基于试验设计的车身非光滑表面气动减阻研究

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1、基于试验设计的车身非光滑表面气动减阻研究AerodynamicDragReductionResearchofNon-smoothAuto-bodySurfacebasedontheDesignofExperiments作者姓名：朱云云专业名称：机械工程（车身工程）指导教师：胡兴军教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月30日摘要基于试验设计的车身非光滑表面气动减阻研究汽车消费快速增长导致的能源消耗问题，以及由燃油消耗引起的有毒气体，微粒及温室效应气体排放等不可忽略的环境问题都亟待解决，而通过对非光滑表面的探究与应用来降低汽车行驶过程中的气动阻力不仅能提高燃油经济

2、性，改善环境，还能为突破目前的减阻瓶颈状态提供技术指导。本文主要内容包括四个方面，一是布置有非光滑单元体二维台阶模型的仿真研究；二是布置有非光滑结构的三维MIRA汽车模型的仿真研究；三是针对获得的减阻效果，对每种形态的非光滑单元体进行影响分析以及减阻机理的探讨；四是在第二部分研究内容的基础上进一步的正交寻优。第一部分的研究对象二维后向台阶，取自三维汽车模型的尾部台阶几何特征，将不同形态的非光滑单元应用在后向台阶的不同位置，发现非光滑表面能有效改善尾部流场，减小能量的消耗进而减小了阻力系数值；同时给出了所研究的几个因素对二维台阶减阻性能的影响主次顺序，并根据初步的正交试

3、验设计获得了最优水平组合的方案，通过对该方案的仿真与分析发现后阶非光滑单元体不仅影响了模型的摩擦阻力，也降低了压差阻力。第二部分对阶背式MIRA模型布置的单元体进行正交试验设计，发现表面非光滑元素的布置位置，形态，以及自身特征尺寸，包括深度、宽度以及之间的距离对整车阻力以及各组分阻力的影响并不完全一致，其模型总阻力的减小可以是既减少了模型的压差阻力又减小摩擦阻力，也可以是在摩擦阻力增加不大的情况下大幅度减少压差阻力。综合各因素各水平对不同阻力减阻率的影响分析得到，在所研究的因素范围内，单元体布置位置对总减阻率的影响最大，且布置在行李舱位置时能获得较好的减阻效果；单元体

4、形状对减阻效果的影响也不容忽视，在试验方案范围内，沿气流X方向布置的沟槽A对压差阻力的减阻效果非常明显，弥补了该位置处粘性阻力减阻微弱的不足，进而获得较高的总阻力减阻效果。同时，旋转体式的形状特征也能获得较好的减阻效果，这保证了能应用于工程实际的多样性；而间距对总阻力与组分阻力的减阻率影响规律保持一致，间距较小，非光滑单元体布置较密时，减阻效果较好；单元体自身的大小反而产生的影响较小，可能是因为在本文的研究中考虑到美观与实际加工需要，将单元体的尺寸做了一定的限制。第三部分以每种形态单元体起到最大减阻效果的模型为分析对象，将每种单元体对各阻力成分的影响进行了定量比较，并

5、讨论了减小阻力成分的原因。同时重点从湍流状态的改变、涡结构与涡量的变化、单元体附近流场变化情况阐述各形态的减阻机理，也验证了学者提出“空气轴承”“突出高度”理论最后基于第二部分的研究基础，着重考虑首要因素布置位置，放大其对流场影响，形成组合方案，在主要因素的水平范围内寻找更优减阻效果的方案。通过仿真发现，所有组合方案都能取得不错减阻效果，并且最大减阻效果7.41%优于单位置的最优方案6.52%，为实际的工程应用提供了更广泛的选择范围。本文通过正交试验获得了非光滑单元体各因素对减阻率的影响趋势，详细阐述了不同形态单元体引起阻力变化的机理，通过小范围的正交试验设计获得了更

6、优减阻效果，为非光滑表面在汽车上的工程应用提供了理论基础。关键词：非光滑单元体，正交试验设计，减阻机理，湍流参数，涡结构AbstractAerodynamicDragreductionresearchofnon-smoothauto-bodysurfacebasedonthedesignofexperimentsTheproblemofenergyconsumptioncausedbytherapidgrowthofautomobiles,andotherenvironmentalproblemsoftoxicgas,particles,andgreenhousega

7、semissionsthatcan'tbeignoredshouldbesolved.However,themethodofreducingtheaerodynamicdragbynon-smoothsurfacescannotonlyimprovefueleconomyandtheenvironment,butalsoprovidetechnicalguidanceforbreakingthroughthecurrentstateofdragreductionbottleneck.Thispapermainlyincludesfourparts,t