皮卡车外流场仿真误差来源分析及造型优化

摘要

能源危机的加剧使得降低能源消耗成为汽车研究领域的重要课题，而通过降低汽车的气动阻力来减少能源消耗是十分有效的措施。当前CFD仿真是研究汽车流场特性的重要方法之一，与风洞实验相比，该方法具有成本低、效率高的优势。
　　本文应用CFD仿真方法，研究了皮卡车外流场仿真的误差来源并对皮卡车车身进行了气动造型优化。
　　首先，进行了皮卡车外流场仿真误差来源的研究。主要从网格策略、湍流模型和车轮边界条件等几个方面研究了影响外流场仿真的因素。通过比较皮卡车的速度矢量、车身表面压力和流线分布得出结论，三棱柱与六面体的混合网格方案具有更高的计算精度。从计算精度和收敛情况比较了各湍流模型的仿真性能，得出SST k-ω模型具有较高的计算精度。在误差允许的情况下，在计算皮卡车的Cd值时可采用适当的网格数量来降低时间的耗费。研究车轮边界条件对Cd值的影响时，用旋转壁面来模拟车轮的边界条件可以提高计算精度。研究湍流模型和边界层层数的组合因素对气动阻力的影响时发现，应用SST k-ω模型与10层边界层的组合方案可获得更高的计算精度。
　　其次，采用正交试验的方法对皮卡车进行了车身造型优化。先选取皮卡车前风窗角、前部上翘角、发动机舱下倾角、尾部上翘角等4个车身参数，分别研究了各参数对皮卡车气动阻力的影响。然后选取了以上4个车身参数，建立了一个正交试验表来研究多个参数组合对气动阻力系数的影响。研究发现，优化模型的Cd值显著降低，下降幅度为5.78%。
　　最后，对皮卡车进行了局部造型优化研究。综合比较了局部优化法和整体最佳化法的优缺点。为了改善皮卡车的气动造型，应用局部优化法研究了前轮阻风板、后保险杠、底部护板以及尾部圆角等几个方面对皮卡车气动特性的影响，并从中给出优化方案。最终节省了2.89%的燃油消耗，改善了皮卡车的燃油经济性。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

中文目录

英文目录

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 汽车空气动力学研究方法

1.2.1 风洞试验

1.2.2 理论研究

1.2.3 数值模拟法

1.2.4 三种研究方法的对比

1.3 国内外研究现状

1.3.1 CFD仿真误差来源研究的发展与现状

1.3.2 汽车气动造型优化研究的发展与现状

1.4 本文的主要研究内容

2 汽车空气动力学研究内容及理论

2.1 作用于汽车的气动力

2.2 汽车绕流特性

2.3 三维湍流模型数值模拟方法

2.3.1 标准k-ε模型

2.3.2 可实现k-ε模型

2.3.3 SST k-ω模型

2.3.4 V2F模型

2.4 本章小结

3 皮卡车外流场仿真误差来源分析

3.1 CAD 模型的建立

3.2 CFD仿真误差来源

3.3 几何模型及边界条件的设定

3.4 网格策略对仿真误差的影响

3.4.1 网格分类及特点

3.4.2 网格数量无关性的验证

3.4.3 网格策略的影响

3.5 求解设置对仿真误差的影响

3.5.1 湍流模型的影响

3.5.2 边界层的影响

3.5.3 车轮边界条件的影响

3.6 组合因素的影响

3.7 本章小结

4 基于正交试验的皮卡车车身造型优化

4.1 正交试验设计

4.2 单一参数对皮卡车Cd值的影响分析

4.2.1 前风窗角对皮卡车Cd值的影响

4.2.2 前部上翘角对皮卡车Cd值的影响

4.2.3 发动机舱下倾角对皮卡车Cd值的影响

4.2.4 尾部上翘角对皮卡车Cd值的影响

4.3 基于正交试验的车身造型优化设计

4.4 优化后的皮卡车外流场分析

4.4.1 车身表面压力对比分析

4.4.2 速度矢量对比分析

4.4.3 车身流线对比分析

4.5 本章小结

5 皮卡车的局部造型优化研究

5.1 皮卡车的气动阻力特性分析

5.2 气动优化方法

5.2.1 局部优化方法

5.2.2 整体最佳化法

5.3 局部造型优化对皮卡车气动特性影响的研究

5.3.1 前轮阻风板对气动阻力的影响

5.3.2 后保险杠对气动阻力的影响

5.3.3 尾部圆角半径对气动阻力的影响

5.3.4 底部护板对气动阻力的影响

5.3.5 皮卡车气动阻力优化方案的确定

5.4 局部优化对皮卡车燃油经济性能影响分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢