车身仿生非光滑表面气动减阻特性研究

摘要

汽车消费快速增长导致能源消耗不断增加,能源问题变得越来越严重。预计2010年我国机动车辆燃油消耗将占全国总油耗的43％左右,汽车将成为石油消耗增长的主要因素;当汽车车速超过60km/h时,用于克服车身空气阻力的燃油消耗占总油耗的30％-40％,降低车身空气阻力是节约能源消耗的有效途径之一。
　　 论文在综合分析车身气动减阻研究进展、仿生非光滑表面减阻研究进展、车身CFD技术研究进展的基础上,提出一种降低车身空气阻力的新方法,首次将仿生非光滑表面引入车身设计之中,以突破目前车身减阻的技术瓶颈。
　　 为了验证上述构想,论文首先对蜣螂、步甲、虎鲨、贝壳以及信鸽羽毛等生物体表面进行研究,提取出凸包、凹坑、沟槽等形态结构的非光滑单元体,在此基础上构建光滑车身模型与非光滑车身模型;其次论文解决Hypermesh与Fluent软件之间数据接口问题,通过专业网格划分软件Hypermesh提高网格质量,利用专业流体分析软件Fluent提高分析精度,在计算中选择带有近壁修正的Realizable湍流模型;最后将计算值与实车试验值进行对比验证,试验表明车身空气阻力系数的误差范围控制在±4％左右,说明此种方法的可靠性,为此类问题的解决提供了思路。
　　 为了寻求最佳减阻效果的非光滑单元体形态结构,分别选择不同结构尺寸的单元体形态对发动机前罩盖及车身顶盖进行非光滑处理,车速为30m/s时,试验表明:在发动机前罩盖处,凹坑形单元体间距s=6mm、宽度d=2.0mm、深度h=1.0mm时,车身空气阻力系数Cd=0.29196,减阻率为8.68％。在车身顶盖处,凹坑形单元体间距s=12mm、宽度d=3.0mm、深度h=1.5mm时,车身空气阻力系数Cd=0.28673,减阻率为10.31％;沟槽形单元体间距d=6mm,沟槽宽s=1mm、沟槽高h=0.5mm时,车身空气阻力系数Cd=0.29032,减阻率为9.19％。为了进一步确定分析模型的可靠性,研究不同网格数量的车身表面及车身对称面处压力分布,从计算结果可以看出其具有相同的压力分布。
　　 为了进一步分析非光滑单元体的减阻机理,选择车身尾部不同截面处速度矢量与湍动能分布状况,试验表明仿生非光滑单元体的引入改变车身尾涡形状与强度,光滑车身尾部的锥形涡转变成圆柱形涡,使得车身所受压差阻力降低,从而减少车身空气阻力系数。
　　 仿生非光滑表面的引入扩展了车身气动减阻技术的研究领域,可有效提高整车燃油经济性与动力性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 相关理论方法研究及应用现状

1.2.1 车身气动减阻研究进展

1.2.2 仿生非光滑表面减阻研究进展

1.2.3 车身计算流体力学(CFD)技术研究进展

1.3 论文工作目标内容与技术路线

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方案与技术路线

1.4 本章小结

第二章 车身CAD模型构建

2.1 仿生非光滑单元体提取

2.1.1 生物非光滑单元体类型

2.1.2 仿生非光滑单元体类型设计

2.2 光滑车身几何建模

2.2.1 CAD工具简介

2.2.2 光滑车身CAD分析模型构建

2.3 非光滑车身几何建模

2.4 本章小结

第三章 车身空气动力学计算模型构建

3.1 CFD工具简介

3.2 流体动力学基础

3.2.1 基本概念

3.2.2 质量守恒与动量守恒方程

3.2.3 湍流控制方程

3.2.4 湍流参数计算

3.3 网格划分

3.3.1 几何清理

3.3.2 网格划分

3.3.3 网格模型的输出

3.3.4 网格模型输入

3.4 计算条件设定

3.5 模型验证

3.6 本章小结

第四章 车身仿生非光滑表面气动减阻特性试验研究

4.1 试验设计

4.1.1 确定进行非光滑处理的车身部位

4.1.2 非光滑单元体结构尺寸确定

4.1.3 车身不同部位减阻试验设计

4.1.4 试验评价标准设定

4.2 试验分析

4.2.1 基于凹坑非光滑表面的发动机前罩盖减阻效果分析

4.2.2 基于凹坑型非光滑单元体车身顶盖减阻效果研究

4.2.3 基于沟槽型非光滑单元体的车身顶盖减阻效果研究

4.3 基于仿生非光滑单元体结构的车身减阻膜设计

4.4 本章小结

第五章 车身仿生非光滑表面气动减阻机理分析

5.1 气动特性分析

5.1.1 车身表面压力分布

5.1.2 车身对称面处压力分布

5.1.3 不同截面速度矢量

5.1.4 不同截面湍动能

5.2 减阻机理分析

5.3 气动特性耦合分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢