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原文传递汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究

论文题名：	汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究
关键词：	汽车;外流场;湍流模型;数值仿真;新概念车;气动特性;风洞试验
摘要：	汽车的气动特性对汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性等等有着极其重要的影响，例如：汽车在高速行驶时，整车气动阻力与速度的平方成正比，而风阻系数的减少则可大大降低汽车的油耗，提高汽车的经济性；另外，汽车在高速状态下的侧风稳定性则是对汽车安全性的重要指标之一。而汽车外流场的流动尤其是尾部大范围的分离和湍流流动对汽车气动性能至关重要，所以，如何应用准确的湍流运动物理数学模型，对汽车外流场的气动特性进行深入分析已成为当前汽车空气动力学数值仿真研究领域面临的重点和难点之一。传统的汽车外流场数值仿真所应用的湍流模型大都是基于“通常”条件推导而成，而汽车外流场有着其独特的流动特性，因此本文认为需要在对汽车外流场的近壁特性进行深入分析的基础上，建立更为适用汽车外流场的湍流模型。从理论方面，本文运用张量表示理论、近壁特性分析和低雷诺数修正的方法，通过对机理完善的雷诺应力方程进行简化，建立了全应力湍流模型；从计算方面，本文在理论模型的基础上对新概念车和典型汽车气动特性进行数值仿真，获得升阻力系数、压力系数以及外流场的各种仿真结果；从试验方面，本文运用粒子图像速度场仪（PIV）、风洞试验的手段对新概念车的外流场特性进行了深入的研究，并验证了数值计算的结果。本论文的主要创新点和研究工作包括： 1、综述国内外汽车外流场数值仿真的研究现状和发展动态。首次针对汽车车身外流场的特点提出建立低雷诺数非线性涡粘性湍流模型的思路。基于雷诺应力输运方程进行简化，推导出包含原始精确模型机理的显式代数应力模型（其实际体现为非线性涡粘性模型）；然后应用近壁特性分析方法，对非线性涡粘性模型进行低雷诺数修正，保证雷诺正应力和剪切应力在近壁处都能够得到体现；最后综合ω-k 方程和ε-k 方程及低雷诺数非线性涡粘性模型形成完整的双方程框架下低雷诺数非线性湍流模型，简称全应力输运模型(Whole Stress TransportModel--WST)。 2、全应力湍流模型相对当今汽车工程界常用的ε-k 等线性涡粘性湍流模型包含有更完整的低雷诺数雷诺应力模型的机理，其综合了ω-k 模型和ε-k 模型的优点，既克服了ε-k 模型在附面层内由于涡粘性系数各项同性导致的分辨率低的缺点，可以反应近壁区雷诺应力的各向异性，从而具有附面层内的高分辨率；又避免了ω-k 方程在附面层外不易捕捉大范围分离流动的缺点，使得在数值仿真中湍流现象的模拟在各个区域都有相对正确的体现；并且由于不用计算雷诺应力的六个方程，所以相对雷诺应力模型的计算量大大减小，适合于汽车外流场的数值模拟计算。 3、本文建立的全应力湍流模型参考了F.R.Menter 的SST（剪切应力输运模型）的思想，但是有两点重大改进：首先，全应力模型不但考虑了雷诺剪切应力的在近壁处的影响，同时也兼顾了正应力的影响；其次全应力模型不必在近壁区和远壁面区之间依靠经验公式来进行涡粘性系数的选择，在计算中过渡更为平顺。 4、本文对大量算例进行了计算，从不同角度对本文发展的湍流模型进行验证。尤其针对AHMED 模型，本文对其壁面上的速度矢量分布、尾部纵对称面上的湍流形态等运用各种湍流模型进行模拟和比较。总体上，本文湍流模型模拟结果要优于现有的同类模型，并且与实验现象非常吻合。 5、本文首次对菱形新概念车车体进行数值仿真，通过深入分析新概念车车身的低阻气动特性及其与典型汽车之间的差异，为今后具有良好气动特性的车身设计提供参考思路。本文独创性的运用了多种分析方法来揭示新概念车拥有低阻性能的根本原因：通过汽车尾部不同位置横截面上的速度矢量分布来表征汽车尾部横向涡旋的发展；由汽车尾部不同位置横截面上的湍动能分布来表征尾部不同位置上湍流的强度，从而弥补了速度矢量分布在方向性上的缺陷，最后通过空间三维流线的分布进一步体现汽车尾部气流的走向。在对汽车外流场的数值仿真中，本文考虑到了汽车轮胎和地面的接触部分、轮胎的转动效应以及地面效应的存在。 6、本文在汽车模型风洞试验中，对雷诺数和地板附面层的影响进行了详细的研究，通过了解其机理来避免各种试验因素对最终试验结果的影响。首次针对典型车型车模和新概念车车模进行深入细致的对比风洞实验，并通过实验数据的整理分析研究了不同侧滑角下典型汽车和新概念车的气动特性差异以及扰流板的安装对新概念车气动特性的优化效应。
作者：	吴军
专业：	车辆工程
导师：	钟志华;谷正气
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文