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旋转车轮区域气动特性及减阻优化方法研究
| 论文题名： | 旋转车轮区域气动特性及减阻优化方法研究 |
| 关键词： | 汽车旋转车轮区域;气动阻力;流动特征;减阻优化 |
| 摘要： | 当车速为100km/h时，内燃机汽车的空气阻力占能源消耗的13%，电动汽车的空气阻力占能源消耗的59%。因此，降低空气阻力既能提高燃油经济性，又能提高电动汽车续航里程，这非常符合《中国制造2025》中要求的节能环保性汽车发展主题。目前的汽车减阻主要是通过优化车身外形、底盘附件和后视镜等方法实现对流场的被动控制，但再进一步深挖潜力会遇到更大的困难。由于旋转车轮区域的气动阻力占汽车总气动阻力的四分之一，因此深入研究旋转车轮区域的流动特征，掌握车轮不同结构设计参数对气动阻力的影响规律，这对降低汽车气动阻力和改善气动特性具有重要的研究意义和工程应用价值。 本文建立了Ahmed模型的三维模型，通过建立虚拟风洞模型进行仿真，通过与已有试验结果对比验证了仿真方法的可靠性。在此基础上，建立了带有旋转车轮的整车Ahmed模型，通过与无车轮的Ahmed模型的流场进行对比，结果表明旋转车轮通过改变车轮附近的涡结构，进而影响了车底和车尾的流场结构。 为明确车轮旋转对车轮区域非定常流动的影响，开展了有风旋转、有风静止和无风旋转工况对车轮区域流动特性的研究，结果表明在有风工况下，车轮旋转对车轮区域流动稳定性影响最大。对比分析了不同风速对旋转车轮区域流动的影响，发现随着风速增加，前轮轮腔内压力脉动增强，前轮和整车的气动阻力系数随之增加；分别对不同轮拱形状和轮辐形状下的流动特性进行分析，发现轮辐形状对整车气动特性影响更大。对比分析了不同风速、轮拱形状和轮辐形状下最大功率谱幅值与整车气动阻力的关系，得到最大功率谱幅值与整车气动阻力系数正相关，这表明可以通过降低压力脉动幅值，减少整车气动阻力，从而为优化轮辐结构奠定了理论基础。 考虑到车轮气动特性与整车气动特性相互独立，以降低单个车轮的气动阻力为优化目标，选取单个轮辐孔大圆弧对应的圆周角α，小圆弧半径R1，大圆弧半径R2，与小圆弧相切的边L1和L2为设计变量，综合运用最优超拉丁立方设计、Kriging近似模型以及ASA优化算法对轮辐进行优化，获得了最优轮辐开孔形状。对比分析优化前后车轮流场，发现优化后的车轮前缘两侧流动分离减弱，同时带动更多气流进入车轮尾迹区，使车轮空气阻力系数降低了5.7%，提高了车轮的气动性能。将优化后的车轮应用于整车，结果表明：车轮区域的压力脉动降低，同时车轮附近涡量有明显下降，最终整车实现了4.7%的减阻效果，其中前轮的减阻率为16.7%，后轮减阻率达17.1%。 |
| 作者： | 陈青云 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 周海超 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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