车身非光滑表面边界层流场特性及侧风减阻分析

摘要

随着汽车行业的不断发展以及高速路网的不断完善，汽车实际行驶速度得到很大提高，这将大大影响汽车的气动阻力。行驶速度越大，其气动阻力也越大，若能减小气动阻力，则意味着燃油消耗的降低。随着汽车空气动力学的发展，减小车身气动阻力的传统方法已经成熟并遇到技术瓶颈，需要寻求新型气动减阻方法和思路。国内外研究发现仿生非光滑表面具有较好的减阻效果，因此可以将非光滑结构引入汽车车身，实现汽车的节能减阻。
　　本文基于标准MIRA阶梯背模型，将凹坑型非光滑结构引入汽车顶部表面，研究顶部近壁面边界层内关键流场参数的变化以及这些变化对尾流造成的影响，并分析其减阻机理。最后进一步考虑侧风状态下凹坑型非光滑结构的减阻效果以及对汽车行驶造成的影响。
　　首先选择非光滑单元体形态、布置位置和尺寸建立非光滑车身模型，利用CFD数值模拟仿真方法对光滑、非光滑汽车模型进行仿真，并通过与MIRA模型风洞试验对比验证表明数值模拟方法的可靠性。
　　其次从非光滑表面边界层内的流场特性出发，分析气流速度、边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力等流场参数的变化及其对边界层分离后尾流状态、湍流强度、湍流耗散率等方面的影响来探究非光滑结构的减阻机理。
　　最后通过采用稳态侧风数值模拟，对比分析了0～30°范围内（横摆角以3°递增）的光滑模型与非光滑模型的车身周围流场特性。对气动力系数和气动力进行了计算，并根据车身外流场的速度、压力、湍动能分布图，分析侧风状态下，非光滑结构的引入对于汽车气动特性特别是气动阻力的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究历史和现状

1．2．1 国外非光滑表面减阻研究历史与现状

1．2．2 国内非光滑表面减阻的研究历史与现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本文的主要研究方法

1．5 本章小结

第2章 非光滑汽车模型数值仿真计算

2．1 非光滑车身模型建立

2．1．1 MIRA模型建立

2．2 非光滑表面形态、尺寸选择

2．2．1 非光滑单元体形态的选择

2．2．2 非光滑表面的布置位置

2．2．3 非光滑单元尺寸的选择

2．3 MIRA模型组数值模拟计算

2．3．1 计算网格划分

2．3．2 计算求解设置

2．4 MIRA模型组风洞试验

2．4．1 湖南大学HD-2风洞

2．4．2 风洞试验验证

2．5 本章小结

第3章 车身非光滑表面边界层流场特性分析

3．1 汽车空气动力学基础

3．1．1 气动力与气动力矩

3．1．2 汽车的气动阻力特性

3．1．3 边界层理论

3．2 非光滑MIRA模型计算结果分析

3．2．1 速度分布比较

3．2．2 边界层厚度比较

3．2．3 壁面剪切力比较

3．2．4 表面摩擦阻力系数比较

3．2．5 湍流强度、湍流耗散率比较

3．3 非光滑表面对尾迹的影响

3．3．1 模型稳态与瞬态压力比较

3．3．2 模型稳态与瞬态尾迹气流比较

3．4 本章小结

第4章 非光滑表面对轿车侧风状态下气动力影响分析

4．1 侧风气动力对操纵稳定性的影响

4．1．1 气动力的影响

4．1．2 气动力矩的影响

4．1．3 侧风干扰

4．2 侧风数值模拟方案确定

4．2．1 数值模拟方案选择

4．2．2 计算方案验证

4．3 计算结果分析

4．3．1 气动力、气动力系数分析

4．3．2 流场速度分布分析

4．3．3 流场压力分布分析

4．3．4 车身尾部流场湍动能分析

4．4 本章小结

总结与展望

1．总结

2．展望

参考文献

致谢

附录(攻读学位期间发表的论文)