克拉玛依职业技术学院毕业论文

克拉玛依职业技术学院毕业论文 论文题目 学生： 指 导 教 师 ： 学科、专业： 克拉玛依职业技术学院机械工程系 二 O一四年三月 摘 要 随着我国经济的发展，国产厢式汽车越来越得到广泛的使用，厢式汽车行 车安全性能也越来越被人们重视。 运用计算流体力学的方法，利用大型商业 CFD 计算软件 FLUENT 对国产 厢式汽车的外流场进行数值模拟。首先对常见的二方程湍流模型标准 k-e 模型， RNG k-e 模型，SST 湍流模型进行了介绍和比较，然后应用这三种湍流模型进 行 Ahmed 钝体的外流场计算模拟并与风洞实验结果比较，选出最优计算模型。 本文选用 SST 湍流模型为厢式汽车外流场的计算模拟的湍流模型。 网格质量也是影响计算准确度的重要因素，结构化网格、非结构网格和混 合网格具有各自的优缺点，因此根据汽车外流场的实际特性设计了几种网格划 分方案，并探讨了它们的优缺点，选出了一个最优网格划分方案。 计算分析了在其尾部加装不同形状，不同角度，不同安装位置，不同安装 方法的后扰流板对汽车气动特性的影响，通过它们之间数值模拟结果的分析和 对比，可以清楚地了解后扰流板在改善汽车的气动特性方面所发挥的独特作用。 通过计算分析，探讨了车辆周围气流的流动机理，分析了后扰流板附近负升力 的产生原理及汽车后部尾涡对阻力的影响。 通过计算模拟安装后扰流板的汽车模型的外流场，提出了合理的后扰流板 安装形状及安装位置、角度。后扰流板不仅可以使汽车的气动升力得到降低， 还能有效地降低汽车所受阻力，降低汽车油耗，这对提高汽车气动特性有很大 的工程指导性。 关键词：后扰流板，湍流模型，空气动力学，操纵稳定性 目 录 摘 要 ABSTRACT 1 引 言 1 1.1 研究背景和意义 1 1.2 厢式汽车气动性能的研究现状 2 1.2.1 国外研究发展状况 2 1.2.2 国内研究发展现状 3 1.3 本文研究的内容 4 2 后扰流板对汽车气动特性的影响 6 2.1 气动阻力 6 2.2 气动升力 7 2.3 后扰流板的作用 8 3 湍流模型的比较和选择 10 3.1 三维湍流数值模拟方法的分类 10 3.2 湍流的基本方程 11 3.3 湍流模型的数学模型 13 3.3.1 标准 k-e 模型 13 3.3.2(RNG) k-e 模型 15 3.3.3 压力修正 k- 模型(SST) 17 3.3.4 雷诺兹压力模型（RSM） 20 3.3.5 大漩涡模拟模型(LES) 20 3.3.6 湍流模型的分析比较 20 3.4 三种湍流模型在三维 Ahmed 模型上的应用 22 3.3.1Ahmed 几何模型的建立 22 3.3.2Ahmed 模型边界条件设置 24 3.3.3 不同湍流模型的计算结果分析 24 4 微型厢式汽车的外流场数值计算 29 4.1FLUENT 软件的简介 29 4.2 微型厢式汽车外流场的物理模型 30 4.2.1 车体模型 30 4.2.2 后扰流板形状及安装 32 4.2.3 模型数据导入 35 4.2.4 确定计算域 37 4.3 计算网格的划分 38 4.3.1 汽车外部流场划分网格的要求 38 4.3.2 网格划分方案比较 39 4.3.3 设计划分方案 40 4.4 边界条件的设置 43 4.5 数值模拟的计算 44 5 微型厢式汽车外流场数值模拟结果分析 47 5.1 翼型扰流板安装角度及位置对气动特性的影响 47 5.1.1 不同角度翼型扰流板汽车模型尾部流场分析 47 5.1.2 不同角度翼型扰流板汽车模型对称面上压力云图 51 5.1.3 不同位置翼型扰流板模型压力云图和速度矢量图 54 5.1.4 翼型扰流板模型的阻力系数和升力系数 58 5.2 薄板扰流板安装方法及位置对气动特性的影响 61 5.2.1 薄板扰流板模型对称面上压力云图和速度矢量图 61 5.2.2 薄板扰流板模型的阻力系数和升力系数 67 5.3 三种扰流板及不同安装方法的比较 68 结 论 73 致 谢 75 参考文献 76 1引 言 1.1研究背景和意义 随着高速公路系统的建设，伴随着中国大多家庭生活水平的提高，国产厢 式汽车满足了大多家庭的交通需求。人们对厢式汽车的安全性和操作稳定性提 出了更高的要求。迫切需要我们研究厢式汽车外部流场特性，以指导我们改善 厢式车的空气动力学性能。 汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车之间相互作 用的一门学科。它主要研究围绕汽车外部的空气流态和进入汽车内部的空气流 态。汽车向前行驶时与空气产生复杂的相互作用，对汽车的行驶状态影响很大， 特别是汽车高速行驶时会承受强大的气动力作用 1。随着道路、交通条件的不 断改善，轿车在行驶中处于高速状态的时段越来越多，研究高速行驶时车辆所 受到的气动力及空气动力学附加装置对汽车的作用，对提高车辆的气动性能具 有十分重要的现实意义。 汽车行驶时受到气动六分力的影响。在高速行驶过程中，汽车会产生较大 的气动升力，气动升力的出现对于汽车的行驶安全是不利的。首先它会降低汽 车对路面的附着性能，使汽车保持预定路线行驶的能力和操纵性明显下降。这 会严重地影响汽车高速行驶的操纵稳定性和安全性。其次，它会产生水平分力， 增大气动阻力。从安全性方面考虑，减少汽车的气动升力比减少气动阻力更为 重要。因此，在某些情况下，不仅需要使汽车升力为零，甚至要使其变为负升 力（向下的垂直的气动力） ，以提高汽车的高速附着性能和操纵稳定性。这可以 通过安装空气动力学附加装置来实现。减少气动升力的一个非常有效的附加装 置就是扰流板。扰流板的作用就是干扰尾部气流，不让车顶的气流在车尾陡降， 而是让他们在碰撞到扰流板之后向其他方向流动，从而减少车尾升力，保证车 辆安全。扰流板不但能降低气动升力，合适的安装也能降低气动阻力。 汽车空气动力学的一些研究成果和重要结论，大多数都是以风洞试验结果为依 据的。但是，风洞试验投资大、耗用时间长，而且容易受各种客观条件的影响。 与之相比，采用数值模拟方法对汽车进行空气动力学分析，具有开发时间短， 所 结 论 1、计算机数值模拟可以作为研究汽车流场特性的一种有效手段。本文应用 大型流体力学计算软件 FLUENT 对国产厢型汽车的外流场进行了三维数值仿真 研究。 2、通过对几种湍流模型的理论分析比较及通过对 Ahmed 模型的计算结果 与试验结果的对比分析，得出 SST 湍流模型更适合汽车外流场的计算模拟。 3、对复杂汽车模型的网格划分进行了分析比较，最终选出最优的网格划分 方法。为空气动力学附加装置后扰流板对汽车气动特性影响的研究能够更深入 地进行；本文对采用了三种扰流板及不同的安装方法等一共 24 个模型进行了建 模和网格划分 4、首先对翼型扰流板进行了详细的分析，对翼型扰流板与车体不同倾斜角 的情况下( 倾斜角度分别为 0、15、30、45、50)进行计算，同时还对 翼型扰流板不同的安装位置进行模拟分析。分析了翼型后扰流板对汽车气动性 能特别是气动升力的影响，详细讨论了带有后扰流板的汽车的尾部流场的变化 特点，加装扰流板后对汽车的气动特性起到很大的改善，主要是增强了汽车高 速行驶过程中的稳定性。对薄板扰流板不同的安装位置进行了详细的分析，对 加装三种扰流板后的气动特性进行了比较。 5、同时也对汽车的气动阻力进行了分析，主要讨论了汽车的涡阻。汽车尾 流结构特别复杂，特别是拖拽涡它是由于上面气流和侧面气流的相互作用，而 形成的一对旋转方向相反的涡系。随着后扰流板形状和安装位置的变化，汽车 尾部的气流相互干扰的作用也逐渐变化，特别是迎风扰流板安装在尾部顶部时， 上卷的趋势越来越明显，导致尾涡也变大。在拖拽祸的中心处，总压损失最大， 湍流动能和湍流耗散最大。 6、通过对建立的 24 个模型的压力云图和速度矢量图，尾部涡流状况，及 阻力系数和升力系数的分析比较。得出主要结论： 汽车高速行驶时，后扰流板的倾角变化对其气动力有着显著的影响。通 过计算得出了有效的数据，比较得出了最合适的角度，即当扰流板倾角为 0 时，产生最大的负升力，获得最佳稳定性。 三种扰流板安装在车体尾部时，同一位置时薄板扰流板能使汽车获得较 好的气动特性。 致 谢 本文的研究工作是在我的导师罗虹副教授的精心指导和悉心关怀下完成的， 在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严 谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上， 我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习、 生活和动作中我将切实铭记导师的教诲。在三年的学习和生活中，罗老师及其 家人更给予了学生无微不至的关怀令我深受感动。在此我要向罗老师师及家人 致以最衷心的感谢和深深的敬意。 在多年的学习生活中，还得到了邓兆祥老师、胡玉梅老师及实验室其他老 师的热情关心和帮助，他们严谨的治学态度、丰富的实践经验、科学的工作方 法、新颖的学术思想、塌实的工作作风，使学生倍受启迪，在此表示衷心的感 谢。 在论文工作及日常生活中，我的师兄弟魏勇等也给予了我很大帮助，在此 向他们表示由衷的感谢！同时感谢家人和朋友多年来对我的支持和鼓励，我取 得的每点进步都离不开他们的关心和帮助。他们为我所做的一切将对我的一生 产生深远的影响，为我提供动力，帮我度过难关，我对他们的感谢和深情难以 言表。 最后，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意！ 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！ 姓名 年月日 参考文献 1 傅立敏. 汽车空气动力学M. 机械工业出版社, 1998.9. 2 杜广生. 汽车空气动力学M. 中国标准出版社，1999.9. 3 傅立敏. 汽车空气动力学研究概述J. 国外汽车，1997，4:1 一 17. 4 Akiyoshi Yamada, Shingo Ito. Computational Analysis of Flow around a Simplified Vehicle-Like Body. SAE Paper930293. 5 J.Katz, L.Dykstra. Effect of Passenger Cars Rear Deck Geometry on Its Aerodynamics Coefficients. Transactions of the ASME,Vol.114,June1992. 6 Ferziger J H. Lagger Numerical Simulations of Turbulent Flows. AIAA Journal, 1977.15. 7 Rogallo R S. Moin. P. Numerical Simulation of Turbulent Flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 1984.16. 8 Werner H, Wengle H. Large-Eddy-Simulation of Turbulent Flow over and around a Cube in a Plane Channel. 8th Symposium on Turbulent Shear, Flow, TU Munchen, Germany,9-11 September,1991. 9 Unger F, Friedrich R. Large-Eddy simulation of Fully Developed Turbulent Pipe Flow. 8th Symposium on Turbulent Shear, Flow, TU Munchen, Germany,9-11 September,1991. 10 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(3)，144-148. 11 高利, 高延龄，陈荫三.