流线型电动汽车空气动力学特性研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

距离1886年世界上第一辆汽车诞生已经过去一百多年，在这一百多年，汽车行业得到蓬勃的发展。据统计，2013年以来，我国汽车保有量呈现逐年增长态势，2019年中国汽车保有量达2.6亿辆。但是随着汽车的普及，能源危机和环境问题日益严峻。电动汽车以其节能环保的特点得到快速的发展，已经成为绿色交通的必然发展趋势。

研究表明，空气阻力在汽车行驶过程中阻力占比最大，当行驶速度超过60km/h时，汽车用来克服空气阻力的能量消耗占汽车总能量消耗的30％到40％。当车速接近80km/h时，气动阻力大小接近滚动阻力大小；车速达到150km/h时，气动阻力相当于滚动阻力的2至3倍。而当气动阻力系数降低30％，可以降低油耗达12％左右。汽车空气动力学作为汽车的重要性能，汽车的气动特性与汽车的燃油经济性、操纵稳定性、动力性以及安全与舒适性都有密切关联。在nedc (new european driving cycle)综合工况下，风阻系数每降低0.01cd，纯电续航里程将增加约4.5km。因此，电动汽车外形的研究对电动汽车产业的发展，有着重要的战略意义。

国内外汽车空气动力特性的研究现状1.1国内汽车空气动力特性的研究现状国内对于汽车空气动力学的研究起步晚，在理论研究和试验设备上都与国外先进水平差别较大，但是我国赶上了用数值计算研究汽车空气动力学的好时代。70年代末，吉林大学的傅立敏教授第一次把日本先进的关于汽车空气动力学的研究方法与理论在国内进行介绍。1987年，湖南大学的谷正气教授最先展开空气动力学的计算机仿真方面的研究。1991 年，谷正气针对客车车体搭建了数学模型和气动模型，而且模拟了该模型的表面压强分布，通过模拟结果和试验结果的对比证明了模拟的正确性[1]。同年，谷正气、黄天泽等采用数值模拟方法对轿车车身表面压强分布进行了研究[2]。1999年，国防科技大学的姜乐华等[3]开发出一种在非均匀参数空间上生成表面网格的软件sgrid，并在复杂几何外形的车身上成功生成网格。2000 年，中国空气动力学研发中心和中国东风汽车动力研究院等单位的汽车研究人员经过合作，共同开发出新一代国产汽车 cfd 软件 ws3d，并利用它对东风 af 微型轿车进行了三维空间外流场模拟，得到了车身纵向对称面上压力分布、速度矢量分布，并据此对该车型气动特性进行了分析[4]。同年，吉林大学的傅立敏教授团队通过理论与模拟相结合的方式对国产红旗 ca774 型轿车外流场进行了研究，而且在国内第一次模拟出了车身气流分离和车尾拖拽涡。从数值模拟的角度，详细研究了车身附近气流流动状况，尾部气流分离和尾部拖拽涡的生成和演变机理[5]。2002 年，清华大学的涂尚荣、张扬军等人，对汽车网格的划分进行了研究，根据车身曲面的特点，生成了一种特殊的具有复合结构的网格，用来满足汽车壁面粘性边界层的计算要求[6]。2006 年，康宁教授团队通过数值模拟的方法，分析汽车周围的分离流动、复杂工况下气动阻力的变化过程。吉林大学的胡兴军、傅立敏等人车轮的空气动力学特性及其对整车的影 响进行了仿真模拟，研究的内容包括辐板外形、辐板开孔、车轮几何参数[7]。2007 年浙江大学的宋小文、胡树根等人 eq1118ga 圆顶厢式运输车的导流罩进行了优化设计[8]。2010 年，湖南大学的宋昕和谷正气教授等人运用多种常见的湍流模型，模拟了后背倾角固定为 25deg 时的 ahmed 模型的外流场，并与风洞实验和大涡模拟的结果进行对比，研究表明 realizable k-ε模型是计算汽车升力系数较为理想的模型[9]。在此期间，国内的汽车企业也进行了大量的流场模拟方面的摸索，并把成果应用于新车开发当中。东风柳州汽车有限公司的程道然运用 cfd 对景逸汽车的外流场进行了仿真，以指导车身的设计开发[10]。长安汽车研究院的外流场工程师陈小东将 cfd 技术成功地运用到了新车型的开发当中，通过对新车型的外流场计算得出了其空气动力学特性[11]。这些良好的开始对于我国汽车工业的健康发展是必不可少的，相信这些有利的因素会促进我国汽车空气动力学的发展。1.2国外汽车外形设计与空气动力特性的研究现状国外汽车空气动力学研究起步很早。汽车设计人员开始考虑空气阻力对汽车的影响可以追溯到1911年，德国汽车设计师里德勒（riedler）在分析车辆的受力状况时首次引入气动阻力这一概念[12]。1933 年，美国人 w.e.lay 教授在密歇根大学进行积木式汽车模型风洞实验，实验模型可更换的各种头部和尾部，借助这种方法分析了车身前后主要参数对气动阻力的影响[13]。20 世纪 40 年代，法国人 l. romani 首先提出诱导阻力概念，并指出产生较大升力的汽车车身造型，其阻力系数不会太低[14]。1978 年，frank. schenkel 研究与分析了轿车尾部扰流器对汽车气动阻力的影响，发现添加附加装置可以取得部分减阻效果[15]。2003 年 frederique muyl 等为缩短了计算时间，将 ga 与确定性方法的耦合，成功用于车身后部的空气动力学形状优化[16]。2014年 sajjad beigmoradi 等以空气动力学和声学为优化目标，以类车体模型的尾端的后倾角、后箱角度、船尾角度和后箱长度为主要变量，分别采用可实现的湍流模型和宽带噪声模型，对模型附近流场的数值模拟和气动噪声分析，并采用神经网络和多目标遗传算法进行了模型的优化[17]。2015年james keogh 等利用ahmed模型研究风向角对升力、阻力和稳定性的影响[18]。armagan altinisik 等研究了风向角和两车并排行驶时的阻力和压力分布，并分析了不同风向角以及并排行驶时对阻力系数的影响[19]。buljac 等研究了尾翼对汽车升力和阻力的的影响，通过研究不同的尾翼安装高度，获得最大的升力—阻力比[20]。2017年emil ljungskog 等研究了边界条件和计算域（阻塞比）对实验结果的影响[21]。2017年mohammad mashud 等研究了后扰流板的安装高度和角度对升力的影响[22]。yaghoub pourasad等通过加装气动辅助部件并用遗传算法对辅助装置几何形状进行了优化设计通过仿真和实验证明了加装气动辅助装置降低了风阻[23]。2019年shibo wang等人通过对drivaer模型进行cfd仿真发现地面运动的影响是通过地面边界层的增长来实现的，它只会改变靠近地面的流场。由于尾流结构受到的影响有限，地面形态对地面压力的可识别作用仅在底体表面上可见。因此，地面边界条件对升力预测有显著影响，其变化约为2倍，但对阻力的影响很小，时间平均预测误差在3%以内[24]。研究各流线型对空气阻力的影响规律，探究汽车各部分对空气阻力的影响。结合人体工学设计流线型电动汽车造型。这对电动汽车产业的发展，有着重要的战略意义。

2. 研究的基本内容与方案

1、研究目标利用fluent对建立的几种流线型电动汽车外部流场流动特性进行分析，探讨各参数对气动阻力的影响规律，提出减阻方案。2、主要内容①选取汽车空气动力学的几项影响参数，根据空气动力学理论建立几种流线型电动汽车外形三维模型。影响汽车空气阻力的因素有很多，如前风窗角、后风窗角、离地间隙、车顶曲线、扰流板、侧窗倾角、离去角以及后视镜、车门把手的造型等。在建模流线型电动汽车时，选择对电动汽车气动阻力影响较大的挡风玻璃与发动机罩间的夹角、后风窗斜度和侧面倾角三个因素。有的影响因素如后视镜、扰流板和车门把手等，是通过电动汽车局部造型优化来减阻的，这是应用于已经确定整体形状的车型进行空气动力学优化的方法。

②利用fluent对各流线型电动汽车的相关参数对流场的影响进行分析，探讨影响其气动阻力的因素。结合人体工学，研究挡风玻璃与发动机罩间的夹角、后风窗斜度和侧面倾角的最优值。

③探讨各流线型对气动阻力的影响规律，提出减阻方案。比较各流线型车身压力云图、流场流线图、速度矢量图以及气动阻力和风阻系数，分析各流线型电动汽车的优缺点。可通过电动汽车局部造型优化来减阻，如增加扰流板来实现减阻。

3. 研究计划与安排

第1-3周，调研收集分析有关资料，了解原理与要求，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，总体方案构思，并完成开题报告。

第4-6周，利用fluent对几种流线型电动汽车外形三维模型进行三位外流畅流动特性分析。

第7-12周，探讨各流线型对气动阻力的影响规律，提出主动或被动减阻改进方案。

4. 参考文献（12篇以上）