瞬态动摆角超车气动特性研究

发布时间：2017-10-09 08:29

  本文关键词：瞬态动摆角超车气动特性研究

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【摘要】：随着汽车保有量的增加,高速路网的日益密集和生活节奏的加快,高速公路上弯道加速和超车现象成为高速驾驶的常态。车速的提升使得车身气动力将增加,车辆间气动干扰加剧,高速行驶操控复杂性增加,同时车身之间气流扰动引起的气动力将导致车辆发生横摆和侧移,增加了高速驾驶心理恐慌,这些因素增加了高速行车的危险性。由于超车属于特殊行车工况,尤其是常见的弯道超车和变道超车过程中车身运动轨迹与车头摆角随时间变化而变化,即所谓“动摆角过程”,现有风洞条件无法实验测试这些工况下的气动力参数,同时基于有限体积法的离散方法限制,数值计算方法也无法准确模拟这些真实行车工况。近年来,基于分子动理论的格子Boltzmann方法得到迅速发展,因不受空间离散时网格约束,为变道超车和弯道超车模拟计算提供了仿真条件。对此,本文首先应用格子Boltzmann方法开展了直道超车工况仿真计算,并与试验数据和前人研究结论进行校验,证明了该方法的稳定性和可靠性。在此基础上分别对动摆角变道超车和弯道超车两种工况进行了气动特性仿真分析,研究了超车时气动力的变化趋势和超车危险区域,构建了实车多体动力学模型,探讨了两种真实工况下超车时气动侧力对汽车操纵稳定性的影响,并提出了车身造型优化和附加装置改进措施,优化了高速行车中的气动特性。具体研究内容如下:1.研究了当前国内外汽车气动特性对汽车操纵稳定性影响的研究现状,明确了本文研究的目的、意义,拟定了研究内容和技术路线。2.阐述了格子Boltzmann方法的基本原理和理论方程、边界处理格式、格子模型及嵌入不同湍流模型的格子Boltzmann方法,结合动摆角变道超车基本特征,确定了边界条件和仿真方案。3.根据仿真方案进行了基于格子Boltzmann法的某实车模气动阻力计算,对比风洞试验,误差为0.827%,验证了方法的准确性。在此基础上,计算了直道超车工况,结果与前人研究结果吻合,说明了该方法的稳定性。4.根据超车过程中车身实际运动状态,设计动摆角变道超车、弯道超车时行驶轨迹,分别对动摆角变道超车和弯道超车进行模拟仿真,得到了两种工况下的气动侧力变化曲线规律:结果表明在变道超车和弯道超车过程中,侧向力系数成类余弦曲线变化,两种工况下,轿车超越大型车辆时,轿车所受侧力系数在距长比系数D/L=0和3.5处附近出现负向峰值,且变道超车时轿车侧力系数要大于弯道超车,最大峰值达到-0.285。5.针对变道超车的特殊性,构建了轿车实车多体动力学模型,研究了变道超车时的气动侧力对汽车操纵稳定性影响,对比不考虑气动侧力影响,计及气动侧力时的变道超车汽车行驶轨迹发生侧向偏移,最大偏移量为180.195mm;若转向回正操作滞后0.25s,则侧偏将达到1520.0637mm。6.在此基础上,开展了车身造型优化和附加装置优化改进,使得原车型超车危险区侧向力系数峰值降低31.25%,超车时车身侧向偏移量减小8.35%。
【关键词】：格子Boltzmann方法 动摆角变道超车 气动侧力 操纵稳定性
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究意义及背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 超车风洞试验研究现状14-16
• 1.2.2 超车数值仿真研究现状16-18
• 1.3 本文研究内容18-19
• 1.4 课题来源19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 格子Boltzmann方法的基本理论20-35
• 2.1 格子Boltzmann方程及模型20-26
• 2.1.1 格子Boltzmann方程20-22
• 2.1.2 平衡分布函数22-24
• 2.1.3 基本格子模型24-26
• 2.2 基本边界处理26-29
• 2.2.1 周期边界处理格式27
• 2.2.2 对称边界处理格式27-28
• 2.2.3 反弹格式28-29
• 2.2.4 其他常用格式29
• 2.3 高雷诺数模型29-33
• 2.3.1 多松弛模型30-31
• 2.3.2 嵌入RNG k-ε 湍流模型31-32
• 2.3.3 MRT-LBM-WALE方法32-33
• 2.4 求解基本流程33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 MRT-LBM-WALE方法计算精度研究35-55
• 3.1 粒子密度对计算精度影响35-39
• 3.1.1 远场粒子密度35-36
• 3.1.2 近壁面粒子密度36-37
• 3.1.3 动态尾涡粒子37-38
• 3.1.4 涡街滤值38-39
• 3.2 粒子分布试验设计39-45
• 3.2.1 试验设计流程39-41
• 3.2.2 粒子分布正交试验41-43
• 3.2.3 试验结果及分析43-45
• 3.3 实车外流场数值模拟45-50
• 3.3.1 模型介绍45-46
• 3.3.2 数值计算及设置46-47
• 3.3.3 风洞试验47-48
• 3.3.4 计算结果分析及对比48-50
• 3.4 直道超车50-54
• 3.4.1 模型的选择50
• 3.4.2 边界条件及粒子设置50-51
• 3.4.3 计算结果分析51-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 瞬态动摆角超车侧向气动特性研究55-77
• 4.1 动摆角变道超车研究55-59
• 4.1.1 超车路径设置55-56
• 4.1.2 超车模型及边界条件56-57
• 4.1.3 计算结果及分析57-59
• 4.2 变道超车侧向气动特性分析59-68
• 4.2.1 模型的选择及路径规划60-61
• 4.2.2 边界条件设置61-62
• 4.2.3 计算结果与分析62-68
• 4.3 弯道超车侧向气动特性分析68-75
• 4.3.1 道路模型规划68-69
• 4.3.2 边界条件设置69-70
• 4.3.3 计算结果与分析70-75
• 4.4 本章小结75-77
• 第五章 超车气动稳定性优化研究77-94
• 5.1 整车多体动力学模型建立77-82
• 5.1.1 多体动力学简介77-78
• 5.1.2 整车建模思路78-79
• 5.1.3 整车模型建立79-82
• 5.2 超车气动稳定性分析82-85
• 5.2.1 超车危险区域界定82-83
• 5.2.2 超车危险区行车气动稳定性分析83-85
• 5.3 计及超车气动稳定性的车身优化85-93
• 5.3.1 车身优化设计85-91
• 5.3.2 优化结果91-93
• 5.4 本章小结93-94
• 结语94-96
• 全文总结94-95
• 创新点95
• 展望95-96
• 参考文献96-101
• 攻读学位期间主要的研究成果101-102
• 致谢102

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本文编号：999173