2010800716 - 阳延 - 飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化最(3)

湘潭大学本科毕业论文

飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

摘要

为解决人类交通拥堵问题，飞行汽车的概念孕育而生。本文基于汽车空气动力学、计算流体力学，根据相关要求利用Solidworks设计了飞行汽车的车身3D模型，利用ANSYS/CFX对该飞行汽车在地面行驶中的外流场问题进行了数值仿真，详细介绍了数值仿真的整个过程，包括网格划分、流场边界条件设置、湍流模型的选取等。对得到的飞行汽车压力分布图、速度矢量图、湍流动能图进行了分析，计算出飞行汽车气动阻力，气动升力及阻力系数等参数，获得了飞行汽车外流场详细的力学特征。然后根据初步的仿真结果，对飞行汽车外形进行了适当的结构优化，分析结果与初步结果进行了比较，改动后模型的气动阻力，阻力系数等关键参数有了明显的优化，证明了优化的有效性。

关键字：飞行汽车；计算流体力学；数值模拟；气动阻力；优化分析

Flying car body design and optimization of the external flow field

ground running

Abstract

To solve the traffic jams problems,the idea of flying car comes forth. Based on car aerodynamics and computational fluid dynamics, this paper uses Solidworks to design a 3D flying car model according to the relevant requirements,and utilize ANSYS / CFX to conduct the numerical simulation to outflow field problem of the flying car driven on the ground.In addition, it details the entire process of numerical simulation, including meshing, setting flow field boundary conditions,and selecting turbulence model. The results, pressure profile, velocity vector diagram and turbulent kinetic energy are analyzed to calculate the flying car aerodynamic drag,aerodynamic lift and drag coefficients and other parameters, thus we get detailed mechanical characteristics of the outflow field. Then,according to preliminary results of the simulation, the shape of the flying car is properly optimized.Compared with the preliminary results, the key parameter of the changed model, aerodynamic drag, drag coefficient and so on, has been significantly optimized, which proves the efficiency of optimization.

Keywords:flying car; computational fluid dynamics; numerical simulation; aerodynamic drag; optimization analysis

III

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

在自行车年代，人们希望有更快捷的代步工具，于是汽车出现了；有了汽车的年代，飞机也随即出现让遥远的两地距离大幅度缩短。20世纪40年代，当汽车、航空技术有了相当大的发展之后，福特汽车公司创办人享利·福特大胆地发出“飞行汽车迟早会出现”的科学预言。而这些年来，包括中国在内，随着世界人口的急剧增加，全世界的交通体系从地上到天上都产生了爆炸式的增长，交通拥堵成为人类所需面对的最头痛有待解决的问题之一。人们为此绞尽脑汁，于是“飞行汽车”应运而生。既可以在地面上像汽车一样行驶又可以在空中飞行的飞行汽车作为一种新概念飞行器，在国内外形成了研究热潮。飞行汽车平时可作为汽车在路面上行驶，可以最大限度的节省能源；而在关键时候又可以在空中自由飞行，尽显其快捷方便的优势[1]。

对于飞行汽车地面行驶的研究，我们同样需要考虑汽车空气动力学。由于全球环境和能源问题，改进汽车的气动造型，以减少风阻系数，提高汽车的动力性和燃油经济性。对汽车前后局部进行优化，可以降低汽车的阻力，从而减小汽车功率，降低燃油消耗，实现节能的目的[4]。

1.2 计算流体力学(CFD)

计算流体动力学通过流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)的控制对流动的数值进行模拟。通过数值模拟，汽车外部复杂流场的流动特性和压力、速度等参数分布可以直观地揭示出来，这在一定程度上替代了耗费巨大的模型和实车风洞试验。随着计算机技术与湍流理论的发展，CFD在研究和应用方面都取得了巨大的进展，人们越来越多地把CFD应用到了汽车设计中[5]。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外汽车计算流体动力学发展现状

70年代末、80年代初以欧美为中心，汽车计算流体动力学开始应用于汽车工程设计。从1972年，Morrow应用空气动力学中广泛使用的Douglas-Neumann方法计算列车表面的压强分布。1974年，Staffor应用涡格法模拟汽车尾流，并考虑气动升力，得到表面压力分布与试验趋于一致。1976-1983年，欧美很多科学家都区的重大成就，从Tandahl提出的涡量方程的方法到Ahmed和Hucho的应用面元法，对汽车绕流进行开创性的研究。之

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后，Peake和Tobak曾把对雷诺数影响很小的大涡模拟方法应用于汽车绕流的模拟[8]。

除此之外，各个公司对汽车计算流体力学做出卓越的贡献，在此就不一一列举了。由此可见，尝试寻找更加适合的汽车外流场的湍流模型也目前大多学者的研究方向。

1.3.2 国内汽车计算流体动力学发展现状

国内的汽车计算流体动力学虽然起步较晚，但近几年对汽车外流场的数值模拟逐步增多，特别是湖南大学、东南大学、武汉大学等高校的车辆工程。

各高校从80年代起就对汽车动力学有着很多的研究。从90年代开始逐步有了对汽车外流场的三维数值计算。比如吉林大学的傅立敏教授对汽车尾部流场结构方面进行了深入的理论分析。之后，很多大学都对车尾做了大量的研究，南京航天航空大学分析了在不同车速下车尾上下气流分离的位置、尾涡涡心及尾涡长度的变化再到武汉汽车工业大学求得气动阻力等车辆空气动力学特性参数的大小并分解了汽车组成部分。清华大学、西安公路交通大学等高校都对汽车做过更细致的研究，它们应用常规湍流模型还有混合网格等技术研究，甚至在研究过程中计算的结果渐渐与风洞试验结果基本一致，并逐步转为其他有关汽车性能的研究，如西安公路交通大学的刘晶郁对空气动力特性对汽车操纵稳定性的影响进行了研究[8]。

虽然国内一些高校成功地对汽车外流场进行了二维、三维的数值模拟，某些成果已经达到相当水平，但总的来说，国内的一些研究刚取得初步的进展；我国在汽车空气动力学方面的研究取得了一定的进展，如果希望我国在汽车工程行业有巨大的突破，我们仍需做出巨大的努力[8]。

1.4 本文的研究内容 1.4.1 研究目标

本文运用Solidworks建立飞行汽车的简化模型，并运用Workbench中的CFX对其外流场进行数值模拟，然后对得到的计算结果进行分析，并提出对应的优化方案；然后修改模型方案，再次计算并与初步的结果进行对比，证明优化的有效性。

1.4.2 本文的主要工作

全文共分为5章，围绕着飞行汽车车身模型的建立及外流场的相关性研究内容。 第1章对本文的研究背景和研究内容和汽车计算动力学的发展以及本文的研究内容做了介绍。

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第2章介绍空气动力学的基本理论，还有CFD理论，为后面汽车行驶中模拟仿真研究提供了理论基础。

第3章是本文重点，详细的介绍了飞行汽车模型的外流场数值模拟的整个过程，对飞行汽车外流场进行了详细的分析。

第4章是根据上一章的分析结果对模型进行了适当的改动，再次计算相关参数并与优化前的参数进行比较，证明优化的有效性。

第5章结论与展望。

1.4.3 技术关键和难点

本论文用到的主要知识是运用ANSYS软件数值模拟，还简单的涉及到车辆工程，汽车空气动力学的理论基础。因此技术的关键和难点主要有三点：

(1) 飞行汽车车身模型的建立与简化；

(2) ANSYS/Workbench进行外流场数值模拟所运用算法，选取流场模型及流场特性分析。

(3) 根据初步计算结果提出优化方案，对比优化前后计算结果的差异得出结论。

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