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超级跑车的空气动力学

大多数超级跑车的空气动力学性能基于平坦的底盘，离地间隙最小，并结合了后扩散器，后机翼和前扩散器，。这些元素之间的强烈相互作用决定了它们的整体性能。后扩散器位于起落架的后部。它的功能是在车辆下方产生吸力效果。为此，它会加速整个起落架上的气流，产生低压，从而将车辆吸到地面。后机翼与后扩散器结合使用：由于它加速并重新引导气流，因此降低了车辆后方的压力-进一步扩大了扩散器的吸力效果。

前扩散器的工作方式与后扩散器类似。由于其独特的翼型轮廓轮廓形式，它在空气流向车辆下方时使空气加速。这会产生低压，这会转化为对前轴的下压力。但是，由于汽车前部下方的吸力作用，大量空气会被吸入前轮拱，这抵消了前扩散器的性能。因此，要获得最佳的前扩散器空气动力学性能，先决条件是车轮拱罩的良好通风：例如，在A柱高度上有额外的出口。

尽管通常在法规中禁止赛车上的主动空气动力学部件，或者仅在严格的限制内允许使用，但在超级跑车上它们已变得司空见惯。根据车速和行驶条件，可以在行驶时调整整个车辆的空气动力学性能。车辆电子设备使用执行器来打开或关闭风门或伸展/缩回扰流板。这些措施着眼于解决以下矛盾的目标：低空气阻力，以实现最高最高速度，以及良好的抓地力，以实现快速转弯和稳定的制动，因为通常，前扩散器和后机翼均会增加车辆的阻力。

如该示例所示，一段时间以来，超级跑车空气动力学的发展一直朝着与赛车不同的方向发展。由于条件的变化，这种趋势目前变得越来越明显。例如，替代驱动器为包装提供了新的灵活性，因此也为底盘的形状提供了新的灵活性。在开发过程中，改进的仿真工具意味着可以追求不同的空气动力学概念，并且可以快速，轻松地将它们相互比较。因此，更容易评估既定设计模式之外的解决方案的空气动力学性能，并在适当的情况下进一步进行研究。

高度自动化的空气动力学模拟过程

从根本上讲，基于模拟的空气动力学发展已成为汽车开发方法中公认的一个组成部分，已有很多年了。但是，直到最近，使用工具和设置实际的模拟还是相当复杂的。 CAE工程师必须使用来自CAD模型的几何数据来精心生成闭合表面网格。然后可以将其用作体积网格的基础，以随后执行流量计算。还手动定义了模型及其边界条件。这意味着需要大量知识来生成可靠的仿真，然后可以将其用于仿真不同的车辆变型。最新的仿真工具为用户提供了更为简单的访问方式，因此更易于集成到开发过程中。在来自Siemens PLM Software的当前Star-CCM 软件中，它是计算流体动力学（CFD）中已建立的工具，使用自动化脚本可以完全自动化上述步骤。

车辆的CAD数据集足够用于Star-CCM 中的计算输入数据。自动化脚本可以生成相关的模型和网格设置，而工程师无需执行任何操作。 Star-CCM 生成自适应的网格结构，并独自运行仿真模型。

自动设置不同车辆配置的所有模型和网格参数。脚本中集成的安全功能可检查仿真规范的合理性，并确保创建的模型是连贯的。模拟运行的结果是一个综合的数据集，可以在Star-CCM 中进一步导出或处理该数据集。完全自动化的方法可提高开发过程的效率，因为可以快速轻松地创建变体-不仅适用于现有模型，而且还适用于全新的仿真模型。这意味着仿真能够在概念阶段的早期提供可靠的结果，然后将其用于车辆的进一步开发工作。

借助功能强大的仿真工具，可以在虚拟开发环境中分析基本效果，然后为进一步开发车辆奠定基础。 模拟过程还为研究现有设计的空气动力学特性提供了机会。 作为比较研究的一部分，KLK Motorsport选择这条路线来分析用于超级跑车的创新空气动力学技术的性能。

研究的出发点是被调查车辆车身的CAD模型。 基于CAD的过程的优势在于，可以在几何模型中直观地定义用于仿真的所有重要参数。 如上所述，随后的网格划分和模拟是在Star-CCM 中作为自动化过程运行的。 在模拟阶段结束时（通常为几个小时），可以获取全面的空气动力学参数数据集以进行进一步分析。 对于基础研究，必须生成大量模拟，以便比较在不同驾驶条件下对车辆进行的各种较小修改的影响。

通过使用附加的数据管理系统，可以维护大量模拟运行的概览，从而确保可以有效地评估调查结果。 易于使用的数据处理功能可以创建表格和图表，以相互比较不同的仿真结果。

结果的评估和解释

以下模拟评估重点放在Nio EP9上。电动两座超级跑车目前在纽伯格林（Nuuml;rburgring）的Nordschleife上拥有街头合法车辆的单圈记录。从空气动力学的角度来看，该车特别有趣，因为它大大偏离了传统的平面起落架设计原理。取而代之的是，EP9的底盘具有各种通道和散热片的复杂形状。图3显示了通用超级跑车的简化的CAD模型，其底盘类似于Nio EP9，它被用作计算的基础。可以看出，Nio EP9上的后扩散板没有被区分为一个单独的部分。而是整个起落架是弯曲的，使其具有倒置的机翼形状。车辆能够利用电动传动系统提供的包装机会，对于传统的内燃机，车辆后部底部的形状通常由发动机和变速箱确定，这限制了空气动力学设计的自由度。另一个特征是沿着车辆底盘运行的长鳍片。由于扩散器以强大的吸力将空气拉向车辆中心，因此沿翼片产生了大而长的涡流，这些涡流沿着底架流动，从而降低了压力。在前端，气流由大挡板控制。当挡板打开时，空气通过管道和散热器流到底盘系统。当挡板关闭时，通过冷却器的气流将被阻塞。

图4示出了传统空气动力学布局与Nio EP9的空气动力学布局的比较，分别打开和关闭了襟翼。 相比之下，EP9的总下压力很高。 由于在三个图像中显示出不同的蓝色阴影，作用在EP9上的局部力比传统概念要低，但是它们作用的表面积更大。 这导致较高的总体下压力，尤其是在车辆中央。 这也是底部具有最小离地间隙和最大曲率的地方。 令人惊讶的是，总体空气阻力比传统概念要低得多（提高了7％）。

图4还示出了关闭前风门片对车辆前部的下压力具有相当大的影响。总的下压力，尤其是前部的下压力增加了，这使后翼伸展时各轴之间的下压力分布均匀，因此应该对转弯稳定性产生积极影响。此外，减少了阻力。这是不正常的行为，因为在常规设计中，较高的下压力通常会导致阻力增加。如上所述，后翼增强了后扩散器的作用。这也适用于Nio EP9。图中显示了前襟关闭且尾翼伸展的空气动力学特性。由于有更多的空气通过底架，因此压力进一步降低，导致总的下压力增大。由于起落架效应的高效率，在Nio EP9中这种行为非常突出。在此再次可以观察到由这种方法引起的更均匀分布的低压。

传统上，当使用平坦的起落架时，其目的是尽可能减小汽车的离地间隙。图6显示此设计方法不适用于Nio EP9底部概念。左侧显示带有原始离地间隙的压力分布。在右侧，起落架弯曲得更多，使其离地面更近。由于沿着底盘流动的空气较少，因此尽管在弯曲区域，此处的平均压力会增加，从而降低了总下压力。从物理上讲，这种现象可以通过地面效应来解释，地面效应是当倒置的翼型沿着表面运动时发生的。取决于翼型轮廓的长度，存在一个高度，翼型效果最大。但是，对于长度为4 m的乘用车，这大约为0.4 m [2]，这首先意味着，将理论理想融入设计中实际上会与其他开发目标相冲突，例如关于包装和底盘系统设计。其次，三维流动效应（例如从车辆侧面到底盘的流动）将占主导地位，从而抵消了理想的理论效应。如Nio EP9所示，这里需要找到可行的折衷方案。

总结与展望

传统的超级跑车概念基于扁平底盘的设计原理，并通过扩散器，后翼和前扩散器等元件在空气动力学方面进行了优化。越来越多的新车被引入这一领域，它们脱离了这种范式，并具有弯曲的，抬高的底盘系统。为了研究这种新的空气动力学方法的性能，KLK Motorsport按照这种新的设计理念对代表性车辆进行了比较研究。包含新型底盘的通用超级跑车CAD模型用于模拟和分析Siemens PLM Software的CFD程序Star-CCM 中的空气动力学。结果表明，与传统解决方案相比，Nio EP9研究的空气动力学概念具有明显优势。机翼形的起落架导致整个车身底部的压力较低，从而均匀地分配了下压力。此外，以较低的行驶阻力实现了更高的下压力。得益于机翼概念所展示的出色结果，可以认为，未来将越来越多地寻求针对该设计原理的生产解决方案。

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