基于LBM-les法改进与试验数据修正的汽车气动升力研究
发布时间：2021-05-15 05:36
当前,汽车高速行驶时的气动升力日益得到国内外的重视,当车速超过80km/h后,气动升力对行驶稳定性的影响已不容忽视。然而国际上气动升力的数值仿真精度尚不能达到工程应用要求,一方面汽车空气动力学适用的经典湍流模型相关经验系数,是基于单一扰流计算演绎推进而来,已能满足气动阻力工程需求,而气动升力对车身周围气流异常敏感,难以准确模拟;另一方面,通用的有限体积法,无法避免空间离散时的网格畸变,且经验式等厚附面层网格与实际车身附面层不符;能避免网格弊端的格子LBM-les法,其粒子拓扑关系和湍流模型制约着计算精度和效率;由于风洞试验中不可避免的存在模型安装姿态、车身底部与风洞地板的双附面层等干扰因素,气动升力难以测量准确。此外,由于车身风压中心难以确定,数值仿真和风洞试验中,前后两轴分项升力系数很难获得,因而在工程应用中无法有效的对气动升力进行优化控制。针对以上问题,本文从气动升力风洞试验数据修正和改进格子LBM-les数值计算方法入手,开展了如下具体的研究工作:1.开展了气动升力风洞试验数据修正研究。研究了汽车模型安装姿态、车身底部和风洞地板附面层对气动升力测量影响规律,探明了车轮离地间隙和地...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 汽车气动升力概述
1.2.1 汽车气动升力的定义与产生机理
1.2.2 汽车气动升力的研究方法
1.3 汽车气动升力国内外研究现状
1.3.1 汽车气动升力风洞试验研究
1.3.2 汽车气动升力的数值仿真研究
1.3.3 国内外研究总结
1.4 本文主要研究内容
第2章 汽车风洞试验气动升力数据修正研究
2.1 风洞试验条件
2.2 试验研究模型
2.3 气动升力风洞试验影响因素研究
2.3.1 试验方案
2.3.2 气动升力影响因素研究
2.4 气动升力风洞试验数据修正研究
2.4.1 车身离地高度的升力系数修正
2.4.2 地面附面层厚度的气动升力系数修正
2.5 多款车型气动升力试验
2.6 本章小结
第3章 格子LBM-LES汽车气动升力仿真计算
3.1 汽车扰流流动特性分析
3.2 汽车气动升力数值仿真精度主要影响因素研究
3.2.1 仿真几何模型
3.2.2 离散网格质量
3.2.3 湍流模型
3.3 格子LBM-LES法基本理论
3.3.1 格子LBM法的控制方程
3.3.2 格子LBM方程的速度和时空离散
3.3.3 边界处理
3.3.4 格子LBM法与湍流模型
3.4 格子LBM-LES法汽车气动升力仿真对比计算
3.4.1 有限体积法计算对比
3.4.2 格子LBM-les法计算对比
3.5 格子LBM-LES法仿真计算问题分析
3.6 本章小结
第4章 格子LBM-LES法粒子拓扑结构研究
4.1 格子LBM-LES法空间离散与计算精度关系
4.2 格子LBM-LES法粒子拓扑结构
4.2.1 粒子拓扑结构的概念
4.2.2 远场粒子尺度
4.2.3 近壁面粒子尺度
4.2.4 粒子细化过渡长度
4.2.5 涡结动态粒子分布密度加密阈值尺度
4.3 粒子拓扑结构试验设计与普适性准则研究
4.3.1 试验设计理论
4.3.2 格子LBM-les法圆柱扰流仿真计算
4.3.3 粒子分布正交试验研究
4.3.4 试验结果分析
4.3.5 格子LBM-les法粒子拓扑结构的普适性准则研究
4.4 格子LBM-LES法最佳粒子拓扑结构与验证
4.4.1 圆柱扰流计算验证
4.4.2 轿车模型模型计算验证
4.5 本章小结
第5章 格子LBM-LES法湍流模型改进研究
5.1 湍流模型改进研究方法
5.2 格子LBM-LES法亚格子模型模拟选择
5.2.1 模拟计算对比条件
5.2.2 计算资源消耗结果与分析
5.2.3 流场与气动力计算结果与分析
5.2.4 表面压力计算结果与分析
5.2.5 对比结论综合分析
5.3 湍流模型改进优化
5.3.1 湍流模型改进理论基础
5.3.2 优化策略
5.3.3 寻优问题数学模型与试验设计
5.3.4 优化过程与结果验证
5.5 本章小结
第6章 基于改进的LBM-LES法气动升力特性研究
6.1 汽车模型精细程度变化下的气动升力特性研究
6.1.1 仿真方案
6.1.2 气动力计算结果与升力系数功率谱分析
6.1.3 车身流场分析
6.1.4 压力分析
6.2 车轮旋转对气动升力的影响研究
6.2.1 仿真方案
6.2.2 气动力计算结果与功率谱分析
6.2.3 流场结构分析
6.3 车身姿态变化对气动升力的影响研究
6.3.1 仿真方案
6.3.2 计算结果与分析
6.4 本章小结
第7章 汽车车身气动升力控制方法与应用研究
7.1 汽车车身气动升力控制必要性
7.2 前后两轴气动升力系数求解方法研究
7.2.1 基于HD-2风洞测力结果的气动升力两轴分项系数求解方法
7.2.2 HD-2风洞结合CFD的两轴气动升力系数分项求解方法
7.2.3 某款轿车工程应用验证
7.3 某款轿车气动升力特性控制与优化研究
7.3.1 基于底部控制的气动升力控制
7.3.2 高速行驶防“发飘”前齿优化控制
7.4 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间发表的学术论文
附录B 攻读学位期间参与的科研项目
附录C 攻读学位期间所获的奖励及社会兼职
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LBM-LES方法风力机流场的数值模拟[J]. 邹森,刘勇,冯欢欢,赵广. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]车身俯仰运动对气动升力的影响[J]. 黄泰明,谷正气,陈阵,文琪,罗泽轩. 中国公路学报. 2017(01)
[3]汽车风洞地面效应模拟系统影响的研究[J]. 张英朝,詹大鹏,赵婧,张喆,李杰. 汽车工程. 2016(12)
[4]基于有限体积法的非结构网格大涡模拟离散方法研究[J]. 熊英,关晖,吴锤结. 应用数学和力学. 2016(11)
[5]不同亚格子模型的对比分析及其运用[J]. 俞建阳,王若玉,陈浮,宋彦萍. 工程热物理学报. 2016(11)
[6]高雷诺数湍流的熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟计算[J]. 刘强,谢伟,王妍. 上海交通大学学报. 2016(08)
[7]基于改进大涡模拟模型的风荷载验证[J]. 娄伶伶,吴玖荣. 广州大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]混合湍流模型的参数优化与分析[J]. 吴钦,王国玉,黄彪. 船舶力学. 2016(07)
[9]某SUV车底气动附件的仿真与试验研究[J]. 郭军朝,史建鹏,陈赣,朱永胜,陈世旺. 汽车工程. 2016(04)
[10]基于遗传算法的某汽车外形空气动力学优化[J]. 赖晨光,陈小雄,文凯平,陆茂桂. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(04)
博士论文
[1]低雷诺数下附面层分离的抽吸控制及优化[D]. 张旺龙.南京理工大学 2014
[2]汽车气动升力及其对直线行驶能力影响的研究[D]. 宋昕.湖南大学 2012
[3]汽车风窗噪声及风振噪声的机理及控制方法研究[D]. 汪怡平.湖南大学 2011
[4]基于仿真与试验的汽车风洞修正研究[D]. 张英朝.吉林大学 2010
[5]特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究[D]. 李莉.山东大学 2010
[6]不可压多松弛格子Boltzmann方法的研究及其应用[D]. 杜睿.华中科技大学 2007
[7]汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D]. 吴军.湖南大学 2005
[8]铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究[D]. 周萍.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于MMC模型的稀疏拉格朗日模拟研究[D]. 韦微.中国科学技术大学 2015
[2]基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体以及两相流的研究[D]. 吴天.华东理工大学 2015
[3]轿车尾流三维瞬态特性的数值模拟研究[D]. 刘训.重庆理工大学 2014
[4]赛车外流场数值模拟及造型优化[D]. 万举晔.合肥工业大学 2014
[5]汽车气动升力的试验与仿真研究[D]. 徐永康.湖南大学 2014
[6]计及发动机舱和底部细节的轿车气动特性模拟[D]. 柳叶.重庆交通大学 2013
[7]HD-2汽车模型风洞试验数据影响因素分析及其优化[D]. 胡彭俊.湖南大学 2013
[8]基于不同湍流模型的汽车外流场数值模拟[D]. 贾志浩.郑州大学 2013
[9]低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[D]. 熊超强.华南理工大学 2012
[10]汽车模型风洞关键影响因素研究及数据后处理软件开发[D]. 张清林.湖南大学 2012
本文编号：3187054
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 汽车气动升力概述
1.2.1 汽车气动升力的定义与产生机理
1.2.2 汽车气动升力的研究方法
1.3 汽车气动升力国内外研究现状
1.3.1 汽车气动升力风洞试验研究
1.3.2 汽车气动升力的数值仿真研究
1.3.3 国内外研究总结
1.4 本文主要研究内容
第2章 汽车风洞试验气动升力数据修正研究
2.1 风洞试验条件
2.2 试验研究模型
2.3 气动升力风洞试验影响因素研究
2.3.1 试验方案
2.3.2 气动升力影响因素研究
2.4 气动升力风洞试验数据修正研究
2.4.1 车身离地高度的升力系数修正
2.4.2 地面附面层厚度的气动升力系数修正
2.5 多款车型气动升力试验
2.6 本章小结
第3章 格子LBM-LES汽车气动升力仿真计算
3.1 汽车扰流流动特性分析
3.2 汽车气动升力数值仿真精度主要影响因素研究
3.2.1 仿真几何模型
3.2.2 离散网格质量
3.2.3 湍流模型
3.3 格子LBM-LES法基本理论
3.3.1 格子LBM法的控制方程
3.3.2 格子LBM方程的速度和时空离散
3.3.3 边界处理
3.3.4 格子LBM法与湍流模型
3.4 格子LBM-LES法汽车气动升力仿真对比计算
3.4.1 有限体积法计算对比
3.4.2 格子LBM-les法计算对比
3.5 格子LBM-LES法仿真计算问题分析
3.6 本章小结
第4章 格子LBM-LES法粒子拓扑结构研究
4.1 格子LBM-LES法空间离散与计算精度关系
4.2 格子LBM-LES法粒子拓扑结构
4.2.1 粒子拓扑结构的概念
4.2.2 远场粒子尺度
4.2.3 近壁面粒子尺度
4.2.4 粒子细化过渡长度
4.2.5 涡结动态粒子分布密度加密阈值尺度
4.3 粒子拓扑结构试验设计与普适性准则研究
4.3.1 试验设计理论
4.3.2 格子LBM-les法圆柱扰流仿真计算
4.3.3 粒子分布正交试验研究
4.3.4 试验结果分析
4.3.5 格子LBM-les法粒子拓扑结构的普适性准则研究
4.4 格子LBM-LES法最佳粒子拓扑结构与验证
4.4.1 圆柱扰流计算验证
4.4.2 轿车模型模型计算验证
4.5 本章小结
第5章 格子LBM-LES法湍流模型改进研究
5.1 湍流模型改进研究方法
5.2 格子LBM-LES法亚格子模型模拟选择
5.2.1 模拟计算对比条件
5.2.2 计算资源消耗结果与分析
5.2.3 流场与气动力计算结果与分析
5.2.4 表面压力计算结果与分析
5.2.5 对比结论综合分析
5.3 湍流模型改进优化
5.3.1 湍流模型改进理论基础
5.3.2 优化策略
5.3.3 寻优问题数学模型与试验设计
5.3.4 优化过程与结果验证
5.5 本章小结
第6章 基于改进的LBM-LES法气动升力特性研究
6.1 汽车模型精细程度变化下的气动升力特性研究
6.1.1 仿真方案
6.1.2 气动力计算结果与升力系数功率谱分析
6.1.3 车身流场分析
6.1.4 压力分析
6.2 车轮旋转对气动升力的影响研究
6.2.1 仿真方案
6.2.2 气动力计算结果与功率谱分析
6.2.3 流场结构分析
6.3 车身姿态变化对气动升力的影响研究
6.3.1 仿真方案
6.3.2 计算结果与分析
6.4 本章小结
第7章 汽车车身气动升力控制方法与应用研究
7.1 汽车车身气动升力控制必要性
7.2 前后两轴气动升力系数求解方法研究
7.2.1 基于HD-2风洞测力结果的气动升力两轴分项系数求解方法
7.2.2 HD-2风洞结合CFD的两轴气动升力系数分项求解方法
7.2.3 某款轿车工程应用验证
7.3 某款轿车气动升力特性控制与优化研究
7.3.1 基于底部控制的气动升力控制
7.3.2 高速行驶防“发飘”前齿优化控制
7.4 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间发表的学术论文
附录B 攻读学位期间参与的科研项目
附录C 攻读学位期间所获的奖励及社会兼职
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LBM-LES方法风力机流场的数值模拟[J]. 邹森,刘勇,冯欢欢,赵广. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]车身俯仰运动对气动升力的影响[J]. 黄泰明,谷正气,陈阵,文琪,罗泽轩. 中国公路学报. 2017(01)
[3]汽车风洞地面效应模拟系统影响的研究[J]. 张英朝,詹大鹏,赵婧,张喆,李杰. 汽车工程. 2016(12)
[4]基于有限体积法的非结构网格大涡模拟离散方法研究[J]. 熊英,关晖,吴锤结. 应用数学和力学. 2016(11)
[5]不同亚格子模型的对比分析及其运用[J]. 俞建阳,王若玉,陈浮,宋彦萍. 工程热物理学报. 2016(11)
[6]高雷诺数湍流的熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟计算[J]. 刘强,谢伟,王妍. 上海交通大学学报. 2016(08)
[7]基于改进大涡模拟模型的风荷载验证[J]. 娄伶伶,吴玖荣. 广州大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]混合湍流模型的参数优化与分析[J]. 吴钦,王国玉,黄彪. 船舶力学. 2016(07)
[9]某SUV车底气动附件的仿真与试验研究[J]. 郭军朝,史建鹏,陈赣,朱永胜,陈世旺. 汽车工程. 2016(04)
[10]基于遗传算法的某汽车外形空气动力学优化[J]. 赖晨光,陈小雄,文凯平,陆茂桂. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(04)
博士论文
[1]低雷诺数下附面层分离的抽吸控制及优化[D]. 张旺龙.南京理工大学 2014
[2]汽车气动升力及其对直线行驶能力影响的研究[D]. 宋昕.湖南大学 2012
[3]汽车风窗噪声及风振噪声的机理及控制方法研究[D]. 汪怡平.湖南大学 2011
[4]基于仿真与试验的汽车风洞修正研究[D]. 张英朝.吉林大学 2010
[5]特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究[D]. 李莉.山东大学 2010
[6]不可压多松弛格子Boltzmann方法的研究及其应用[D]. 杜睿.华中科技大学 2007
[7]汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D]. 吴军.湖南大学 2005
[8]铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究[D]. 周萍.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于MMC模型的稀疏拉格朗日模拟研究[D]. 韦微.中国科学技术大学 2015
[2]基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体以及两相流的研究[D]. 吴天.华东理工大学 2015
[3]轿车尾流三维瞬态特性的数值模拟研究[D]. 刘训.重庆理工大学 2014
[4]赛车外流场数值模拟及造型优化[D]. 万举晔.合肥工业大学 2014
[5]汽车气动升力的试验与仿真研究[D]. 徐永康.湖南大学 2014
[6]计及发动机舱和底部细节的轿车气动特性模拟[D]. 柳叶.重庆交通大学 2013
[7]HD-2汽车模型风洞试验数据影响因素分析及其优化[D]. 胡彭俊.湖南大学 2013
[8]基于不同湍流模型的汽车外流场数值模拟[D]. 贾志浩.郑州大学 2013
[9]低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[D]. 熊超强.华南理工大学 2012
[10]汽车模型风洞关键影响因素研究及数据后处理软件开发[D]. 张清林.湖南大学 2012
本文编号：3187054
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