(tài)雷諾平均k-ωSST湍流模型。2.3分析流程基于Simdroid對Cyber-truck的外流場進(jìn)行模擬，整體分析過程如下：（1）幾何建模：特斯拉Cyber-truck整車模型，由Simdroid實(shí)現(xiàn)幾何建模與流體域抽取。

汽車整體模型汽車及外流場模型（2）材料屬性設(shè)置：流體采用Simdroid物性庫中的氣體（常密度）物性，具體參數(shù)如下：密度1.225kg/m3粘度1.7894e-05Pa·s（3）網(wǎng)格剖分：采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對特斯拉Cyber-truck表面進(jìn)行面控制和網(wǎng)格加密，便于捕捉車輛周圍流動(dòng)細(xì)節(jié)。車輛表面及地面網(wǎng)格如圖所示?？偩W(wǎng)格量約229萬。汽車網(wǎng)格模型（4）邊界條件設(shè)置和計(jì)算：使用穩(wěn)態(tài)雷諾平均k-ωSST湍流模型對特斯拉Cyber-truck外流場進(jìn)行計(jì)算模擬。入口為速度入口，大小為30m/s，出口為壓力出口，大小為表壓0Pa，汽車表面和地面為無滑移壁面。

（5）結(jié)果后處理：輸出顯示特斯拉Cyber-truck的表面速度分布圖、表面壓力分布圖、截面流線圖等空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)細(xì)節(jié)特征。2.4結(jié)果展示表面風(fēng)壓分布

中間截面速度分布

中間截面壓力分布尾部流線分布速度與流線分布圖

通過Simdroid后處理對特斯拉Cyber-truck的速度分布及流線進(jìn)行綜合分析,可以看到在特斯拉Cyber-truck皮卡車廂及前車輪處存在著低速低壓區(qū)域，在汽車尾部存在著低速區(qū)域,在車廂及車尾部位存在著大量的漩渦分布。

3、結(jié)論

基于Simdroid全三維建模與流體仿真分析軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對特斯拉Cyber-truck模型的快速建模仿真，并完成了高速行駛工況時(shí)氣流流經(jīng)汽車表面、輪胎、底盤和上部及尾部等區(qū)域渦系等氣流局部特征的高效獲取，為汽車外形設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、操穩(wěn)、風(fēng)噪聲等相關(guān)性能預(yù)測、評估及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，相比于傳統(tǒng)試驗(yàn)而言，可實(shí)現(xiàn)低成本、短周期的研發(fā)目標(biāo)，這對提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)能力和市場競爭力具有重要意義。

Simdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動(dòng)力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動(dòng)力學(xué)等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時(shí)，作為仿真PaaS平臺(tái)，其內(nèi)置的APP開發(fā)器支持用戶以無代碼