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原文传递涵道式飞行汽车的气动特性数值模拟与优化研究

论文题名：	涵道式飞行汽车的气动特性数值模拟与优化研究
关键词：	汽车空气动力学;飞行汽车;气动性能;数值模拟;外形优化
摘要：	随着经济快速发展，中国汽车总量逐年提高，城市地面趋向饱和，交通拥堵日渐严重，这对应急车辆的工作造成了严重影响。飞行汽车作为灵活、快捷，能同时利用地面与低空的新概念交通工具，能够在建筑物密集的城市第一时间到达救援现场，高效处理紧急情况，能突破交通拥堵和距离的限制，保证治疗的黄金时间，在军事和民用方面都有很好的价值，对于应急救援有重大意义，因此也受到汽车和航空领域越来越多的重视。涵道式飞行汽车以涵道旋翼作为升力部件，凭借其布局紧凑、垂直起降可悬停、安全性高和噪音小的优势，成为了新的研究热点。　　本文总结了国内外飞行汽车产品的特点，提出了一款用于紧急医疗服务的新型模块化涵道式飞行汽车，其主体分为飞行模块、座舱模块和地面模块。文中建立了飞行汽车飞行模块和座舱模块的三维模型，并对其气动特性进行了数值模拟分析和优化。　　本文首先进行了飞行汽车的总体设计。确定了设计目标、涵道式方案及基本布局，并基于工程仿生学提出了箱鲀座舱造型，确定了内部功能及空间布置方案，根据紧急医疗服务的使用需求估算了飞行汽车起飞重量，并对涵道旋翼的初始参数进行了设计选取。　　其次，对飞行模块的涵道旋翼进行了不同工况的数值仿真及优化。在验证了数值方法准确性和有效性的基础上，在流场相对简单的悬停工况下对单个涵道旋翼展开了气动参数分析，比较了在不同转速下涵道旋翼与孤立旋翼的气动特征，同时研究了不同桨尖间隙、轮毂比、翼尖安装角、扭转角和展弦比对涵道旋翼升力及功率载荷的影响，并结合压力云图与速度卷积图分析了外流场的变化。接着对涵道旋翼实施多目标优化，以悬停效率及巡航效率为优化目标，确定五个参数变量及优化的取值范围，使用表面中心的中心复合设计生成实验方案后，分别构建椭圆基神经网络模型和二阶响应面模型进行拟合，采用带精英策略的非支配排序遗传算法进行优化。最终的优化结果为悬停效率提升了11.53%，巡航效率提升了8.41%。　　最后，针对座舱模块的外形进行了单目标优化。在箱鲀仿生造型方案的基础上，借助网格变形技术，基于网格控制体的11个变量，采用正交试验设计对参数进行了极差分析。选出对座舱前飞时的升阻比影响较大的三个关键部位中的五个参数后，对其进行表面中心的中心复合设计，并通过椭圆基神经网络模型进行拟合后，使用自适应模拟退火算法进行优化，优化模型的升阻比相比初始模型提高了225%，优化效果明显。接着在获得了最优涵道旋翼及座舱外形的基础上，进行了总体仿真，探究了涵道旋翼在两种布局下，飞行汽车整体的升力特性及流场情况，选出最终总体结构。结尾综合考虑了紧急医疗飞行汽车的功能性及美观性，设计出了整体座舱模块、飞行模块和地面模块的效果图。
作者：	刘雨
专业：	机械工程(车身工程)
导师：	胡兴军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022