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用于大浪冲浪的CFD与风洞技术
准备好 迎接 完美巨浪
巨浪冲浪世界冠军塞巴斯蒂安·斯图德纳（Sebastian Steudtner）时刻渴望达到更高的目标。这位现年 30 岁的冲浪者创造并保持了巨浪冲浪的世界纪录。如今，作为与保时捷长期合作的一部分，他希望与保时捷工程公司一道将他的运动平拔高至新的高度。
塞巴斯蒂安·斯图德纳站在他的冲浪板上，定睛注视着前方。风在他脸上呼啸而过。他用右腿纠正了自己的姿势，左臂向前伸出，好像是想挡住即将逼近的波浪。“谢谢，我们现在已经测到了所需的数据。”一个声音突然响起。于是，风流平息了，斯图德纳也挺直了身子。与此同时，充足的光线照亮了他所在的空间。
“我们正在将我们的经验与世界 著名冲浪运动员塞巴斯蒂安·斯图德纳 的实际专业知识进行结合。”
马库斯·施梅尔茨
保时捷工程公司整车测试专家
原来，这位巨浪冲浪世界冠军刚刚并不是在大西洋的某片海域上乘风破浪，而是站在保时捷位于魏斯阿赫的风洞冲浪板上。在这里，由马库斯·施梅尔茨（Marcus Schmelz）、马塞尔·施特劳布（Marcel Straub）和来自保时捷工程公司的龚津博士领导的一个团队正在开展一个雄心勃勃的项目。他们希望优化斯图德纳的运动装备以及他在冲浪板上的姿势。一切都是为了进一步提高他的冲浪表现。
从去年的年底开始，巨浪冲浪世界冠军斯图德纳与保时捷工程公司之间开始了长期合作。为此，保时捷工程公司特为他开启了本项目，以让其表现更臻完美。现在，基于最新的仿真方法和风洞验证，保时捷工程将进一步优化冲浪板在水中的特性以及冲浪板和冲浪者的空气动力学性能。“我们正在将流动和结构优化方面的经验，与世界著名冲浪运动员塞巴斯蒂安·斯图德纳的实际专业知识进行结合，以优化现有冲浪板，让冲浪者可以征服更高的海浪。”项目经理马库斯·施梅尔茨说。
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越快就越高：斯图德纳目前在水中的速度可以达到 70 到 80 公里/小时。而要征服更高的海浪，他就必须加快速度，否则涛涛巨浪便会从他身上碾过。
已达极限
其中一个关键的目标便是提高斯图德纳在水中的速度。目前，这位世界纪录保持者驾驭着他的冲浪板可以达到 70 到80 公里/小时的速度。但这还不足以让他征服明显更大的海浪。浪头越高，冲浪者就必须越快，以防止海浪最终击垮冲浪者。斯图德纳说：“如果使用我以前的冲浪板，我肯定已经达到了技术极限。”
针对这一点，保时捷工程团队正在攻关两个重要领域，以提升这位世界冠军的速度：流体动力学和空气动力学。如果要改善空气动力学，那便涉及到调整冲浪者在冲浪板上的位置，以明显减少阻力。而在流体动力学领域，保时捷工程团队的目的是减少压力和摩擦阻力。要做到这一点，其中一个方法便是将尾鳍置于水下，并为冲浪板涂上特殊涂层。“有关空气动力学的数据，我们可以在风洞中进行采集和分析。而水中的一切，我们会用 CFD 仿真进行分析。”龚博士解释说。
“通过我们的 运动学模型， 我们可以 分析不同组件 的影响。”
龚津博士
保时捷工程研发工程师
为了在风洞中进行测试，这支团队特地打造了一个特殊的框架来模拟冲浪板在波浪中的位置。在旋转地板的帮助下，团队可以重现横向水流等特殊特征。“我们在两个测试系列中测试了板身的不同位置，还研究了各种针对冲浪板的优化，例如使用头部扰流板等。在这一过程中，冲浪板的潜力以及改善理论的可重复性，便得到了很好的证实。”龚博士进一步解释说。
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在人造逆风中：塞巴斯蒂安·斯图德纳在魏斯阿赫研发中心的保时捷风洞中优化他的冲浪姿态。
17% 的改善
团队通过调整斯图德纳的板上姿态，可以显著减少风阻。在经过多次实验后，团队发现，当斯图德纳将右臂靠在前小腿的一侧，同时上身、手臂和大腿尽量相互靠拢时，就能实现冲浪的最佳姿态。通过这种方式，工程师们成功降低了 17% 的风阻。而在冲浪板框架上的显示屏中，斯图德纳可以随时读取其位置变化时的风阻变化。对此，斯图德纳评价说：“当我看到尤其是在空气动力学领域还有如此多尚待开发的潜力时，我就开始心潮澎湃。”
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“一看到还有如此多尚 待开发的潜力，我就开始 心潮澎湃。”
塞巴斯蒂安·斯图德纳
巨浪征服者
工程师们估计，整体风阻最终有望减少达到 25%。“这个数值非常高。要知道，在车辆制造领域，我们通常都只能实现 3% 到 4% 的优化。”施特劳布表示。其中除了优化姿势可减少 17% 的阻力外，团队还可以通过优化头盔等方法额外减少 4% 的阻力。而冲浪板本身也有很多改进潜力。“通过在冲浪板的板头位置增加一个附件，可以将风阻进一步降低 4%，而且无论冲浪板是面对直进风还是横进风。”施特劳布解释说。这一点与车轮启动部件对车底的影响类似。“在这两种情况下，我们的目的都是优化尾流以及改善进风下游‘ 部件’的空气动力学。”施特劳布继续说道。而冲浪板“板头扰流板”设计也沿用了汽车开发的经验。“通过在板头安装一个扰流板，我们可以改善尾部区域的空气动力学性能。这与车尾扰流板类似，例如Taycan Cross Turismo 的 C 柱扰流板。”施特劳布解释道。
“尤其是在改善空气动力学性能方面， 我们可以运用众多在汽车开发领域 行之有效的措施。”
马塞尔·施特劳布
保时捷工程公司空气动力学和热量管理项目经理
“作为风洞试验的计算基础，我们还创建了一个运动学模型，用来描述巨浪冲浪中的空气和流体动力系统的物理表现。”龚博士补充说。有关这一点，我们首先需要了解的是：当冲浪者进入波浪区域时，由于空气和水的阻力所造成的动能损失，只有部分现有的势能可以转化为速度。“通过我们的运动学模型，我们可以分析不同组件的影响。由此，我们可以得出一个结论：即针对空气和水阻力的优化在巨浪冲浪中起着至关重要的作用。”龚博士说。
使用 CFD 进行冲浪板优化
在进行风洞测试的同时，保时捷工程团队借助 CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真，对冲浪板进行了进一步的优化。“借助仿真，我们可以重现并可视化水流和水流的流动模式。”龚博士说，“这有助于我们发现优化的关键点并确定优化措施。”而在仿真结束后，团队则需要借助水上的实地测试对优化措施进行检验。
在所有优化措施的开发过程中，团队始终借鉴保时捷工程公司多年来在车辆开发方面的专业知识和丰富经验。“尤其是在改善空气动力学性能方面，我们可以运用众多在汽车开发领域行之有效的措施，而冲浪板优化本身也可以运用到一个全新的‘车辆’开发过程中。”施特劳布说。模式虽有不同，但问题最终都是一样的：在哪里以及如何减少阻力？
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姿态优化：右臂靠在前小腿一侧，上身、手臂和大腿紧贴在一起。
斯图德纳对这个项目十分有信心。他坚信：在保时捷工程师的助力下，他完全能够驾驭更高的海浪。“这是一个持续的过程，团队会根据我的感觉，不断改进冲浪板。运用科学数据对冲浪板进行改进，这一点本身就非常有趣。我十分期待理论在实践中的效果。”根据风洞测试和 CFD仿真的结果，团队打造了四块改良的冲浪板。斯图德纳需要在水中测试这些冲浪板。“冲浪板的可驾驭性是最重要的。塞巴斯蒂安会定期向我们提供反馈。”施特劳布说道。
为此，斯图德纳最近一直在冲浪。自2012 年以来，他每年都会前往葡萄牙的纳扎雷（Nazaré）过冬。那是一座距离里斯本北部约一小时车程的小城。该处的悬崖和巨大的水下峡谷让其超越夏威夷，成为世界上海浪最高的冲浪地点：那里的海浪最高可超过 20 米。斯图德纳目前的世界纪录为 26.21 米。在拥有了合适的装备后，他渴望达到更高的水平。至于最终可以达到多高的高度，在保时捷工程公司的支持下，斯图德纳在未来也许能做出更准确的判断：保时捷的工程师们正在开发一套新的系统，以取代原来根据录像和静止图像测量波浪高度这种并不准确的方法。这样，团队就可以精确记录斯图德纳刷新世界纪录的全过程。
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科学方法：现在，基于仿真和风洞验证方法，保时捷将进一步优化冲浪板在水中的特性以及冲浪板和冲浪者的空气动力学性能。
综述
为了驾驭更高的海浪，塞巴斯蒂安·斯图德纳必须在水中达到更高的速度。为此，保时捷工程团队正在开展流体动力学和空气动力学方面的实验。实验沿用了汽车开发领域的成熟方法。在完成冲浪板优化后，斯图德纳会在葡萄牙对这些改良后的冲浪板进行实地测试。
冲浪板几何形状优化的基础
为了优化冲浪板的几何形状，专家们首先需要创建一个经过验证的参考对象。为此，该团队借助 CFD 仿真，对塞巴斯蒂安·斯图特纳的原始冲浪板进行了性能评估。下方第一张图片显示了边界层中的剪应力分布——这是衡量近壁区域流动方向和速度的良好指标，也是流动分离的可靠指示。其他图片则显示了冲浪板在水面上的结构特征。这些结构越明显，冲浪板所受到的水阻就越大。
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剪应力分布仿真
水面仿真
信息
本文首次发表于《保时捷工程杂志》2023年第1期。
作者：Claudius Lüder
摄影：Joerg Mitter、Jorge Neal
版权：本文中发布的所有图片、视频和音频文件均版权保护。未经保时捷工程书面许可，不得部分或全部复制。欲了解更多信息，请联系我们。
联系方式
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消耗数据
Taycan Cross Turismo 车型
NEDC 消耗数据：
耗电量（综合）：26.5–26.2 kWh/100 km
二氧化碳排放量（综合）：0 g/km
WLTP 消耗数据：
耗电量（综合）：24.8–21.2 kWh/100 km
二氧化碳排放量（综合）：0 g/km
版本：2022 年 11 月