第一章緒論

降低能量損耗的一個(gè)重要前提是找到引起能量損耗的因素，只有從引起能量損耗的源頭上進(jìn)行改善，才能從根本上解決問(wèn)題。汽車(chē)是現(xiàn)代社會(huì)的主要交通工具之一，又是重要的能源消耗產(chǎn)品，保有量不斷增大的形車(chē)每年都消耗掉相當(dāng)可觀的不可再生能源，由此可見(jiàn)，節(jié)省汽車(chē)燃油對(duì)緩解能源危機(jī)有著重要的意義。汽車(chē)消耗的能量主要是用來(lái)克服行駛時(shí)的曲為，而空氣阻力是汽車(chē)行駛阻為的重要組成部分。研究表明，汽車(chē)的氣動(dòng)阻力減低10％時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的燃油量降低7％左右；當(dāng)汽車(chē)行駛速度增大時(shí)，其氣動(dòng)阻力迅速增大，在80ｋｍ／ｈ時(shí)，克服氣動(dòng)阻為消耗的功率約占總功率的60％，，而當(dāng)汽車(chē)行駛速度上升到150ｋｍ／ｈ時(shí)，氣動(dòng)阻為是滾動(dòng)阻為的兩到互倍。汽車(chē)的氣動(dòng)阻為與汽車(chē)的外形和表面結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，目前汽車(chē)工程師主要是通過(guò)改善汽車(chē)的整體外形流線(xiàn)性或加裝導(dǎo)流裝置等方法來(lái)降低汽車(chē)的氣動(dòng)阻為系數(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在這兩方面的研究臣經(jīng)趨于成熟，減少氣動(dòng)阻力的空間比較有限，想再有大的突破邑經(jīng)十分困難，使得低風(fēng)阻系數(shù)車(chē)身的研究進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期。
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第二章變異弧形隨行波表面模型的構(gòu)建

2.1仿生學(xué)基礎(chǔ)

仿生學(xué)是一口學(xué)科交叉性很強(qiáng)的邊緣科學(xué)，它涉及到數(shù)學(xué)、物理、生物學(xué)和工程設(shè)計(jì)學(xué)等眾多學(xué)科。在過(guò)去的幾十年中，仿生學(xué)取得非常快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大批專(zhuān)家學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了很多重要的科研成果。近幾年來(lái)，仿生非光滑表面減阻降她特性研究這一仿生學(xué)的分支成為了國(guó)形外學(xué)者的研究熱點(diǎn)�，F(xiàn)在仿生學(xué)己經(jīng)廣度應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域，并為人類(lèi)社會(huì)做出來(lái)不可估量的貢獻(xiàn)，比如利用超聲波來(lái)察覺(jué)障礙物的特點(diǎn)來(lái)發(fā)明的雷達(dá)，根據(jù)蒼蠟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的360度全景相機(jī)，根據(jù)螢火蟲(chóng)發(fā)化的特點(diǎn)制造出的人工冷光等等。

2.2仿生非光滑結(jié)構(gòu)的提取

目前關(guān)于非光滑結(jié)構(gòu)方面的研究己經(jīng)到了一個(gè)瓶頸期，現(xiàn)有的非光滑結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)方面很難有更突出的效果。因此要想在仿生非光滑研究領(lǐng)域取得新的突破，就需要設(shè)計(jì)出新的非光滑結(jié)構(gòu)，為此就需要尋求新的仿生原型。本文作者在尋找新的仿生原型過(guò)程，通過(guò)對(duì)沙漠地表及戈壁地表進(jìn)行了觀察和研究，發(fā)現(xiàn)沙漠地表在長(zhǎng)期的風(fēng)蝕作用下，形成了一種類(lèi)似于波紋狀的結(jié)構(gòu)，如圖2-4形示。這種波紋狀結(jié)構(gòu)是垂直于來(lái)流方向的，或者說(shuō)是沿著風(fēng)的吹動(dòng)方向排布的，所以稱(chēng)之為隨行波。沙漠表面的隨行波結(jié)構(gòu)地貌是在自然條件下形成的，根據(jù)自然發(fā)展演變規(guī)則，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有某些恃殊的功能，比如說(shuō)某種程度上有利于空氣的流動(dòng)。本課題的研究目標(biāo)是沒(méi)計(jì)具有氣動(dòng)減阻效果的表面并挖掘其氣動(dòng)減阻機(jī)理。沙漠表面的隨行波結(jié)構(gòu)有利于空氣的流動(dòng)，從另一個(gè)角度看，化就是空氣流過(guò)隨行波表面時(shí)具有更小的流動(dòng)阻為，這與本課題的目標(biāo)功能相符合，所以該結(jié)構(gòu)是一個(gè)合適的仿生原型。

第三章變異孤形隨行波表面氣動(dòng)減阻特性數(shù)值模擬方法..........25

3.1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)概述........25
3.2流體為學(xué)的基本知識(shí)......27
3.3計(jì)算域的確定.........30
3.4數(shù)值模擬仿真體系的構(gòu)建.......31
3.5網(wǎng)格劃分.........32
3.6數(shù)值模擬求解方案........36
3.7數(shù)值模擬可行性驗(yàn)證.......40
3.8本章小結(jié)...........42
第四章變異孤形隨行波表面氣動(dòng)減阻特性分析.....44
4.1基于變異弧形隨行波形狀的減阻特性分析.....44
4.2基于隨行波排布間距的減阻特性分析.......54
4.3基于形狀和排布間距交互作用的分析................58
4.4基于來(lái)流速度的減阻持性分析........50
4.5本章小結(jié)...........61
第五章變異弧形隨行波表面的減租機(jī)理....62
5.1壁面剪應(yīng)力分析.....62
5.2速度場(chǎng)分析....63
5.3湍流統(tǒng)計(jì)量分析..67
5.4本章小結(jié)........69

第五章變異弧形隨行波表面的減阻機(jī)理

5.1壁面剪應(yīng)力分析

圖5-3中，可以將變異弧形隨行波表面分成王個(gè)部分：上游光滑部分、中間非光滑部分和下游光滑部分。對(duì)比光滑表面的壁面剪應(yīng)力云困和變異弧形隨行波非表面的壁面剪應(yīng)力宏圖，可看出，在上游光滑部分，兩者的大小和變化規(guī)律基本一致，都是沿著流速方向逐漸減小，這是由于隨著沿著流速方向邊界屆逐漸變厚引起了速度梯度的減緩，導(dǎo)致了壁面剪應(yīng)為的降低；在中間非光滑部分，隨行波內(nèi)部的壁面剪應(yīng)為迅速減小，雖然壁面剪應(yīng)力在隨行波之間的表面上出現(xiàn)局部的增大，但是增大并不形顯且范圍較小，總體來(lái)說(shuō)，該部分的壁面摩擦力還是小于所對(duì)應(yīng)的非光滑表面的壁面摩擦為；在下游光滑部分，由于受前面隨行波結(jié)構(gòu)的影響，壁面剪應(yīng)為的大小呈條紋狀變化，相較于對(duì)應(yīng)的光滑表面來(lái)說(shuō)，該部分的壁面摩擦力總體變化不明顯。綜上，變異弧形隨行波結(jié)構(gòu)通過(guò)降低自身形部的壁面剪應(yīng)力來(lái)堿小了非光滑表面的壁面摩擦力。

5.2速度廠場(chǎng)分析

速度場(chǎng)是由毎一時(shí)刻、每一點(diǎn)上速度大小及其方向組成的物理場(chǎng)，通過(guò)速度場(chǎng)能夠直觀地觀察到流場(chǎng)中某一時(shí)刻的速度分布特點(diǎn)。本節(jié)利用CFD數(shù)值模擬軟件后處理模塊得到的流場(chǎng)的速度云圖和速度矢量圖，對(duì)變異弧形隨行波非光滑表面附近的氣流場(chǎng)進(jìn)行分析。為了便于對(duì)比分析，提取速度云圖和速度矢量圖的截面為氣流場(chǎng)沿來(lái)流方向的中截面，如圖5-3所示。

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第六章總維與展望

6.1本文總結(jié)

為了研究隨行波形狀對(duì)減化效果的影響，其中寬形比為隨行波單元寬度尺寸和深度尺寸之比。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)減阻效果影響最明顯的是深度，在特定的尺寸范圍形，減阻率隨形度的増大而增大；其次為偏比，減臟李隨偏Ａ比的增大先增加后減小，在0.5左右時(shí)取得最大值；寬深比對(duì)減阻效果的影響最不明顯，減阻率隨寬深妃的增大先增加后減小，在寬形比為5左右時(shí)堿阻率最大；結(jié)合正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析可以認(rèn)為，深度在變異弧形隨行波對(duì)減阻效果的影響上面起著決定性的作用。針對(duì)隨行波的排布間距對(duì)減勝效果的影響設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，減阻率隨著排布間距的增大而減小，且減小的程度隨著排布間距的增大有所減緩。根據(jù)正交試驗(yàn)的分析結(jié)果，以深度作為隨行波單元的形狀參數(shù)，設(shè)計(jì)深度和排布間距的交互試驗(yàn)，研究形狀和排布間距的交互作用對(duì)減阻效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果分析得到，當(dāng)形狀和排布間距都取最佳值時(shí)，減阻率最大；變異弧形隨行波越深，減阻效果受其排布間距的影響越明顯；變異弧形隨行波排布間距越小，減阻率受其深度的影響越大。

6.2本文特色與創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本文提出了一種新型的非光滑結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的非光滑結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)能夠更顯著地降低表面摩擦臟為；（2）以往針對(duì)非光滑表面減臟特性的研究多忽略形狀與排布間距之間的交互作用，本文通過(guò)交互試驗(yàn)研究，得出了變異弧形隨行波形狀及其排布間距之間的交互作用對(duì)減臟效果的影響；（3）通過(guò)對(duì)變異弧形隨行波表面近壁區(qū)氣流場(chǎng)的分析，揭示了其減阻化理，為后續(xù)的王程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)；（4）采用ANSYS Workbench協(xié)調(diào)仿真平臺(tái)進(jìn)行CFD數(shù)值樸擬，提高了試驗(yàn)效率。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：46349