河北工业大学2015届本科毕业设计（论文）前期报告
毕业设计（论文）题目：汽车外流场分析研究 专业（方向）：车辆工程
学生信息：110324、田野、车辆113 指导教师信息：86024、武一民、教授 报告提交日期：2015年3月23日 内容要求：
1.研究背景
随着汽车工业的不断发展和制造技术的快速提高，汽车的外部造型和气动特性受到了极大的关注。汽车气动阻力在很大程度上影响着汽车性能，尤其对于高速行驶的汽车，气动力对其性能的影响占主导地位，因此良好的空气动力稳定是汽车高速、安全行驶的前提和必要条件。因此，在汽车开发过程中，研究并优化汽车的空气动力性能非常重要。
空气动力学是来自于汽车外部的约束条件，它主要研究的是汽车的气动特性，其研究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、稳定性、舒适性、 安全性等，还间接影响着轿车的外观款式及审美的流行趋势
【1】
。汽车行驶时所受的空气作用力可以被分
解为阻力,升力,侧向力,横摆气动力矩,纵倾气动力矩,侧倾气动力矩6个分量。在这6个分量中,由于当今汽车空气阻力所消耗的动力至少和滚动摩擦相当
【2】
，所以长期以来空气阻力
系数的大小就成为衡量汽车空气动力性能的最基本的参数,因此汽车空气动力学的最主要的研究内容也就是设法降低汽车的空气阻力系数。减小空气阻力主要是通过减少汽车的迎风面积和空气的阻力系数来实现，一般而言迎风面积取决于汽车的体积，空气阻力取决于车身造型。因此，汽车车身紧凑和流线形是提高燃油经济性、充分发挥汽车动力性的途径。不同的车身造型 会使得车身风压中心的位置不同，汽车在高速行驶的情况下，因受到气动侧向力的作用而使得汽车轮胎的附着力减小，造成汽车极其容易跑偏，即使得汽车的操纵稳定性有所下降
【3】
。因此，车身气动造型的完美与否对汽车的性能有着至为重要的影响。不同的气
动造型会给车身带来不同的气动力效应,从而影响到汽车的各项性能。良好的气动造型设计应该具有较小的气动阻力系数。世界汽车造型的发展基本与降低风阻系数的技术研究同步，从箱型、流线型、船型到鱼型和契型，每一次造型风格变化都带来了风阻系数的大幅降低
【4】
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对设计车速较高的车辆，除了随车速平方增加的气动阻力外，气动升力和气动侧力所带来的操纵稳定性问题也需要考虑，不合理的气动造型设计将会造成发飘、转向性能变差等操纵失
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调问题
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。
举一个例子，汽车气动阻力的主要成分是压差阻力,而压差阻力与汽车的尾流结构有密切的关系。分析气动阻力的构成成份可知,总阻力的85%来自压差阻力,其余15%为摩擦阻力。压差阻力9%来自车身前端,而91%来自车身尾部(其值随车身长短及外形不同而异)。如果从气动阻力的机理来看。它是由形阻和涡阻构成,涡阻占40%左右主要来自于汽车的尾涡
【6】
。
在大量实验观测和理论分析结果表明,在基本流场为定常的情况下,对流动施加弱扰动,可以使已经分离的流动再附着,从而可以控制尾流
【7】
。因此,给汽车加装合适的后扰流板,优化汽
车尾流流场结构,可以有效的减小气动升力和诱导阻力,改善汽车空气动力特性。
在汽车车身设计中，车身空气动力学特性对汽车各方面性能有重要影响，气动阻力系数是衡量车身空气动力学特性的重要参数。测试气动阻力系数的方法主要有三种：风洞试验法、功率平衡法和数值计算法
【8】
。因汽车的风洞实验对车身空气动力学有极强的预测性而被用
在汽车设计中，但弊端是实验手段复杂、费用高、周期长。近年来，随着计算机应用技术和湍流理论的发展，把计算流体力学应用到汽车设计上已成为可能，从而把原来只能在风洞中进行的实验转化到计算机上来，基于CFD的汽车空气动力学数值模拟技术在汽车造型设计中发挥着越来越重要的作用。由于数值计算法具有效率高、成本低、应用范围广等优点得到迅速发展，现在广泛采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）进行数值模拟，比较成熟的商业软件如FLUENT等。
CFD的基本思想是指把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。相比传统风洞试验，CFD不需要制造真实部件就能测出真实效果，大幅节省了研究费用和研发时间，而且可以更直观、更深刻地理解汽车外流场的气动特性
【9】
。这种技术同计算机辅助造型技术相结合，可以更
经济、迅速、实用地应用于汽车造型设计中。但是，数值模拟也存在着一些缺点，如因没有完全搞清楚湍流等流态特性，对有些问题还没有普遍适用的数学模型，在数值计算上收敛性和精度有待改进。所以数值计算不能完全替代试验，试验对于校正CFD方法和检验CFD 结果是非常必要的
2.国内外发展状况
在欧美一些发达国家,CFD技术从二十世纪六十年代以来发展迅速,最初航空飞行器的设计方法费时、造价高、所得信息量有限等原因，CFD的应用使得原型机减少,费用降低、
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周期变短、实验效果理想，以此为动力，CFD的发展得到了巨大的推动力。因此，目前国外用CFD对航空、汽车等领域产品进行设计、分析、优化已经成为必经的步骤和重要手段
【11】
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随着计算机的发展和湍流理论的不断发展，将计算流体力学的成果应用于汽车设计成为可能。近年来，欧、美、日的汽车厂家已经开始致力于开发和利用 CFD 技术，取得了许多重要研究成果。在80年代初期，计算的对象还仅限于车体的基本形状，但是，最近已经发展到包括后视镜、扰流板、复杂地板、移动地面、发动机舱、车轮等复杂的车体的模拟，而且还进行了横风稳定性和横风过渡特性、两车相遇时的瞬态空气动力学特性等方面的模拟。在精度方面，可以把计算精度误差降到5%以内。目前已经出现了许多商业软件，如 CFX、ANSYS/FLOTRAN、STAR CD 以及FLUENT 等，这些软件都可以对汽车外流场进行比较精确的模拟，已应用于批量生产规模的汽车空气动力学解析系统。目前国外对汽车外流场的湍流解析模型主要是以 k-є 模型、应力方程模型为代表的时间平均模型和空间平均的大涡流模拟法（LES)，计算所使用的网格数量已经达到（2~3）×10，计算结果接近真实结果，误差控制在5%以内
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国外在计算流体力学的结果分析中大量采用了可视化技术。这些可视化技术可以在以上所提到的软件中看到。由于计算所得的数据非常庞大、复杂，应用可视化技术可以凭借计算机把数字信息转化为易于研究人员分析和理解的图形或动画，加快对模拟对象的认识，提高工作效率。德国大众汽车公司、德国戴姆勒一奔驰公司、意大利菲亚特Richerche技术中心、瑞典沃尔沃汽车公司、日本三菱公司等应用自编程序或商业化软件(如FLUENT、STAR一CD等)对汽车外流场卓有成效地进行了数值模拟分析,总结了很多计算模拟经验,逐步认识到数值仿真在汽车车身设计流程中的重要性网格、高速高精度计算的方面发展。
国内自行设计汽车的能力比较低,长期处于模仿和直接引进国外技术的状态,对汽车空气动力学的研究投入非常少,早期主要是采用缩尺模型进行风洞试验研究。国内对于汽车空气动力学数值模拟的研究则是从上世纪90年代开始的,许多研究院借鉴以前在航空、造船方面的经验,比较成功地对汽车外流场进行了二维、三维的数值模拟。由于受诸多因素限制,数值模拟主要采用RANS方法,计算对象也多限于车体基本形状,车身模型相对简单,车轮、保险杠、后视镜等都忽略了,划分的网格数目比较少,计算的结果和精度都只相当于国外20世纪80年代初期水平。
中国空气动力学研究与发展中心和东风汽车工程研究院合作,共同开发了轿车空气动力学计算软件WS3D及前后处理软件CFD Pre-Post,通过求解RANS方程对小轿车外流场进行了
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【13】
。现在，国外空气动力学软件正朝着全自动划分
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数值计算与分析,其湍流模型采用了标准 k-є 模型、修正的两种模型及亚格子模型的大涡模拟三种模型,对流项采用三阶迎风格式。将该软件的计算结果与FLOW 3D软件的计算结果相比较,前者优于后者
【14】
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湖南大学姜乐华、谷正气等提出一种非均匀参数空间上生成表面网格的方法,并开发了复杂几何外形车身表面网格生成软件SGRID(Surface GRID),它可以生成正交且光滑的表面网格,可根据计算需要调整网格的疏密分布
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长春汽车研究所和中国空气动力研究与发展中心采用有限体积法求解三维定常不可压N一S方程,对某国产新型轿车进行了三维仿真计算,得出了三维速度场、压力场和气动力六分量,与实车风洞试验结果吻合较好
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大连理工大学利用ANSYS/FLOTRAN模块对客车外围三维流场进行了初步的模拟计算,计算结果与实验结果吻合较好。同时还比较了不同车型的结果,与实际情况基本相符。计算中客车尾部的尾涡及尾涡的大小变化都模拟到了,得出不同车型对外流场的影响,并且计算出不同车型的阻力系数和升力系数
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近几年来,我国在汽车空气动力学数值模拟方面有了许多新进展,如模型更注重细节,模拟时考虑侧风、地面效应、车轮旋转作用的影响,以及超车、隧道内流等不同的行车工况。
清华大学在考虑车轮旋转效应的前提下对长安微型汽车外部三维流场进行了数值模拟,计算得到的风阻值与道路实验结果比较符合,并分析和研究了汽车底部复杂流场结构
【18】
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湖南大学对多车相会时的外流场进行了仿真分析,针对一辆大型集装箱货车超过一辆轿车的过程进行了数值模拟,超车过程中轿车侧向力系数的变化情况与实验结果趋势一致
【19】
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吉林大学采用移动地面和旋转车轮的方法,以1:5的轿车模型为研究对象,对两辆轿车并列行驶时的外部流场进行了数值模拟研究,重点对比了0.1、0.3、0.5、1.2倍车宽间距时两车流场流线分布情况,结果表明两车并列行驶的安全距离应该在1倍车宽与0.5倍车宽之间
【20】
。在相同条件下,进行了侧风角分别为0°、5°、10°、15°和30°及车轮转动和静
止情况下的数值模拟,结果表明:侧向力随侧风角的增大迅速增大。转动车轮条件下的气动阻力较低,与实验情况基本吻合
【21】
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通过查阅资料，现摘抄数例大学生方程式赛车外流场分析和车身优化实例用于参考。 昆明理工大学大学生方程式赛车外流场模拟分析及结构优化。该研究过程主要以仿真为主,结合计算流体力学的基本理论,通过UG建立三维几何模型,应用ICEM做为前处理软件,对模型进行网格划分,通过FLUEN进行后处理显示及分析,分析流场和尾部流场的情况。对比有尾翼和无尾翼赛车的流场变化。对比双尾翼和单尾翼对赛车下压力的影响情况。通过对赛
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车的仿真分析,结合大量的文献资料,得出在充分发挥空气动力学作用的情况下适合于大学生方程式汽车大赛的赛结构优化方案
【22】
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天津大学的基于CFD的FSAE赛车车身优化设计。该研究采用计算流体力学（CFD）对圆弧形和锋利形车身外流场进行数值模拟分析，对比车身风阻系数和升力系数，同时对不同的离地间隙进行对比，得出最优的车身外形和离地间隙，并采用分析结果对自行设计的赛车车身进行优化设计
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辽宁工业大学的万得FSC 赛车空气动力学特性研究 。本论文以辽宁工业大学万得 FSC 赛车 LNUT2013 为研究对象，分析其空气动力学性能，并根据空气动力学原理为其设计一套合适的空气动力学套件，包括前翼、尾翼及扩散器。该论文的研究设计首先对 LNUT2013 赛车的初始模型进行 CFD 数值计算，对赛车的空气动力学性能作出初步评判。其次再对空气动力学套件的功能和特点作了总结，并以此为原则进行设计。同时，由于翼型截面的结构参数与套件的气动性能息息相关，论文还详细阐述了翼型截面的设计方法和影响因素。最后，把套件跟赛车初始模型进行装配，对整体进行 CFD 数值计算，研究赛车压力分布、尾翼纵对称中面速度分布、赛车侧舱气流及整车外流场情况，同时得到赛车的气动阻力和气动压力值，与初始模型的计算结果进行对比后发现，安装空气动力学套件的赛车具有更优越的空气动力学性能
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黑龙江工程学院的节能竞技赛车车身造型的CFD研究。该研究以计算流体力学理论为基础，结合节能竞技赛车车身设计要求，确定车身总体方案利用 FLUENT对CATIA软件绘制出的不同车身造型进行数值模拟，优选风阻系数小，升力系数小的符合空气动力学特性的车身造型方案为基础车身造型方案。针对基础车身造型模拟其周围流场，模拟结果显示离地间隙越小则风阻系数越小，前轴到车身最前端的距离和车身宽度越大则风阻系数越大，观察相应的外流场与车身表面流态速度和受力的分布情况，根据模拟数据指导车身造型进行局部修改，最终提出节能竞技赛车车身造型方案
3.研究目的
本次毕业设计的目的主要是以我校河北工业大学“AREI”赛车为样车，对汽车的外流场空气动力学特性进行分析，建立车身的有限元分析模型，利用计算流体力学方法，使用Fluent软件平台分析研究了汽车的空气动力性能，包括汽车周围流速、压力等的分布情况，从而确定了汽车的气动特性与参数。通过数值模拟方法对车身造型进行分析，确定车身空气动力学特性，为赛车造型设计和优化提供理论依据。
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【25】
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