车身非光滑表面位置对气动性能的影响

以SAE(美国机动车工程师学会)模型为研究对象,采用计算流体力学数值模拟方法研究非光滑表面布置位置对车身气动性能的影响.通过对钝体模型的不同位置(侧部、底部、顶部、尾部)布置凹坑型非光滑表面,计算钝体模型的空气阻力系数,比较光滑表面与非光滑表面速度矢量、压力以及湍动能,分析了非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因,根据分析结果得到在模型的侧部、顶部、尾部和底部布置非光滑表面均能起到减阻作用,尾部非光滑表面的减阻效果最明显,减阻率达到5.73%.     

车身非光滑表面组合布置对气动特性影响分析

为了研究非光滑表面尺寸及组合布置位置对汽车气动性能的影响.以MIRA阶梯背模型为研究对象,采用CFD与风洞试验相结合的方法对3种不同位置组合模型的气动性能进行了研究,并与光滑表面模型进行对比分析,探讨其减阻机理.结果表明,行李舱盖,车身尾部和车身底部组合布置非光滑单元体减阻效果最佳,减阻率为5.90%.非光滑表面通过改善汽车的尾部涡流,降低了模型压差阻力;同时通过改变近壁面气流的流动状态,降低了车身表面的气流速度,减小车身的摩擦阻力.     

车身单一非光滑表面与双表面耦合的减阻效果

将凹坑型非光滑表面分别布置在汽车工业研究协会(MIRA)给出的直背式模型的顶部和尾部,研究顶部非光滑和尾部非光滑单独作用时的减阻效果,并通过耦合的方法,研究顶部和尾部共同作用时的减阻效果.通过CFD数值计算方法,得出模型的尾流、压力、剪应力以及湍动能等参数,对比模型在不同形式下的减阻效果,并分析减阻原因.研究结果表明:凹坑型非光滑表面能减小模型尾部负压,从而减小压差阻力,并降低湍动能,减小能量耗散;顶部和尾部非光滑的耦合作用略强于单独作用,但小于两者之和.     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

具有流线型凸包的风力发电机气动特性

以300 W水平轴风力机叶片为研究对象,设计流线型凸包结构,并应用于风轮模型,结合滑移网格技术,对比研究光滑型与流线凸包型风力发电机的绕流场特性以及气动载荷特性,分析了三维绕流场内速度、压力、流线等的变化规律,以及不同风速下风力机的阻力系数及其功率的时程变化规律,探讨了流线凸包型与光滑型风轮在不同风速下运行时绕流特性的差异。结果表明:流线型凸包对流场有较好的改善结果;当风速增大时有明显的减阻效果,最大减阻率为19.53%,但其波动量增加为1.51%;凸包型风轮输出功率明显高于光滑型风轮,但随着风速增加,功率增加率也逐渐减弱。研究结果对水平轴风力机非定常气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

非光滑表面仿生学(Ⅰ)

介绍了生活在不同环境的动物,如鲨鱼、沙鱼、蜥蜴、甲虫和蜣螂体表的非光滑性.这些动物体表的沟槽型(肋条样)、鳞片型、凸包型和凹坑型形态和结构与其生活习性相适应.它们特异的微结构使非光滑表面具有优异的减阻、减摩、抗粘附和抗磨损的特性,因此成为仿生学研究和应用的一个新领域.     

非光滑表面仿生学（I）

介绍了生活在不同环境的动物,如鲨鱼、沙鱼、蜥蜴、甲虫和蜣螂体表的非光滑性．这些动物体表的沟槽型（肋条样）、鳞片型、凸包型和凹坑型形态和结构与其生活习性相适应．它们特异的微结构使非光滑表面具有优异的减阻、减摩、抗粘附和抗磨损的特性,因此成为仿生学研究和应用的一个新领域。     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

三角形沟槽旋成体表面减阻性能的数值模拟

基于仿生微小非光滑表面具有减黏降阻特性的基本思想,在高速转动旋成体表面布置不同深度和间距的三角形沟槽.采用RNGκ-ε模型对其三维流场进行模拟,分别计算表面光滑旋成体与表面具有三角形沟槽的旋成体壁面阻力系数,对比两者壁面剪应力大小可知,将三角形沟槽布置于高速旋转的旋成体表面,可降低旋成体在高速转动时壁面的空气阻力,从而降低动力消耗,并且沟槽深度和间距均对旋成体壁面阻力产生不同影响.与光滑旋成体相比,三角形沟槽旋成体最大减阻率为12.060%.     

尾部特征参数对气动阻力交互影响与全局优化研究

汽车尾部结构气动减阻优化时,各几何特征参数间往往存在此消彼长的现象,使得优化变得盲目而复杂.对此,为探明关键几何参数的交互影响规律,以Ahmed类车体为研究对象,在HD-2风洞试验对标验证基础上,对后背3个主要特征参数进行了CFD仿真研究,并在此基础上,为克服盲目性,应用集成优化平台对尾部特征参数进行优化设计.结果表明,后背倾角角度对减阻的贡献量最大,背部两侧圆角半径次之,后背顶部圆角半径最小;三者的改变对气动阻力的影响都具有非单调性;当后背倾角角度、后背顶部圆角半径和背部两侧圆角半径分别为13°、283 mm、58 mm时,能有效减小气动阻力,减阻率达到11.76%,为具体车型减阻优化研究提供借鉴.     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

V形仿生非光滑结构对轮胎花纹气动噪声影响

为探索降低花纹气动噪声的方法,以205/55R16半钢子午线轮胎为研究对象,研究V形仿生非光滑结构对轮胎花纹气动噪声的影响.以滚动轮胎单一节距的花纹沟体积变化信息为边界条件,采用计算流体力学建立了花纹气动噪声仿真模型,通过与试验测试声压频谱二者信息对比,说明了花纹气动噪声模型的可靠性.在此基础上,借鉴工程流体领域仿生减阻降噪的思路,研究了花纹沟底部布置不同尺寸的V形非光滑结构对花纹气动噪声的影响,从雷诺应力、湍流动能两个流体流场参数揭示了非光滑结构对花纹气动噪声降噪机理.将降噪效果最佳的V形非光滑结构移植到混合花纹沟上并进行花纹气动噪声分析,结果表明:在混合花纹沟壁面布置非光滑结构能降低沟槽内流体不稳定性,具有明显的降噪效果,最大降噪量达4.6dB.     

仿生非光滑车外后视镜罩气动减阻降噪机理研究

使用DrivAer汽车模型来研究仿生非光滑车外后视镜罩减阻降噪机理.风洞试验验证了LES(Large Eddy Simulation)和k-ε仿真模型的有效性,说明车外后视镜会导致空气阻力和空气噪声增加.在DrivAer汽车模型外后视镜罩造型表面应用仿生非光滑结构,仿真结果表明:车外后视镜上应用仿生非光滑结构,使整车阻力降低5.9%,侧窗外响度降低19.4%;仿生非光滑结构通过改变边界层流动状态,促使涡垫效应形成,减少来流能量损失,提高流场稳定性,进而对整车气动阻力和噪声产生积极的影响.     

不同表面形式沟槽对集装箱列车气动阻力特性的影响研究

针对铁路单层集装箱表面结构单一、气动阻力特性差等问题，本文设计了适用于集装箱的三角形、梯形、弧形和矩形表面形式沟槽结构.利用ANSYS Fluent软件，采用基于Realized k-ε湍流模型和SIMPLE算法，对比了4种不同表面形式沟槽的集装箱列车模型的气动阻力，结果表明：明线情况下，弧形沟槽结构集装箱列车气动阻力最小；不同表面形式沟槽结构的集装箱列车所受的气动阻力差异主要来自于集装箱；集装箱的压差阻力贡献了主要的气动阻力，弧形沟槽结构集装箱压差阻力最小，而摩擦阻力最大.     

表面粗糙度对塑料车身外流场的影响

以某全塑汽车车身为模型,应用流体力学数值模拟方法研究表面粗糙度对车身空气动力性能的影响。分别对相同外形不同粗糙度的各模型进行分析,比较各模型气动阻力、气动升力、速度场和压力场之间的差异,并分析造成差异的原因。结果表明,适当增加塑料车身表面粗糙度对气动阻力影响不明显,但是可以降低气动升力。此结论也将对金属车身的设计优化起到积极作用,对金属车身表面进行喷砂等处理,适当增大表面粗糙度会使其气动升力减小。     

非光滑车表的空气阻力特性

基于仿生思想,将自然界中普遍存在的非光滑表面形态应用到汽车车身,利用计算流体力学数值模拟方法,研究采用非光滑车表减小汽车空气阻力的可行性.从汽车空气阻力的组成入手,通过对比光滑车表与非光滑车表汽车的外流场,分析非光滑车表对汽车压差阻力、诱导阻力、摩擦阻力的影响以及减阻机理.     

仿生球体形态对高速磁浮列车减阻的影响

采用基于SST k-ω双方程的IDDES湍流模型,在高速磁浮列车流线型部位设置不同形态的仿生球体结构,对其减阻性能进行瞬态模拟。研究结果表明：仿生球体结构不仅可以有效降低尾流流速,削弱尾流的整体强度,而且能够约束尾涡的发展,减小尾涡的辐射范围;球体结构减小了尾车流动分离位置处的高速流区面积,并有效延缓了湍流的猝发性,使得湍流强度降低,边界层厚度变窄;仿生球体结构对列车风产生一种吸附作用,使得高速区被集中在距离尾车鼻尖更近的部位,尾流的流速波动变小;球体形态差异对流场结构的影响较大,与凸包形态的球体结构相比,凹坑形态的球体结构对尾流强度的削弱作用更显著,对流动分离位置边界层的作用效果更好,对列车风的吸附能力更强;凸包形态和凹坑形态的仿生球体结构可分别减小7.64%和14.58%的尾车气动阻力,但会分别增大2.33%和1.16%的头车气动阻力。     

基于自由变形技术的Ahmed模型气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效率,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形方法引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法.文中以外形简单的Ahmed模型为研究对象,根据正交试验设计构建样本空间,采用FFD方法对各样本点模型进行参数化,通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;建立3种常用的近似模型,选择可信度最高的RBF模型构建近似模型,采用多岛遗传算法求解近似模型的最优值,根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数.计算结果显示优化后的Ahmed模型气动阻力系数减少了51.96%.      

基于等离子体的GTS模型气动减阻研究

为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果,以GTS模型为研究对象,采用数值仿真的方法,分别研究了当来流风速为20 m/s时,3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理,然后进行组合工况的分析.研究结果表明,等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离,从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数,等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点.单个位置激励时,等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好,最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%.当来流风速一定时,等离子体存在最佳布置角度与激励电压.     

亚音速飞行器壁面沟槽减阻研究与应用

固/气界面间强烈的剪切作用是亚音速飞行器壁面摩擦阻力产生的主要原因。该文基于k-ε湍流模型及动态网格划分技术,研究沟槽内微漩涡流动特性、沟槽结构对表面受力影响及沟槽内局部压力场及压差阻力的产生原因;以壁面阻力系数为计算目标,对沟槽形貌构型优化,获取亚音速飞行时具有最佳减阻效果的壁面沟槽形貌构型参数。在中国航天某研究院FD06风洞进行试验,试验结果表明:亚音速飞行器壁面沟槽结构可显著降低壁面阻力系数。Ma=0.4时,壁面摩擦阻力由1.7N降低为0.908N,减阻率为45.57%;Ma=0.8时,减阻率为13.5%;Ma=0.9时,减阻率为18.4%。