基于湍流模型的汽车气动特性研究

论文摘要

2010年，我国已成为世界第一大汽车消费国和第一大汽车生产国，但仍然不是汽车强国，汽车研发能力薄弱，其中汽车高速气动特性与国外高端研发行业仍然存在一定的差距。计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）日益成为汽车空气动力学研究的主要工具和手段，被越来越广泛地应用到汽车的研发过程中。基于计算流体力学中的湍流理论，汽车外部流场模拟和气动阻力问题已基本解决，但是湍流模型对汽车气动升力的数值计算等问题仍存在不足。本文从湍流模型求解中遇到的问题出发，提出了解决方法和措施，并通过汽车风洞实验来验证其有效性，为汽车空气动力学中湍流模型的应用做了一些有益的探索。本文对商用CFD软件Fluent做了简单介绍，将常用的网格类型进行了对比，并制定最适合汽车外部流场的网格划分方案。在三维MIRA模型基础上建立CFD计算网格模型，运用计算流体力学软件Fluent进行计算。在相同的CAD模型、计算网格、边界条件下，分别使用标准k ε、RNG、Realizable和SST四种湍流模型对MIRA模型进行了外流场计算分析，着重考查了四种湍流模型在升力特性、阻力特性、收敛特性、流场特性上的表现。通过对比分析了四种湍流模型计算结果的差异，提出了针对不同应用选择不同湍流模型这一观点。针对汽车外流场气动升力分析这一特定应用，通过分析四种湍流模型的计算结果，选择标准k ε和Realizable湍流模型作为优化对象，进而研究这两种湍流模型参数对气动升力计算的影响，并有针对性的进行优化。改进的湍流模型更好地满足了汽车外流场气动升力的分析需求，进一步提高了计算精度，为今后的汽车外流场分析提供了依据。文章基于湍流模型数值计算方法构造了汽车气动升力拟合公式，为CFD计算仿真提出了一种新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车气动特性的研究意义
• 1.2 汽车气动特性的主要研究方法
• 1.2.1 实验研究法
• 1.2.2 理论分析法
• 1.2.3 数值计算法
• 1.3 计算流体动力学研究历史与现状
• 1.3.1 湍流理论的发展历程
• 1.3.2 国外汽车计算流体力学的研究状况
• 1.3.3 国内汽车计算流体力学的研究状况
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 课题来源
• 1.6 本章小结
• 第2章 汽车空气动力学特性与理论基础
• 2.1 汽车气动特性的主要研究内容
• 2.1.1 气动力和气动力矩
• 2.1.2 汽车表面压力
• 2.1.3 外部流场
• 2.1.4 内部流场
• 2.2 汽车气动力的分析
• 2.2.1 气动阻力的产生原理
• 2.2.2 气动升力的产生原理
• 2.2.3 气动升力对操纵稳定性的影响机理
• 2.3 数值计算的工作步骤
• 2.4 数值计算的基本控制方程
• 2.5 基本控制方程的离散方法
• 2.6 湍流的数值计算方法
• 2.6.1 直接数值模拟方法（DNS）
• 2.6.2 大涡模拟方法（LES）
• 2.6.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于湍流理论的数值计算与实验验证
• 3.1 汽车气动特性数值计算流程
• 3.2 MIRA 模型的建立
• 3.3 计算域的确定
• 3.4 计算网格的生成
• 3.4.1 网格方案的研究基础
• 3.4.2 计算网格的划分
• 3.4.3 轮胎接地处网格的处理
• 3.5 计算求解工具及边界条件的设置
• 3.5.1 计算流体力学软件 Fluent 简介
• 3.5.2 边界条件的选取
• 3.6 汽车风洞试验验证
• 3.6.1 湖南大学 HD-2 风洞
• 3.6.2 汽车模型风洞试验
• 3.6.3 汽车模型的 PIV 实验
• 3.7 本章小结
• 第4章 湍流模型的对比与分析研究
• 4.1 汽车数值计算的湍流模型
• 4.1.1 标准 k ε模型
• 4.1.2 RNG k ε模型
• 4.1.3 Realizable k ε湍流模型
• 4.1.4 SST 湍流模型
• 4.2 计算资源的占用比较
• 4.3 计算收敛性对比
• 4.4 计算精度对比
• 4.4.1 气动阻力的计算精度
• 4.4.2 气动升力的计算精度
• 4.5 MIRA 模型尾部流场对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于汽车气动升力仿真的湍流模型改进
• 5.1 湍流模型的选择
• 5.2 标准 k ε湍流模型的改进
• 5.2.1 基于标准 k ε模型的参数变化
• 5.2.2 基于拉丁优化方法的参数优化
• 5.2.3 标准 k ε湍流模型参数优化结果
• 5.3 Realizable 湍流模型的改进
• 5.4 基于 Realizable 湍流模型的气动升力拟合公式
• 5.5 湍流模型改进方案的数值计算与实验验证
• 5.5.1 标准k ε湍流模型参数优化方案的数值计算与实验验证
• 5.5.2 气动升力拟合公式的数值计算和实验验证
• 5.6 本章小结
• 第6章 汽车气动特性数值计算的进一步研究
• 6.1 边界层网格划分方法
• 6.2 混合网格分析方法
• 6.3 汽车和路面表面粗糙度
• 6.4 车轮旋转对气动特性的影响
• 6.5 汽车风洞实验的改进装置
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文目录）