基于VOF的汽车涉水及车身表面水相分布的数值模拟研究

发布时间：2017-09-14 14:56

  本文关键词：基于VOF的汽车涉水及车身表面水相分布的数值模拟研究

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【摘要】：伴随着城市居民人均消费水平的提高,汽车已经不再是望而却步的奢侈品,许多家庭都已经进入“二车”时代。这种潮流也使得用户对汽车的质量要求越来越高,并且人人都梦想拥有一辆功能强大、美观好看的“可移动式家具”。所以,为了使客户拥有一个愉悦的驾乘体验,汽车表面的整洁度、舒适度问题逐渐被工程师们关注起来。因此,研究汽车涉水时车轮溅起的水花在车身侧面上的污染区域分布是汽车研发的过程中关键的一个环节,具有举足轻重的意义。在计算流体力学相关研究中,通常采用理论分析、数值仿真、实验验证三种方法。与理论和实验研究相比,数值仿真具有方便快捷、时效强的优势,可以模拟各种特殊工况,通过分析相分布云图、速度矢量云图、压力云图来分析流场的结构、不同相界面来分析污染趋势。本文将传统计算流体力学方法和多相流理论相结合,探索出一种研究汽车涉水时车轮溅起的水滴在车身表面附着区域面积大小的数值仿真方法。先用2D溃坝模型对方法予以验证,然后建立不同轮辐辐板结构和不同胎面花纹形状的轮胎,选择非稳态Realizable k-ε模型作为湍流模型,使用流体体积法(VOF)来捕捉相界面的分布及运动趋势。并用图形处理软件对水相像素面积进行计算,经过多次实验对比,验证了所采用的数值仿真方法的准确性,为本文后续的科研工作奠定了良好的基础.有了衡量污染程度的量化指标之后,通过对比不同模型的PHASE云图及轮胎后部流线图可知:带有辐板结构的车辆涉水时水相在壁面的附着面积比较小,并且辐板的开孔数目越少其涉水性能越优越,水相在车身壁面上附着的概率就越小。同时,开孔面积越大,轮胎后面的气流越紊乱,水相的运动状态就越不规则,容易在车身表面附着。最后,针对汽车涉水行驶时的现实环境条件,本文提出了一种改善车轮溅水影响的方案。采用科学有效的方法对汽车挡泥板结构进行优化:以挡泥板尺寸为输入、车身侧面水相附着面积为响应,运用Isight搭建优化平台,通过建立Kriging近似代理模型来实现气动附件的优化设计。并对寻优结果用传统的计算流体力学方法予以验证,证实了近似代理模型的可信度及优化思路的准确性。为后续相关研究奠定了夯实的理论基础。本文将传统计算流体力学方法和多相流理论相结合,确定了一套基于有限体积法、非稳态Realizable k-ε湍流模型、流体体积法的分析汽车涉水时车轮溅起的水花在车身侧面上的污染分布的研究方案。分析和揭示了不同辐板结构、胎面花纹对汽车溅水的影响。并从空气动力学的角度提出了减少车身表面水相分布的降污方案,为汽车外流场分析、多相流的研究做出了贡献,并对汽车研发过程中气动附件的设计提供了理论支持,具有一定的指导意义。
【关键词】：计算流体力学 汽车空气动力学 多相流理论 近似代理模型 优化设计
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.1.1 汽车空气动力学12-13
• 1.1.2 研究汽车涉水污染的意义13-14
• 1.2 汽车轮胎花纹的功用及其特点14-16
• 1.3 汽车车轮轮辐16-17
• 1.3.1 辐板式轮辐16
• 1.3.2 辐条式轮辐16-17
• 1.4 国内外研究现状17-20
• 1.5 汽车水污染其他实验研究方法20-21
• 1.6 本文研究内容21-22
• 1.7 本章小结22-24
• 第2章 计算流体力学的相关方法与模型24-34
• 2.1 计算流体力学概述24
• 2.2 基本控制方程24-25
• 2.2.1 质量守恒方程24
• 2.2.2 动量守恒方程24-25
• 2.2.3 能量守恒方程25
• 2.3 湍流数值模拟方法25-29
• 2.3.1 标准k-方程26-27
• 2.3.2 Realizable k- 模型27-28
• 2.3.3 标准 ? 方程28-29
• 2.3.4 SST ? 方程29
• 2.4 多相流相关定义与数值模拟29-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 基于VOF方法研究车辆涉水时车身表面水相分布面积34-54
• 3.1 溃坝模型仿真验证34-36
• 3.2 车轮轮辐结构对汽车溅水的影响36-48
• 3.2.1 本文研究中使用的模型36-38
• 3.2.2 计算域及网格策略38-41
• 3.2.3 数值仿真边界条件41
• 3.2.4 仿真结果分析41-48
• 3.3 车轮花纹结构对汽车溅水的影响48-52
• 3.3.1 本文研究中使用的模型48-49
• 3.3.2 数值仿真边界条件49-50
• 3.3.3 仿真结果分析50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 基于Kriging模型的改型式MIRA汽车挡泥板优化设计54-72
• 4.1 试验设计与近似代理模型方法54-55
• 4.2 改型MIRA模型挡泥板优化设计55-70
• 4.2.1 CAD模型建立56-58
• 4.2.2 试验设计与评价指标58
• 4.2.3 DOE试验设计与仿真计算58-63
• 4.2.4 Kriging近似模型的建立与寻优算法选择63-65
• 4.2.5 寻优计算域数值验证65-67
• 4.2.6 优化结果分析67-70
• 4.3 本章小结70-72
• 第5章 总结与展望72-74
• 5.1 全文总结72-73
• 5.2 研究展望73-74
• 参考文献74-78
• 作者简介和科研成果78-79
• 致谢79

【参考文献】

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本文编号：850638