汽车气动升力的试验与仿真研究

摘要

随着高等级公路通车里程数的快速增长，汽车实际行驶的平均速度有了明显的提高。汽车高速行驶时，经常可能遇到“发飘”这种高速气动不稳定性现象，产生“发飘”的直接原因是气动升力克服车重将车辆垂直地面向上托起，使得车轮与地面之间的附着性能变差。气动升力作为评价汽车空气动力学性能的重要指标之一，不仅直接影响到汽车的安全性，同时也间接影响到汽车的燃油经济性。在高速汽车空气动力学设计过程中，气动升力系数指标至关重要，对车辆稳定性和安全性产生了较大的影响。
　　本文旨在通过大量的试验和仿真研究汽车外型对气动升力的影响并进行实车造型优化，对风洞抽吸系统参数进行优化以增强抽吸效果，并探讨气动升力瞬态特性为研究车辆瞬时运动提供参考。因此，开展气动升力的试验和仿真研究不仅具有重大的理论意义，同时也能更好地指导工程开发。
　　运用CFD方法，通过对Ahmed模型的仿真，探讨了模型底部和尾部不同外型结构对气动升力的影响，获得了各种模型结构的速度流线图和压力场分布，研究了尾涡结构与气动升力的关系。
　　将现代优化方法引入到汽车风洞抽吸系统改进设计中。本文在原有抽吸系统基础上，结合近似模型和遗传算法对孔板厚度、孔间隙和抽吸率进行了参数优化设计，减小了固定地板带来的附面层厚度，达到了优化抽吸效果的目的，使得风洞试验更加准确。
　　以“中气”轿车工程模型为基础，使用底部密封板、前部凸唇状扰流板和底部加装凹坑非光滑表面对整车进行改进，使气动升力得以改善，提高了车辆高速行驶的稳定性。
　　目前气动升力研究的主要工况是稳态气流速度下的气动性能，然而自然界中风速是经常变化的，这使得车身气动升力产生脉冲变化。采用大涡模拟的方法研究了来流速度随时间余弦变化下汽车气动升力瞬态特性。
　　本文设计研究了一种能使汽车具有较低阻力和升力的组合附加装置，得到了最佳的风洞抽吸系统参数组合，揭示了气动升力的瞬态特性。这不但可以为汽车外型设计和改型提供参考，而且可以帮助了解汽车瞬态气动特性为汽车安全技术和汽车自动驾驶技术提供理论依据。同时，数值优化方法可以应用到汽车风洞设计当中，节约成本，减少开发时间，具有十分重要的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外汽车气动升力研究历史与现状

1．2．1 国外研究历史与现状

1．2．2 国内研究历史与现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 基于Ahmed模型的汽车气动升力研究

2．1 汽车气动升力相关理论

2．1．1 气动升力产生机理

2．1．2 气动升力的组成部分

2．2 汽车底部结构对气动升力的影响

2．2．1 Ahmed模型

2．2．2 Ahmed模型风洞试验

2．2．3 底部气流阻塞对气动升力的影响

2．2．4 车底板的横向曲率对气动升力的影响规律

2．3 汽车尾部结构对气动升力影响研究

2．4 本章小结

第3章 抽吸系统对汽车风洞试验的影响及优化研究

3．1 湖南大学HD-2风洞抽吸装置

3．2 抽吸率对风洞地面边界层厚度影响的实验研究

3．3 抽吸系统参数化优化研究

3．3．1 优化问题描述

3．3．2 试验设计

3．3．3 近似模型及优化结果

3．4 优化前后风洞试验结果分析

3．4．1 风洞地面附面层厚度测量试验结果分析

3．4．2 风洞测力试验结果分析

3．4．3 风洞试验数据对比分析

3．5 优化前后气动升力影响机理分析

3．5．1 风洞流场变化对气动升力影响分析

3．5．2 车模型周围气流速度变化对气动升力影响分析

3．5．3 流场结构变化对气动升力影响分析

3．5．4 压力变化对气动升力影响分析

3．6 本章小结

第4章 基于气动升力的汽车底部流场改进研究

4．1 工程实际车型车底外形改进设计

4．1．1 原车模型

4．1．2 改进模型一 底部加密封盖板

4．1．3 改进模型二 车头前缘加扰流板模型，底部加密封盖板

4．1．4 改进模型三 密封盖板上布置凹坑型非光滑表面，车头前缘加凸唇扰流板

4．2 数值计算方法

4．2．1 计算域的确定及网格的划分

4．2．2 边界条件的设定

4．2．3 模拟方案的实验验证

4．3 计算结果及分析

4．3．1 密封盖板对气动升力的影响

4．3．2 凸唇状扰流板对气动升力的影响

4．3．3 凹坑非光滑表面对气动升力的影响

4．4 本章小结

第5章 非定常来流对汽车气动升力瞬态特性的影响研究

5．1 数值计算方法

5．1．1 控制方程及亚格子尺度模型

5．1．2 原车模型及计算域

5．1．3 网格划分

5．1．4 数值模拟方法

5．2 定常来流下风洞试验与数值仿真研究

5．3 非定常来流脉动频率对气动升力的影响研究

5．3．1 气动升力随来流速度脉动频率的变化

5．3．2 气动升力变化的原因

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文