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Tesla Motors（特拉斯汽车公司）将其设计与工程团队与工艺设计迭代快速紧密地结合起来, 在完全开放式的环境中利用空气动力学来优化汽车外部造型。
Tesla Model S车型的气动开发指导原则基本上是传统的先线条后细节优化，但这个流程的执行情况和程度却是别出一裁。早在最初的设计草图阶段，空气动力学工程师就已经开始跟设计师合作，提供支持和指导意见了。在这一阶段，就已经开始有很大的进展了，而在造型方面达成的结果为车辆出色的空气动力性能奠定了基础。
汽车开发过程中会用到大量的计算流体动力学，物理测试在相关性、验证以及其他一些情况下起辅助作用，而在如测算风平均阻力特性和优化车辆升力分布等方面，物理测试则非常实用。过去其他公司的经验已经成功验证通过这种途径进行车辆的开发是行之有效的。 （图片）
图为Tesla公司Model S车型，采用了Exa PowerFLOW的渲染输出，
展示了流线型的车身表面设计以及在没有气流干扰情况下的空气流动情况。 继推出Model S概念车之后，从样车首次确定的造型表面到首个经风洞测试的Aerobuck车型，风阻系数降低了0.07。通过将前大灯下面的部分往前拉，车身前端的“鲨鱼鼻”造型缩小了。摇臂的位置下移了，截面造型更加方正。车身后端的周长撑足了，行李厢也拉长了。车底扰流器被缩短了以达到整体布局的要求，同时也加深了，来保持整体的平衡性。（图片）
采用泡沫包围钢骨架底盘制成的Aerobuck模型。
这个模型的相关性数据加强了对计算流体力学模拟（CFD）开发过程的信心。 整体造型开发
初期概念设计时运用了Exa PowerFLOW来确定车型气动性能的范围。Tesla和Exas公司的气动专家合作运用PowerFLOW来展开基础设计，扩大气动研究的范围来探索更大的可能性，探讨是否在设计上有其他方面可以更改整个设计主题以达到改进车辆气动性能的目的。工作范围包括大量运用PowerCLAY的几何变形能力以实现各种设计细节的几何优化。
在Model S车型的开发过程中，还利用经CFD优化表面的实物模型进行了试验，以获取物理数据点，确保模拟实验具有参照性。另外，还做了一个全比例模型，名为Aerobuck。该模型以钢为骨架、以泡沫为外表面，以平木板为地板。Model S车型平台的最大特点是车型前桥到后桥之间的底盘由电池组构成，这样底盘可以完全平整。事实上，模型地板的全平面并不是理想化的设计。在这个阶段，还没有考虑到冷却系统、空气弹簧以及传动等因素。
Aerobuck采取模块化制造方式，因此可以在风洞里进行快速的调整和更改，以便在车辆设计的范围内，获取多个全车身造型配置数据点，这其中包括点和趋势的相关性数据。在构成Aerobuck车身模块的多次替换过程中，一共有三个较大的变动。第一个是替换了整个前角，新部件较前者更深。第二个变动是换掉了整个摇臂组件和前角。第三个是换掉了车辆的整个后围，并且改动了摇臂和前角。在所有替换部件装配完成后，Aerobuck成为Exa公司造型开发工作所造就的阻力最小的车辆。（图片）
Exa公司通过60多个不同的几何变形取样来研究设计变化，
从而在最小化中间高压区的同时最大化前脸饰板周围有利于气动性能的进气区域。 除了车辆尾部的改造上，计算流体动力学和实际试验在阻力系数上相当接近。从计算流体动力学在尾流短暂性方面的经验来看，气流离开车辆后围的位置在模型上相对更靠前，因而朝车尾方向对车型尾部所做的几何变动从很大程度上并不会带来较大的影响。所以又在Aerobuck的后围上加了蓝色聚苯乙烯泡沫制成的15mm（0.6in）厚的高分离条，这样就可以确保与前面分离开来。不过，这仅仅带来了车尾升力的下降，风阻并未受到影响。结论是，差异必须体现在细节尾流结构和瞬息性上，但是时间和资源已经不允许在风洞里继续这方面的试验了。
此次试验之后，气动小组的一个重要目标就是减少车尾的不稳定性，希望这样可以降低振荡幅度和时间平均空气动力的统计不确定性。尖锐型车尾的模拟带来了设计上的改变，稳定了尾流，轻微地收紧了汽车外部造型。
风洞试验还研究了提升力分布对冷却结构、横摆角、以及底盘高度的敏感度。尽管Model S车型结构设计的主要特点就是平面地板，不过这辆车依然是一款高档道路用车，因此产生的下压力会对侧风和车身姿态变化过于敏感，不宜单独依赖其来降低提升力。
因此，研发人员花了较大的心思来设计后行李厢盖的高度和造型，同时也考虑了车底，目的就是最小化车尾提升力及其对底盘高度和横摆角的敏感度。还有一个特殊的挑战，那就是铝制后挡板和后行李厢盖的冲压可行性问题。（图片）
Model S车型底盘高度一半位置的速度值和流线的等高截面 （取自CFD模拟）。
此图显示了气流相对车轮作出的调整，以及平坦光滑的车底板。 气动设计特色
车身前端的气动优化对于提供较好的初始气流条件、优化整车的其他部分来说有着根本性的意义。本次优化采用了五个相互关联策略：为冷却提供高压空气的同时最小化相对压力在前脸上的作用范围、最大化前饰板外角的吸力、调整车身前端下方的气流以最小化前轮的有效横摆角、理顺前挡泥板和车身侧面过来的空气的气流方向使之相互平行以及通过可变格栅及轮罩衬板里的散热孔管理好经过车身前端的冷却空气的进排气。
Model S车型电池组的设计使前后车桥之间的地板完全是平的。这样的设计尽管有其自身问题，特别是底盘下面气流速度较高，更容易增加车轮阻力，并且气流不受干扰，不同气流之间的相互作用较强，但是这对车辆的提升力和风阻优化都有不小的益处。 解决第一个问题要求悉心管理好车轮周围的气流，第二个问题意味着车辆前后以及两侧的气流均较正常情况的高，因而有必要采用整体设计解决方案，而不是盯着几何隔离区不放。
Model S车型原先设计概念中的挡风玻璃呈66°角，这从气动设计的角度来看是一个不错的开始。A柱和C柱的曲度经过了仔细的优化，将涡流形成的几率降到了最小。侧窗玻璃的嵌入也降低到最少，具体取决于实际的限制，同时B柱的突出部分也彻底去除了。前后窗眉的空隙和面板偏移量降到了最小，后高位刹车灯（CHMSL）整合到后档板上面，以免过分干扰外部气流。
等值面显示A柱的涡流较小，并且在C柱周围没有较大的涡流。尽管玻璃和金属饰条之间的距离已经在实际能达到的范围内降到了最低，侧窗玻璃后端的压力还是减少了。因为后档板的连接需要留有间隙，而且这个间隙已经降到最低，但后挡风玻璃顶部的压力还是减少了。
起初出于气动设计的考虑，车尾的曲度很高，但这样的话尾流就非常复杂，导致底部压力变量较大。磨平后角是气动设计的一个大方向，而简洁的隔板设计可以极大地稳定尾流，减少阻力，并且让分析更加简单。
研发人员决定优化扩散角，从而将风阻而不是提升力降到最低，因此控制行李厢的高度、倾角、以及形状以平衡两者的气动参数依然非常重要。尽管车辆最初的设计基本上是Fastback（快背式）设计风格，但是研发人员将尾灯和行李厢之间的表面坡度作出了明显的改动，以增加连接处的压力。如此改动导致在尾灯基座形成的小块气流分离区消耗的能量所带来的任何风阻方面的增加都会远远被高压区的推力抵消。
大部分Model S车型将采用空气弹簧悬挂系统。这项技术不仅有利于更好地控制汽车在不同乘客和货物载重情况下的姿态，同时在高速公路上行驶时还可以降低底盘高度以减少空气阻力和提升力。在决定将底盘高度降低多少才能达到最优状态时，还需要平衡给气动性能带来的提升、悬架行程的减少以及对驾乘体验的影响。这里结合了车道实验和风洞试验的结果来判定高速公路情况下的设置，取决于车轮的不同，具体可将风阻系数降低达3.8%之多。
研发人员还检查了每个外向部件和每个车身密封件对整车空气动力性能的影响。有时候是可以定量检查这些特征的，但是单个要素的风阻系数常常只有0.001或者更低，这是现有计算软件和试验评估手段所不能识别的。因此，气动设计人员必须赢得设计师和工程师的信任，才能在缺乏可靠数据支持的情况下确保气动设计可以进行下去。
随着开发进程的继续，试验的保真度不断增加，Aerobuck车型采用了最新的外表面和简化的冷却系统解决方案，但是仍然使用了真实的热交换元件。模型上还加上了悬挂和动力系统零部件的简化复制版。该模型用来验证有无冷却阻力条件下车型外部气动的模拟情况，以及不同风速和横摆角条件下预测冷却系统气流的准确性。
在进一步优化空气动力、动力传动系统冷却以及造型之后，Aerobuck车型的冷却系统和外表面得到了更新。除了本模型中冷却系统与测量仪器相连，模型的部分表面还布置了大量压力表触点以更真实地了解瞬间提升力和风阻现象。由于时间的关系，最新版Aerobuck模型的风洞试验从克莱斯勒的气动声学风洞转移到了雅各布工程集团/福特汽车公司位于美国密歇根州亚伦公园市的场地。
试验记录了不同进气闭合条件下及零横摆角时阻力减小的情况。实际情况与逻辑上的推理并不相符。原因在于车身前端的强干扰因素，尤其是来自车轮拱罩里的气流干扰。起初的想法是仅利用翼子板外侧冷却进气口上的主动闭合系统来干扰前饰板外侧的冷却空气，但是试验显示，在冷却气流量要求最低而关闭大部分进气区域时，该区域依然出现了气动值。（图片）
修改后的Model S车型Aerobuck原型车在雅各布工程集团/福特汽车公司位于美国密歇根的风洞做试验。
测量了不同进气情况下的阻力和冷却气流以确定最有效的进气闭合系统。 原型开发与气动性能
Alpha开发车的热系统为首次在风洞中全面测试Model S原型车创造了机会。这辆车为动力总成冷却系统配备了主动进气闭合系统，另外还采用了coil-over悬架系统，而不是可选配的空气弹簧。虽然缺少了部分外部密封和装饰元素，但是采用了测试胶带。这次测试验证了为了最大化Aerobuck的逼真效果所做的努力，因为两者的Cd值均在1%之内。特别值得一提的是，试验还证明，对一些尺寸较小部件以及装饰设计等细枝末节的考虑有效地匹配了“现实数据”。
同时还开展了一个辅助项目来研究车轮旋转对车辆气动性能的影响。目的之一是研究固定地面风洞测试与全道路模拟试验的差异。另外，还想看看有没有办法可以利用车轮的旋转来优化车辆的流场。
本次研究主要是用计算流体动力学（CFD）模拟配合滑移网格法（Sliding Mesh）来模拟车轮的真实旋转情况。这种方法优于动参考系模型法，并且需要较多的计算资料。研究显示，车轮旋转对车辆流场的影响可以将Cd值降低大约0.015。对于大尺寸、造型大胆的轮毂，车轮辐条旋转带来的“螺旋桨损失”在降低风阻系数方面可起到同样的作用。轮毂开发的目标最终变为在优化外部气流的同时最小化螺旋桨损失。
为了进一步验证车辆的效率和轮毂旋转的影响，还进行了整体道路负荷条件下的滑行试验，将试验结果与每种阻力（比如底盘滚动阻力）通过测力计和数字模拟获得的数据相比较。部分实验是在美国加州山景城机场以及福特公司位于美国亚利桑那州瑟普赖斯城的试验场做的。两地的试验均遵循SAE J2263标准。
尽管有了SAE J2263标准的各项措施，滑行试验数据得出的风阻系数依然花样百出。如果延迟试验以及将环境风大于2.5 ms-1情况下获得的数据排除出去，试验结果有可能与动力系统模拟团队通过模拟计算以及在台架/工作台实验支持下获得的分析数据相吻合。
按SAE J2881标准所进行的风洞测试显示，大量的气动优化工作为Model S车型带来了非常低的气动系数，仅为0.25。数据还显示，整体的提升力也很低（前升力系数0.10，后升力系数0.09）。值得注意的是，不管进气口是全开还是全关，提升力均分布平衡。
整个项目自始至终均计算和监测了风平均阻力系数，以确保车辆优化是在一个较为真实的运行环境中进行的，而不是理想条件。风平均情况是根据SAE J1252标准执行的，评估证实Model S车型在风平均情况下的阻力系数比在理想条件下高0.006。（本文摘自SAE技术论文集，编号为2012-01-0177，作者为Tesla Motors公司的Andrew D’Hooge、Shaun Johnson、Vincent Johnston与Robert Palin以及Exa公司的Bradley Duncan与Joaquin Ivan Gargaloff）
3/7/2013
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