基于CFD的汽车风洞收缩段设计及流场品质分析

论文摘要

近年来，随着我国汽车自主研发能力的提升，汽车空气动力学设计在整个汽车开发流程中越来越受到重视。汽车风洞试验作为汽车空气动力学研究的主要手段在新车型开发中的应用也越来越广泛。基于此背景，一批汽车风洞开始建造。然而，由风洞建造理论可知，风洞中的流场品质会直接影响到风洞试验测试结果的稳定性及准确性。因此，保证优良的流场品质是风洞设计建造过程中始终要考虑的问题。以往的做法通常是在风洞设计阶段进行基于经验的工程估算，这种方法往往会存在较大的误差。因此，本文利用CFD（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）方法对收缩段进行设计，并建立了整个风洞的数值模型，测试校核了该汽车风洞两个汽车试验段的流场品质，为此汽车风洞近一步的气动性能研究提供了借鉴。基于以上分析，本文做了一下几项工作：首先，根据风洞的型式、用途、试验段尺寸、最大风速以及流场性能指标等要素，参与设计了该汽车风洞的总体气动布局方案，完成了某些部件的细节设计。接着，考虑到收缩段是风洞的重要部件，它对于提高试验段的气流品质有着至关重要的作用。本文针对此汽车风洞收缩段的设计尺寸，对比分析了三种典型的收缩段设计曲线，对它们的分离特性和速度均匀性进行了校核，确定了适合本风洞大小收缩段的最优收缩段设计曲线。最后，按照1:1比例建立了整个汽车风洞的数值计算模型，详细的分析了此汽车风洞汽车缩比模型试验段和汽车实车试验段内的流场品质。并利用国际标模MIRA模型对此汽车风洞的流场品质进行了验证，结果表明：此汽车风洞设计较为成功。本文的研究成果表明：CFD可以用于风洞某些部件的设计以及风洞流场品质的分析，在风洞设计阶段具有较大的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的背景和意义
• 1.1.1 汽车风洞试验的重要性
• 1.1.2 国外汽车风洞的发展现状
• 1.1.3 国内汽车风洞的发展现状
• 1.1.4 汽车风洞流场品质性能研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 课题的来源
• 1.5 本章小结
• 第2章 风洞流场特性数值计算的理论基础与方法
• 2.1 CFD 基本控制方程组
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 雷诺时均方程
• 2.3 CFD 数值计算方法
• 2.3.1 离散方法
• 2.3.2 离散格式
• 2.4 湍流模型的选择
• 2.4.1 Realizablek ε湍流模型
• 2.4.2 壁面函数法
• 2.5 CFD 在汽车风洞方面的应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 汽车风洞总体布局与细节设计
• 3.1 汽车风洞的类型及其构造
• 3.1.1 汽车风洞的类型
• 3.1.2 汽车风洞的基本结构
• 3.2 汽车风洞总体气动布局
• 3.3 汽车风洞细节设计
• 3.3.1 拐角导流片设计
• 3.3.2 整流罩设计
• 3.3.3 风扇叶片设计
• 3.3.4 阻尼网设计
• 3.3.5 蜂窝器设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于 CFD 的汽车风洞收缩段设计
• 4.1 收缩段设计的要求
• 4.2 三种典型收缩曲线的算法及形状特点
• 4.2.1 维氏（Witozinsky）曲线算法
• 4.2.2 五次方曲线算法
• 4.2.3 双三次方曲线算法
• 4.2.4 三种典型收缩曲线的形状特点
• 4.3 收缩段数值计算模型的建立
• 4.3.1 收缩段 CAD 模型的建立
• 4.3.2 计算模型网格的划分
• 4.3.3 计算模型边界条件及求解参数设置
• 4.4 大小收缩段收缩曲线的设计
• 4.4.1 大收缩段收缩曲线的选择
• 4.4.2 小收缩段设计曲线的选择
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于 CFD 的汽车风洞流场品质分析
• 5.1 汽车风洞数值计算模型的建立
• 5.1.1 汽车风洞全尺寸 CAD 模型的建立
• 5.1.2 汽车风洞网格的划分
• 5.1.3 汽车风洞边界条件及求解参数设置
• 5.2 汽车风洞试验段的流场品质分析
• 5.2.1 汽车风洞试验段流场品质的性能要求
• 5.2.2 汽车缩比模型试验段的流场品质分析
• 5.2.3 汽车实车试验段的流场品质分析
• 5.3 国际标模 MIRA 模型对汽车风洞流场品质的验证
• 5.3.1 MIRA 模型介绍
• 5.3.2 MIRA 模型在汽车风洞中的数值计算
• 5.3.3 MIRA 模型 HD-2 风洞试验
• 5.3.4 MIRA 模型数值计算值与风洞试验结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）