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原文传递基于仿生特征的MIRA模型气动减阻研究

论文题名：	基于仿生特征的MIRA模型气动减阻研究
关键词：	汽车车身;气动减阻;仿生非光滑表面;涡结构;气动阻力;参数优化
摘要：	环境污染日益严重，频繁出现的极端气候已经严重影响到了人们的生活。我国为了改善环境质量，避免极端天气再次出现，我国制定了碳中和目标。减少汽车燃油消耗是减少碳排放有效的途径之一，而行驶阻力是影响燃油消耗的重要因素，所以减小汽车的行驶阻力成为保护环境行之有效的办法，这也将成为未来汽车行业研究发展的主要方向。仿生非光滑减阻技术凭借其成本低、实施难度小、减阻效果显著等优势，从众多减阻技术中脱颖而出，并广泛应用在航空航天、航海运输、医用设备、体育运动竞赛等多个领域。因此，将仿生非光滑表面运用在汽车上，不仅可以减少能源消耗，有效保护环境，还可以为攻克当前减阻技术的瓶颈提供有效的技术指导。　　本文旨在探讨仿生非平滑表面的应用前景，以减阻理论为基础，结合实际应用，确定了五种不同形态的仿生非平滑表面，并对其进行了非光滑状态下的MIRA模型仿真研究，以确定非光滑单元体最佳的减阻布置部位和形状，最终获得了良好的减阻效果。之后根据对非光滑表面的高度、宽度和布置间距三个因素的分析，采用优化算法进行优化，以确定最优的减阻方案。　　第一部分中，详细介绍了CFD（ComputationalFluidDynamics）数值模拟的方法，并提出了一种获得高质量网格的仿真方案，之后设定了相应的边界条件。通过仿真实验得到的仿真值与风洞实验的实验值误差在5%之内，达到了工程应用的误差要求，验证了这一网格方案的正确性，并确保了后续实验的一致性和准确性。　　第二部分中，采用正交试验法选取了25组样本点并进行仿真，通过分析仿真得到的数据对后续的优化工作打下基础。主要是对仿生非光滑表面的布置位置、形状、高度、宽度、间距五个因素进行了正交试验采样，选取了25个样本点，并进行了仿真，在对仿真后的数据分析中，在所选取的范围内，得出了减阻效果最佳的非光滑单元体的布置位置、形状以及非光滑单元体三个结构参数的取值范围，为后续的优化打下基础。　　第三部分中，主要探讨了仿生非光滑单元体对汽车外流场的影响程度，包括仿生非光滑单元体如何影响汽车的压差阻力和摩擦阻力。此外，本文还对每种形状的非光滑表面模型进行了详细的分析，并解释了阻力减小的原因。着重探讨了不同形态的非光滑单元体对湍流状态、涡量、涡结构变化的影响以及非光滑单元体周围流场的变化，包括阐述各个形态非光滑单元体的减阻原理。　　第四部分中，将第二部分中通过数据分析所得的数据进行参数优化，并分析优化模型的减阻性能。主要是对前面通过正交试验选取的样本点的仿真结果进行分析，确定了所选取范围内减阻率最佳的非光滑单元体布置位置、形状以及单元体结构参数的取值范围，之后在三个结构参数取值范围内再次取样进行仿真，对仿真结果在Isight优化软件中使用Pointer优化算法进行了全局寻优，找到了最优解的参数组合，将减阻率提高到4.82%，并分析了优化模型的减阻性能。　　本文采用正交试验法，获取了减阻效果最好的非光滑表面的布置位置和形状，并对其引起的阻力变化的原理进行了深入分析，最终通过小范围的优化拉丁超立方采样和优化算法，提出了更有效的减阻方案，将减阻率提高到了4.82%，为仿生非光滑单元体在汽车上的工程应用提供了可靠的理论依据。
作者：	张荣杰
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：	2023