车尾造型对凹坑型非光滑车身气动减阻的影响与优化

【摘要】随着国内高速路网的不断完善，汽车行业的不断发展，以及世界石油资源的逐步减少，汽车将向着更快更省的方向发展。汽车行驶速度影响汽车的气动阻力，汽车行驶速度越大，其气动阻力也越大。而汽车气动阻力所消耗的燃油功率与车速的立方成正比，因此车身气动阻力能够直接影响汽车的燃油经济性。汽车气动阻力减小，意味着燃油消耗的降低，进而实现汽车的节能环保。随着空气动力学的发展，减小车身气动阻力的传统方法已经遇到技术瓶颈，寻求新型气动减阻方法和思路已经迫在眉睫。研究发现仿生非光滑表面具有较好的减阻效果，根据此种减阻思路，将非光滑结构引入汽车车身上，实现汽车的节能减阻效果。本文基于不同尾部造型的MIRA模型组，将凹坑型非光滑结构引入模型尾部端面，研究不同尾部造型对非光滑减阻效果的影响，并对非光滑表面进行优化，改善减阻性能，最后将非光滑被动减阻与涡流喷射主动减阻结合起来，实现两种减阻方式的优化组合。首先以CFD仿真分析为主线，建立不同尾部造型的MIRA模型组，将凹坑型非光滑表面布置在直背式、斜背式、阶段背式三种车型的尾部，对比分析了三种不同车型的尾流结构。通过对模型组外部流场的数值计算，并结合风洞试验，比较光滑模型和非光滑模型尾部流场、压力、湍动能等参数，对比不同尾部造型非光滑表面流场差异。其次通过分析直背式模型凹坑型非光滑单元矩形阵列的气动减阻效果，以矩形排布和非光滑单元体尺寸作为优化对象，采用拉丁方方法进行试验设计选取样本点。利用CFD仿真得到样本点的响应值，根据响应值建立Kriging近似模型。在验证了近似模型的可信度基础上，以近似模型为基础进行全局优化。优化后的非光滑表面能改善模型的气动减阻效果，改善模型尾流。并在优化结果基础上分析非光滑车表气动减阻的机制，解释不同车尾造型减阻率变化的原因，为进一步研究车身非光滑表面气动减阻提供理论依据。最后在直背式非光滑形态模型的基础上，在凹坑阵中加装喷射速度可变的涡流发生器来控制模型的尾部气流，改善尾涡结构。通过对光滑、非光滑、非光滑加涡流喷射三种模型的三维流场数值模拟，得到不同尾部形态模型压力以及湍动能参数，对比不同风速下不同模型气动阻力系数的差异以及不同喷射速度下的减阻效果，分析模型尾部流场参数的变化，阐述了涡流喷射扰动效应，实现了非光滑形态被动减阻与涡流喷射主动减阻的优化组合，有效地减小不同风速下直背式MIRA模型的气动阻力。本文研究分析了尾部非光滑表面对于不同车型的气动减阻效果，并且对直背式车型的气动效果进行了优化设计，取得了良好的减阻效果。在非光滑被动减阻的基础上，通过结合涡流喷射主动减阻方法，为汽车气动减阻新方法提供了一定程度的指导。
【作者】聂云；
【导师】杨易；
【作者基本信息】湖南大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】尾部造型；非光滑表面；气动减阻；全局优化；涡流喷射；

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