某SUV气动特性仿真分析与风洞试验验证

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SUV作为都市新兴购车族偏爱的车型,近几年已经成为汽车市场销量增长的主力,优化其整车气动特性已成为汽车公司、研究所和高校的研究重点。以计算流体动力学(CFD)仿真和风洞试验结果为指导,设计合适气动附件是改善汽车外表面流场和整车气动特性的主要途径之一。本文以某SUV为研究对象,设计6种减阻气动附件,对其进行数值仿真和风洞试验验证分析,并基于整车最优减阻方案进行鲨鱼鳍仿生设计,进一步改善整车升力特性。论文首先对SUV基础仿真模型进行适当几何清理,并设置合适体网格生成策略以满足仿真可靠性和精度要求;根据实车风洞试验,设置合理边界条件和求解器参数;监测仿真残差数值和风阻系数波动赋值,确保结果收敛。考虑仿真精度,对比了Realizable k-ε和SST k-ω两种湍流模型整车风阻系数仿真结果,相对误差分别为1.5%和2.6%,采用Realizable k-ε湍流模型完成基础模型仿真计算,并分析该SUV阻力贡献区域及其形成原因。然后基于该SUV基础模型流场仿真结果,设计前保险杠下部阻流板、前轮挡板斜梯、副车架后部导流板、底盘中部导流板、消音器导流板以及尾翼共6种气动减阻附件,并制作样件进行实车风洞试验验证。结果表明,气动附件对整车减阻均有不同程度贡献,组合6种气动附件的整车风阻系数降低6.25%,有效实现节能降阻。最后将最优减阻方案进行组合并作为基准模型进行仿生研究,设计一款鲨鱼鳍附加装置。当附件装置安装在SUV底盘前部和中部时可减小整车升力,而安装在底盘尾部时整车升力轻微增大。以鲨鱼鳍附加装置的高度为设计变量进行整车升力优化,利用最优拉丁超立方法采集样本点,构建设计变量关于整车升力的Kriging近似模型,基于多岛遗传算法进行全局寻优。优化结果表明,当在底盘前、中、后鲨鱼鳍附加装置高度分别为6.9 mm、26.1 mm和16.7 mm时,整车升力降低5.7%,且整车风阻系数下降2 counts,实现了在整车风阻系数最优基础上提升整车升力性能的目的。
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