基于伴随方法的汽车气动外形优化设计研究

• 作 者: 张敏
• 机 构: 武汉理工大学
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2015年01期
• 关键词: 数值仿真 计算精度 伴随方法 气动外形优化

我国高速公路里程数和汽车产销量高居世界第一位,然而汽车产业的自主研发能力却与真正的汽车强国有很大的差距,包括汽车的气动外形优化设计。通过汽车的气动外形优化设计降低车身气动阻力,不仅提高了气动性能,还能改善燃油经济性,在石油资源日益短缺的今天,这项优化技术的研究具有非常重要的实际意义和理论价值。本文针对国内现阶段汽车气动外形优化研究中存在的盲目性和低效率的问题,将广泛应用于飞行器外形优化设计领域的伴随优化方法,引入到汽车气动外形优化中,对低阻力值的汽车气动外形进行了探索研究。首先,研究了汽车计算流体动力学的理论基础,包括气动阻力的产生、与汽车外形的关系,汽车行驶时的流场特性,数值仿真的离散方法、计算方法等内容。然后,进行了数值计算精度的研究:选取外形与车身形状相似的简单模型——Ahmed模型为仿真对象,建立与风洞试验大小相同的计算域,设定与风洞试验一致的边界条件;选取工程计算常用的两种网格方案,四面体+三棱柱网格方案和六面体网格方案,以及常用的两种湍流模型,RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型,组合后进行了四种方案的数值计算,通过对计算结果的精确度和收敛性的比较,以及与风洞试验尾部流场的比较分析,确定六面体网格与Realizable k-ε湍流模型这一组合方案的计算结果最为精确、合理。之后,在六面体网格划分下,采用Realizable k-ε湍流模型对Ahmed模型进行了车身外形的优化研究:引用计算量小且适用范围广泛的伴随优化方法,在FLUENT中进行伴随计算,获得车身外形敏感值分布图后对关键部位及整个模型进行自动变形优化,最终气动阻力系数降低率达16.66%。最后,应用伴随方法对某流线型轿车进行气动外形优化:对实车模型进行数值计算与气动特性分析,并进行风洞试验验证其计算结果可靠性,在此基础上进行伴随计算与变形优化,最终气动阻力系数降低了2.54%,气动性能有所提高。本文将伴随优化方法引入到汽车行业内,并进行了实际车型的工程验证,为我国汽车气动外形优化研究提供了理论支持。