【摘要】：隨著高速公路系統(tǒng)的加快建設(shè)和普及,汽車的平均速度越來(lái)越高,導(dǎo)致氣動(dòng)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(lái)越多的關(guān)注。有關(guān)研究表明,汽車氣動(dòng)阻力的大小和行駛速度的平方大致成正比關(guān)系,且氣動(dòng)阻力每降低10%,則可以省油4%左右。因此,減小氣動(dòng)阻力可以明顯節(jié)約汽車的油耗改善其燃油經(jīng)濟(jì)性,是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要舉措。隨著對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的不斷深入,傳統(tǒng)的車身氣動(dòng)減阻措施已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟并遇到了技術(shù)瓶頸,亟需尋找新型的氣動(dòng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以達(dá)到減小汽車氣動(dòng)阻力的目的。本文利用CFD數(shù)值仿真計(jì)算方法,并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證,選取凹坑非光滑表面為研究對(duì)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(guò)數(shù)值仿真計(jì)算研究非光滑表面布置位置對(duì)不同車型氣動(dòng)減阻效果的影響。接著通過(guò)對(duì)比光滑與尾部非光滑模型的尾流結(jié)構(gòu)、速度、壁面剪應(yīng)力、壓力和湍動(dòng)能等關(guān)鍵流場(chǎng)參數(shù),進(jìn)一步分析了非光滑表面對(duì)不同車型外流場(chǎng)的影響,并根據(jù)流場(chǎng)參數(shù)的對(duì)比結(jié)果,從壓差阻力與摩擦阻力的減小機(jī)理出發(fā),簡(jiǎn)要闡述了尾部非光滑表面的減阻機(jī)理。然后采用基于近似模型的優(yōu)化方法,對(duì)非光滑表面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而獲得各參數(shù)的最佳組合以使減阻效果達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化結(jié)果表明,對(duì)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(dá)4.69%和5.18%。最后,通過(guò)對(duì)比分析這兩種非光滑模型優(yōu)化前后的速度、壓力和湍動(dòng)能等典型外流場(chǎng)參數(shù),進(jìn)一步直觀地顯示了本優(yōu)化方法的可行性和優(yōu)化結(jié)果的可靠性。本文探討了凹坑非光滑結(jié)構(gòu)的布置位置對(duì)不同汽車模型氣動(dòng)減阻效果的影響,簡(jiǎn)要分析了非光滑結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理,并采用多島遺傳算法(MIGA)對(duì)非光滑結(jié)構(gòu)的主要幾何尺寸進(jìn)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(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了方法參考與理論指導(dǎo),同時(shí)也為客車、貨車及轎車等不同車型汽車的氣動(dòng)減阻研究提供了一種新思路。
【圖文】：

這種非光滑體表結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這些非光滑表面讓它們能夠在高粘性的土壤中行動(dòng)自如而不會(huì)黏土[7]；鯊魚(yú)是海里游得最快的動(dòng)物之一，其皮膚表面布滿了長(zhǎng)有溝槽結(jié)構(gòu)的盾鱗（圖 1.3），這些獨(dú)特的盾鱗能夠改變鯊魚(yú)周圍產(chǎn)生的渦流從而減小其游動(dòng)時(shí)的水流阻力；扇貝類水生動(dòng)物外殼上的條紋狀表面結(jié)構(gòu)也有助于降低其游動(dòng)阻力[8]；信鴿是一種飛行能力極強(qiáng)的鳥(niǎo)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(shí)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(jié)構(gòu)和表面蠟質(zhì)層共同作用的結(jié)果[10,11]。

圖 1.1 蜣螂體表非光滑結(jié)構(gòu) 圖 1.2 穿山甲體表非光滑結(jié)構(gòu)圖 1.3 鯊魚(yú)表皮微觀結(jié)構(gòu) 圖 1.4 荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)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(jié)構(gòu)應(yīng)用于問(wèn)題的減阻研究上，仿生非光滑減阻技術(shù)由此誕生。它巧妙地將仿生學(xué)想運(yùn)用到減阻領(lǐng)域里來(lái)，擴(kuò)大了仿生學(xué)應(yīng)用的范疇，也為減阻技術(shù)的研新的方向。近年來(lái)，該減阻技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外減阻研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，技術(shù)人員廣泛運(yùn)用到實(shí)際生活中去，且取得了較為顯著的實(shí)際減阻效果爾夫球是非光滑表面減阻在實(shí)際應(yīng)用中最為典型的一個(gè)例子，它的表面
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U463.82

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本文編號(hào)：2642846