气动附加装置对车辆气动升力的影响机制分析与改进设计

摘要

车辆在高速行驶时，经常可能遇到“发飘”这种高速气动不稳定性现象，即驾驶员感觉行驶的车辆失去路面感，车辆的转向系统反应迟缓，进而直至驾驶员完全丧失对车辆的控制。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。因此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。气动升力系数较高的汽车会使车轮在高速时失去一部分抓地力，严重时甚至可能完全失去控制而导致交通事故。但是，良好的空气动力学设计，甚至可能使得车辆的气动升力系数为负，气动负升力随着车速的增加而增大，保证了车辆的高速行驶。
　　本文旨在探索气动升力的成因，分析整车流场分布，深入研究气动升力的影响因素，并设计相应的气动附加装置对气动升力改进，从而增加汽车高速行驶的负升力，这对提高车辆的高速稳定性有着重要的工程意义。现代计算机技术的进步和湍流理论的不断发展使得计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)开始广泛被运用于汽车空气动力学的开发研究。本文是基于CFD仿真技术，对车辆气动升力的影响机制进行分析，对附加装置对气动升力的改进设计进行深入研究。
　　运用CFD方法，通过对绕圆柱流场的仿真，对气动升力的重要影响因素一一“地面效应”进行了研究。构建简化的汽车钝体模型，对不同离地间隙和扩散器上翘角度进行CFD仿真，获得各种不同工况的速度场和压力场分布，研究其对气动升力的影响规律。
　　基于“地面效应”理论，对“中气”轿车底部流场进行改进。在底盘发动机舱下方的位置使用盖板密封的办法进行改进，隔绝了前车架发动机舱等复杂细节对车底气流的阻滞，提高了车辆底部的流速，减小了底部压强，从而减小了气动升力。在车头下缘添加凸唇状导流板对模型作进一步改进，减少了整车底部的压力，进而减小了气动升力。
　　对某跑车尾部扩散器进行气动特性分析并进行改进。对比无扩散器的跑车模型以说明扩散器的作用。以减小气动升力为目标，使用扩大工作空间、添加三角翼片墙以及添加扰流板三种不同的方案对扩散器进行改进。三种方案均使得气动升力得以减小，扩散器在加入三角翼片墙后对气动升力的改善更为明显;扰流板与扩散器组合的方案对气动升力的改进具有更大的潜力，但会略微增加阻力，对离地间隙的要求也较高。
　　将现代优化方法引入到气动附加装置改进中。本文设计一种可变扰流器，结合近似模型和遗传算法对其形状和位置进行了优化设计，减小了车辆在高速行驶时的气动阻力和升力，同时在高速制动工况下提供较大的负升力，起到辅助制动作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究与现状

1.3 本文的主要研究方法

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 车辆气动升力影响机制分析

2.1 汽车气动升力机理

2.2 地面效应

2.3 基于地面效应的汽车底部流场影响规律研究

2.3.1 扩散器对气动升力的影响

2.3.2 离地间隙对气动升力的影响规律

2.3.3 扩散器上翘角对气动升力的影响规律

2.4 本章小结

第3章 车辆底部气动升力改进方案

3.1 汽车底部气动特性改进方法

3.2 底盘密封板对气动升力的改进

3.3 车头前缘扰流板对气动升力的改进

3.4 本章小结

第4章 扩散器对某跑车气动升力的改进

4.1 现今扩散器的应用及种类

4.2 初始研究模型

4.2.1 模型选取

4.2.2 计算域与网格生成

4.2.3 求解参数及边界条件设置

4.2.4 计算结果与分析

4.3 无底部扩散器车型计算分析

4.4 底部扩散器的改进

4.4.1 加大工作域的扩散器计算分析

4.4.2 具有三角翼片墙的扩散器计算分析

4.4.3 扰流器与扩散器组合模型的计算分析

4.5 本章小结

第5章 基于近似模型的可变后扰流器气动优化

5.1 汽车尾部扰流器

5.1.1 传统的扰流器

5.1.2 可变后扰流器

5.2 基于近似模型的优化方法

5.2.1 试验设计

5.2.2 近似模型

5.2.3 可变扰流器的优化流程

5.3 几何模型及原始气动特性参数

5.3.1 车身模型的选取

5.3.2 可变后扰流器参数化模型

5.3.3 CFD计算及风洞试验验证

5.4 基于近似模型的优化与结果分析

5.4.1 拉丁方法试验设计

5.4.2 建立Kriging近似模型

5.4.3 优化结果与分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢