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《吉林大学》 2004年
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车轮旋转条件下轿车外流场的数值计算研究

杨博  
【摘要】:轿车外流场中的尾流场和车轮流场十分重要。尾流场特性与车辆的气动阻力和气动升力密切相关,而基本形体周围的流动特性由于旋转车轮的存在变得非常复杂。对于轿车车轮流场,先前的研究中常常进行了过多的简化,所以有必要开展比较详细的在车轮旋转影响下的轿车外流场研究。当今世界的全尺寸风洞中只有少数几座带有移动地板系统,目前进行全尺寸轿车车轮旋转风洞试验仍然比较困难,而且旋转车轮的表面压力也难以获得。CFD技术可以在这个领域发挥有效的作用,因此我们应用CFD技术比较详细地分析了某国产轿车的尾流场和车轮流场,以便为风洞试验研究提供依据、积累数据。 网格生成是CFD技术的一个关键内容。网格生成方法多种多样,如何在特定的研究和设计阶段选择网格生成的方法和形式是一个重要的问题。前人的研究中虽然都提及了网格方案,但是都没有对多种方案进行比较系统地对比分析,因此有必要针对轿车外流场进行详细的网格技术的探讨。 目前的CFD软件一般都是采用迭代法求解离散方程。防止迭代过程中求解发散非常重要。影响解的收敛性的主要因素除了湍流模型、数值离散的格式和相应的数值控制方法外就是网格质量。对于轿车外流场这种实际问题,一般要采用比较成熟的湍流模型,数值离散格式和相应的数值控制方法,因此,提高CFD软件收敛性和精度的最不确定因素就是网格生成技术。本文比较系统地论述了网格技术基础,包括结构化网格、非结构化网格、混合网格的生成方法和特点,以及自适应性网格、笛卡尔网格的特点。为轿车外流场模拟选用的网格方案提供依据。 针对某国产轿车,对比分析了五种网格方案,给出网格生成的一般步骤。选取了三种网格方案,应用大型CFD软件STAR-CD中选用成熟的高雷诺数的 湍流模型和SIMPLE算法来求解此轿车的外流场,对比不同网格方案的计算结果。 文中重点分析此车型的尾流场和车轮流场,分别应用了车轮固定和车轮 WP=67 旋转两种边界条件,对比了两种条件下的计算结果。在车轮旋转条件下,比较前轮后方流场和后轮后方流场的特点,比较此轿车阻力系数与升力系数计算值与风洞试验值,分析车轮流场对于汽车设计的意义,为深入研究轿车外流场的特性积累数据。 CFD技术不仅在概念车阶段发挥了重要作用,而且在对已经批量生产车型的改进中也是必要的设计工具。我们尝试去改进此国产轿车的空气动力特性,论述了在后轮口处加装盖板的改进方案,分析这种方案的可行性,计算并且对比加装盖板后的后轮后方流场和尾流场的特性,对加装盖板后的燃油经济性进行初步的预测。 本文得出以下主要研究结论: 1. 关于该国产轿车的空气动力特性研究,四面体、三棱柱和六面体相结合的混合网格策略是比较有效的。 2. 最终没有被选中的网格方案不是无效的,而是不适合在这个特定的使用范围。四面体和三棱柱结合的方案计算结果出现了很大的误差,而完全六面体的方案计算结果是发散的,主要原因是车轮附近的网格质量低。 3. 本文采用的混合方案和传统混合方案有所不同,在研究对象的边界附近使用了四面体与三棱柱,在外侧空间使用六面体,这样就比较充分地发挥了三种单元的优点,也是本文的创新点。 4. 在本文的研究情况中,车轮转动条件下计算的CD和CL值都要比车轮固定条件下的系数小,这与前人的试验研究结果相吻合,对于旋转车轮周围的流动特性还需要进一步的研究。此轿车的CD计算值偏大,CL计算值与试验值吻合较好。 5. 关于车轮流场,压力峰值都在轮腔上方靠近外侧的边缘附近,因此若将轮腔外缘考虑成平面曲线是不够精确的,这个结论是对前人研究的补充。 6. 加装后轮口盖板后的空气动力性能的确有可以提高的趋势和潜力,CD值下降了约4.2%,CL值下降了约45.3%。通过盖板方案的计算结果、可行性分析和经济性预测,认为此设计方案是合理的。 7. 加装盖板后,后轮后方的流场发生了较大的变化,没有出现正压区, WP=68 尾流场的结构没有出现大的变化,只是涡流的强度稍低。 8. CFD可以帮助研发人员更好地理解流动的状态,以便为进一步的风洞试验研究积累相关数据。应用CFD进行流动特性的研究和各种空气动力数据的变化趋势的预测,对于汽车的空气动力学设计具有十分重要的意义。 人们对于汽车设计的要求越来越高,设计周期越来越短,CFD技术在汽车设计中发挥了重要的作用。本文对轿车外流场CFD研究中多种网格技术进行了分析,提出新的混合网格方案,指出不同的网格策略会对计算结果造成相当大的影响。根据不同研究阶段和不同的研究条件,推荐了不同的网格方案,这为轿车外流场的CFD研究的前处理提供了重要依据。 关于车轮流场总结了前人的研究,通过对此轿车车轮流场的详细分析,论证了轮腔外缘形状会直接影响车轮区域的流动状态,这补充了前人的研究结论,使车轮流场的研究取得了进展。 通过论证在已批量生产车型基础上进行CFD改进设计的可行性,提出改善空气动力特性的有效方案,为汽车空气动力学设计积累数据,提供依据,并且为进一步的CFD研究和风洞试验研究做了铺垫,对工程实际具有一定的参考和指导意义。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:U469

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张英朝;基于仿真与试验的汽车风洞修正研究[D];吉林大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 张丽丽;高速轿车气动噪声的数值模拟研究[D];吉林大学;2006年
2 师广伟;面向CFD的轿车底部参数化建模[D];吉林大学;2008年
3 安阳;基于尾部附件的轿车气动减阻研究[D];吉林大学;2012年
4 董立伟;基于内流的汽车气动特性研究与分析[D];湖南工业大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 傅立敏;用空气动力学附加装置降低国产货车气动阻力措施的探讨[J];汽车工程;1994年03期
2 范士杰,王开春;国产新型轿车空气动力特性的三维仿真计算[J];汽车工程;2000年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 汪涌;龚光军;;模型(汽车)试验低速风洞设计[J];安徽职业技术学院学报;2011年01期
2 秦思南;樊庆文;林大全;;汽车模拟碰撞试验台及其动力学模型[J];兵工自动化;2005年05期
3 许涛;过学迅;;FLUENT在汽车工业中的应用[J];北京汽车;2006年05期
4 梁荣亮;过学迅;;基于ANSYS的轿车外流场数值计算[J];北京汽车;2008年04期
5 叶南海,郭惠昕;汽车空气阻力分析[J];常德师范学院学报(自然科学版);2000年04期
6 王靖宇;李庆臣;王景晟;胡兴军;;前端过渡半径对轻型客车气动特性影响的数值模拟[J];重庆理工大学学报(自然科学版);2010年01期
7 王靖宇;胡兴军;李亭墨;;送风口对驾驶室内流场气动特性的影响[J];重庆理工大学学报(自然科学版);2010年07期
8 杜子学;张杰;;基于不同外形参数模型的汽车外流场仿真[J];重庆交通大学学报(自然科学版);2011年04期
9 任秀欢;何杰;赵池航;陈一锴;彭佳;;基于ADAMS/Car的汽车侧风稳定性虚拟试验研究[J];东南大学学报(自然科学版);2009年04期
10 陈景秋,樊雪峰,胡韩飞;小轿车绕流流场的三维数值模拟[J];重庆大学学报(自然科学版);2004年10期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 刘大学;孙振平;赵汗青;李政;贺汉根;;自主车越野纵向控制器设计[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 陈勇;;计算机仿真方法在汽车工程中的应用[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(一)[C];2007年
3 张辉;;出租车顶灯外流场的数值模拟分析[A];2008年安徽省科协年会机械工程分年会论文集[C];2008年
4 郑鑫;乔鑫;李飞;;轿车外流场数值模拟[A];第八届中国CAE工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2012年
5 于剑泽;乔鑫;李飞;;汽车后视镜气动噪声数值分析与结构改进[A];第八届中国CAE工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2012年
6 周俊杰;严伊莉;;汽车外形优化设计研究[A];第八届中国CAE工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李春芳;太阳能电动车关键技术研究[D];吉林大学;2011年
2 刘海涛;强风作用下列车—汽车—桥梁时变系统的动力响应及行车安全性、舒适性研究[D];中南大学;2011年
3 赵晶;高速列车通过隧道时气动影响研究[D];西南交通大学;2011年
4 夏恒;高速车辆车内气流噪声的理论计算方法研究[D];江苏大学;2002年
5 杜广生;厢式货车空气动力学特性的研究[D];中国船舶科学研究中心;2002年
6 吴军;汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D];湖南大学;2005年
7 刘宏飞;半挂汽车列车横摆动力学仿真及控制策略研究[D];吉林大学;2005年
8 扶原放;轿车超过大型运输车的数值模拟研究[D];吉林大学;2006年
9 赵松原;模拟退火结合正交分解算法的气动外形最优化设计[D];南京航空航天大学;2006年
10 方磊;长大公路隧道通风物理模型试验研究[D];长安大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田海影;柴油机尾气NOx的净化技术研究[D];山东建筑大学;2011年
2 宋涛;基于试验优化设计的重型商用车气动减阻技术研究[D];吉林大学;2011年
3 张志;基于重叠网格的变道超车气动特性动态模拟研究[D];吉林大学;2011年
4 赵婧;汽车风洞地面效应的数值仿真研究[D];吉林大学;2011年
5 姜佳男;基于气动附加装置的重型商用车低风阻优化研究[D];吉林大学;2011年
6 杨圣印;全地面起重机冷却系统空气流场仿真分析[D];吉林大学;2011年
7 薛琳;联合采伐机驾驶室气流组织数值模拟的研究[D];北京林业大学;2011年
8 杨井银;微型车车身设计及其气动特性研究[D];南京理工大学;2011年
9 于立;面向侧向风操稳性的客车动力学建模、仿真与优化研究[D];郑州大学;2011年
10 张杰;跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化及主参数提取[D];重庆交通大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 蓝天;康宁;郑昊;;匀速及加速行驶直背式轿车气动噪声[J];北京航空航天大学学报;2008年04期
2 江洪;唐鹏;;轿车车身外流场的CFD仿真与实验验证[J];重庆交通大学学报(自然科学版);2011年03期
3 陈景秋,胡韩飞,张永祥;Star-cd对汽车外流场的三维数值模拟[J];重庆大学学报(自然科学版);2005年04期
4 郑春雷,胡寿根,陈康民;轿车车身外部流场的数值模拟及分析[J];上海理工大学学报;2000年03期
5 王夫亮;傅立敏;;侧风对轿车气动特性影响的数值模拟研究[J];哈尔滨工业大学学报;2006年08期
6 张英朝;张喆;傅立敏;李杰;;轿车客车隧道中会车过程的瞬态CFD仿真[J];哈尔滨工业大学学报;2009年09期
7 尹梦晨;谷正气;容江磊;;基于CFD分析的汽车空气动力学制动研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2011年03期
8 康宁;郑昊;蓝天;;两车速度对超车过程轿车气动特性的影响[J];航空动力学报;2009年02期
9 蔡国华,傅立敏;关于改造航空风洞为汽车试验风洞的技术探讨[J];航空学报;1999年01期
10 谷正气;秦德申;黄天泽;;客运汽车外形数学模型和表面风压气动模型研究[J];湖南大学学报;1991年03期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 吴军;汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D];湖南大学;2005年
2 扶原放;轿车超过大型运输车的数值模拟研究[D];吉林大学;2006年
3 杨博;汽车外部空气动力噪声研究[D];吉林大学;2008年
4 高歌;概念车身局部参数化建模与CFD仿真一体化研究与应用[D];吉林大学;2008年
5 王靖宇;轻型客车的气动特性分析与造型优化研究[D];吉林大学;2008年
6 王夫亮;侧风作用下的汽车气动特性研究[D];吉林大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 江贤军;轿车空气动力学数值模拟及优化[D];武汉理工大学;2003年
2 程莉;基于知识的车门附件布置设计系统的集成与应用[D];吉林大学;2004年
3 张世村;超车过程流场瞬态数值模拟分析[D];吉林大学;2006年
4 肖军生;高速轿车外流场气动噪声研究[D];吉林大学;2006年
5 刘高峰;侧风作用下厢式货车气动特性研究[D];吉林大学;2006年
6 史野;基于知识的臂式车门玻璃升降器的CAD软件开发[D];吉林大学;2007年
7 甄华翔;转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟[D];大连理工大学;2007年
8 任斌;后扰流板对汽车空气动力学特性影响的模拟研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 袁侠义;汽车发动机舱热管理研究与改进[D];湖南大学;2010年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 王佳;杨志刚;朱晖;;阶背式MIRA模型气动阻力数值模拟网格无关性研究[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2012年03期
2 彭丽娟;沈钰贵;;高速轿车车身脉动压力的数值分析[J];机械设计与制造;2011年10期
3 余皓;杨志刚;朱晖;;两厢车空气动力阻力数值解与网格无关性研究[J];计算机仿真;2013年01期
4 王志亮;刘波;桑建兵;马莎莎;;汽车风噪声产生机理研究[J];拖拉机与农用运输车;2008年06期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 李春芳;太阳能电动车关键技术研究[D];吉林大学;2011年
2 高晋;基于虚拟样机技术的悬架K&C特性及其对整车影响的研究[D];吉林大学;2010年
3 张喆;侧风作用下重型载货汽车气动特性与稳定性的联合研究[D];吉林大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵婧;汽车风洞地面效应的数值仿真研究[D];吉林大学;2011年
2 刘加利;高速列车气动噪声的理论研究与数值模拟[D];西南交通大学;2009年
3 黄莎;高速列车车外气动噪声数值模拟研究[D];中南大学;2009年
4 杨磊;轿车后视镜非光滑表面造型对车外气动噪声的影响研究[D];吉林大学;2012年
5 王建长;城市街道峡谷内机动车污染物扩散的数值模拟研究[D];山东大学;2012年
6 王酉方;轿车车身改装方法研究[D];吉林大学;2012年
7 张晓东;太阳能电动车模型设计[D];沈阳理工大学;2012年
8 曹国强;卡车发动机舱流场与散热性能研究[D];南京理工大学;2013年
9 张清林;汽车模型风洞关键影响因素研究及数据后处理软件开发[D];湖南大学;2012年
10 叶翔;汽车车内中高频噪声分析和声学包装优化设计[D];吉林大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 欧阳鸿武,张志沛,高延令;轿车外流场的二维数值模拟[J];汽车工程;1997年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李萍锋;张翠平;李红渊;武玉维;;FLUENT在某轿车外流场中的应用[J];农业装备与车辆工程;2009年09期
2 宋昕;谷正气;何忆兵;龚旭;周铁龙;;基于Ahmed模型的气动升力研究[J];汽车工程;2010年10期
3 田丹;张济民;王永强;;高速集装箱平车空气动力学仿真研究[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2011年04期
4 苏琳;;消防水枪内外流场的数值模拟研究[J];消防科学与技术;2008年06期
5 谷正气;黄泰明;何忆斌;向宇;;汽车尾随情况下外流场计算仿真分析与研究[J];汽车工程;2008年08期
6 陈峥峰;楚晓华;刘鑫明;;CFD仿真在客车外流场分析方面的应用研究[J];农业装备与车辆工程;2010年04期
7 周立;张书慧;;基于CFX的地铁车头外流场数值模拟[J];南京工业职业技术学院学报;2010年04期
8 吴立业,陆森林,李纯金,曾发林;轿车外流场的数值计算和分析[J];江苏理工大学学报;2001年01期
9 江叔通,徐义华,史卫成;具有地面效应理想车体三维绕流的研究[J];南昌航空工业学院学报(自然科学版);2005年02期
10 董刚;于陆军;范宝春;;爆炸管道出口外流场的数值模拟[J];爆破器材;2007年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张辉;;出租车顶灯外流场的数值模拟分析[A];2008年安徽省科协年会机械工程分年会论文集[C];2008年
2 方圆;柏春;;建筑群流场模拟中边界条件的设定[A];全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集(2)[C];2004年
3 董刚;于陆军;范宝春;;脉冲爆轰发动机喷管出口外流场的数值模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
4 杜广生;岳建雄;;隧道内的通风设备对高速客车气动特性影响的研究[A];力学与工程应用(第十三卷)[C];2010年
5 袁侠义;周贤杰;;基于CFD的造型设计与优化计算[A];“广汽部件杯”广东省汽车行业第六期学术论文集[C];2011年
6 孙启滨;靳国永;李玩幽;陈保建;;完美匹配层方法及其在水下结构声辐射计算中的应用[A];泛在信息社会中的声学——中国声学学会2010年全国会员代表大会暨学术会议论文集[C];2010年
7 张孝棣;蒋甲利;牛中国;肖亚克;刘捷;李欣;;大飞机流场测量的关键技术-PIV[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
8 汪球;姜宗林;赵伟;余西龙;;高焓风洞中模型外流场电子密度测试研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
9 谢官模;骆东平;;部分覆盖阻尼材料圆柱壳在流场中的声辐射性能[A];第十届船舶水下噪声学术讨论会论文集[C];2005年
10 常士楠;袁美名;艾素霄;张泉;;某型飞机机翼防冰系统计算分析[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 姜孝海;泄爆外流场的动力学机理研究[D];南京理工大学;2004年
2 李莉;特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究[D];山东大学;2010年
3 吴军;汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D];湖南大学;2005年
4 于陆军;多循环脉冲爆轰发动机内、外流场的实验和数值研究[D];南京理工大学;2008年
5 杨忠超;基于EBE策略的列车三维紊态外流场有限元法并行计算研究[D];西南交通大学;2002年
6 蒋兰芳;考虑气动特性和热特性的车灯造型设计方法研究[D];浙江工业大学;2009年
7 王夫亮;侧风作用下的汽车气动特性研究[D];吉林大学;2009年
8 贺宝琴;汽车队列行驶的气动特性研究[D];吉林大学;2009年
9 杨永柏;皮卡车外流场气动特性研究[D];吉林大学;2008年
10 杨博;汽车外部空气动力噪声研究[D];吉林大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 唐继响;货车外流场数值模拟研究[D];湖南大学;2012年
2 熊超强;低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[D];华南理工大学;2012年
3 焦雅丽;大学生方程式赛车外流场模拟分析及结构优化[D];昆明理工大学;2013年
4 安震;基于外流场分析的轿车车身造型设计[D];山东理工大学;2013年
5 张杰;跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化及主参数提取[D];重庆交通大学;2011年
6 林铁平;汽车外流场DES模拟研究[D];湖南大学;2010年
7 杨博;车轮旋转条件下轿车外流场的数值计算研究[D];吉林大学;2004年
8 刘海波;轿车的外流场CFD模拟与气动特性分析[D];兰州理工大学;2013年
9 谭钧泽;基于CFD的某SUV气动特性分析与改进[D];湖南大学;2011年
10 刘传超;卡车外流及发动机舱内流计算与散热研究[D];西北工业大学;2005年
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