【摘要】：隨著高速公路系統(tǒng)的加快建設和普及,汽車的平均速度越來越高,導致氣動阻力的影響變得更加顯著,而由此所引起的汽車能耗的不斷增加也受到越來越多的關注。有關研究表明,汽車氣動阻力的大小和行駛速度的平方大致成正比關系,且氣動阻力每降低10%,則可以省油4%左右。因此,減小氣動阻力可以明顯節(jié)約汽車的油耗改善其燃油經(jīng)濟性,是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要舉措。隨著對汽車空氣動力學研究的不斷深入,傳統(tǒng)的車身氣動減阻措施已經(jīng)發(fā)展得相對成熟并遇到了技術瓶頸,亟需尋找新型的氣動減阻思路與方法。研究發(fā)現(xiàn),自然界中許多生物的非光滑體表結構往往具有十分顯著的減阻作用,受此啟發(fā),本文在汽車車身上引入非光滑結構進行研究,以達到減小汽車氣動阻力的目的。本文利用CFD數(shù)值仿真計算方法,并結合風洞試驗驗證,選取凹坑非光滑表面為研究對象,分別將其布置在Ahmed客車模型、GTS貨車模型和階梯背MIRA轎車模型等不同車型的頂部、尾部和底部,通過數(shù)值仿真計算研究非光滑表面布置位置對不同車型氣動減阻效果的影響。接著通過對比光滑與尾部非光滑模型的尾流結構、速度、壁面剪應力、壓力和湍動能等關鍵流場參數(shù),進一步分析了非光滑表面對不同車型外流場的影響,并根據(jù)流場參數(shù)的對比結果,從壓差阻力與摩擦阻力的減小機理出發(fā),簡要闡述了尾部非光滑表面的減阻機理。然后采用基于近似模型的優(yōu)化方法,對非光滑表面進行優(yōu)化設計,從而獲得各參數(shù)的最佳組合以使減阻效果達到最優(yōu)。優(yōu)化結果表明,對于Ahmed模型與GTS模型,優(yōu)化后非光滑表面的最大減阻率分別可達4.69%和5.18%。最后,通過對比分析這兩種非光滑模型優(yōu)化前后的速度、壓力和湍動能等典型外流場參數(shù),進一步直觀地顯示了本優(yōu)化方法的可行性和優(yōu)化結果的可靠性。本文探討了凹坑非光滑結構的布置位置對不同汽車模型氣動減阻效果的影響,簡要分析了非光滑結構的減阻機理,并采用多島遺傳算法(MIGA)對非光滑結構的主要幾何尺寸進行了優(yōu)化,且取得了較為顯著的優(yōu)化效果,從而為非光滑表面的參數(shù)設計和工程應用提供了方法參考與理論指導,同時也為客車、貨車及轎車等不同車型汽車的氣動減阻研究提供了一種新思路。
【圖文】：

這種非光滑體表結構在某種程度上通常都具有減小粘性和降低阻力的功能。如蜣螂（圖1.1）以及穿山甲（圖 1.2）的體表上均布滿了大量的非光滑結構，這些非光滑表面讓它們能夠在高粘性的土壤中行動自如而不會黏土[7]；鯊魚是海里游得最快的動物之一，其皮膚表面布滿了長有溝槽結構的盾鱗（圖 1.3），這些獨特的盾鱗能夠改變鯊魚周圍產(chǎn)生的渦流從而減小其游動時的水流阻力；扇貝類水生動物外殼上的條紋狀表面結構也有助于降低其游動阻力[8]；信鴿是一種飛行能力極強的鳥類，其羽毛表面呈現(xiàn)出特殊的非光滑形態(tài)，該非光滑羽毛表面能夠幫助其有效降低高速飛行時的氣流阻力[9]；荷葉（圖 1.4）具有疏水性和自清潔功能，，這種特性是由其非光滑表面上的微小凸起結構和表面蠟質層共同作用的結果[10,11]。

圖 1.1 蜣螂體表非光滑結構 圖 1.2 穿山甲體表非光滑結構圖 1.3 鯊魚表皮微觀結構 圖 1.4 荷葉表面微觀結構相關科研人員從這些自然現(xiàn)象中獲得了啟示，把各種非光滑結構應用于問題的減阻研究上，仿生非光滑減阻技術由此誕生。它巧妙地將仿生學想運用到減阻領域里來，擴大了仿生學應用的范疇，也為減阻技術的研新的方向。近年來，該減阻技術已經(jīng)成為國內外減阻研究的熱點問題，技術人員廣泛運用到實際生活中去，且取得了較為顯著的實際減阻效果爾夫球是非光滑表面減阻在實際應用中最為典型的一個例子，它的表面
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463.82

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本文編號：2642846