吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院

1、吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院工學(xué)碩士學(xué)位開題報告課題名稱：基于內(nèi)外流場耦合的大客車 氣動特性的模擬研究學(xué) 號：2009422145 姓 名：任鳳濤 專 業(yè)：流體力學(xué) 導(dǎo) 師：胡興軍汽車工程學(xué)院2010年9月27日大客車行駛時內(nèi)外流場耦合分析選題來源及背景節(jié)能已成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的三大主題之一，汽車的節(jié)能體現(xiàn)在多個方面，如發(fā) 動機技術(shù)的提高、整車的輕量化設(shè)計、制動能量回收以及通過外形設(shè)計減小風(fēng)阻等多個方面。 而對于客車而言，外形設(shè)計時不僅要考慮美觀，還要從其流場方面進行分析，以減小風(fēng)阻達 到節(jié)能的目的。客車是指在設(shè)計和技術(shù)特性上用于載運乘客及其隨身行李的商用車輛，而大客車是指長 度在10m到12m

2、之間的客車。其中目前我國市場上的大客車保有量很大，具有價格低廉， 乘坐人員多，儲貨空間大，保養(yǎng)維修方便等特點。而城市公共汽車主要是大客車，隨著城市 人口密度的增加，能源需求的增大，大力發(fā)展公共交通事業(yè)是緩解交通壓力，節(jié)能減排的有 效手段。因此，從市場的長遠發(fā)展來看，大客車具有巨大的市場需求潛力。汽車空氣動力特 性是衡量大客車性能的重要參數(shù)，汽車造型和用途的不同，空氣動力學(xué)性能優(yōu)化的目標(biāo)也不 一樣，如：負(fù)升力對賽車的影響很大，對貨車則可以放在次要的位置；轎車和客車要求空氣 噪聲低，對于賽車來說，空氣噪聲可以放在次要的位置；然而，隨著汽車速度的不斷提高， 對所有汽車而言，較低的氣動阻力系數(shù)則是共同

3、的要求?？蛙嚨脑煨吞攸c為廂式，這種外形的汽車氣動阻力問題比轎車更為突出，而大客車的另 一個造型特點是由于天窗的開啟，使車廂內(nèi)外有兩個流場，因此在研究大客車的流場特點和 氣動特性時更加復(fù)雜，如何降低大客車的氣動阻力，提高其行駛穩(wěn)定性、安全性、舒適性和 降低燃油消耗是輕型客車生產(chǎn)廠家面臨的主要問題。因此在滿足美學(xué)、人體工程學(xué)和制造工 藝學(xué)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出具有較低氣動阻力的大客車是各個汽車廠商追求的目標(biāo)。綜上所述，本課題將針對客車只考慮外流以及內(nèi)外流耦合兩種情況進行分析，評價兩 種情況下的流場，并且在內(nèi)外流耦合的情況下，研究不同天窗開啟方案對整車內(nèi)外流場的影 響。國內(nèi)外研究動態(tài)簡述國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國

4、汽車工業(yè)的發(fā)展歷程中，客車行業(yè)占有重要的一席之地。改革開放以來，隨著 長途客運事業(yè)的發(fā)展，大客車已經(jīng)和火車，飛機成為人們長途出行的主要工具。進入新世紀(jì)， 我國客車行業(yè)仍然保持著高速的增長態(tài)勢，以鄭州宇通，廈門金龍等為代表的高端大客車投 入市場后，以其全新的造型、先進的性能使人耳目一新，這些都改變了人們對大客車的傳統(tǒng) 認(rèn)識；而近年來，隨著城市人口的日益密集，政府鼓勵乘坐公交出行，大客車在國內(nèi)的汽車 行業(yè)中的地位更加舉足輕重。我國的汽車工業(yè)起步較晚，技術(shù)上也與發(fā)達國家存在著一定的差距，無論是風(fēng)洞試驗還 是數(shù)值模擬，都處于起步階段，而且空氣動力學(xué)的研究主要集中在轎車和卡車方面，對大客 車的空氣動力學(xué)

5、研究剛剛起步。國內(nèi)對于大客車空氣動力學(xué)的研究大多只停留在對類客車體 的研究階段。2000年，國防科技大學(xué)的劉君等從雷諾時均N - S方程出發(fā)，采用k - 8湍流模 型，對類客車體外型的三維繞流場進行數(shù)值模擬，著重研究了后體收縮尾段的上表面傾斜角對 底部流動的影響。2002年，大連理工的朱炳哲用計算流體力學(xué)(CFD)的方法對類客車體外 圍的三圍流場進行了模擬計算，得出了客車外圍流場的速度矢量圖和壓力分布圖以及六個氣 動力系數(shù)，并將最終結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果吻合較好。2010年，聊城大學(xué)的 陳錚峰等通過CFD仿真，對兩個客車車型的外流場的計算結(jié)果進行比較分析，找到外形特 征對客車空氣動

6、力性的影響因素；根據(jù)對比提出改進方案，并得到驗證。國外研究現(xiàn)狀國外的汽車空氣動力學(xué)研究主要采用試驗和理論相結(jié)合的方法，大型的汽車制造廠家 和一些研究中心都有專門的汽車風(fēng)洞，包括模型風(fēng)洞、實車風(fēng)洞和低噪音風(fēng)洞等，為汽車空 氣動力學(xué)的研究提供了必要的試驗條件，而且試驗設(shè)備先進，試驗方法多樣。隨著湍流理論 研究和計算數(shù)學(xué)算法的發(fā)展，CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)得到了越來越多的 應(yīng)用，在汽車領(lǐng)域，CFD成為了預(yù)測整車外流場的有力工具，特別是在汽車零部件的設(shè)計 開發(fā)及整車的空氣動力學(xué)優(yōu)化方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，CFD研究的主要問題是分析 真實流體的復(fù)雜流動狀

7、況和復(fù)雜幾何形狀周圍的流動狀況的能力以及求解的準(zhǔn)確性等，由于 目前所分析的汽車外形的細(xì)節(jié)部位越來越復(fù)雜以及所需要求解的問題本身復(fù)雜程度較高， CFD對網(wǎng)格要求和算法精度等都提出了較高的要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)與 CAD、CAE軟件相結(jié)合，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，而且，計算方法和計算精度 都有了很大的進步。在國外，很多學(xué)者在大客車外形設(shè)計及減阻附件方面做了研究。2009年，ArunRaveendran等人對城市公共汽車的外形進行了改進，將車廂地板提高，并將車窗風(fēng)擋玻璃的 傾斜角度加大，并對模型的外流場進行了數(shù)值模擬，計算顯示阻力系數(shù)Cd值由0.53降低到 0.29； 200

8、2年，Min-Ho Kim等人在大客車尾部加了減阻附件，擾流板。并且模擬了加了減 阻附件以后的客車外部流場，計算得出在不同車速下對于CD CL及CM都有大幅度的降低 作用。綜上所述，目前國內(nèi)外沒有系統(tǒng)開展關(guān)于大客車內(nèi)外流耦合的研究，所以，本文采用 了數(shù)值模擬的方法，針對大客車天窗是否開啟工況下，對比分析了只考慮外流和內(nèi)外流耦合 兩種情況下客車的流場特性，并且進一步研究了天窗的不同開啟方式對大客車的內(nèi)外流的影 響。研究目標(biāo)，研究內(nèi)容，擬解決的關(guān)鍵理論及技術(shù)問題研究目標(biāo)：研究大客車在內(nèi)外流耦合時的氣動特性及其熱舒適性評價研究內(nèi)容：1）只考慮大客車外流，通過CFD軟件，分析大客車的外流場及氣動特性，

9、并給出評價。2）考慮客車打開天窗時的情況，通過CFD軟件，模擬大客車內(nèi)外流暢耦合的情況，與1的 情況進行對比；分析其氣動特性，并評價其熱舒適性。3）在此基礎(chǔ)上，對大客車天窗的不同開啟方案對于整車內(nèi)外流場的影響進行對比，對比各種 方案的流場特性，并分析其氣動特性，評價其熱舒適性。關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵理論1）技術(shù)基于CAD （計算機輔助設(shè)計）軟件如CATIA、UG等三維建模技術(shù)，建立較復(fù)雜的大客車 模型，該模型具有座椅，儀表盤，車身厚度，比以往客車模型更精確的模擬真實情況；CAE （計算機輔助工程）軟件如ANSYS ICEM CFD等網(wǎng)格前處理技術(shù)；CFD （計算流體力學(xué)）軟件 如FLUENT、STAR

10、-CD等計算流體力學(xué)分析技術(shù)。2）理論計算流體力學(xué)數(shù)值模擬主要方法計算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法主要分為有限差分FDM（Finite Difference Method）、有限 元 FEM（Finite Element Method）和有限體積 FVM （Finite Volume Method）三種。FDM 利用 差分替代微分方程組的偏微分，得到相應(yīng)的差分方程組;對于汽車的一些特殊幾何結(jié)構(gòu)，將 貼體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到正交計算網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換矩陣有可能不存在，有限差分格式需對計算網(wǎng)格加以限 制，并未得到廣泛應(yīng)用FEM是由試函數(shù)方法演變而來，以變分法或加權(quán)余量法為基礎(chǔ)，從 結(jié)構(gòu)分析的矩陣法起步；其計算量較大，和FV

11、M的主要差別在于求解過程不同。FVM是一種介于FDM和FEM之間的離散方法，兼有兩者的優(yōu)點，在汽車空氣動力學(xué)數(shù)值 模擬中得到了廣泛應(yīng)用。FVM由流動方程組的守恒、積分形式出發(fā)，導(dǎo)出離散方程組，方程 組形式簡潔、離散較易、程序編制方便和通用性較好?？臻g離散單元的控制體適用于各種形 狀邊界，貼體網(wǎng)格可提高邊界附近的計算精度；對不同形狀的控制體，程序結(jié)構(gòu)變化不大， 故載貨汽車擬采用有限體積法FVM進行數(shù)值模擬計算。RNG k-湍流模型由于貨車外流場為湍流，計算應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型應(yīng)為湍流模型。用于計算湍流的數(shù)學(xué)模型 有很多種，常見的有湍流粘性系數(shù)模型和雷諾應(yīng)力方程模型，其中湍流粘性系數(shù)模型又分為： 零方程

12、模型、單方程模型和雙方程模型等。在雙方程模型中，最常用的是卜雙方程模型。RNG k-湍流模型是Yokhot和Orszag應(yīng)用重整化群的方法導(dǎo)出的一個新型的k-湍 流模型，對于較高雷諾數(shù)的湍流，RNG k-湍流模型具有和標(biāo)準(zhǔn)的k-湍流模型相同的形 式，只不過方程中增加了一個附加項，當(dāng)流動快速畸變時，這一項顯著增大。與標(biāo)準(zhǔn)的k- 湍流模型相比其顯著特點是，RNG k-s湍流模型亦適用于低雷諾數(shù)區(qū)域，且有較好的近壁 特性，可直接積分至壁面RNGk-s湍流模型的系數(shù)均可由理論計算得出，且以顯式出現(xiàn)于 方程中，應(yīng)用十分方便，在預(yù)測分離流動方面，RNG k-s湍流模型明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的k-s湍 流模型。載貨汽

13、車的外形和轎車外形的區(qū)別較大，轎車外形基本上屬于流線體，而載貨汽車 表面有多處曲率急劇變化將出現(xiàn)明顯的分離流動，故載貨汽車的數(shù)值模擬計算應(yīng)擬采用RNG k-湍流模型。研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法和技術(shù)路線1）查閱國內(nèi)外客車空氣動力學(xué)方面的資料并進行深入調(diào)研，了解關(guān)于客車周圍流場的研究 進展；2）驗證文獻中對類客車體的研究方法3）在CAD軟件平臺下建立大客車的幾何建模，并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為進行流場網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備；4）通過對比分析提出適合大客車內(nèi)外流場仿真的網(wǎng)格生成方案和策略，并生成各種計算所需 的網(wǎng)格；5）在CFD軟件進行數(shù)值模擬與計算，并處理和分析計算結(jié)果，獲得大客車的流場結(jié)果和氣動

14、數(shù)據(jù)；6）對比和分析大客車天窗的不同開啟方案，研究每種方案的內(nèi)外流流場特點，分析各種方案 的氣動特性并評價其熱舒適性?？尚行苑治?008年6月吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞及其關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)建成完工并投入使用；該風(fēng)洞有先進 的PIV激光流場測速儀、PSI壓力掃描閥、CFD軟件STAR-CD以及高性能并行計算平臺，為 課題提供了良好的研究基礎(chǔ)和工作條件;課題組的所有老師都具有較高的學(xué)術(shù)水平和研究能 力，這些將確保論文的按期完成?，F(xiàn)有研究條件和工作基礎(chǔ)已掌握的技術(shù)、技能及已經(jīng)做過的相關(guān)研究工作和研究條件掌握的技術(shù)和相關(guān)研究工作1）查閱了大量國內(nèi)外客車空氣動力學(xué)的相關(guān)資料。2）對相關(guān)文獻中關(guān)于類客車體的研究方法進行

15、了驗證3）基本掌握了空氣動力學(xué)的理論基礎(chǔ)和課題相關(guān)的CAD、CFD計算機軟件，并在之前的汽研 J5重型卡車減阻的項目里積累了大量建模經(jīng)驗。4）對客車外流場進行了預(yù)研。2、研究條件1）吉林大學(xué)PACE中心具有超過300套的計算機輔助設(shè)計和制造軟件及計算機輔助分析軟件 外，還有14套工作站等硬件設(shè)備，總價值2.5億美元。為建立三維模型和CFD數(shù)值仿真分 析提供了良好的硬、軟件條件。2）吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞實驗室為載貨汽車比例模型的風(fēng)洞試驗提供條件;該汽車風(fēng)洞實驗室擁 有大型的計算流體力學(xué)仿真軟件STAR-CD以及由8臺雙核的高性能計算機組成的并行計算平 臺；實驗室還配備了先進的PIV激光測速儀、PSI

16、電子多點壓力掃描閥。六.計劃進度和預(yù)期成果序號階段研究內(nèi)容階段工作時 間起止時間階段成果第一階段查閱大量國內(nèi)外有關(guān)客車空氣動力學(xué)方面的文獻資料3個月2010年8月-2010 年 10月完成文獻閱讀報告和開題報告第二階段系統(tǒng)學(xué)習(xí)課題所必備的CAD、CFD等軟件，對空氣動力學(xué)的 知識進行更深入的了解和掌 握3個月2010 年 11月-2011年2月熟練掌握上述軟件以 及深入了解大客車外 流場特性第三階段通過CAD軟件建立一組有乘員空間的客車模型3個月2011年3月-2011 年 5月完成關(guān)鍵部分的三維模型的建立第四階段對模型進行網(wǎng)格化前處理3個月2011年6月-2011 年 8月完成對模型的網(wǎng)格

17、化，為CFD分析做準(zhǔn) 備第五階段進行CFD分析，有無乘員空間 兩種模型的流場特點分析和 總結(jié)，對天窗不同開啟方案對 整車氣動特性及熱舒適性進 行分析和總結(jié)。4個月2011年9月-2011 年 12月對比兩種情況下的流 場特點，對不同天窗 開啟方案的氣動特性 及熱舒適性給出評 價。第六階段最終修改和論文總結(jié)3個月2012年3月論文最終截稿七.參考文獻1馬芳武.汽車空氣動力學(xué)M北京：機械工業(yè)出版社，1993.2王福軍.計算流體動力學(xué)分析一CFD軟件原理與應(yīng)用M北京：清華大學(xué)出版社，2004.3陳崢峰，楚曉華，劉鑫明.CFD仿真在客車外流場分析方面的應(yīng)用研究J農(nóng)業(yè)裝備 與車輛2010(4)4朱炳哲.

18、客車車身外流場的數(shù)值模擬計算D大連：大連理工大學(xué)20025劉君,王振國，吳桂馥.類客車體繞流場的數(shù)值模擬N長沙交通學(xué)院學(xué)報2000(6)6岳建雄.高速客車氣動特性的研究D山東：山東大學(xué)20107陳振明.微型客車外流場數(shù)值模擬D重慶：重慶交通大學(xué)20088陳斌.客車車身周圍流場數(shù)值模擬的空間離散化研究D西安：西安公路交通大學(xué)20009蔡紅民.公路高速客車車身造型和模擬風(fēng)洞試驗研究D西安：長安大學(xué)200310劉軍樸，陳江平，陳芝久.客車車廂內(nèi)氣流分布及傳熱數(shù)值分析N上海交通大學(xué)學(xué)報 2003(7)11Trent E Sehulte， Donald J Bergstrom， James D.Bugg. Numerial Simulation of Three 一 Dimensional Airflow in Unfurnished RoomsJ.ASHRAET ransaetions, 1999， 68 一 76.12Han T.Three 一 dimensional