基于凹坑型非光滑结构的车身气动减阻优化方法研究

采用了梯度优化法和全局优化法对凹坑型非光滑单元进行优化设计,寻求非光滑单元对汽车的最佳气动减阻效果。将凹坑型非光滑结构布置在某款集装箱货车模型的不同位置,比较减阻效果差异,确定了模型的有效减阻位置。以凹坑单元体开口直径、深度、纵向间距、横向间距为设计变量,分别采用梯度优化法和全局优化法优化凹坑型非光滑结构,比较了两种方法的差异。结果表明:梯度优化法可以快速得到适用于工程实际的优化方案;全局优化法考虑到了变量的耦合因素,优化结果更加全面、准确;经过优化,凹坑型非光滑结构可有效减小气动阻力达10.44%。     

基于非光滑表面的高速列车转向架区域气动减阻性能

为了减小列车行进中的气动阻力,将仿生学中普遍应用的非光滑表面单元体布置于高速列车中间车的转向架区域端墙处。应用计算流体动力学的方法,对列车流场进行数值模拟,比较非光滑表面单元体(凹坑)对列车的气动减阻效果,与光滑列车的气动阻力相比,中间车减阻率可达1.05%。通过比较光滑模型和非光滑模型的压差阻力、黏性阻力的变化情况,得到了非光滑表面的减阻原理,为进一步研究车体非光滑表面气动减阻效果提供理论依据。     

基于非光滑表面与涡流干扰的车身气动减阻方法

探讨了将表面非光滑形态结构减阻思想与流场主动控制相结合的车身气动减阻方法。将凹坑型非光滑表面布置在MIRA直背式模型的尾部,并在非光滑形态模型的基础上,在凹坑阵中加装喷射速度可变的涡流发生器来控制模型的尾部气流,改善尾涡结构。通过对光滑、非光滑、非光滑加涡流喷射三种模型的三维流场数值模拟,得到不同尾部形态模型的气流速度、压力以及湍动能等参数,对比不同风速下不同模型气动阻力系数的差异以及不同喷射速度下的减阻效果,分析模型尾部流场参数的变化,阐述了非光滑形态车身气动减阻机理以及涡流喷射扰动效应。研究结果表明：通过对非光滑形态被动减阻与涡流喷射主动减阻的优化组合,能有效地减少不同风速下直背式MIRA模型的气动阻力。     

基于SAE模型非光滑表面对气动减阻的影响

以SAE汽车模型为研究对象,采用计算流体力学数值模拟方法研究非光滑表面布置位置对气动性能的影响。通过对SAE汽车模型的不同位置(侧部、底部、顶部、前部、尾部)布置凹坑型非光滑表面,计算SAE汽车模型的空气阻力系数,比较光滑表面与非光滑表面的流线、速度矢量以及压力,分析非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车非光滑表面布置位置。     

尾部非光滑表面对于不同车型的气动特性分析

将凹坑型非光滑表面布置在不同车型的尾部,研究其对气动阻力的影响。通过数值计算方法,得出不同车型的气动阻力值,并对比试验结果验证其可靠性。同时模拟出3种不同车型的尾部流场、压力等参数,并对比分析光滑模型与非光滑模型之间的参数差异,分析尾部非光滑车表减阻的机理。研究表明:尾部非光滑表面对于不同车型均有一定程度的减阻效果。     

轮胎花纹凹坑非光滑表面对抗滑水性能的影响分析

以205/55R16轿车轮胎为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)的方法对轮胎抗滑水性能进行数值模拟,通过将滑水速度仿真值与滑水经验公式计算值进行对比,验证了滑水分析方法的有效性。为提升轮胎的抗滑水性能,借鉴仿生非光滑减阻理论,在花纹沟槽两侧壁布置矩形排布的凹坑非光滑结构,采用响应面分析方法对凹坑的顶部圆直径、凹坑深度、顺流向凹坑间距和展向凹坑间距4个参数进行寻优,并从流场变化角度揭示了凹坑结构减阻机理。在此基础上,将减阻最优的凹坑结构引入到整胎滑水分析模型中,通过与光滑壁面花纹轮胎抗滑水性能的对比发现,凹坑非光滑表面花纹轮胎可通过降低胎面动水压力实现轮胎抗滑水性能的提升。     

叶序排布非光滑减阻表面的凹坑尺寸效应

为了降低旋成体在空气运动中的飞行阻力,将生物学的叶序排布理论应用于旋成体的非光滑表面排布设计中,并且应用计算机仿真技术,研究了非光滑表面的凹坑尺寸对减阻的影响。在仿真过程中,分别分析了旋成体表面的凹坑深度和凹坑直径对减阻效果的影响,并阐述了叶序排布凹坑能够减阻的机理。计算机仿真结果表明,适当地选择非光滑表面的凹坑尺寸能够改变凹坑的减阻效果。在本文的试验研究条件下,最大总减阻率达到了1.51%。     

车身造型参数对凹坑型非光滑表面气动减阻影响研究

采用数值模拟和风洞试验相结合的方法,研究车身造型参数对非光滑表面气动减阻的影响。将凹坑型非光滑结构布置在国际标准汽车简化模型——Ahmed模型的不同位置,通过分析不同位置非光滑的减阻效果,确定添加非光滑表面的位置。探讨改变Ahmed模型的后风窗角度、前端倒角和离地间隙情况下非光滑车身气动特性的变化规律,找出对于非光滑车身气动外形的最佳组合方案。结果显示,离地间隙的大小对非光滑减阻效果影响最大,改变离地间隙的模型比未改变离地间隙的非光滑表面Ahmed模型的气动阻力系数减小了4.3%。     

基于自由变形技术的汽车气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效性,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形(Free form deformation,FFD)技术引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法。当前的研究以某款轿车模型为研究对象,根据优化的拉丁方试验设计构建样本空间,并采用FFD方法对各样本点模型进行参数化;通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;采用Kriging模型构建近似模型;利用多岛遗传算法求解近似模型的最优值;根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数。计算结果显示优化后轿车模型的气动阻力系数减少了4.09%,表明FFD方法在汽车气动减阻优化中有很好的应用效果。     

仿生非光滑汽车表面的减阻分析

基于计算流体力学数值模拟方法,将非光滑表面应用于汽车。通过仿真实验研究非光滑车身表面气动减阻的可行性,并采用正交试验方法,通过计算汽车的空气阻力系数来分析非光滑单元体的形状、大小,以及分布位置和排列方式对减阻性能的影响,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车仿生非光滑表面结构。     

非光滑表面对汽车尾涡结构的控制分析研究

车身气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性,尾涡结构对于车辆空气阻力的形成有很大的影响,非光滑结构在车身的合理布置能有效地减小汽车的空气阻力。为了研究车身非光滑结构对汽车尾涡结构的影响与控制,将凹坑型非光滑单元分别布置在MIRA阶梯背模型尾部、顶部、行李舱盖等表面,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值仿真与风洞试验相结合的方法,对比分析车身表面光滑模型与车身表面非光滑模型尾部流场的压力、湍流耗散率、速度矢量等参数的影响,探讨非光滑结构的扰动效应及其对尾涡形成的控制作用,得出非光滑结构能延迟气流分离,控制后风窗上猫眼涡与尾部剪切涡流,也能抑制汽车尾部主涡的生成。为有效控制车辆尾迹中旋涡结构,抑制涡激振动,改善汽车气动特性提供重要依据。     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

基于伴随方法的高速列车头型气动优化

为改善高速列车明线运行时的气动性能,基于伴随方法和径向基函数网格变形技术,开展高速列车头型气动优化设计。采用径向基函数网格变形技术,避免列车头型优化过程中的网格重复生成,提高头型优化的效率。通过伴随方法求解目标函数对列车头型的敏感度,无须定义任何的头型设计变量,避免人为指定设计变量对优化结果的影响。将网格变形技术、伴随方法及计算流体动力学（Computational fluid dynamic,CFD）方法相结合,构建高速列车头型优化设计流程,选取整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行多目标气动优化设计。结果表明：伴随方法可以有效地应用于高速列车的头型优化;优化后,在满足约束条件的情况下,列车的整车气动阻力减小2.83%,尾车气动升力减小25.86%;气动阻力减小主要位于头尾车流线型部位,中间车和头尾车车体气动阻力基本保持不变;尾车气动升力减小主要位于流线型部位,尾车车体向下的升力绝对值也有所减小。     

基于DOE的整车气动优化减阻研究

以国内某款运动型多用途汽车（SUV）作为研究对象，应用DOE的方法，通过软件STAR-CCM+，采用Realizable k-ε湍流模型，对整车底部进行了减阻方案研究。采用试验优化设计的方法，运用极差分析法对仿真数据进行了分析，找到最佳减阻方案。研究表明，最佳减阻方案的整车阻力系数相对于原始模型有大幅降低，降幅达6.09%，前轮挡风板对整车阻力系数的影响最大，后轮挡风板对整车阻力系数的影响最小。通过对整车外流场的分析，阐明了减阻机理。     

Optimum nose shape of a front-rear symmetric train for the reduction of the total aerodynamic drag

For a high-speed train, the same power car is used as the first car and as the last car in a reverse direction simultaneously. Therefore, the previously optimized nose shape, considering only the first car position, is not well adopted in the last car position of a front-rear symmetric train in view of the aerodynamic drag. The three-dimensional nose shape optimization of a front-rear symmetric train is conducted to minimize the total aerodynamic drag of the entire train using CFD. The 3-D nose model is constructed by the vehicle modeling function with the optimized area distribution to minimize the micro-pressure wave. It is revealed that the total aerodynamic drag of the optimum shape for the entire train is reduced by 23.0% when compared to that of the conventionally optimized shape only for the first car of the symmetric train.     

Experimental study on synthetic jet array for aerodynamic drag reduction of a simplified car

This paper describes an experimental parametric study of synthetic jet array actuation to reduce the aerodynamic drag of a threedimensional simplified car. By using two configurations of an Ahmed body with 25° and 35° slant angles, we performed wind tunnel tests under different conditions of synthetic jet array. Several parameters, namely, jet location, jet direction, jet momentum coefficient, jet driving frequency, and number and position of activated jets within the actuator array, were considered. The total aerodynamic drag coefficients were compared, and the rear wake flows were studied by using the data obtained from rear surface pressure distribution and flow visualization tests. Results of the parametric study show that the aerodynamic drag exhibits different behavior depending on the location of the jet for each slanted model. Jet direction, jet momentum coefficient, and jet driving frequency affect only the amount of change in the aerodynamic drag. The distribution of the activated jets also affects jet efficiency.     

Simulation on a car interior aerodynamic noise control based on statistical energy analysis

How to simulate interior aerodynamic noise accurately is an important question of a car interior noise reduction. The unsteady aerodynamic pressure on body surfaces is proved to be the key effect factor of car interior aerodynamic noise control in high frequency on high speed. In this paper, a detail statistical energy analysis (SEA) model is built. And the vibra-acoustic power inputs are loaded on the model for the valid result of car interior noise analysis. The model is the solid foundation for further optimization on car interior noise control. After the most sensitive subsystems for the power contribution to car interior noise are pointed by SEA comprehensive analysis, the sound pressure level of car interior aerodynamic noise can be reduced by improving their sound and damping characteristics. The further vehicle testing results show that it is available to improve the interior acoustic performance by using detailed SEA model, which comprised by more than 80 subsystems, with the unsteady aerodynamic pressure calculation on body surfaces and the materials improvement of sound/damping properties. It is able to acquire more than 2 dB reduction on the central frequency in the spectrum over 800 Hz. The proposed optimization method can be looked as a reference of car interior aerodynamic noise control by the detail SEA model integrated unsteady computational fluid dynamics (CFD) and sensitivity analysis of acoustic contribution.     

仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析

仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注。为了减小油气管道运输摩擦阻力损失，将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中，设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道。结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理。通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性，得到了性能最高的非光滑结构：凸包非光滑内壁管道。该管道相对于普通光滑管道，具有更高的减阻率，运输能量更强，流速更高，可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考。