敞篷轿车气动特性研究

摘要

随着国民经济的快速增长，道路状况的逐步改善，汽车已成为人们不可缺少的代步工具。人们追求汽车的动力性、经济性和安全性的同时，对汽车的个性化诉求逐渐显现。敞篷轿车不仅能满足人们的个性化需求，也能给乘员良好的户外感。但敞篷轿车独特的车身型式容易造成风阻系数偏高，其开放式的座舱无法通过隔绝、密封等措施隔绝噪声，容易影响乘员的乘坐体验。因此，在敞篷轿车的设计初期阶段就必须对其综合气动性能进行预估与优化。 本文以计算流体力学和气动声学为理论基础，基于CFD流体仿真平台Fluent对敞篷轿车的流场特征和气动噪声进行了全面探讨。从其车身结构、气流速度和车身压力分布等角度探究其风阻系数偏大的根源，确定了对风阻系数影响较大的局部车身因子；通过对不同车速的敞篷轿车流场分布对比，归纳了座舱附近流场的速度分布随车速的变化规律；通过对头部区域附近风阻的量化评价，确定了易受气流干扰的局部区域，并给出了相关措施进行改进，发现在后排靠枕后方增加挡风板能有效降低后排乘员附近气流速度，但导致了风阻系数的增加，阶背式车身不仅能改善流场环境，对气动阻力也影响较小。在噪声学科的研究中，采用宽频带噪声源模型对敞篷轿车的声源位置进行初步预测，获得了主要的声源部位；基于大涡模拟（LES）对敞篷轿车时域上的流场变化进行了分析，并结合不同车速、不同采集点的噪声频谱特性对敞篷轿车噪声机理进行了探究，分析结果表明：敞篷轿车噪声主要为不同尺度的涡与车体相互作用产生的宽频带噪声，前后排乘员声压级差异较大，耳部声压级与车速基本表现为线性关系。 气动阻力和气动噪声是两种不同的流体力学现象，本文在全局优化造型思想的基础上，对风阻、风噪进行多目标优化。通过综合稳态和瞬态流场的分布特征，确定了对整车气动特性影响较大的车身参数和变化范围，基于近似模型构建了多学科的气动优化框架，获得了相关因子与气动阻力和气动噪声之间的响应规律，采用多岛遗传算法进行全局寻优，获得低阻、低噪并且座舱流场环境相对较好的车身参数方案。 本文对敞篷轿车气动阻力、气动噪声机理的探究和多学科的气动造型优化方法的摸索，不仅为敞篷轿车初始造型阶段的气动优化提供理论支撑，也为汽车低阻、低噪造型优化设计提供一种可行的方案。

目录

声明

第1章 引言

1.1 论文背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与研究方法

第2章 敞篷轿车外流场仿真分析

2.1 计算流体力学基本理论

2.2 敞篷轿车稳态外流场CFD方法分析

2.3 敞篷轿车风阻机理探究

2.4 不同行驶速度下的敞篷轿车外流场分析

2.5 座舱流场环境的改进

2.6 本章小结

第3章 敞篷轿车噪声仿真分析

3.1 气动声学理论

3.2 敞篷轿车声源预测分析

3.3 人耳处噪声仿真分析

3.4 仿真结果分析

3.5 本章小结

第4章 基于低阻、低噪造型的优化设计

4.1 车身造型优化方法

4.2 选定优化变量

4.3 试验设计

4.4 构建近似模型

4.5 优化与结果分析

4.6 本章小结

第5章 结论

5.1 研究总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录