轿跑车外流场数值模拟与分析

论文摘要

随着汽车技术的发展以及道路交通的完善,汽车实用车速大大提高,汽车空气动力学成为汽车行业的重点研究方向之一。汽车空气动力学研究的传统方法是风洞试验,此方法对试验设施要求较高,并且研究周期较长。随着计算机技术的发展,计算流体力学（CFD）在汽车空气动力学研究方面的应用也越来越重要,CFD方法具有周期短、成本低、不需实车模型等特点,用此方法分析指导设计,无论在汽车开发还是改进方面,都起到提高产品质量、增强自主开发能力的作用。轿跑车的特点是以轿车为基础,在其中加入跑车元素,既具有轿车载人、实用的功能,又具有运动化造型。在这里,本文采用CFD方法对某轿跑车进行三维外流场的数值建模,结合空气动力学理论对其空气动力学造型和性能进行分析和优化。本课题来源于某轿跑车逆向设计项目。该项目运用CATIA绘制出实车的1：1三维模型。在建立仿真模型过程中,考虑到仿真时间与计算机硬件问题,对实车部分细节做出相应的简化。然后利用ICEM软件建立有限元模型。本文采用四面体+三棱柱网格混合方案划分网格,并采用密度体包围整个轿跑车,以对其周围计算区域进行网格加密处理,并对轿跑车表面面网格做局部细化。选用Realizableκ-ε湍流模型,并在其近壁面采用标准壁面函数以提高车身表面流动的模拟精度。并结合一阶迎风与二阶迎风两种离散格式各自的特点,在计算过程中,先采用一阶迎风,迭代一定次数后采用二阶迎风格式,以提高计算的精度及收敛性,缩短计算时间。最后利用FLUENT进行模型分析,得出车身表面压力分布图和速度矢量图,通过分析整车表面速度和压力特性,了解气流运动规律和情形。并通过仿真所得结果计算出该轿跑车的气动阻力系数与升力系数。再结合汽车空气动力学理论分析与该轿跑车实际造型进行局部优化,对优化前后结果进行比较和分析,达到减小气动阻力和气动升力、提高汽车经济型及操纵稳定性的目的,为此轿跑车的造型改进提供参考。根据本文仿真结果并结合轿跑车造型可以看出,对于轿跑车,由于流线型造型特点,其气动阻力系数相对较小,但是气动升力系数不稳定。而对于轿跑车这种高速行驶的汽车,出于安全与稳定性考虑,降低其气动升力比减小气动阻力有着更实际的意义。研究表明,轿跑车的附加空气动力学装置如尾翼对气动升力有着很好的调节作用。而汽车底盘结构越简单,整车的气动性能越好。对于轿跑车此类高速行驶的汽车,甚至可以利用车身底部曲面来产生负升力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 汽车空气动力学的研究方法
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 理论分析
• 1.2.3 数值计算
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外汽车空气动力学发展现状
• 1.3.2 国内汽车空气动力学发展现状
• 1.4 本文研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术关键和难点
• 第二章 汽车空气动力学气动特性研究
• 2.1 空气动力学基本理论
• 2.1.1 空气的基本物理属性
• 2.1.2 气流运动的基本方程
• 2.1.3 粘性流基础
• 2.2 汽车的气动力与气动力矩
• 2.3 气动力对汽车性能的影响
• 2.3.1 气动力对汽车动力性的影响
• 2.3.2 气动力对燃油经济型的影响
• 2.3.3 气动力对汽车操纵稳定性的影响
• 2.4 汽车流场的组成
• 2.5 本章小结
• 第三章 汽车外流场数值模拟理论基础
• 3.1 汽车外流场的基本假设
• 3.2 基本控制方程
• 3.2.1 质量守恒方程
• 3.2.2 动量守恒方程
• 3.2.3 能量守恒方程
• 3.3 数值离散化方法
• 3.3.1 常用数值离散化方法
• 3.3.2 有限体积法
• 3.4 湍流模型
• 3.4.1 湍流模型的分类
• 3.4.2 常用湍流模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 轿跑车外流场数值模拟
• 4.1 几何模型的建立
• 4.2 计算区域的确定
• 4.3 网格的划分
• 4.3.1 网格策略
• 4.3.2 计算网格的生成
• 4.4 边界条件的设定
• 4.5 求解器的选择
• 4.6 湍流模型及离散格式的选取
• 4.7 收敛性判定
• 4.8 轿跑车数值模拟结果与分析
• 4.8.1 车身外流场分析
• 4.8.2 气动阻力计算及性能分析
• 4.9 结论
• 第五章 基于空气动力学的轿跑车车身造型优化
• 5.1 轿车车身局部气动造型设计
• 5.1.1 轿车车头气动造型设计
• 5.1.2 轿车顶盖气动造型设计
• 5.1.3 轿车尾部气动造型设计
• 5.1.4 轿车底部气动造型设计
• 5.1.5 轿车附加装置气动造型设计
• 5.2 轿跑车车身局部气动造型优化
• 5.2.1 发动机罩气动造型优化
• 5.2.2 尾翼气动造型优化
• 5.2.3 底部造型对气动力的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢