第一章緒論

降低能量損耗的一個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行改善，才能從根本上解決問題。汽車是現(xiàn)代社會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每年都消耗掉相當可觀的不可再生能源，由此可見，節(jié)省汽車燃油對緩解能源危機有著重要的意義。汽車消耗的能量主要是用來克服行駛時的曲為，而空氣阻力是汽車行駛阻為的重要組成部分。研究表明，汽車的氣動阻力減低10％時，其相對應的燃油量降低7％左右；當汽車行駛速度增大時，其氣動阻力迅速增大，在80ｋｍ／ｈ時，克服氣動阻為消耗的功率約占總功率的60％，，而當汽車行駛速度上升到150ｋｍ／ｈ時，氣動阻為是滾動阻為的兩到互倍。汽車的氣動阻為與汽車的外形和表面結構息息相關，目前汽車工程師主要是通過改善汽車的整體外形流線性或加裝導流裝置等方法來降低汽車的氣動阻為系數(shù)，經(jīng)過幾十年的發(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，使得低風阻系數(shù)車身的研究進入了一個瓶頸期。
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第二章變異弧形隨行波表面模型的構建

2.1仿生學基礎

仿生學是一口學科交叉性很強的邊緣科學，它涉及到數(shù)學、物理、生物學和工程設計學等眾多學科。在過去的幾十年中，仿生學取得非常快速的發(fā)展，國內外大批專家學者都進行了相關研究，并取得了很多重要的科研成果。近幾年來，仿生非光滑表面減阻降她特性研究這一仿生學的分支成為了國形外學者的研究熱點�，F(xiàn)在仿生學己經(jīng)廣度應用于各相關領域，并為人類社會做出來不可估量的貢獻，比如利用超聲波來察覺障礙物的特點來發(fā)明的雷達，根據(jù)蒼蠟的結構設計出的360度全景相機，根據(jù)螢火蟲發(fā)化的特點制造出的人工冷光等等。

2.2仿生非光滑結構的提取

目前關于非光滑結構方面的研究己經(jīng)到了一個瓶頸期，現(xiàn)有的非光滑結構在實現(xiàn)功能目標方面很難有更突出的效果。因此要想在仿生非光滑研究領域取得新的突破，就需要設計出新的非光滑結構，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程，通過對沙漠地表及戈壁地表進行了觀察和研究，發(fā)現(xiàn)沙漠地表在長期的風蝕作用下，形成了一種類似于波紋狀的結構，如圖2-4形示。這種波紋狀結構是垂直于來流方向的，或者說是沿著風的吹動方向排布的，所以稱之為隨行波。沙漠表面的隨行波結構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，說明該結構具有某些恃殊的功能，比如說某種程度上有利于空氣的流動。本課題的研究目標是沒計具有氣動減阻效果的表面并挖掘其氣動減阻機理。沙漠表面的隨行波結構有利于空氣的流動，從另一個角度看，化就是空氣流過隨行波表面時具有更小的流動阻為，這與本課題的目標功能相符合，所以該結構是一個合適的仿生原型。

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

3.1計算流體動力學概述........25
3.2流體為學的基本知識......27
3.3計算域的確定.........30
3.4數(shù)值模擬仿真體系的構建.......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)值模擬可行性驗證.......40
3.8本章小結...........42
第四章變異孤形隨行波表面氣動減阻特性分析.....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基于來流速度的減阻持性分析........50
4.5本章小結...........61
第五章變異弧形隨行波表面的減租機理....62
5.1壁面剪應力分析.....62
5.2速度場分析....63
5.3湍流統(tǒng)計量分析..67
5.4本章小結........69

第五章變異弧形隨行波表面的減阻機理

5.1壁面剪應力分析

圖5-3中，可以將變異弧形隨行波表面分成王個部分：上游光滑部分、中間非光滑部分和下游光滑部分。對比光滑表面的壁面剪應力云困和變異弧形隨行波非表面的壁面剪應力宏圖，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，導致了壁面剪應為的降低；在中間非光滑部分，隨行波內部的壁面剪應為迅速減小，雖然壁面剪應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，總體來說，該部分的壁面摩擦力還是小于所對應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構的影響，壁面剪應為的大小呈條紋狀變化，相較于對應的光滑表面來說，該部分的壁面摩擦力總體變化不明顯。綜上，變異弧形隨行波結構通過降低自身形部的壁面剪應力來堿小了非光滑表面的壁面摩擦力。

5.2速度廠場分析

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

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第六章總維與展望

6.1本文總結

為了研究隨行波形狀對減化效果的影響，其中寬形比為隨行波單元寬度尺寸和深度尺寸之比。試驗結果表明，對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左右時取得最大值；寬深比對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左右時堿阻率最大；結合正交試驗結果的方差分析可以認為，深度在變異弧形隨行波對減阻效果的影響上面起著決定性的作用。針對隨行波的排布間距對減勝效果的影響設計了單因素試驗，試驗結果表明，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)正交試驗的分析結果，以深度作為隨行波單元的形狀參數(shù)，設計深度和排布間距的交互試驗，研究形狀和排布間距的交互作用對減阻效果的影響。試驗結果分析得到，當形狀和排布間距都取最佳值時，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

（1）本文提出了一種新型的非光滑結構，與現(xiàn)有的非光滑結構相比，該結構能夠更顯著地降低表面摩擦臟為；（2）以往針對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，本文通過交互試驗研究，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減臟效果的影響；（3）通過對變異弧形隨行波表面近壁區(qū)氣流場的分析，揭示了其減阻化理，為后續(xù)的王程應用提供一定的指導；（4）采用ANSYS Workbench協(xié)調仿真平臺進行CFD數(shù)值樸擬，提高了試驗效率。

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參考文獻（略）

本文編號：46349