不同车型车身非光滑表面的气动减阻特性研究与优化

发布时间：2020-04-28 00:44

【摘要】：随着高速公路系统的加快建设和普及,汽车的平均速度越来越高,导致气动阻力的影响变得更加显著,而由此所引起的汽车能耗的不断增加也受到越来越多的关注。有关研究表明,汽车气动阻力的大小和行驶速度的平方大致成正比关系,且气动阻力每降低10%,则可以省油4%左右。因此,减小气动阻力可以明显节约汽车的油耗改善其燃油经济性,是实现汽车节能减排的重要举措。随着对汽车空气动力学研究的不断深入,传统的车身气动减阻措施已经发展得相对成熟并遇到了技术瓶颈,亟需寻找新型的气动减阻思路与方法。研究发现,自然界中许多生物的非光滑体表结构往往具有十分显著的减阻作用,受此启发,本文在汽车车身上引入非光滑结构进行研究,以达到减小汽车气动阻力的目的。本文利用CFD数值仿真计算方法,并结合风洞试验验证,选取凹坑非光滑表面为研究对象,分别将其布置在Ahmed客车模型、GTS货车模型和阶梯背MIRA轿车模型等不同车型的顶部、尾部和底部,通过数值仿真计算研究非光滑表面布置位置对不同车型气动减阻效果的影响。接着通过对比光滑与尾部非光滑模型的尾流结构、速度、壁面剪应力、压力和湍动能等关键流场参数,进一步分析了非光滑表面对不同车型外流场的影响,并根据流场参数的对比结果,从压差阻力与摩擦阻力的减小机理出发,简要阐述了尾部非光滑表面的减阻机理。然后采用基于近似模型的优化方法,对非光滑表面进行优化设计,从而获得各参数的最佳组合以使减阻效果达到最优。优化结果表明,对于Ahmed模型与GTS模型,优化后非光滑表面的最大减阻率分别可达4.69%和5.18%。最后,通过对比分析这两种非光滑模型优化前后的速度、压力和湍动能等典型外流场参数,进一步直观地显示了本优化方法的可行性和优化结果的可靠性。本文探讨了凹坑非光滑结构的布置位置对不同汽车模型气动减阻效果的影响,简要分析了非光滑结构的减阻机理,并采用多岛遗传算法(MIGA)对非光滑结构的主要几何尺寸进行了优化,且取得了较为显著的优化效果,从而为非光滑表面的参数设计和工程应用提供了方法参考与理论指导,同时也为客车、货车及轿车等不同车型汽车的气动减阻研究提供了一种新思路。
【图文】：

这种非光滑体表结构在某种程度上通常都具有减小粘性和降低阻力的功能。如蜣螂（图1.1）以及穿山甲（图 1.2）的体表上均布满了大量的非光滑结构，这些非光滑表面让它们能够在高粘性的土壤中行动自如而不会黏土[7]；鲨鱼是海里游得最快的动物之一，其皮肤表面布满了长有沟槽结构的盾鳞（图 1.3），这些独特的盾鳞能够改变鲨鱼周围产生的涡流从而减小其游动时的水流阻力；扇贝类水生动物外壳上的条纹状表面结构也有助于降低其游动阻力[8]；信鸽是一种飞行能力极强的鸟类，其羽毛表面呈现出特殊的非光滑形态，该非光滑羽毛表面能够帮助其有效降低高速飞行时的气流阻力[9]；荷叶（图 1.4）具有疏水性和自清洁功能，，这种特性是由其非光滑表面上的微小凸起结构和表面蜡质层共同作用的结果[10,11]。

图 1.1 蜣螂体表非光滑结构 图 1.2 穿山甲体表非光滑结构图 1.3 鲨鱼表皮微观结构 图 1.4 荷叶表面微观结构相关科研人员从这些自然现象中获得了启示，把各种非光滑结构应用于问题的减阻研究上，仿生非光滑减阻技术由此诞生。它巧妙地将仿生学想运用到减阻领域里来，扩大了仿生学应用的范畴，也为减阻技术的研新的方向。近年来，该减阻技术已经成为国内外减阻研究的热点问题，技术人员广泛运用到实际生活中去，且取得了较为显著的实际减阻效果尔夫球是非光滑表面减阻在实际应用中最为典型的一个例子，它的表面
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.82

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本文编号：2642846