【爆肝】透過科研告訴你汽車的開
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本文討論的話題是汽車的開窗通風。本文基於CFD對小轎車在不同開窗情況下的空氣對流進行數值模擬，進而回答這兩個問題：
- 汽車行駛時周圍的流場分布；
- 不同開窗情形下流場的分布差異。
透過分析，希望可以讓大家開窗的時候，開的優雅，開的科學。
1、幾何結構與網格劃分
我們使用SolidWorks對汽車進行了三維建模，然後，使用Fluentmeshing進行高精度、多面體、混合非結構化網格劃分，最後使用Fluent進行數值求解。結果如圖1-2所示。
2、汽車周圍流場分析
在正式分析之前，有一點要特別聲明一下，我們這裏所展示的雲圖是「風吹汽車」時的雲圖，而非「車撞空氣」，這其中有一個座標系伽利略的變化，看到伽利略變換，可能有些小夥伴已經開始暈了。但沒關系，各位只需要知道一件事，本文所有展示的物理量均為我們坐在汽車上感受到的數值就行了，其他的不用多想，接下來科研之旅正式開始~
基於建立的模型，我們首先來分析一下汽車在行駛過程中空氣到底是怎麽流動的。從圖3中可以看到，當汽車行駛時，由於汽車的「沖撞」，迎面而來的空氣會沿著他前視窗向上移動。也有一部份空氣會向兩側移動，其中靠近汽車側壁處的空氣傾向於向上吹入窗戶。
進一步分析沿行駛方向的流場分布，從圖4可以看出，空氣沿前窗向上移動後，在汽車頂部變平，此時速度達到最大值，隨後會沿著汽車後窗向下流動。最後在其後備箱後，會形成一個低速區。
而從其水平截面圖（圖5）中可以看到，空氣會在前風窗處向兩側分離，隨後大部份空氣會從汽車後窗後部吹入汽車，繞車內空間一周後從前窗流出。這裏大家一定要記住這一點，空氣是從後窗吹入、前窗溜出的。
為了讓大家搞明白這圖6的含義，需要向大家介紹一下湍動能的概念。它的定義式如式一，其中的vx’一把就是x方向瞬時速度減平均速度的平均值，該物理量表征了亂流的脈動，其值越大，速度波動也就越大。
有了湍動能的概念，相信大家再看圖6就很容易就能明白其所表達的涵義了，在汽車的前窗外面、後窗後部以及汽車的後風窗後部，湍動能很大，風速的波動很大。這就是為什麽車子開的很快時，坐在後面感覺風在打臉的原因了。
3、有多少種開窗情形？
搞清楚車窗全開時的流場分布，依舊不能指導我們優雅的開窗。我們還需要進一步分析不同開窗場景下的流場分布，看看怎麽開窗才能達到我們想要的效果。
在分析之前，我們首先要搞明白，到底又多少種開窗情形。根據博士一年級學到的知識，我們可以把開窗情況分五種情況討論，如圖7所示：
- 情況一，全開，這時只有一種情形；
- 情況二，關一扇，開三扇，這時有四種情形；
- 情況三，關兩扇，開兩扇，這時有六種情形；
- 情況四，關三扇，開一扇，這時有四種情形；
- 情況五，全關。
其中需要註意的一點時，情況2、3、4中的四種情況具有對稱性，因此我們只需要計算其中一種情況就可以很容易的知道另一種，最終我們得到了如下圖8中的10種開窗情形：
4、開窗方式對流場分布的影響
大家對窗戶全開與全關（圖9、10）時的流場肯定非常熟悉，這裏就不再啰嗦，然後我們將剩下的八種分成了兩類進行分析比較。
分析圖11-14這四種開窗情形，可以發現，他們有一個共同點就是只開了前窗或者後窗，沒有形成後窗進、前窗出的對流效果，因此換氣效果與全開相比差很多。
然後比較圖15-18這四種開窗情形，它們形成了前窗與後窗的對流，因此通風效果要比剛剛的四種好很多。其中還有值得關註的一點是，與前窗存在對角線分布的後窗要比與前窗在同一側時的通風效果更好。
5、結論
因此，根據上面的分析，我們可以總結為如下經驗，就可以輕松囊括所有開窗情況。
首先看這種開窗情形有沒有形成前後對流，也就是有沒有前後窗都有開啟，如果沒有，那麽這種情況下，從窗子吹入的風速較小；
如果形成了前後的對流，則風速是比較大的，其中尤其是與前窗呈對角線位置的後窗空氣流速最大。
當然，我們還要知道一個大前提，空氣一般是從後窗吹入、前窗溜出的。
以上就是我們本文的主要內容了，謝謝大家，我們下期再見~
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