基于CFD的重型载货汽车气动特性研究及造型设计

发布时间：2017-03-17 15:02

  本文关键词：基于CFD的重型载货汽车气动特性研究及造型设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类物质需求的不断提高,重型载货汽车的问世,迅速受到人们的欢迎,使其迅速成为了高效、快速、便捷、精准的货物运输交通工具,被广泛运用于物流行业。但随着国际能源危机、大气污染和全球变暖等问题的日益加重,就对重型载货牵引车的设计提出了新的挑战。要求其不仅要具备强大的运输能力,同时还需尽量降低对能源的消耗。针对此问题,本论文从空气动力学的角度出发,对重型载货汽车的造型与其空气动力学性能的关系做了深入的研究与分析,并根据总结的规律设计了一款长头重卡车型,使其气动阻力系数CD值下降至0.329。本文的主要研究内容和特色如下:(1)针对空气动力学所涉及到的物理量进行了研究与探讨,研究了流体在各种不同条件下的运动状态与变化规律和气流作用于车身时所产生的气动力与气动力矩对整车的影响。同时详细分析了构成气动阻力的几大因素,以及其在总阻力中的所占比例。并通过研究CFD技术,对流体力学数值仿真模拟所涉及到的基础原理和基本解算方法进行了深入研究,为后期的研究、参数设定以及数值分析等工作奠定基础,拥有更完善的理论认知与技术掌握。(2)对美国能源部所颁布的标准参考重卡模型GCM进行了从模型选择、三维建模、网格划分、FLUENT仿真计算设置到数值比对分析的全面描述与研究,为后续的实验建立了统一的标准实验流程与数据参考。(3)通过分别对市场上所常见的四种重卡车型进行了气动几何模型的建立和CFD仿真实验,在经过对实验数据的分析比对后,证明了GCM型的重卡车型风阻系数最低,空气动力学性能最好。(4)在设计新的低风阻重型载货牵引车时,以GCM车型为造型参考,针对其风窗角度、车身曲面、货箱等容易产生湍流的区域做了进一步的修改与重新设计,使其风阻系数值CD从0.408下降至0.329。并从美学需求出发,完善了其几何气动模型,对其各部分车身立面以及车体细节部件进行了设计与造型工作,赋予其独有的产品外观与产品气质。综上所述,本文采用空气动力学的基本原理,利用CFD外流场数值分析技术对GCM模型以及现有重卡车型进行了验证及分析。在证明了GCM模型具有较低风阻系数的情况下,以此类车型为参考,设计出一款新的气动模型,并在证明其拥有更佳空气动力学性能后对其外观进行了更进一步的造型设计,完成了本次课题设计目标。对进一步降低重型载货汽车的气动阻力系数提高燃油经济性具有积极的意义。
【关键词】：重型载货汽车 CFD 空气动力学仿真 气动造型设计
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.2;U461.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景及意义12-14
• 1.1.1 研究背景12
• 1.1.2 研究意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 国外研究现状14-16
• 1.2.2 国内研究现状16
• 1.3 课题研究内容与方法16-20
• 1.3.1 研究内容16-17
• 1.3.2 研究方法17-20
• 第二章 重型载货汽车与空气动力学20-30
• 2.1 汽车空气动力学基本概念20-23
• 2.1.1 理想流体与粘性流体20-21
• 2.1.2 牛顿流体与非牛顿流体21-22
• 2.1.3 层流流动与湍流流动22-23
• 2.1.4 可压缩流体与不可压缩流体23
• 2.1.5 瞬态流动与定常流动23
• 2.2 外流场作用于重卡的气动力和气动力矩23-26
• 2.2.1 气动阻力与侧倾力矩24-25
• 2.2.2 气动升力及纵倾力矩25
• 2.2.3 侧向力及横摆力矩25-26
• 2.3 气动阻力的构成及影响26-28
• 2.3.1 形状阻力26
• 2.3.2 摩擦阻力26
• 2.3.3 诱导阻力26-27
• 2.3.4 干涉阻力27
• 2.3.5 内流阻力27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第三章 重卡外流场数值仿真模拟计算概述30-42
• 3.1 流体力学数值仿真模拟简介30-31
• 3.2 流体力学数值仿真的求解过程31-32
• 3.3 数值模拟的方法及分类32-33
• 3.3.1 有限单元法32-33
• 3.3.2 有限差分法33
• 3.3.3 有限体积法33
• 3.4 数值模拟理论基础33-35
• 3.4.1 质量守恒方程33-34
• 3.4.2 动量守恒方程34
• 3.4.3 能量守恒方程34-35
• 3.5 湍流的数值模拟方法35-38
• 3.5.1 直接模拟法36
• 3.5.2 大涡模拟法36
• 3.5.3 雷诺时均方程法36-38
• 3.6 近壁面处理函数38-40
• 3.7 数值计算的求解方法40-41
• 3.7.1 SIMPLE算法40-41
• 3.7.2 SIMPLEC算法41
• 3.7.3 PISO算法41
• 3.8 本章小结41-42
• 第四章 标准参考重卡气动几何模型的数值仿真验证42-52
• 4.1 标准参考模型的选择42-43
• 4.2 模型外流场数值模拟流程43-50
• 4.2.1 流体计算域的建立与合理性论证43-45
• 4.2.2 模型细节处理45-46
• 4.2.3 模型网格划分策略46-49
• 4.2.4 FLUENT计算设置49-50
• 4.3 数值模拟结果的对比与分析50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 四种重型载货牵引车的气动几何模型对比52-62
• 5.1 四种重型载货牵引车的基本形态52-53
• 5.2 四种重卡气动几何模型的建立及仿真53-57
• 5.2.1 长头重卡模型54
• 5.2.2 短头重卡模型54-55
• 5.2.3 平头重卡模型55-56
• 5.2.4 针对四种模型的数值仿真设置56-57
• 5.3 四组模型的仿真结果比对57-61
• 5.3.1 分析结果数据比对57-58
• 5.3.2 湍流动能云图对比58-59
• 5.3.3 速度矢量图对比59-61
• 5.4 本章小结61-62
• 第六章 重卡的空气动力学造型设计62-82
• 6.1 重卡气动几何模型的构建62-65
• 6.1.1 重卡形态特征提取62-63
• 6.1.2 构建气动几何模型63-65
• 6.2 对重卡气动几何模型的空气动力学性能分析65-68
• 6.3 针对重卡气动几何模型的细节造型设计68-77
• 6.3.1 车身正面造型设计69-70
• 6.3.2 车身侧面造型设计70-73
• 6.3.3 车身背部造型设计73-75
• 6.3.4 车灯细节设计75-77
• 6.4 整体造型渲染77-81
• 6.5 本章小结81-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 7.1 全文总结82-83
• 7.2 展望83-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-90
• 攻读学位期间发表的学术论文90

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本文编号：253030