某车型车身造型设计及空气动力学仿真研究

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
for a model to optimize the design parameters provided with the guidance of research methods. The research methods for the flow of automobile body have universal generalization. Keywords: automobile body, FLUENT, parameter, exterior flow field, simulation
University Code: 10213 Security: Open
Dissertation for the Master ’s Degree in Engineering
DESIGN OF A CAR BODY STYLING AND RESERCH ON AERODYNAMIC SIMULATION
- III -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目
录
摘 要· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · I Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · II 第 1 章 绪论 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.1 课题背景目的及意义 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.2 国内外研究现状 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1.2.1 车身数字化建模的发展 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1.2.2 汽车空气动力学的发展现状 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.2.3 CFD 在车身外流场分析中的应用 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 1.3 主要研究内容 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 第 2 章 车身曲面模型的建立与分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2.1 数字化模型重建的原理 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2.2 CATIA 建模理论基础 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2.3 车身模型的建立 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 2.3.1 整车特征参数的确定 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 2.3.2 车身建模的过程 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 2.4 对比模型的建立 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14 2.4.1 对比模型参数的确定 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14 2.4.2 对比参数化模型的建立 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15 2.5 车身曲面的分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17 2.6 本章小结 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20 第 3 章 车型 CFD 流谱分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21 3.1 CFD 的理论基础 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21 3.1.1CFD 软件结构 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21 3.1.2 流体运动的描述 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22 3.1.3 控制方程和湍流模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23 3.1.4 车身外流场的评价方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25 3.2 CFD 分析的前处理 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26 3.2.1 计算区域的确定 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26 3.2.2 创建网格模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26 3.2.3 边界条件的确定 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 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某车型车身造型设计及空气动力学 仿真研究
硕 士 研究生： 龙钢 导 师： 刘涛 副教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科、专 业： 车辆工程 所 在 单 位： 汽车工程学院 答 辩 日 期： 2010 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: U461.1 U.D.C: 629
Automobile Engineering College of Automobile Engineering
June, 2010 Harbin Institute of Technology
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摘
要
随着道路条件的改善和石油危机的加剧，人们为了进一步提高汽车的动力性 和燃油经济性，愈来愈希望能够了解汽车外部流场的细致情况；探求车身形状对 气体流动状况的影响规律；从而对所设计的车身外形的空气动力学性能进行评 估，并从理论上提出其改进和优选的方向。 本文根据该车型的三视图资料，利用 CATIA 软件构建某车型的外流场分析 模型，评价模型的光顺性，保证模型的可使用性；通过预分析计算，得到影响汽 车外流场性能的四个关键因素及其合理取值区域；基于这四个关键因素采用正交 试验法得到九种典型参数模型；然后利用 CATIA 的知识工程特性构建了该汽车 车身的参数化模型，利用该参数化模型可快速生成系列典型参数化车身几何模 型。 采用标准 k 模型模拟车身外流场，给出了气动阻力和气动升力的获取方 法；采用 GAMBIT 对各典型参数模型进行了网格划分和各前置处理工作，然后 利用 FLUENT 对车身外流场分析模型进行 CFD 分析，采用气动阻力系数和气动 升力系数为评价指标，对所建立的系列参数化流场分析模型的阻力大小进行评 定，按照优选原则从对比模型中提取出两组模型作为较优模型，给出了车身的几 个重要参数的参考取值范围，并由较优模型进一步分析得出优选模型，优选模型 的流场分析验证其具备更优的综合性能。此外，本文分析了优选模型的空气动力 学其它影响因素，即不同离地间隙对汽车升力和阻力的影响，结果表明离地间隙 可显著影响汽车车身的升力系数；对汽车阻力系数也有一定的影响，汽车的气动 升力先是随着离地间隙的减小而减小，但当离地间隙小到一定程度后，气动升力 反而会增大。 通过系列化流场分析模型的对比研究，本文为某车型车身外形的参数优选设 计提供了具有指导意义的研究方法。该研究方法对于汽车车身的流场分析具有普 适推广性。 关键词： 车身；FLUENT；参数化；外流场；仿真
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Abstract
With the path condition improvement and oil shock's aggravating, people have more desires to know the details abort exterior flow filed around a car in order to enhance automobile's power and the fuel oil efficiency; Searching how the automobile body shape influence the flow of gas condition; In oder to designs the automobile body contour's aerodynamics performance carries on the appraisal, and proposes its improvement and the optimal direction theoretically. According to the three-view model data, the thesis uses CATIA to establish its body of the flow analysis model, and evaluates model’s light compliance and guaranteeing model suitable. By pre calculating, affecting Automotive External Field Performance of the four key factors and their reasonable value areas are obtained; Based on this four key factors in orthogonal test are typical of nine parameter model; then using the knowledge of CATIA engineering properties of construction parameters of the vehicle body model, using the parametric model can be quickly generated series of typical parameters of the geometric model of the body. Using standard k model to simulate the body drain field; given aerodynamic drag and aerodynamic lift access methods; by GAMBIT typical parameters of each model was mesh and pre-processing work, and then use FLUENT to analysis Flow Field on the body of CFD model, and using the aerodynamical resistance coefficient and dynamic lift coefficient as the evaluating indicator, to the series parametrization flow field anatomic model's resistance size which establishes carries on the evaluation, which has given automobile body's several key parameter reference value scopes. in accordance with the principle of preference extracted from the contrast model as the optimum model of two models; obtained by the optimum model optimization model for further analysis. Optimization model of the flow field analysis verified with better overall performance; In addition, the paper analyzes the optimal model of the aerodynamics of other factors, that is, different ground clearance on the car lift and drag effects, the results show that the ground clearance can significantly influence the vehicle body of the lift coefficient; on the vehicle drag coefficient to a certain extent car with pneumatic lift first from the decrease of ground clearance, but little ground clearance to a certain extent, it will increase aerodynamic lift. Through the series of comparative studies of Flow analysis model, this body shape
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某车型车身造型设计及空气动力学 仿真研究
DESIGN OF A CAR BODY STYLING AND RESERCH ON AERODYNAMIC SIMULATION
龙钢
哈尔滨工业大学
2010 年 6 月
国内图书分类号：U461.1 国际图书分类号：629
学校代码：10213 密级：公开
Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Specialty： Affiliation: Date of Defence： Degree-Conferring-Institution:
Long Gang Associate Prof. Liu Tao Master of Engineering