【环球新要闻】汽车开窗的秘密（科研版）

• 2023-07-02 20:36:36来源：哔哩哔哩

本文讨论的话题是汽车的开窗通风。本文基于CFD对小轿车在不同开窗情况下的空气对流进行数值模拟，进而回答这两个问题：

汽车行驶时周围的流场分布；

不同开窗情形下流场的分布差异。

(资料图片)

通过分析，希望可以让大家开窗的时候，开的优雅，开的科学。

1、几何结构与网格划分

我们使用SolidWorks对汽车进行了三维建模，然后，使用Fluentmeshing进行高精度、多面体、混合非结构化网格划分，最后使用Fluent进行数值求解。结果如图1-2所示。

汽车周围流场分析

在正式分析之前，有一点要特别声明一下，我们这里所展示的云图是“风吹汽车”时的云图，而非“车撞空气”，这其中有一个坐标系伽利略的变化，看到伽利略变换，可能有些小伙伴已经开始晕了。但没关系，各位只需要知道一件事，本文所有展示的物理量均为我们坐在汽车上感受到的数值就行了，其他的不用多想，接下来科研之旅正式开始~

基于建立的模型，我们首先来分析一下汽车在行驶过程中空气到底是怎么流动的。从图3中可以看到，当汽车行驶时，由于汽车的“冲撞”，迎面而来的空气会沿着他前视窗向上移动。也有一部分空气会向两侧移动，其中靠近汽车侧壁处的空气倾向于向上吹入窗户。

进一步分析沿行驶方向的流场分布，从图4可以看出，空气沿前窗向上移动后，在汽车顶部变平，此时速度达到最大值，随后会沿着汽车后窗向下流动。最后在其后备箱后，会形成一个低速区。

而从其水平截面图（图5）中可以看到，空气会在前风窗处向两侧分离，随后大部分空气会从汽车后窗后部吹入汽车，绕车内空间一周后从前窗流出。这里大家一定要记住这一点，空气是从后窗吹入、前窗溜出的。

为了让大家搞明白这图6的含义，需要向大家介绍一下湍动能的概念。它的定义式如式一，其中的vx’一把就是x方向瞬时速度减平均速度的平均值，该物理量表征了湍流的脉动，其值越大，速度波动也就越大。

有了湍动能的概念，相信大家再看图6就很容易就能明白其所表达的涵义了，在汽车的前窗外面、后窗后部以及汽车的后风窗后部，湍动能很大，风速的波动很大。这就是为什么车子开的很快时，坐在后面感觉风在打脸的原因了。

有多少种开窗情形？

搞清楚车窗全开时的流场分布，依旧不能指导我们优雅的开窗。我们还需要进一步分析不同开窗场景下的流场分布，看看怎么开窗才能达到我们想要的效果。

在分析之前，我们首先要搞明白，到底又多少种开窗情形。根据博士一年级学到的知识，我们可以把开窗情况分五种情况讨论，如图7所示：

情况一，全开，这时只有一种情形；

情况二，关一扇，开三扇，这时有四种情形；

情况三，关两扇，开两扇，这时有六种情形；

情况四，关三扇，开一扇，这时有四种情形；

情况五，全关。

其中需要注意的一点时，情况2、3、4中的四种情况具有对称性，因此我们只需要计算其中一种情况就可以很容易的知道另一种，最终我们得到了如下图8中的10种开窗情形：

开窗方式对流场分布的影响

大家对窗户全开与全关（图9、10）时的流场肯定非常熟悉，这里就不再啰嗦，然后我们将剩下的八种分成了两类进行分析比较。

分析图11-14这四种开窗情形，可以发现，他们有一个共同点就是只开了前窗或者后窗，没有形成后窗进、前窗出的对流效果，因此换气效果与全开相比差很多。

然后比较图15-18这四种开窗情形，它们形成了前窗与后窗的对流，因此通风效果要比刚刚的四种好很多。其中还有值得关注的一点是，与前窗存在对角线分布的后窗要比与前窗在同一侧时的通风效果更好。

因此，根据上面的分析，我们可以总结为如下经验，就可以轻松囊括所有开窗情况。

首先看这种开窗情形有没有形成前后对流，也就是有没有前后窗都有打开，如果没有，那么这种情况下，从窗子吹入的风速较小；

如果形成了前后的对流，则风速是比较大的，其中尤其是与前窗呈对角线位置的后窗空气流速最大。

当然，我们还要知道一个大前提，空气一般是从后窗吹入、前窗溜出的。

以上就是我们本文的主要内容了，谢谢大家，我们下期再见~

视频版本：/video/BV1YP411e7wr/?vd_source=dc5b51287ac5252f613238163e22aab5   

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