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非光滑结构对车身表面气流特性的影响分析
| 论文题名： | 非光滑结构对车身表面气流特性的影响分析 |
| 关键词： | 仿生非光滑表面;气动减阻;计算流体动力学;减阻机理;汽车车身;表面气流特性 |
| 摘要： | 随着汽车行业和高速公路的快速发展，汽车行驶速度不断提高。当汽车车速超过60km/h时用于克服空气阻力的燃油消耗占行驶总燃油消耗的30％-40％。由于汽车的气动阻力与车速的平方成正比，气动阻力所消耗的燃油功率与车速的立方成正比，故车身气动阻力直接影响汽车的燃油经济性。气动阻力的减少意味着燃油消耗的降低，从而实现节能减排绿色环保。随着空气动力学研究的不断发展，汽车外型流线型设计降低气动阻力的手段已比较成熟，实现进一步减阻的空间受到了很大的制约。 生物体经过长期的进化形成了与生存环境相适应具有很好减阻效果的非光滑体表。根据仿生学与非光滑基本理论可以设计出一种具有减阻效果的非光滑表面结构。将非光滑结构应用到车身表面实现减阻效果是一种绿色环保的减阻方法。仿生非光滑减阻不需要增添附加设备消耗额外能量和空间，也不会对空气造成污染。只需在车身表面布置一些形状尺寸与排布合理的非光滑形状即可获得较好的减阻效果。 本文采用计算流体力学数值模拟方法，通过在SAE汽车模型表面添加非光滑结构对非光滑表面减阻效应进行研究。综合国内外研究现状指出了目前汽车车身非光滑减阻需要解决的问题和研究重点。详细阐述了仿生非光滑表面布置位置、仿生非光滑几何形态和非光滑表面尺寸的选择原则。以CFD整个数值仿真流程为主线依次阐述了SAE汽车模型的建立、计算区域的离散化以及边界条件的添加与求解器的设置，并通过标准SAE汽车模型的风洞试验数据与仿真结果作对比以保证数值仿真的可靠性。详细分析了非光滑表面布置位置、非光滑表面几何形态以及凹坑型非光滑表面的凹坑深度对SAE汽车模型气动性能的影响。最后，根据数值仿真计算结果进一步分析非光滑表面减阻机理并提出一种新的非光滑表面设计思路，即通过单一变量采用梯度法对凹坑形状进行优化。研究表明，在尾部布置非光滑表面可以得到较好的减阻效果。非光滑表面减阻主要是通过减少汽车前后的压差阻力实现减阻效果的，而摩擦阻力的变化不是很明显。凹坑型减阻效果最为明显且当凹坑深度为8mm时汽车的减阻效果较佳。无论是凹坑型、沟槽型还是棱纹型非光滑表面，其内部都会产生逆向旋转的涡流。由于非光滑表面轮廓曲率和大小对减阻效果影响很大，梯度法可以快速有效的获得非光滑表面较佳轮廓曲率和大小。 |
| 作者： | 范光辉 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 杨易 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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