基于Simdroid解读特斯拉Cyber-truck革新外形下的空气动力学特性

1、汽车空气动力学性能概述

汽车是现代生产生活中必不可少的交通工具。在汽车行驶时，空气与汽车的相对运动产生的气动阻力、风噪声和侧向力对汽车的油耗、噪声及振动（声品质）、冷却（热管理）、行驶稳定性和安全性、结构强度等车辆品质产生影响，尤其在中高速时的影响表现明显。当前汽车设计中，整车企业在设计各阶段通过CFD标准分析流程获取汽车空气动力学性能指标参数，以此为依据指导汽车新产品的造型设计和性能指标评估与优化工作。

常见汽车外形及汽车外流场实验（图片来自网络）

2、特斯拉Cyber-truck空气动力学研究

2.1 研究背景

作为全球领先的新能源汽车开发领导者的特斯拉，首席执行官埃隆·马斯克于2019年在美国加州洛杉矶举办的活动上发布了该公司第一辆电动皮卡，名为Cyber-truck，其风格与市面上的皮卡完全不同，车辆造型极具“赛博朋克”风格。特斯拉Cyber-truck激进的外形设计对其空气动力学特性目标带来更大的挑战。

在外形的开发和优化过程中，为了达到设计要求，常规做法往往需要进行大量的实验，这将会付出高昂的人力物力成本，并导致较长的设计周期。应用CFD数值模拟技术可低成本更高效的为车身气动外形的选择和优化提供支撑。CFD模拟分析的结果不仅可以得到整车风阻系数，而且可以方便直观地了解特斯拉Cyber-truck表面压力分布、各部分的气流分离情况以及尾部涡系结构及分布情况，为进一步空气动力学优化设计提供指导方向和依据。更进一步，还可以结合CAA（计算气动声学）分析风噪声性能与流致噪声声源的发生与声传播细节；同样结合热分析、车辆动力学分析为风阻、风噪、热管理、操稳、NVH等性能进行同步优化。

2.2 基于Simdroid的Cyber-truck空气动力学特性分析

从Cyber-truck的实车图来看，整个前风挡从车头到车顶是一个角度的倾角，这是该车型降低车辆风阻系数的一个外部造型设计特征。我们应用自主研发的多物理场仿真平台Simdroid流体模块，对Cyber-truck的空气动力学特性进行了分析与解读。

Simdroid流体模块基于自主CFD仿真内核开发，可以提供基于压力的求解器（分离式、耦合式）和基于密度的求解器（隐式算法、显式算法），模拟空气等流体的流动以及其他相关物理现象的完整的流体动力学解决方案。在本案例中，根据汽车外流场空气流动的一般规律，湍流模型采用稳态雷诺平均k-ω SST湍流模型。

2.3 分析流程

基于Simdroid对Cyber-truck的外流场进行模拟，整体分析过程如下：

（1）几何建模：特斯拉Cyber-truck整车模型，由Simdroid实现几何建模与流体域抽取。 

汽车整体模型

汽车及外流场模型

（2）材料属性设置：流体采用Simdroid物性库中的气体（常密度）物性，具体参数如下：

（3）网格剖分：采用非结构网格对特斯拉Cyber-truck表面进行面控制和网格加密，便于捕捉车辆周围流动细节。车辆表面及地面网格如图所示。总网格量约229万。

汽车网格模型

（4）边界条件设置和计算：使用稳态雷诺平均k-ω SST湍流模型对特斯拉Cyber-truck外流场进行计算模拟。入口为速度入口，大小为30m/s，出口为压力出口，大小为表压0 Pa，汽车表面和地面为无滑移壁面。

（5）结果后处理：输出显示特斯拉Cyber-truck的表面速度分布图、表面压力分布图、截面流线图等空气动力学参数细节特征。

2.4 结果展示

表面风压分布

中间截面速度分布

中间截面压力分布

通过Simdroid后处理对特斯拉Cyber-truck的速度分布及流线进行综合分析,可以看到在特斯拉Cyber-truck皮卡车厢及前车轮处存在着低速低压区域，在汽车尾部存在着低速区域,在车厢及车尾部位存在着大量的漩涡分布。

3、结论

基于Simdroid全三维建模与流体仿真分析软件，能够实现对特斯拉Cyber-truck模型的快速建模仿真，并完成了高速行驶工况时气流流经汽车表面、轮胎、底盘和上部及尾部等区域涡系等气流局部特征的高效获取，为汽车外形设计、空气动力学、操稳、风噪声等相关性能预测、评估及优化提供数据支撑，相比于传统试验而言，可实现低成本、短周期的研发目标，这对提升产品设计开发能力和市场竞争力具有重要意义。