第 1 章 绪论
1.1研究背景及意义
人类社会的发展，离不开能源的推动。随着能源消耗日益升高，人类发展的需求与能源之间的矛盾越来越凸显，这就促使人类不断寻找新的能量来源，同时也在寻找节能降耗的方法。汽车从诞生至今，已经走过百年时间。在这百年里，汽车已深深融入到人类的生产生活中，为人类带来各种便利与乐趣，但随着全球汽车保有量的升高，汽车已然成为全球能源消耗的主体之一，使得汽车节能备受关注。汽车工业不仅要面对能源问题，还要面对汽车保有量升高带来的环境问题。汽车在使用中大量燃烧石油，其燃烧产生的污染物总量持续飙升，为生态环境带来巨大压力。在车辆集中的城市中，空气质量下降，可吸入颗粒增加，破坏人类健康，给人类的生存带来严重威胁。能源危机和环境恶化使人们意识到提高车辆燃油经济性的必要，从而推动了车辆气动减阻研究。汽车在行驶中，所受阻力可分为两部分，即滚动阻力和气动阻力。随着车速的提高，总阻力持续增加，滚动阻力增加与车速增长成线性关系，而气动阻力的增加却与车速的平方成线性关系。导致气动阻力随着车速的增加在总阻力中所占比例快速升高。图1.1是Audi100轿车通过变动车身形状而具有不同CD值时的试验结果[1]。当气动阻力系数CD由0.42降至0.30，则在混合循环工况下，燃油经济性改善9%，而当轿车以150km/h等速行驶时，燃油经济性改善可达25%。因此，汽车气动减阻对节能减排意义重大。当前，我国经济迅速发展，高等级公路里程逐年增长，由于国内石油产量有限，进而对国际石油依赖度逐年升高，据统计中国原油进口量仅次于美国，居世界第二，2013年中国原油对外依存度已经达到59%。在此形势下，国家针对车辆燃料消耗颁布了多项标准，旨在降低汽车燃油消耗，达到节能减排的目的。在此形势下，国家针对车辆燃料消耗颁布了多项标准，旨在降低汽车燃油消耗，达到节能减排的目的。因此，汽车气动减阻技术逐渐得到各大汽车厂商的重视，其应用可以提高能源的利用率，降低有害污染物的排放，为各大汽车厂商带来巨大的经济利益。
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1.2汽车尾部流动研究概况
在汽车诞生之初，其结构简单，行驶速度较低，在设计中首要解决的是机械问题，所以并不存在空气动力学方面的问题。但随着车辆行驶速度的提高及赛车运动的开展，人们对汽车的空气动力学特性有了一定认识，开始注意到汽车空气动力特性对车辆动力性、操纵稳定性及燃油经济性等方面的影响。气动阻力是人们关注的汽车空气动力学核心问题之一。气动阻力可分为外部阻力和内部阻力。在本文中，以外部阻力为研究对象。外部阻力是由车身表面分离流动和空气的粘性效应所产生的，可分为压差阻力和粘性阻力，其中压差阻力约占外部阻力的85%，而粘性阻力约为15%[2]。压差阻力是由于车身表面存在流动分离现象，致使车身前后表面形成压力差而产生。Ahmed等人研究表明气动阻力大部分来自于车身尾部[3]，这是因为车身尾部分离区是车身周围流场中的主要分离区。当汽车车身前部形状相同时，车身尾部形状不同可导致其尾部分离区大小不同，进而影响气动阻力大小。因此，控制车身尾部分离是各汽车厂商降低气动阻力的主要方向之一。关于车身尾部流动结构对气动阻力特性的影响研究，起于上世纪70年代，至今仍是研究热点。由于车身造型保持了规则几何体的特征，而使得车身表面的三维流动分离现象存在准二维分离特征。准二维分离的特点是分离发生在垂直于来流方向的边缘，所形成的漩涡轴线平行于分离线，空气大部分动能通过湍流掺混被消耗掉，最终发展为马蹄涡[4]。
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第 2 章 汽车尾流结构仿真理论与方法验证
汽车在陆地上行驶速度远低于声速，其外流场由车身运动和地面共同作用产生，使得汽车绕流流场较航空器外流场复杂，属于典型的三维不可压粘性分离流动。汽车空气动力学属于流体力学的一个分支，但由于汽车空气动力学过于复杂，其研究方法主要分为实验研究（风洞实验和道路实验）和数值模拟两种。由于汽车外形复杂，在早期实践中，计算能力不高，数值模拟并不能用于解决车型开发的工程实际问题，工程师和学者们在研究中主要使用实验研究方法。近年来，计算机技术飞跃发展，数值模拟技术快速提高，已在解决新车型空气动力学问题方面广泛使用，并逐渐占据主导地位，但昂贵的风洞实验研究并不能完全被数值模拟技术取代，进而为数值模拟方案验证准确性，依然活跃在新车型开发的舞台上。本文主要以数值模拟为主，风洞实验辅以验证的方法，研究 Ahmed 类车体气动减阻技术。本章主要介绍本文所使用的模型尾部流动结构数值模拟方法和风洞实验验证，建立 Ahmed 类车体计算模型，分析 Ahmed 模型尾流结构特征，并据此提出减阻方案，为后续章节的研究提供理论基础。
2.1 数值模拟理论
汽车在大气底部运动，其外流场表现为空气的流动。假设空气是连续的，由微团组成，则空气的流动就是这些微团运动的表现。这些空气微团的运动是受物理学基本守恒定律的支配，这些基本定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
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2.2 基于雷诺时均法的 Ahmed 模型尾流结构仿真
本文以雷诺时均法 SST k-ω 湍流模型作为 Ahmed 模型尾流结构的主要仿真方法，研究减阻技术在 Ahmed 模型减阻方面的应用。为了此方法的有效性，需要确定此方法是否适合数值仿真倾角为 35°倾角 Ahmed 模型，因此在这里首先使用雷诺时均法 SST k-ω 湍流模型，验证不同的边界层网格方案研究方法的适用性，再使用SST-DES 方法对所选倾角 Ahmed 模型进行瞬态气动特性分析，研究尾部流动含能结构。建立 35°Ahmed 数值仿真模型及流场计算域，如图 2.2 所示，Ahmed 模型前端距计算域入口为模型长度 L 的 3 倍，模型后端距计算域出口为模型长度 L 的 7 倍，计算域的宽度为模型宽度 W 的 11 倍，模型关于计算域中央对称平面对称，计算域高度为模型高度 H 的 6 倍，计算域总长 11.6m，宽为 4.3m，高为 2.0m。计算域采用四面体网格进行剖分，在模型与地面表面插入三棱柱网格作为边界层网格。每个数值仿真方案迭代 4000 步，取最后 500 步数据取平均值作为仿真值。数值仿真所得气动力结果及模型表面 y+平均值见表 2.2。参考文献[3]，将钝头的气动阻力系数用*KC 表示，尾部斜面的气动阻力系数用*SC 表示，尾部竖直面的气动阻力系数用*BC 表示，粘性阻力用*VC 表示，总阻力系数用 CDs表示。
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第 3 章 基于隔板的 35°倾角 Ahmed 模型减阻研究 .........51
3.1 数值模拟研究...........51
3.2 实验研究..............68
3.3 本章小结..........71
第 4 章 基于射流的 35°倾角 Ahmed 模型减阻研究 .........73
4.1 射流减阻实验研究.............73
4.1.1 实验模型............73
4.1.2 实验结果............74
4.2 射流减阻数值模拟研究..........76
4.3 本章小结..............88
第 5 章 基于隔板与射流的尾流控制气动减阻应用.....89
5.1 基于门字形隔板的某卡车模型尾流控制气动减阻研究........89
5.2 基于射流的某轿车模型尾流控制气动减阻研究.....94
5.3 本章小结............. 98
第 5 章 基于隔板与射流的尾流控制气动减阻应用
5.1 基于门字形隔板的某卡车模型尾流控制气动减阻研究
卡车多用于货物运输，为增大其货运效率，外形设计较为规整，多近似于长方体，使得车身周围气流存在较多分离区，促使气动阻力升高。为了提高燃油利用率，降低排放，保护环境，卡车减阻日益得到各厂商和学者们的关注。避免或减小车身周围的分离区，可使气动阻力降低，因此卡车具有较高的气动减阻空间。本节中研究门字形隔板对某 1:7 卡车模型气动阻力的影响，在货箱后部添加隔板对尾部流动结构进行控制，探究模型气动阻力特性变化。本节中所使用的模型为某卡车 1:7 模型，此模型在制作过程中进行了大量的简化，只保留了驾驶室的主要外形特征，略去后视镜、雨刷器等附件，货箱采用长方体木箱代替，底盘部件全部简化。模型长为 1.47m，宽为 0.36m，高为 0.57m，正投影面积为 0.191m2。数值仿真所用模型与实验模型保持一致。实验模型，如图 5.1 所示。卡车模型货箱高 400mm，宽 357mm，将门字型隔板布置在货箱尾部垂直面，隔板各边与货箱对应边缘距离均为e，隔板宽度为w，如图5.2所示。隔板宽度共有20mm与 50mm 两种。而间距 e 共有 0mm、5mm、10mm 与 15mm 四种。两因素交叉，共有 8 种工况。数值仿真与风洞实验采用的隔板厚度均为 3mm。
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结论
总结车辆在行驶中要消耗能源，并且其排放物会污染环境。汽车的普及加剧了能源危机和环境恶化，使人们意识到提高车辆燃油经济性的必要。汽车在行驶中所受气动阻力随着车速的提高，快速升高。研究表明，当车速达到 150km/h 时，车辆所受气动阻力占总阻力近 70%，此时发动机做功有相当大的一部分用于克服气动阻力，使得气动阻力消耗大量的燃油。因此降低车辆气动阻力对提高燃油经济性具有相当大的意义。汽车气动阻力主要来源于车身周围的空气分离流动产生车身前后压差阻力，而车身周围的流动分离主要集中于车身尾部。车辆作为商品，其外观形状种类较多，且多由曲面构成，将其作为研究对象，所得研究成果并不具有普适性，因此保留车辆主要几何特征的类车体模型在研究中显得更有意义。本文采用具有车辆尾部典型特征的 35°倾角 Ahmed 类车体模型作为气动减阻研究对象，使用隔板与圆孔射流技术改变尾部分离流动结构，达到气动减阻目的。在隔板减阻研究中，使用门字形隔板对模型尾部斜面上边缘与侧缘分离流动进行控制。在射流减阻研究中，使用圆孔作为射流孔，针对模型尾部斜面上边缘处的分离流动进行控制。本文主要研究门字形隔板宽度、布置位置及射流孔布置位置、射流速度对模型气动阻力的影响，通过数值仿真方法分析这两种方法作用下模型尾部流动结构变化，总结不同情况下气动阻力变化规律，为进一步的实际车型开发提供科学的理论依据。
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参考文献（略）