MIRA车型非光滑表面气流扰动减阻效能研究

摘要

降低汽车的空气阻力是改善其动力性能、减少油耗的重要手段。本文开展了在汽车表面覆有非光滑（凹坑、鱼鳞、沟槽）膜的减阻实验和仿真试验研究，以寻求非光滑表面的减阻效能、设计准则和不同几何形状表面对汽车外流场的扰动机理。
　　本文采用汽车空气动力学经典模型——MIRA快背模型，运用Fluent流体动力学软件进行空气动力学风洞仿真试验，得到其风阻系数Cd，加工制作MIRA模型及支架，置于浙江大学风洞实验室中进行与仿真条件相同的试验得到实验与仿真值之间1.39％的误差，保证了CFD仿真方法的可靠性。其中运用风洞试验和计算流体力学模拟仿真相结合的方法来扣除抬高支撑的干扰，再对试验数据进行阻塞比效应修正和水平浮力修正，提出了针对浙江大学风洞的汽车气动阻力系数的修正方法。
　　在分析了汽车空气动力学减阻装置（涡流发生器、扰流件和阻流板）的气流扰动机理的基础上，开展了MIRA汽车模型表面非光滑单元减阻效能的研究。从挖掘非光滑表面的几何结构（凹坑、鱼鳞、沟槽）和汽车外流场的扰动机理出发，研究了非光滑表面覆膜车身外流场的特性并建立流场分析理论模型;试图揭示非光滑结构形状、尺寸、布置位置等对特定近壁面气流场所产生的不同扰动作用及形成条件。
　　采用正交试验法对凹坑形非光滑表面的MIRA模型进行正交试验分析，其仿真试验结果表明，模型气动阻力的影响主次因素依次为凹坑深度、凹坑的深径比、凹坑间距;针对不同位置的非光滑单元的仿真试验结果表明，模型前部和引擎盖位置布置非光滑单元时得到的最优减阻率只有1.47％和-0.227％，而在模型顶盖以及背部布置凹坑时减阻率可达到5.99％和6.39％;针对不同几何形状的非光滑单元的仿真试验表明，在模型顶部布置非光滑单元时，鱼鳞形非光滑单元可达到8.03％的气动减阻率，沟槽凹坑减阻率为4.30％;在模型背部布置非光滑单元时，鱼鳞形非光滑单元的减阻率可达到7.86％，沟槽凹坑的减阻率为3.52％。
　　对具有最优气动减阻系数的非光滑表面进行减阻机理分析，在CFD软件中绘制相关图像:(1)车身表面压力分布图和对称面压力分布图，分析对压差阻力的影响;(2)沿来流方向的速度分布和矢量图，垂直来流方向在模型前部、顶部和尾部的速度分布和矢量图，分析涡流效应;(3)湍动能耗散分析，截取不同截面的湍动能图，并取点绘制湍动能曲线。
　　本文的研究成果可以指导车身减阻非光滑覆膜的设计和优化，尤其是针对汽车表面不同位置设置不同几何形状的覆膜，也可为更多领域（高速列车、F1方程式赛车等）的多目标湍流控制提供理论依据。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 课题国内外研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 采取的研究方法、技术路线

第二章 汽车空气动力学试验研究

2．1 汽车空气动力学试验研究

2．1．1 汽车空气动力学试验概述

2．1．2 汽车风洞

2．2 汽车空气动力学数值模拟理论

2．2．1 网格策

2．2．2 流体力学控制方程

2．2．3 相关商业软件

2．3 本章小结

第三章 MIRA模型风洞试验研究

3．1 MIRA模型风洞仿真模拟

3．1．1 MIRA空气动力模型与风洞的建立

3．1．2 设置湍流控制模型

3．1．3 模型处理及网格划分

3．1．3 车身表面Y+值计算

3．1．4 设置边界条件

3．1．5 仿真计算结果

3．2 MIRA模型风洞试验研究

3．2．1 边晃层风洞简介

3．2．2 边界层风洞作为汽车风洞的分析

3．2．3 边界层风洞试验方案的确定

3．2．4 MIRA模型气动力、力矩和表面压力的测量

3．3 边界层风洞试验修正研究

3．3．1 闭口风洞的阻塞效应修正

3．3．2 边界层风洞支撑气动干扰扣除方法研究

3．3．3 静压梯度修正

3．4 风洞试验结果与仿真试验值对比

3．5 本章小结

第四章 非光滑表面MIRA模型仿真试验研究

4．1 汽车被动减阻附加装置减阻机理分析

4．1．1 汽车前扰流件

4．1．2 汽车后扰流器

4．1．3 汽车后阻流板

4．2 MIRA快背式外流场数值计算研究分析

4．2．1 MIRA模型表面流场的分析

4．2．2 MIRA模型表面受力的分析

4．3 非光滑单元对气动阻力的影响

4．3．1 半圆凹坑形非光滑单元布置位置对空气阻力的影响

4．3．2 不同几何形状非光滑表面对汽车空气阻力的影响

4．4 本章小结

第五章 非光滑表面模型仿真结果及减阻机理分析

5．1 非光滑单元体布置位置的增阻、减阻机理分析

5．1．1 模型前部布置非光滑的机理分析

5．1．2 模型引擎盖布置非光滑的机理分析

5．1．3 模型顶部和背部布置非光滑的机理分析

5．2 非光滑表面的几何形态对减阻率的影响

5．2．1 不同非光滑单元体位于模型顶部的分析

5．2．2 不同非光滑单元体位于模型背部分析

5．3 非光滑单元模型表面受力特性分析

5．3．1 非光滑表面模型中截面湍动能分析

5．3．2 非光滑表面对压差阻力及摩擦阻力的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 论文特色之处

6．3 工作展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果