跨界车气动性能优化及非光滑表面减阻研究

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截至2019年末我国民用汽车保有量已达到2.61亿辆,根据预测未来将达到5亿辆,巨大的汽车保有量伴随着庞大的燃料消耗量,2018年我国石油消费量为6.25亿吨,其中汽车消耗占比超过40%,在成品油消费结构中,车用汽油柴油的消耗量总计2.32亿吨,占社会汽油柴油消费总量的81.4%。化石能源的大量消耗带来了严峻的能源安全问题和环境问题。在汽车的能量消耗中,为克服气动阻力所消耗的能量占有相当大的比重。因此对车辆进行气动性能优化和减阻研究对于提升车辆性能,减少能源消耗,改善能源和环境问题意义重大。跨界车是为满足消费者一车多用的需求,应运而生的交叉车型,一经上市迅速兴起。作为轿车、SUV、跑车等车型的结合体,跨界车与这些传统车型的局部气动特性会有较大差别,因此开展针对跨界车的气动性能优化和减阻研究具有很好的商业价值。基于此,本文针对某新型跨界车,利用CFD方法分析了该车型气动敏感区,优化了该车气动性能,并开展了非光滑表面减阻技术研究。主要研究工作如下:基于著名汽车公司某新型跨界车,建立了几何模型和计算网格,考察了边界条件设置、湍流模型和计算域尺寸对跨界车风阻特性数值计算结果的影响;根据该跨界车各部位受力情况,分析了各部位阻力对整车风阻的贡献度,确定了该跨界车气动敏感区,并深入分析了各气动敏感区局部流动特征和阻力成因;进一步针对主要气动敏感区(发动机舱、前轮、后轮、车底等车身下部)提出了气动性能优化方案,详细分析了各优化方案与综合优化方案的流动特性和减阻效果,并深入剖析了其减阻机理;针对车底流动状态,提出了沟槽型非光滑表面减阻技术,优化了沟槽尺寸,揭示了沟槽非光滑表面的减阻机理。由上述研究可得如下结论:1)跨界车与轿车气动敏感区分布类似,但各气动敏感区对整车风阻的贡献程度有较大差异。与轿车相比,跨界车的车前脸、车尾、车轮及轮仓所产生的阻力更大,车底部件风阻贡献较小,而两种车型车顶阻力占比基本相同。车底对跨界车整车风阻影响较大,且有较大局部优化减阻价值。2)通过分析各气动敏感区流动特点,提出了六种减阻方案,通过研究发现,气坝方案不适用于本车车型,其他方案均取得了一定的减阻效果。前轮导流板有效减少了气流对轮胎表面冲击和进入轮仓的气流量,一定程度抑制了车轮表面的流动分离,减少了车轮和轮仓受力,优化了尾迹涡,改善了发动机舱、后轮和车尾的流动,该方案最高减阻率为6.48%。发动机舱和后舱封平两个方案的减阻率分别为0.88%和1.65%,且对其他气动敏感区流动影响不大。综合优化方案的减阻率为13%。3)顺流沟槽减阻效果对流速和特征尺寸比较敏感,在特定流速下,无量纲深度为10左右时顺流沟槽可以将近壁面流向涡托起,抑制流向涡增长,从而减小壁面切应力,实现减阻,最佳减阻率约为1.92%。横流沟槽减阻效果与尺寸密切相关,对速度不敏感。深度为0.1 mm连续沟槽减阻效果最好,最大减阻率达到9.32%。横流沟槽减阻效果与内部稳定存在着的顺流向涡柱密切相关。
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