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车轮气动特性研究

周君堂  
【摘要】:随着国家对节能环保的重视,近几年来汽车空气动力学在我国越来越被重视。对于整车减阻,由于车轮在整车阻力占比超过30%,急需仿真和实验的跟进研究。实现车轮气动力的准确测量和流动结构的精确捕捉是车轮气动特性研究的关键。本文在相关研究的基础上,自主设计测试台架进行实验研究,包括车轮气动力测量和PIV流场测量。仿真采用STAR-CCM+软件重叠网格实现车轮的真实贴地旋转,研究车轮自由来流固定工况和旋转工况流动机理。本文首先通过长圆柱的流场实验验证仿真的准确性,紧接着研究短圆柱的流动特性。长圆柱的贴地绕流属于二维流动,短圆柱属于三维流动,通过对比发现固定工况下虽然短圆柱顶部绕流分离延迟且回流涡更加稳定但由于其侧边气流形成马蹄涡和轮肩涡,大量的能量损耗导致阻力比长圆柱大的多;二者旋转后由于绕顶气流的提前分离带来了不同的影响,长圆柱的阻力会增加而短圆柱的阻力会下降。继续研究不同倒角的三种车轮缩比模型的流动结构,并对比研究三者固定工况和旋转工况流动机理的不同。由于倒角的存在会对车轮产生不一样的涡流结构,旋转的主要是对轮肩涡和马蹄涡产生影响进而决定不同的气动特性,同时发现旋转有稳定气流减轻湍流发生的作用进而降低阻力。在研究清楚比例模型流动结构的基础上,继续研究更为复杂的大学生方程式赛车车轮的流动机理,赛车车轮在主要的流动结构上与缩比模形的流动结构有很高的相似性,但是由于其存在轮腔流动会带来很大的影响。轮腔的流动固定工况和旋转工况的流动机理不同,轮腔的涡流也导致了赛车车轮整个涡对的不对称性。通过实验测得旋转使得赛车车轮的阻力系数相比车轮固定工况下降15%,下降了95个counts,作用明显。进一步研究不同轮辋状态车轮的气动特性,发现轮辋面积的逐步封闭会对流动结构产生不同的影响,固定工况下阻力会随着轮辋封闭面积的增大而增大,旋转工况下阻力却会逐步的降低。本文成功的设计了一个可以实现车轮旋转测力的实验台架,能实现固定和旋转工况阻力和气动扭矩的测量,但对于旋转工况的升力还无法准确测量。仿真的数值与台架测力值在特定工况的绝对值上有所偏差,但是仿真与实验不同工况的相对值具有很高的准确性。有力的支持了不同轮辋状态赛车车轮气动特性的研究工作。


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