仿生非光滑汽车表面的减阻分析.doc

仿生非光滑汽车表面的减阻分析 谌 可 王 耘 曹开元 宋小文 浙江大学，杭州，３１００２７ 摘要：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。 关键词：非光滑；汽车；减阻；空气阻力系数；正交试验；ＣＦＤ 中图分类号：Ｕ４６１．１；ＴＢ１７ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１２．０８．０２６ ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＤｒａｇＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅｂｙＵｓｉｎｇＢｉｏｎｉｃＮｏｎ－ｓｍｏｏｔｈＳｕｒｆａｃｅ ＣｈｅｎＫｅ ＷａｎｇＹｕｎ ＣａｏＫａｉｙｕａｎ ＳｏｎｇＸｉａｏｗｅｎ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，３１００２７ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｄｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｔｏａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ａｎｄｕｓｅｄ ＣＦＤｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｂｙｕｓｉｎｇｂｉｏｎｉｃｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｕｒ－ ｆａｃｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｃｏｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｉｏｎｉｃｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｕｒｆａｃｅｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅ ｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂｉｏｎｉｃｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈａｔｉｓａｂｌｅｔｏｒｅｄｕｃｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈ；ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ） 引言 空气阻力 是 汽 车 高 速 行 驶 时受到的主要阻 力。当汽车以８０ｋｍ／ｈ（２２．２ｍ／ｓ）行驶时，消耗燃 油 所 产 生 的 功 率 中，６０％ 是 用 来 克 服 空 气 阻 力 的［１］。 可见，减小汽车的空 气 阻 力，对 减 小 油 耗、 减少环境污染有重要意义。 然而，现有的减小汽 车空气阻力的方法都已相当成熟，想要进一步减 小汽车空气阻力的空间很小。 因此非常有必要寻 求新的减小汽车空气阻力的方法。 近些年来，仿生学的研究发现，生物界普遍存 在着非光滑的表面形态，这种非光滑的表面形态 通常具有减阻的功能［２］。Ｂｅｃｈｅｒｔ等［３］发现，鲨鱼 皮肤非常粗糙，但经过测试，在海水中，这种粗糙 的非光滑表皮受到的流体阻力要比光滑表皮受到 的流体阻力小９％ 以上。Ｈａｎ 等［４］模拟鲨鱼皮肤 的非光滑结构，设计出一种微型沟槽膜，并进行了 减 阻 实 验。 在 该 实 验 中，当 水 以３．３ｍ／ｓ 和３．０ｍ／ｓ的速度 流 过 物 体 时，外 表 面 贴 有 微 型 沟槽膜的物体受到的流体阻力要比光滑物体受到 的流体阻力分别约小４．３％ 和７．６％ 。 受非光滑表面减阻的启发，本文在车 身 设 计 中引 入 仿 生 非 光 滑 表 面，利 用 计 算 流 体 力 学 （ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）数 值 模 拟 方法，分析研究通过仿生非光滑表面减小汽车空 气阻力的可行性，并通过正交试验法分析非光滑 单元体的大小、形状，以及单元体的间距和在车身 表面的布置位置对仿生非光滑汽车表面减阻性能 的影响。 ０ 建立模型 １ 三维车身模型的建立 根据某车 型 的 原 始三维点云数据，在 Ｐｒｏ／Ｅ 中构建１∶１０ 的三维车身模型（图１）。 １．１ 图１ 构建三维车身模型 原始的车身数据有大量细小的局部 特 征，这 些细小的局部特征对本文的仿真实验结果影响较 小，却会影响建模和仿真工作的效率，并且影响高 质量网格的生成。 因此，在构建三维车身模型时， 需要对模型进行合理的简化。 本文在建模时，略 去了前后车灯、后视镜、车门把手、轮胎花纹、汽车 天窗等局部特征，并用光滑的曲面代替原有局部 特征。 简化后的三维车身模型如图２ 所示。 数