大客车气动减阻优化研究

作     者：田杰 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖宏伟

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：大客车 气动特性 参数设计 减阻优化 

摘      要：近年来,汽车行业发展迅速,路面车辆日益增多,在提供便民服务的同时也带来了一系列的环境问题,目前环境污染和能源紧缺是急需解决的两大难题。大客车作为一种大型商用车,提供了便捷的出行方式,但由于其车身不具有理想的空气动力学外形,在高速行驶时会产生很大的气动阻力,而对于大型商用车来说,当车速达到100km/h时将有接近50%的燃油消耗量用于克服气动阻力,因此减少大客车的气动阻力对提高燃油的利用率极为重要。本文选取国内某大客车为研究对象,通过数值仿真计算方法对其进行气动减阻优化研究,包括模型各造型参数优化及局部优化方法的研究。大客车的外形大致为钝体,车身可以简化为一个长方体模型,而大客车则可以简单看成是加上轮腔与车轮的长方体模型,因此本文主要采用从长方体模型到大客车简化模型,再到大客车实车模型的研究思路来开展本论文研究。首先,通过选择合适的网格策略和物理模型确定了本文研究的仿真策略。然后,采用该仿真策略对长方体模型和大客车简化模型进行气动特性分析,这里长方体模型和大客车简化模型的车身尺寸与大客车实车模型的车身尺寸大致相同,通过仿真计算得到长方体模型的阻力系数为0.923,大客车简化模型的阻力系数为0.942,对比分析发现长方体模型和大客车简化模型阻力系数的差异主要是由车轮贡献的,车轮的贡献量占整车阻力系数的3.5%,而轮腔对整车气动性能的影响很小。之后,在STAR-CCM+的设计管理模块中通过SHERPA算法对大客车简化模型的各造型参数进行自动优化设计,主要包括模型前部各棱的倒角半径、两侧棱的倒角半径、尾部各棱的倒角半径、前风窗角度、前扰流板角度、后风窗角度和底部扩散器角度。从优化结果来看,模型前部的各棱倒角半径对气动性能的影响最大,当R1为0.45m、R2为0.5m、R3为0m时,阻力系数最大降低了65.5%;其次,前风窗角度对气动性能也有较大影响,当前风窗角度α为59.0°,即A为2m、B为1.2m时所得到的阻力系数最小,减阻率为40.34%,这说明大客车的气动性能对前部造型参数很敏感。另外,当前扰流板角度β为7.6°,即C为1.5m、D为0.2m时减阻率为6.26%;当R4为0.5m、R5为0.5m时,减阻率为4.35%;当R6为0.2m、R7为0.1m、R8为0.25m时,减阻率为4.03%;当后风窗角度γ为45°,即E为0.75m、F为0.75m时,减阻率为1.59%;当底部扩散器角度δ为12.5°,即G为0.42m、H为1.9m时,减阻率为0.32%,这说明前扰流板角度和尾部特征对大客车模型的气动特性也有较大影响,不过底部扩散器角度对整车气动阻力无明显作用。最后,结合大客车的工程需要重新定义了各个造型参数的变化范围和变化梯度后进行组合优化,得到了一组最佳的优化方案,将其应用于大客车实车模型后,阻力系数由原来的0.499降低到0.314,降低了37.1%,之后对优化后的大客车模型进行气动特性分析,探索了局部优化方法对其气动特性的影响,其中通过添加前轮阻风板使得阻力系数最大降低了11counts。