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非光滑表面汽车的气动特性研究与优化设计
| 论文题名： | 非光滑表面汽车的气动特性研究与优化设计 |
| 关键词： | 汽车车身;非光滑结构;气动特性;减阻机理;优化设计 |
| 摘要： | 随着中国国民经济和汽车工业的迅速发展，中国汽车的产销量居全球首位，由此导致的能源消耗问题也日益突出。汽车的气动阻力直接影响其燃油经济性，因此，改善汽车的气动特性，从而提高其燃油经济性具有重要的研究意义。但提高汽车气动特性的传统方法已遇到瓶颈，需寻求新的减阻方法。另外中国高等级公路的快速发展，使汽车的车速不断的提高，汽车高速行驶时侧风的作用极大的影响其操纵稳定性。通过对自然界生物的观察，研究人员发现生物表面的非光滑结构能起到良好的减阻效果，因此，本文以MIRA方背模型为研究对象，将非光滑结构应用于车身表面，研究了非光滑结构的类型、排列方式及布置位置对汽车气动特性的影响；基于正交试验分析了凹坑非光滑结构的尺寸对汽车气动特性影响的主次关系，以气动阻力系数为优化目标，利用Kriging近似模型和多岛遗传算法对凹坑非光滑结构的尺寸进行了优化设计；采用稳态数值模拟的方法研究侧风作用下非光滑模型的气动特性，为非光滑结构在汽车领域的应用提供了一定的参考。 首先，利用CFD数值模拟方法对光滑MIRA方背模型的外流场进行了仿真计算，将数值仿真结果与湖南大学HD-2风洞试验测试值进行对比，验证了数值模拟结果的可靠性。 其次，研究了非光滑结构的类型、排列方式及布置位置对汽车的气动特性的影响，并从压力场、湍动能场、尾部流场三个方面分析了非光滑结构的减阻机理。结果表明：当模型的顶部和底部同时布置矩形排列的凹坑非光滑结构时，非光滑模型的气动阻力系数最小，减阻率可达到3.96%。 再次，以最佳组合布置位置的凹坑非光滑表面MIRA方背模型为研究对象，利用正交试验分析了凹坑非光滑结构的深度S、直径D、横向间距W、纵向间距L对汽车气动特性影响的主次关系，在此基础上，以气动阻力系数最小为优化目标，以凹坑非光滑结构的深度S、横向间距W、纵向间距L为设计变量，建立了Kriging近似模型，并对其可信度进行了验证，应用多岛遗传算法对凹坑非光滑结构的尺寸进行了优化设计，优化后的减阻率达到了6.33%。 最后，应用CFD数值模拟方法，对不同侧风作用下非光滑表面汽车的气动特性进行了研究，结果表明：非光滑结构不仅能有效的减少模型尾部和侧面的负压区，而且能降低模型周围的能量耗散，使气流流过车身表面时更加顺畅，从而有效地降低了模型的气动阻力系数与侧向力系数，有利于提高其燃油经济性和操纵稳定性。 |
| 作者： | 黄尚柱 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 高伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖北汽车工业学院 |
| 学位年度： | 2020 |
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