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基于试验优化设计的重型商用车气动减阻技术研究

基于试验优化设计的重型商用车气动减阻技术研究

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作者：宋涛吉林大学

学位级别：硕士

现代重型商用车的实用车速不断提高,用于克服空气阻力的能耗占总能耗的比重亦不断增加。在当今能源危机与环境保护的双重压力下,重型商用车的经济性与效率之间的矛盾日益突出。重型商用车气动阻力对耗能影响极大,改善其气动性能已成为... 详细信息

现代重型商用车的实用车速不断提高,用于克服空气阻力的能耗占总能耗的比重亦不断增加。在当今能源危机与环境保护的双重压力下,重型商用车的经济性与效率之间的矛盾日益突出。重型商用车气动阻力对耗能影响极大,改善其气动性能已成为节能研究的重要方向。重型商用车的气动减阻优化以安装空气动力学附加装置为主要方式。目前,针对单一一种附加装置减阻效果的研究较多,几种附加装置简单叠加后的减阻效果的研究也逐渐兴起,然而各附加装置间交互作用对减阻效果的影响却鲜有研究。本文针对目前较流行的三种减阻附加装置:导流罩、导流板和尾部加长板,借助试验优化设计原理和数值仿真技术,寻求单一装置下的最优减阻性能和三种装置组合后的综合减阻性能,为重型商用车寻求更合理的减阻方案,从而提高重型商用车的燃油经济性,减少尾气排放,同时提高汽车的市场竞争力。本文以某国产重型商用车为研究对象,建立几何模型,并利用流体力学仿真软件FLUENT对模型进行数值仿真,通过对比仿真结果与风洞试验数据来验证仿真模型的正确性。然后分别对重型商用车添加不同尺寸或安装参数的导流罩、导流板和尾部加长板,仿真得到各装置的最优尺寸和安装参数。通过对减阻附加装置组合的仿真,获得装置间的相互作用对整体减阻效果的影响。本文的主要研究内容和结论有: 利用FLUENT软件,采用RNG k ??湍流模型对重型商用车进行数值仿真,得到该车的风阻系数;吉林大学对几何相似模型的风洞试验数据表明,风阻系数的数值仿真与风洞试验值的误差仅为4.8%,说明所建立的仿真模型正确。选取导流罩的三个参数:导流罩与驾驶室顶部倾角、导流罩前端宽度、导流罩伸出驾驶室长度,并为每个参数安排三个取值,应用正交设计原理设计9次试验,通过分析仿真结果得到以下结论:导流罩与驾驶室顶部的安装角度对导流罩的减阻性能影响最大,当角度匹配适中时,气流分离降到最小,货箱前端压力大幅降低,整车气动阻力改善了17.44%;当角度匹配合理时,不同的导流罩伸出驾驶室长度的减阻效果相当;导流罩设计成前端向纵向平面内倾的结构有助于将气流引导到货箱两侧,但对驾驶室与货箱间隙较大且二者高度差较小的重型商用车而言,该结构对气动性能的改善有限。针对导流板的倾角和纵向长度设计9次正交试验。仿真结果显示,导流板主要影响货箱前端面和驾驶室后壁面的压力,导流板的安装角度和纵向长度使驾驶室和货箱的压差阻力此消彼长,因此需要综合权衡。导流板单独使用时对重型商用车气动性能影响较小,最优的导流板形式下气动阻力系数也仅降低了4.6%。改变尾部加长板与货箱的夹角,进行7次不同夹角下的数值仿真发现,尾部加长板影响尾涡形态,并因此直接决定了作用于货箱后端的压力,安装角度为10°时,尾部加长板减阻效果最显著,气动阻力系数降低10%。将三个附加装置组合到原车上,设计三因素两水平的正交试验。试验结果显示,附加装置间存在明显的相互影响,处于汽车后端的尾部加长板的减阻能力受导流罩影响趋于减小,而单独作用时减阻效果甚微的导流板通过与导流罩的匹配减阻性能大幅提升,最终得到的最优附加装置组合的气动阻力系数比原车降低30%。本文通过对附加装置及其组合的研究,评估了各装置的减阻效果和组合后装置间的相互作用,为重型商用车减阻装置的组合设计提供了依据,从而为尽可能发挥重型商用车的燃油经济性和环保标准提供了更大的空间;本文借助试验优化设计原理进行仿真安排和数据处理,为类似的多因素多水平问题的研究提供了方法上的借鉴。

关键词：重型商用车 CFD 减阻附加装置试验优化设计气动阻力

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