变异弧形随行波表面气动减阻特性研究

发布时间：2016-05-18 05:30

第一章绪论

降低能量损耗的一个重要前提是找到引起能量损耗的因素，只有从引起能量损耗的源头上进行改善，才能从根本上解决问题。汽车是现代社会的主要交通工具之一，又是重要的能源消耗产品，保有量不断增大的形车每年都消耗掉相当可观的不可再生能源，由此可见，节省汽车燃油对缓解能源危机有着重要的意义。汽车消耗的能量主要是用来克服行驶时的曲为，而空气阻力是汽车行驶阻为的重要组成部分。研究表明，汽车的气动阻力减低10％时，其相对应的燃油量降低7％左右；当汽车行驶速度增大时，其气动阻力迅速增大，在80ｋｍ／ｈ时，克服气动阻为消耗的功率约占总功率的60％，，而当汽车行驶速度上升到150ｋｍ／ｈ时，气动阻为是滚动阻为的两到互倍。汽车的气动阻为与汽车的外形和表面结构息息相关，目前汽车工程师主要是通过改善汽车的整体外形流线性或加装导流装置等方法来降低汽车的气动阻为系数，经过几十年的发展，在这两方面的研究臣经趋于成熟，减少气动阻力的空间比较有限，想再有大的突破邑经十分困难，使得低风阻系数车身的研究进入了一个瓶颈期。
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第二章变异弧形随行波表面模型的构建

2.1仿生学基础

仿生学是一口学科交叉性很强的边缘科学，它涉及到数学、物理、生物学和工程设计学等众多学科。在过去的几十年中，仿生学取得非常快速的发展，国内外大批专家学者都进行了相关研究，并取得了很多重要的科研成果。近几年来，仿生非光滑表面减阻降她特性研究这一仿生学的分支成为了国形外学者的研究热点。现在仿生学己经广度应用于各相关领域，并为人类社会做出来不可估量的贡献，比如利用超声波来察觉障碍物的特点来发明的雷达，根据苍蜡的结构设计出的360度全景相机，根据萤火虫发化的特点制造出的人工冷光等等。

2.2仿生非光滑结构的提取

目前关于非光滑结构方面的研究己经到了一个瓶颈期，现有的非光滑结构在实现功能目标方面很难有更突出的效果。因此要想在仿生非光滑研究领域取得新的突破，就需要设计出新的非光滑结构，为此就需要寻求新的仿生原型。本文作者在寻找新的仿生原型过程，通过对沙漠地表及戈壁地表进行了观察和研究，发现沙漠地表在长期的风蚀作用下，形成了一种类似于波纹状的结构，如图2-4形示。这种波紋状结构是垂直于来流方向的，或者说是沿着风的吹动方向排布的，所以称之为随行波。沙漠表面的随行波结构地貌是在自然条件下形成的，根据自然发展演变规则，说明该结构具有某些恃殊的功能，比如说某种程度上有利于空气的流动。本课题的研究目标是没计具有气动减阻效果的表面并挖掘其气动减阻机理。沙漠表面的随行波结构有利于空气的流动，从另一个角度看，化就是空气流过随行波表面时具有更小的流动阻为，这与本课题的目标功能相符合，所以该结构是一个合适的仿生原型。

第三章变异孤形随行波表面气动减阻特性数值模拟方法..........25

3.1计算流体动力学概述........25
3.2流体为学的基本知识......27
3.3计算域的确定.........30
3.4数值模拟仿真体系的构建.......31
3.5网格划分.........32
3.6数值模拟求解方案........36
3.7数值模拟可行性验证.......40
3.8本章小结...........42
第四章变异孤形随行波表面气动减阻特性分析.....44
4.1基于变异弧形随行波形状的减阻特性分析.....44
4.2基于随行波排布间距的减阻特性分析.......54
4.3基于形状和排布间距交互作用的分析................58
4.4基于来流速度的减阻持性分析........50
4.5本章小结...........61
第五章变异弧形随行波表面的减租机理....62
5.1壁面剪应力分析.....62
5.2速度场分析....63
5.3湍流统计量分析..67
5.4本章小结........69

第五章变异弧形随行波表面的减阻机理

5.1壁面剪应力分析

图5-3中，可以将变异弧形随行波表面分成王个部分：上游光滑部分、中间非光滑部分和下游光滑部分。对比光滑表面的壁面剪应力云困和变异弧形随行波非表面的壁面剪应力宏图，可看出，在上游光滑部分，两者的大小和变化规律基本一致，都是沿着流速方向逐渐减小，这是由于随着沿着流速方向边界屆逐渐变厚引起了速度梯度的减缓，导致了壁面剪应为的降低；在中间非光滑部分，随行波内部的壁面剪应为迅速减小，虽然壁面剪应力在随行波之间的表面上出现局部的增大，但是增大并不形显且范围较小，总体来说，该部分的壁面摩擦力还是小于所对应的非光滑表面的壁面摩擦为；在下游光滑部分，由于受前面随行波结构的影响，壁面剪应为的大小呈条纹状变化，相较于对应的光滑表面来说，该部分的壁面摩擦力总体变化不明显。综上，变异弧形随行波结构通过降低自身形部的壁面剪应力来碱小了非光滑表面的壁面摩擦力。

5.2速度厂场分析

速度场是由毎一时刻、每一点上速度大小及其方向组成的物理场，通过速度场能够直观地观察到流场中某一时刻的速度分布特点。本节利用CFD数值模拟软件后处理模块得到的流场的速度云图和速度矢量图，对变异弧形随行波非光滑表面附近的气流场进行分析。为了便于对比分析，提取速度云图和速度矢量图的截面为气流场沿来流方向的中截面，如图5-3所示。

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第六章总维与展望

6.1本文总结

为了研究随行波形状对减化效果的影响，其中宽形比为随行波单元宽度尺寸和深度尺寸之比。试验结果表明，对减阻效果影响最明显的是深度，在特定的尺寸范围形，减阻率随形度的増大而增大；其次为偏比，减脏李随偏Ａ比的增大先增加后减小，在0.5左右时取得最大值；宽深比对减阻效果的影响最不明显，减阻率随宽深妃的增大先增加后减小，在宽形比为5左右时碱阻率最大；结合正交试验结果的方差分析可以认为，深度在变异弧形随行波对减阻效果的影响上面起着决定性的作用。针对随行波的排布间距对减胜效果的影响设计了单因素试验，试验结果表明，减阻率随着排布间距的增大而减小，且减小的程度随着排布间距的增大有所减缓。根据正交试验的分析结果，以深度作为随行波单元的形状参数，设计深度和排布间距的交互试验，研究形状和排布间距的交互作用对减阻效果的影响。试验结果分析得到，当形状和排布间距都取最佳值时，减阻率最大；变异弧形随行波越深，减阻效果受其排布间距的影响越明显；变异弧形随行波排布间距越小，减阻率受其深度的影响越大。

6.2本文特色与创新点

（1）本文提出了一种新型的非光滑结构，与现有的非光滑结构相比，该结构能够更显著地降低表面摩擦脏为；（2）以往针对非光滑表面减脏特性的研究多忽略形状与排布间距之间的交互作用，本文通过交互试验研究，得出了变异弧形随行波形状及其排布间距之间的交互作用对减脏效果的影响；（3）通过对变异弧形随行波表面近壁区气流场的分析，揭示了其减阻化理，为后续的王程应用提供一定的指导；（4）采用ANSYS Workbench协调仿真平台进行CFD数值樸拟，提高了试验效率。

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参考文献（略）

本文编号：46349