電動時代來臨，CFD技術爲何成關鍵？
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計算流體動力學（CFD）是從一級方程式賽車中實際滲透下來的少數幾項技術之一。 法拉利讓我們相信，355中的F1風格變速箱是從邁克爾·舒馬赫的賽車中演變而來的，但實際上它是一個帶有電子覆蓋的自動手動變速箱。F1變速箱是專門的順序變速箱，價格超過你今天能買到的最貴的法拉利，但我偏離了主題。
CFD起初是一項F1技術，但由於計算能力的指數增長，即使是最便宜的大規模生產汽車製造商現在也可以使用它。在1980年代初，當CFD首次亮相時，你需要一臺房子大小的計算機才能運行最基本的CFD軟件。如今，你口袋裡的計算能力更強大。
不過，CFD建模和仿真已經取得了飛速的發展，在現代汽車領域比以往任何時候都更爲重要。它在電動車方面至關重要，我們稍後會詳細解釋。但首先，讓我們嘗試以大多數人都能理解的方式解釋CFD。
首先，你需要知道，法國和愛爾蘭的物理學家和數學家們聚在一起，創建了粘性流體的微分方程。微分方程是一個專業術語，用來描述當你在某物的路徑上放置其他東西時，它將如何反應。粘性流體簡單來說就是流動時有阻力的液體。楓糖漿的粘度很高，這意味着它不容易流動，而水的粘度較低。空氣的粘度也低，但如果你曾經坐過車，你會知道周圍的空氣在不同速度下的反應是不同的。最簡單的例子是在10英里每小時和80英里每小時開窗戶時，空氣在這兩種速度下的反應差異巨大。
說回法國和愛爾蘭。克勞德-路易斯·納維爾和喬治·加布裡埃爾·斯托克斯基本上坐下來，提出了流體在特定條件下的反應公式。這些被稱爲納維爾-斯托克斯方程，它們構成了CFD的基本構建塊。隨着時間的推移，必須對這兩位天才的基礎理論進行補充。
爲了使其在汽車領域中有用，這些基本構件和附加元素必須被轉換成能夠準確模擬空氣如何在物體周圍流動的軟件。正如我們之前提到的，它最初應用於一級方程式賽車，因爲那時他們有鉅額預算，幾乎可以爲任何提升汽車速度的技術開出空白支票。CFD變得如此受歡迎——實際上是因爲它成爲了一種輕鬆複製數千小時風洞實驗的方法，而無需親自進入風洞——以至於國際汽車聯合會不得不出臺規定，限制資金雄厚的車隊過度使用。
CFD的民主化始於專門爲此任務開發的軟件的推出。任何人都可以購買並在極其強大的計算機上運行它。當強大的計算機變得更加實惠時，CFD真正迎來了它的輝煌時代，當開源軟件被引入時，更是達到了新的高度。得益於雲計算的發明，它比以往任何時候都更易於獲取。
如今，創建整個汽車或其最小部件的CAD（計算機輔助設計）模型，並通過CFD進行模擬，查看空氣的反應變得非常簡單。下面您可以看到一級方程式賽車後翼的氣動減阻系統的CFD演示。
正如您所知，早期的賽車和陸地速度汽車都是雪茄形。他們發現了一些東西，因爲陸地速度記錄保持者仍然是一個帶輪子的雪茄形火箭。但雪茄並不特別適合載人，因此需要其他的設計。爲了獲取靈感，當時的科學家們轉向了自然。他們意識到，淚珠形可能是最終解決方案，結果就是Rumpler Tropfenwagen。不幸的是，Tropfenwagen的設計者們不得不等了50多年才知道它的氣動性能，因爲當時沒有風洞。
克萊斯勒在原始Airflow概念上也有所發現。Airflow的基本設計與1930年代製造的其他汽車相同，但其邊緣經過平滑處理，以改善空氣流過車身的流動。從那時起，氣動學家不得不採用膠帶和麻繩的方法來尋找缺陷。下一次重大進步發生在1972年，當時皮尼法利納爲全尺寸汽車建造了一個風洞。雖然克萊斯勒Airflow確實是在風洞中設計的，但這家美國公司只使用了比例模型；即使在一級方程式中，這也是標準做法。
Pininfarina的風洞實際上對生產車型產生了影響，儘管它顯然最初是用於賽車目的。蘭奇亞利用它將Stratos調校到完美，並在80年代再次使用該風洞，研究在一輛拉力規格037的車頂上放置輪胎對空氣動力學的影響。那時他們使用的方法相對簡單。他們使用相同的膠帶和麻繩，但現在汽車是靜止的，因此更容易發現缺陷。他們還使用煙霧來觀察空氣是否按照設計師的預期流動。你可能已經注意到這個系統的問題。在一輛車到達風洞時，它已經設計完成，並且原型車已經建造。如果空氣的流動與空氣動力學家預期的不符，設計就必須被放棄。這就是爲什麼CFD現在已經成爲常規做法。
如今，汽車的每一個部件都是在CAD的幫助下設計的。假設寶馬正在忙於設計一款全新的3系，顯然會根據規格銷售多種保險槓。與其等到整輛車建造完成後再進行全尺寸的保險槓測試，不如使用CFD對這些單獨的組件進行測試。
根本不需要進行物理測試，稍微有點歪的保險槓也不會讓汽車的上市延遲六個月。CFD還爲工程師提供了更早的寶貴見解。開發的每個階段都可以進行測試，並在需要時進行改進。
下一個重要的進展是人工智能。運行CFD模擬仍然需要時間，但在AI的幫助下，工程師可以實時看到他們所做更改的效果。保時捷在這個領域處於領先地位，並在2022年透露，他們使用這種基於AI的方法來調校911 GT3的後翼。
最明顯的答案是空氣動力學性能，但我們已經討論過這一點。事實證明，CFD的實用性遠不止於此，甚至可以用來調節來自氣候控制系統的空氣流動。除了空氣動力學，CFD還可以用於：
在汽車行駛過程中，會發生大量的加熱和冷卻。顯然，發動機需要冷卻，剎車也需要冷卻。你不希望它們過度冷卻，因爲兩者都需要一些熱量才能正常運作。通過計算流體動力學（CFD），你還可以模擬空氣在通過格柵和發動機後會發生什麼。
在第一張圖中，我們可以看到空氣如何流過大燈，經過側鏡下方，直接進入後置發動機的冷卻管道。第二張圖顯示了保險槓中百葉窗的特寫，以及它們如何將空氣引導到碳陶瓷剎車。在這兩種情況下，熱管理的主要關注點是性能，但對於其他車型，工程師們需要面對更高的挑戰。保時捷Taycan就是一個典型的例子。儘管電池配備了一個冷卻系統，可以保持其在最佳溫度，但它仍然依賴於直接的氣流來冷卻器以實現這一目標。
在這種情況下，保時捷希望汽車儘可能流線型，同時增加空氣動力學元素以冷卻剎車並將空氣引入冷卻器。總的來說，保時捷希望打造一款流線型、穩定，並且在剎車冷卻方面與911 Turbo一樣出色的汽車。
因爲你可以用CFD對任何CAD設計進行模擬，工程師們也開始將其用於發動機。沒錯，CFD也可以用來模擬進氣歧管、燃燒室和排氣系統中的情況。例如，馬自達在其Skyactiv-G汽油發動機的開發過程中使用了CFD，使其能夠通過模擬空氣與燃料混合物在燃燒室中的相互作用細節來最大化壓縮。
如果你對之前提到的CFD內容進行調整，就能獲得最佳的燃油效率。以豐田普銳斯爲典型例子。它不僅僅因爲其混合動力發動機而節能。汽車的每個部分都是以此爲目標設計的，而CFD幫助豐田實現了這一目標。如果發動機沒有在最佳效率水平上運行，流線型的車身又有什麼意義呢？
正如我們在關於鋰離子電池的討論中提到的，汽車製造商在這項技術上已經達到了極限，這意味着他們現在必須依靠其他方法來儘量提高汽車的續航里程。他們還可以使用 CFD 模擬來尋找更有效的冷卻電池的方法，而不必依賴專用的車載冷卻系統，從而降低成本。
早期的電動車還暴露出一個獨特的現象，即當你從汽車中移除發動機時發生的情況。電池和電動機都幾乎沒有噪音，因此風噪音被放大了。
但 CFD 在未來最重要的作用將是幫助實現流線型設計。在美國銷售的最具空氣動力學的汽車是 Lucid Air，儘管有一款中國汽車超越了它。它的阻力系數僅爲 0.197，像熱刀切黃油般輕鬆穿過空氣。得益於市場上最具能量密度的電池組和如此流線型的車身，Air 無疑是有史以來最高效的電動車。它的能耗評級爲每千瓦時 5 英里。爲了讓你更好地理解，電動巨無霸 Hummer EV 僅能做到大約每千瓦時 0.7 英里。這正好說明了良好設計的重要性，以及爲什麼 CFD 現在如此重要。
隨着電動車對良好設計的高度依賴以實現合理續航，汽車製造商需要採取整體方法來構建汽車。現在不再是簡單地設計所有部件然後組合成一輛車的情況。CFD 的存在使你能夠看到汽車的每一個部件在設計過程的每個階段如何與周圍世界互動，這使它成爲目前最強大的工具之一。