变异弧形随行波表面气动减阻特性研究

摘要

随着汽车保有量的快速增长，能源消耗不断增加，全球能源危机日益严峻。汽车燃油消耗的很大一部分是用来克服气动阻力，因此，降低车身空气阻力是节约能源的有效途径之一。仿生非光滑减阻技术为降低汽车车身空气阻力提供了一种新方法。
　　本文在现有仿生非光滑减阻方法研究基础之上，受以沙漠表面非光滑形态为代表的仿生原型的启发，通过抽象提取得到一种新的非光滑表面—变异弧形随行波表面。首先借助CATIA软件完成变异弧形随行波表面三维模型的构建，并根据随行波表面的尺寸建立CFD数值模拟风洞模型，为了保证流场条件的一致，以光滑表面作为风洞的上表面，非光滑表面作为风洞的下表面;然后在ANSYSWorkbench中搭建协同仿真体系，利用Meshing完成数值风洞的网格划分，依据Fluent软件中设置的求解方案，对不同的数值风洞中的流场进行CFD数值模拟。将不同来流速度的理论光滑表面摩擦阻力系数与数值模拟得到的光滑表面摩擦阻力系数进行对比，两者之间的相对误差都在2％以内，说明了风洞模型、网格划分方法及数值求解方案的可行性。
　　采用不同的试验研究方法分别探究变异弧形随行波表面各结构参数以及来流速度对减阻效果的影响。利用正交试验分析法得到，随行波单元尺寸中对表面摩擦阻力减阻效果影响的主次顺序依次是深度、偏心比（偏心距和深度之比）和宽深比（宽度和深度之比），其中减阻率随深度的增大而增大，随偏心比和宽深比的增大则是先增大后减小;结合方差分析可以认为深度对减阻效果起着决定性的作用，取得最佳减阻效果的尺寸为:深度(0.6mm)，偏心比(0.5)，宽深比(5)。通过控制变量试验分析得到，减阻率随行波排布间距的增大而减小。为了研究形状和排布间距交互作用对表面摩擦阻力减阻效果的影响，设计深度和排布间距的两因素交互试验，试验分析得到当形状和排布间距都取最佳值时，减阻率最大;变异弧形随行波越深，减阻率受其排布间距的影响越大;变异弧形随行波排布间距越小，减阻效果受其深度的影响越明显。此外，在来流风速为26m/s～35m/s时，减阻率与来流风速呈线性正比例关系。
　　为了进一步挖掘变异弧形随行波表面的减阻机理，对数值风洞内流场各物理量进行了分析。研究表明变异弧形随行波表面是通过增加边界层厚度、形成“滚柱轴承”效应、促使表面附近气流形成拟序结构以及抑制流场的湍流脉动来减小表面摩擦阻力的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 减阻技术的研究进展

1．2．2 非光滑减阻技术的研究进展

1．3 本文的主要工作

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究目的

1．3．3 主要研究内容

1．3．4 论文的研究技术路线

1．4 本章小结

第二章 变异弧形随行波表面模型的构建

2．1 仿生学基础

2．2 仿生非光滑结构的提取

2．2．1 仿生非光滑结构的原型

2．2．2 仿生非光滑结构的提取

2．3 随行波单元尺寸的设计

2．4 仿生变异弧形随行波模型的构建

2．4．1 计算机辅助设计软件的选择

2．4．2 仿生变异弧形随行波模型的构建

2．5 本章小结

第三章 变异弧形随行波表面气动减阻特性数值模拟方法

3．1 计算流体动力学概述

3．2 流体力学的基本知识

3．2．1 流体力学基本概念

3．2．2 流体动力学控制方程

3．3 计算域的确定

3．4 数值模拟仿真体系的构建

3．5 网格划分

3．5．1 几何处理

3．5．2 网格划分

3．6 数值模拟求解方案

3．6．1 流体条件的设定

3．6．2 湍流模型的选择

3．6．3 边界条件的设置

3．6．4 其他设置

3．7 数值模拟可行性验证

3．7．1 计算模型的收敛性验证

3．7．2 求解结果可行性验证

3．8 本章小结

第四章 变异弧形随行波表面气动减阻特性分析

4．1 基于变异弧形随行波形状的减阻特性分析

4．1．1 正交试验

4．1．2 试验结果的单因素分析

4．1．3 试验结果的综合分析

4．2 基于随行波排布间距的减阻特性分析

4．2．1 基于随行波排布间距的单因素试验

4．2．2 试验结果分析

4．3 基于形状和排布间距交互作用的分析

4．3．1 交互试验

4．3．2 试验结果分析

4．4 基于来流速度的减阻特性分析

4．4．1 基于来流速度的单因素试验

4．4．2 试验结果分析

4．5 本章小结

第五章 变异弧形随行波表面的减阻机理

5．1 壁面剪应力分析

5．2 速度场分析

5．2．1 速度场云图分析

5．2．2 速度场矢量图分析

5．3 湍流统计量分析

5．3．1 湍流强度分析

5．3．2 湍流动能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 本文特色与创新点

6．3 后续工作展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢