2010800716 - 阳延 - 飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化最

湘潭大学毕业论文

题 目：飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

学 院：土木工程与力学学院 专 业： 工程力学 学 号： 2010800716 姓 名： 阳 延 指导教师： 邓旭辉

完成日期：2014年5月10日

湘潭大学

毕业论文（设计）任务书

论文题目： 飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化 学号： 2010800716 姓名： 阳 延 专业： 工程力学 指导教师： 邓旭辉 副教授 系主任： 邓旭辉 副教授 一、主要内容及基本要求 本论文的主要内容：

1. 了解飞行汽车国内外研究现状和发展趋势； 2. 了解现代汽车从设计到生产的基本流程； 3. 了解汽车外流场仿真的研究现状和发展；

4. 建立飞行汽车地面行驶的简化模型，运用ANSYS/Workbench软件对飞行汽车进行外流场仿真，并对结果进行分析，提出优化方案并计算对比。 本论文的基本要求：

1. 查阅国内外对飞行汽车的研究； 2. 能运用Solidworks软件建立三维模型；

3. 能运用ANSYS/Workbench对飞行汽车地面行驶模型进行外流场仿真，并对结果进行分析，提出优化方案。 二、重点研究的问题

本课题需要重点研究的问题主要有：

1. Solidworks等建模软件的使用； 2. 通过ANSYS/Workbench等有限元软件对加工过程进行数值仿真； 3. 飞行汽车地面行驶过程中的风阻系数、气动阻力、气动升力等。 三、进度安排 序号 1 2 3

各阶段完成的内容 了解课题背景，查阅资料 熟悉Solidworks、ANSYS/Workbench软件 学会用Solidworks建模，运用ANSYS/Workbench进行数值仿真，分析模拟结果，并撰写毕业论文 I

完成时间 2013/11/15-2013/12/14 2013/12/15-2014/01/30 2014/02/01-2014/04/30

4 递交论文并准备答辩 2014/05/01-2014/05/10 四、应收集的资料及主要参考文献

[1] 陈哲吾.涵道式垂直起降两栖飞行器原理设计与研究[D].湖南大学,2009. [2] 韩飞听.汽车车身造型与外围流场CFD相关性研究[D].东南大学,2008.

[3] 龚旭,谷正气等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究[J].汽车工程,2010,32(1):13-16. [4] 梁建永等.轿车外流场CFD分析中常用k-?湍流模型的对比[J].汽车工程,2008,30(10):846-852. [5] 邬晴晖.国内外车身设计技术的差距[J].汽车技术,1999,(8):14-16.

[6] 熊超强,臧孟炎等.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程,2012,34(1):36-39. [7] 吴军.汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性的研究[D].湖南大学,2005. [8] 浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].中国水利水电出版社,2010. [9] 耿艳.汽车外流场数值模拟湍流模拟的研究[D].河海大学,2006.

[10] 陈艳霞,陈磊.ANSYS Workbench工程应用案例精通[M].电子工业出版社,2012. [11] 李兵,何正嘉,陈雪峰. ANSYS Workbench设计仿真与优化[M].清华大学出版社,2008. [12] 王俊,陈如意等. CFD 在汽车造型中的应用[C].中国用户论文集,2009. [13] 黄向东.汽车空气动力学与车身造型[M].人民交通出版社,2000. [14] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,1998: 46-57.

[15] 龚旭等.基于近似模型的集装箱半挂车导流罩的形状优化[J].汽车工程.2011,33(1):38-42. [16] 袁志群,谷正气,刘金武.计及车身附件气动干涉影响的汽车流场数值仿真研究[J].汽车工

程.2010,32(12):1033-1037.

[17] 庞加斌,刘晓晖等.汽车风洞试验中的雷诺数、阻塞和边界层效应问题综述[J].汽车工

程.2009,31(7):609-915.

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毕业论文（设计）评阅表

学号： 2010800716 姓名： 阳 延 专业： 工程力学 毕业论文（设计）题目： 飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化 评价 项目 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 论文 质量 综 合 评 价 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 论文选题符合培养目标，体现了工程力学专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；难度、份量适当；同时与生产、科研等实际相结合。论文将所学的基础理论知识与计算软件结合起来。结论合理，结果可信。该同学有一定查阅文献、综合归纳资料和综合运用知识的能力；论文立论正确，论述较充分，结构完整；计算、分析处理较合理；技术用语规范，符号统一，图表完备、整洁、正确，引文规范，文字通顺，工作量饱满。达到综合训练的目的和本科毕业的要求。 评阅人： 年 月 日 III

评价内容 （设计）是否完备、整洁、正确，引文是否规范；

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毕业论文鉴定意见

学号： 2010800716 姓名： 阳 延 专业： 工程力学 毕业论文（设计说明书） 37 页 图表 41 张

论文（设计）题目：飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化 内容提要： 本文基于汽车空气动力学、计算流体力学，根据相关要求利用Solidworks设 计了飞行汽车的车身模型，利用ANSYS/CFX对该飞行汽车在地面行驶中的外流 场问题进行了数值仿真，详细介绍了数值仿真的整个过程，包括网格划分、流场 边界条件设置、湍流模型的选取等。对得到的飞行汽车压力分布图、速度矢量图、 湍流动能图进行了分析，计算出飞行汽车气动阻力，气动升力及阻力系数等参数， 获得了飞行汽车外流场详细的力学特征。然后根据初步的仿真结果，对飞行汽车 外形进行了适当的结构优化，分析结果与初步结果进行了比较，改动后模型的气 动阻力，阻力系数等关键参数有了明显的优化，证明了优化的有效性。 IV

指导教师评语 阳延同学的毕业论文，基于汽车空气动力学理论，根据要求设计了飞行汽车的车身，并对该飞行汽车在地面行驶中的外流场问题进行了较为细致的数值模拟研究；然后根据初步的仿真结果，对飞行汽车外形进行了适当的结构优化，分析结果与初步结果进行了比较，证明了优化的有效性。文中利用Solidworks建立了飞行汽车的3D模型，利用ANSYS/CFD，建立了飞行汽车在地面行驶的外流场有限元物理模型，获得了汽车外流场的详细的力学特征，并对结果进行了详细的讨论，为进一步改进设计奠定了坚实的基础。 本课题要求学生具有较好的力学基础、较强的自学能力与理论分析能力，并能对CFD计算结果进行合理的分析，具有较大的难度，有一定的创新性且计算工作量较大。论文反映了作者对该研究领域有一定的了解，能够熟练运用专业基础知识与CFD软件解决实际工程问题的能力，具有较强的计算机应用与数值计算能力。论文格式规范，层次分明、概念清晰，达到本科毕业水平，同意答辩。建议成绩评定为优。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 阳延同学能按时优异地完成规定的任务，工作量饱满，表现很好。论文达到规定要求，表明该同学具有独立查阅文献、综合归纳资料的能力，具有扎实的专业基础知识和综合运用所学知识的能力。毕业论文内容正确、概念清楚、结构严谨、条理分明、论据充分、文字通顺、格式规范。论文有创新性，有一定的应用价值，答辩时论述思路清晰、表达清楚，能熟练、正确回答问题、有逻辑性，达到了本科毕业论文的要求。 根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为优。 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 经答辩委员会讨论，同意该毕业论文成绩评定为优。 答辩委员会主任： 年 月 日 V

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目录

目录 ........................................................................................................................ I 摘要 ..................................................................................................................... III Abstract ............................................................................................................... III 第1章 绪论 ......................................................................................................... 1

1.1 研究背景与意义 .......................................................................................................... 1 1.2 计算流体力学(CFD) .................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状 .......................................................................................................... 1

1.3.1 国外汽车计算流体动力学发展现状 ................................................................ 1 1.3.2 国内汽车计算流体动力学发展现状 ................................................................ 2 1.4 本文的研究内容 .......................................................................................................... 2

1.4.1 研究目标 ............................................................................................................ 2 1.4.2 本文的主要工作 ................................................................................................ 2 1.4.3 技术关键和难点 ................................................................................................ 3

第2章 汽车空气动力学 ..................................................................................... 4

2.1 空气动力学基本理论 .................................................................................................. 4

2.1.1 空气基本物理属性 ............................................................................................ 4 2.1.2 流体阻力现象 .................................................................................................... 5 2.1.3 汽车动力流体运动的基本方程 ........................................................................ 6 2.2 汽车空气动力学 .......................................................................................................... 6

2.2.1 气动力和力矩 .................................................................................................... 6 2.2.2 气动阻力特性和气动升力特性 ........................................................................ 7 2.3 汽车外流场数值模拟 .................................................................................................. 8

2.3.1 汽车外流场的基本假设 .................................................................................... 8 2.3.2 CFD理论基础 .................................................................................................... 8 2.4 本章小结 ...................................................................................................................... 9

第3章 飞行汽车外流场数值模拟 ................................................................... 10

3.1 汽车车身造型发展史 ................................................................................................ 10 3.2 飞行汽车车身设计 .................................................................................................... 11

3.2.1 飞行汽车车身设计基本思路 .......................................................................... 11 3.2.2 飞行汽车模型 .................................................................................................. 12 3.3 飞行汽车外流场数值模拟 ........................................................................................ 13

3.3.1 ANSYS/Workbench简介 .................................................................................. 13 3.3.2 飞行汽车数值模拟简化模型 .......................................................................... 13 3.3.3 计算区域的确定 .............................................................................................. 14 3.3.4 网格模型建立 .................................................................................................. 14

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飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

3.3.5 计算过程控制 .................................................................................................. 15 3.4 数值模拟结果与分析 ................................................................................................ 16

3.4.1 残差迭代收敛曲线 .......................................................................................... 16 3.4.2 速度流线图 ...................................................................................................... 17 3.4.3 空气速度场 ...................................................................................................... 18 3.4.4 压力分布 .......................................................................................................... 19 3.4.5 湍流动能 .......................................................................................................... 20 3.4.6 风阻系数与气动力 .......................................................................................... 21 3.5 结论 ............................................................................................................................ 22 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 22

第4章 车身优化分析 ....................................................................................... 23

4.1 优化方案 .................................................................................................................... 23 4.2 优化前后计算模型对比 ............................................................................................ 23 4.3 优化结果对比 ............................................................................................................ 24

4.3.1 压力分布对比 .................................................................................................. 24 4.3.2 湍流动能对比 .................................................................................................. 24 4.3.3 速度矢量图对比 .............................................................................................. 25 4.3.4 阻力系数与气动力对比 .................................................................................. 26 4.4 结论 ............................................................................................................................ 26 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 26

第5章 总结与展望 ........................................................................................... 27

5.1 总结 ............................................................................................................................ 27 5.2 展望 ............................................................................................................................ 27

参考文献 ............................................................................................................. 28 致 谢 ................................................................................................................... 29

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飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

摘要

为解决人类交通拥堵问题，飞行汽车的概念孕育而生。本文基于汽车空气动力学、计算流体力学，根据相关要求利用Solidworks设计了飞行汽车的车身3D模型，利用ANSYS/CFX对该飞行汽车在地面行驶中的外流场问题进行了数值仿真，详细介绍了数值仿真的整个过程，包括网格划分、流场边界条件设置、湍流模型的选取等。对得到的飞行汽车压力分布图、速度矢量图、湍流动能图进行了分析，计算出飞行汽车气动阻力，气动升力及阻力系数等参数，获得了飞行汽车外流场详细的力学特征。然后根据初步的仿真结果，对飞行汽车外形进行了适当的结构优化，分析结果与初步结果进行了比较，改动后模型的气动阻力，阻力系数等关键参数有了明显的优化，证明了优化的有效性。

关键字：飞行汽车；计算流体力学；数值模拟；气动阻力；优化分析

Flying car body design and optimization of the external flow field

ground running

Abstract

To solve the traffic jams problems,the idea of flying car comes forth. Based on car aerodynamics and computational fluid dynamics, this paper uses Solidworks to design a 3D flying car model according to the relevant requirements,and utilize ANSYS / CFX to conduct the numerical simulation to outflow field problem of the flying car driven on the ground.In addition, it details the entire process of numerical simulation, including meshing, setting flow field boundary conditions,and selecting turbulence model. The results, pressure profile, velocity vector diagram and turbulent kinetic energy are analyzed to calculate the flying car aerodynamic drag,aerodynamic lift and drag coefficients and other parameters, thus we get detailed mechanical characteristics of the outflow field. Then,according to preliminary results of the simulation, the shape of the flying car is properly optimized.Compared with the preliminary results, the key parameter of the changed model, aerodynamic drag, drag coefficient and so on, has been significantly optimized, which proves the efficiency of optimization.

Keywords:flying car; computational fluid dynamics; numerical simulation; aerodynamic drag; optimization analysis

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

在自行车年代，人们希望有更快捷的代步工具，于是汽车出现了；有了汽车的年代，飞机也随即出现让遥远的两地距离大幅度缩短。20世纪40年代，当汽车、航空技术有了相当大的发展之后，福特汽车公司创办人享利·福特大胆地发出“飞行汽车迟早会出现”的科学预言。而这些年来，包括中国在内，随着世界人口的急剧增加，全世界的交通体系从地上到天上都产生了爆炸式的增长，交通拥堵成为人类所需面对的最头痛有待解决的问题之一。人们为此绞尽脑汁，于是“飞行汽车”应运而生。既可以在地面上像汽车一样行驶又可以在空中飞行的飞行汽车作为一种新概念飞行器，在国内外形成了研究热潮。飞行汽车平时可作为汽车在路面上行驶，可以最大限度的节省能源；而在关键时候又可以在空中自由飞行，尽显其快捷方便的优势[1]。

对于飞行汽车地面行驶的研究，我们同样需要考虑汽车空气动力学。由于全球环境和能源问题，改进汽车的气动造型，以减少风阻系数，提高汽车的动力性和燃油经济性。对汽车前后局部进行优化，可以降低汽车的阻力，从而减小汽车功率，降低燃油消耗，实现节能的目的[4]。

1.2 计算流体力学(CFD)

计算流体动力学通过流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)的控制对流动的数值进行模拟。通过数值模拟，汽车外部复杂流场的流动特性和压力、速度等参数分布可以直观地揭示出来，这在一定程度上替代了耗费巨大的模型和实车风洞试验。随着计算机技术与湍流理论的发展，CFD在研究和应用方面都取得了巨大的进展，人们越来越多地把CFD应用到了汽车设计中[5]。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外汽车计算流体动力学发展现状

70年代末、80年代初以欧美为中心，汽车计算流体动力学开始应用于汽车工程设计。从1972年，Morrow应用空气动力学中广泛使用的Douglas-Neumann方法计算列车表面的压强分布。1974年，Staffor应用涡格法模拟汽车尾流，并考虑气动升力，得到表面压力分布与试验趋于一致。1976-1983年，欧美很多科学家都区的重大成就，从Tandahl提出的涡量方程的方法到Ahmed和Hucho的应用面元法，对汽车绕流进行开创性的研究。之

1

飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

后，Peake和Tobak曾把对雷诺数影响很小的大涡模拟方法应用于汽车绕流的模拟[8]。

除此之外，各个公司对汽车计算流体力学做出卓越的贡献，在此就不一一列举了。由此可见，尝试寻找更加适合的汽车外流场的湍流模型也目前大多学者的研究方向。

1.3.2 国内汽车计算流体动力学发展现状

国内的汽车计算流体动力学虽然起步较晚，但近几年对汽车外流场的数值模拟逐步增多，特别是湖南大学、东南大学、武汉大学等高校的车辆工程。

各高校从80年代起就对汽车动力学有着很多的研究。从90年代开始逐步有了对汽车外流场的三维数值计算。比如吉林大学的傅立敏教授对汽车尾部流场结构方面进行了深入的理论分析。之后，很多大学都对车尾做了大量的研究，南京航天航空大学分析了在不同车速下车尾上下气流分离的位置、尾涡涡心及尾涡长度的变化再到武汉汽车工业大学求得气动阻力等车辆空气动力学特性参数的大小并分解了汽车组成部分。清华大学、西安公路交通大学等高校都对汽车做过更细致的研究，它们应用常规湍流模型还有混合网格等技术研究，甚至在研究过程中计算的结果渐渐与风洞试验结果基本一致，并逐步转为其他有关汽车性能的研究，如西安公路交通大学的刘晶郁对空气动力特性对汽车操纵稳定性的影响进行了研究[8]。

虽然国内一些高校成功地对汽车外流场进行了二维、三维的数值模拟，某些成果已经达到相当水平，但总的来说，国内的一些研究刚取得初步的进展；我国在汽车空气动力学方面的研究取得了一定的进展，如果希望我国在汽车工程行业有巨大的突破，我们仍需做出巨大的努力[8]。

1.4 本文的研究内容 1.4.1 研究目标

本文运用Solidworks建立飞行汽车的简化模型，并运用Workbench中的CFX对其外流场进行数值模拟，然后对得到的计算结果进行分析，并提出对应的优化方案；然后修改模型方案，再次计算并与初步的结果进行对比，证明优化的有效性。

1.4.2 本文的主要工作

全文共分为5章，围绕着飞行汽车车身模型的建立及外流场的相关性研究内容。 第1章对本文的研究背景和研究内容和汽车计算动力学的发展以及本文的研究内容做了介绍。

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第2章介绍空气动力学的基本理论，还有CFD理论，为后面汽车行驶中模拟仿真研究提供了理论基础。

第3章是本文重点，详细的介绍了飞行汽车模型的外流场数值模拟的整个过程，对飞行汽车外流场进行了详细的分析。

第4章是根据上一章的分析结果对模型进行了适当的改动，再次计算相关参数并与优化前的参数进行比较，证明优化的有效性。

第5章结论与展望。

1.4.3 技术关键和难点

本论文用到的主要知识是运用ANSYS软件数值模拟，还简单的涉及到车辆工程，汽车空气动力学的理论基础。因此技术的关键和难点主要有三点：

(1) 飞行汽车车身模型的建立与简化；

(2) ANSYS/Workbench进行外流场数值模拟所运用算法，选取流场模型及流场特性分析。

(3) 根据初步计算结果提出优化方案，对比优化前后计算结果的差异得出结论。

3

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目前完全反映流体流动规律的方程是Navier-Stokes方程：

ux?vy?wz?0质量守恒完全方程：

(2.15)

Px??u?uu?vu?wu??γ(w?w?w)?0txyzxxyyzz?????Py??v?uv?vv?wv??γ(w?w?w)?0?t?(N-S方程) (2.16) xzzxxyyzz?????Pzw?uw?vw?ww??γ(w?w?w)?0?t?xzxxyyzz???其中，u，v和w是三维方向的速度分量，下标x，y，z代表的是对u，v，w，变量导数。要完全求解N-S方程，由于计算机技术的限制，目前还不容易实现。现在工程中最广泛用的是 ：

??i?t??j??i?xj?(p)xi/??r?2??i?????j?i?xj/??0其中，i=1，2，3表示坐标轴的三个方向，xj是坐标的三个分量。

??i?xj?0 (2.18)

但此方程引入了关联项uiuj，这需要引入相应湍流模型来使方程封闭，早在1877年鲍辛涅斯就提出了湍流系数的概念，称为涡粘系数。他提出的涡粘假设：

(2.17)

???i?j????i????j?k?0.5?i?j将上式带入雷诺时均N-S方程得：

?xj??2?k?ij/3

(2.19)

(2.20)

??i?t??j??i?xj??(p)xi/??????t????i?xj??j?xi???0xj

(2.21)

???jxj?0 (2.22)

一般将湍流模型分为四类：(1)“0”方程模型(代数模型)；(2)“l”方程模型；(3)“2”方程模型；(4)多方程模型。其中应用最广泛的是“2”方程模型，该方程模型称为k-?模型。

2.4 本章小结

本章主要介绍了汽车空气动力学的相关理论知识。阐述了汽车运动过程中气动阻力和气动升力产生的原理，并对汽车外部流场作了假设，简单的介绍了CFD的理论基础。

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飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

第3章 飞行汽车外流场数值模拟

3.1 汽车车身造型发展史

20世纪末，柔性与刚性的特点成为轿车车身外部造型设计的主流。构造棱角分明的外形，车身多采用淡雅的色彩，造型显得朴实含蓄、线条明晰优美，这种外形具有易于零件分块，易于冲压和分总成拼焊等特点。因此，曾被广为采用。由于空气动力学是影响车身造型的最重要因素，根据节约能源、减小风阻系数和提高空气动力性能等原理而推出的楔形造型，后来也一度十分盛行。近年来，因为棱角分明的外形很难大幅度地降低风阻系数，故汽车外部造型逐步突破棱角分明而趋向圆滑，尤其重视完美的局部造型以及加装各种导流板。事实上，这种圆滑、飘逸型的造型风格已博得广大消费者的理解和喜爱，并成为今天的车身造型主流。当然，某些高级轿车依然保持较稳重的造型风格，如维持传统式样的散热器面罩，但为了进一步降低空气阻力，其外部造型也逐渐趋向圆滑、明快。

今天的车身外部造型设计，在国外专业人员中被称作“流线形设计”。按照造型师们的新理念，汽车外形的连续完整性不应再依靠挺拔的棱角去表现，而是要由各种曲面光滑的连接以及微妙的光学效果与视觉效果显示出来。众所周知：普通汽车在换档行驶时，发动机的功率和燃料大部分都消耗在克服空气阻力上(约占汽车总阻力65%)，而具有“连续流动”曲面光滑的外部造型的轿车就可采用功率较小的发动机而达到较高的行驶速度，从而节约燃油消耗。

从汽车行驶速度造成的空气阻力来看，汽车的百年发展史，其实质就是汽车如何克服气动阻力的发展过程，车身的造型进步则生动的演绎着这个变化经历。可以毫不夸张地说，在与气动阻力作斗争过程中推动了汽车车身的进步和开发。气流造型的开发研究重点是最优化设计，大体上可分为两方面的技术工作：一是气动造型的局部最优化设计，另一方面是气动造型的整体最优化设计。前者任务是确定车身的基本造型，必须达到车身的制造工艺学、人体工程学、美学及其他相关学科的各方面要求，并在此基础上进行车身的局部修改，增加空气动力附加装置，实现减少气动阻力和提高行驶稳定性的目的。而整体最优化工作的任务则是根据高气动稳定性和低气动阻力的流线型要求，最终完成实用化车型的整体布置。由于兼顾局部和整体的最优化设计，使车身美感和科学性达到和谐统一，从而追求车身造型的完美性和最优化。

现代汽车车身的要求更为严格，它需要具有很强的防冲击能力，还需要有易清洁性、舒适性和智能性，还要给人以更美的艺术感受。总之，汽车车身是设计师的语言和艺术品，也是汽车设计的精髓所在[11]。

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3.2 飞行汽车车身设计

3.2.1 飞行汽车车身设计基本思路

飞行汽车作为一种新型的交通工具，目前还没有各个方面的标准去参考，对于飞行汽车的地面行驶，考虑到也是作为一种汽车的模式在行驶，我们需要参考相关的现代轿车标准去设计车身的主要尺寸。

首先，车身长宽高的确定。经过参考相关资料，设想的飞行汽车空重将达到1.5吨，最大起飞重量将达到2.88吨。结合发动机功率等考虑因素，主涵道直径达到1600mm才能满足需求。飞行汽车载客4人，车身宽度主要影响乘坐空间和灵活性，为了满足两侧座位分别乘坐两人的基本需求，再考虑车身内部装载的需求，车宽需达到1800mm，再加上车门的宽度，车宽设计为2000mm。车身高度直接影响重心（操控性）和空间，目前大部分轿车高度在1.5米以下，车身高度设计过高会导致整车重心升高，过弯时车身侧倾角度大。综上，最终设定车身长宽高(mm)为5400×2000×1500。

然后，轴距，轮距，离地距，前后悬的确定。参阅资料可知，长轴距能够提高直路行驶的稳定性，但是转向的灵活性会明显下降，同时回旋半径也会增大，综合考虑稳定性和灵活性[12]，最终设定轴距为3000mm。从操控性方面考虑，轮距越大，转向极限和稳定性也会提高，因此轮距暂设为1800mm。离地距必须确保汽车在行走崎岖道路、上下坡时的通过性，离地距高也意味着重心高，影响操控性，一般轿车的最低离地距为130mm~200mm，符合正常道路状况的使用要求，因此最终设定离地距180mm。车身长度和轴距确定后，前悬和后悬的确定并没有想象中的难，考虑到飞行汽车的特殊性，综合主涵道位置的设计，设定前悬1400mm，后悬1000mm。

这样，车身的关键尺寸都已经基本确定。另外，飞行汽车采用360度雷达设计，省去了后视镜等凸出物，减小了气动阻力[19]。

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飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

表3.1 整车主要参数表

性能

指标 长×宽×高 主涵道直径 推进涵道直径

尺寸参数(mm)

轴距 轮距 离地距 前悬

后悬 空重

重量参数(t)

最大起飞重量

载客量(kg)

4人

2.88 280

参数

5400×2000×1500 1600 400 3000 1800 180 1400 1000 1.5

3.2.2 飞行汽车模型

图3.1 飞行汽车模型视角a 图3.2 飞行汽车模型视角b

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3.3 飞行汽车外流场数值模拟 3.3.1 ANSYS/Workbench简介

ANSYS/Workbench是一个协同仿真环境的平台，它是一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。

本文利用的是Workbench集成平台中的CFX模块，能对飞行汽车模型进行三维外流场的计算。可得其车身速度矢量分布、阻力系数、车身表面压力分布等结果。利用CFX软件进行流体流动模拟计算流程如图3.3所示。

Solidworks 建立分析模型 网格的生成 边界条件 计算 后处理 检查网格，选择求解 选择求解的方程、材料物性确定边界类型确定边界类型及其边界条件 图3.3 流体流动模拟计算流程

3.3.2 飞行汽车数值模拟简化模型

图3.4 飞行汽车简化后的计算模型

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3.3.3 计算区域的确定

为了保证流场的真实情况外流场都有一定的范围，太大了对汽车的研究起不到作用，太小了又怕汽车尾部和车头部会产生回流。所以取外流场一点要适中。本次模拟建立数值模拟试验域空间。设定为6倍车长、3倍车宽、3倍车高，即大概尺寸为30000mm×6000mm×4500mm，如图3.5所示。

图3.5 计算域模型

3.3.4 网格模型建立

(1)网格策略

划分网格是对控制方程进行离散。ANSYS中有很多种划分网格类型，常见的是自动划分网格，还有四面体，六面体，扫掠等。但生成网格方法基本一致。

自动划分网格很容易就可以生成，但是网格分布很不规则，但是它在于简单，花费时间少，可以自动把边界上的网格划得和几何体相同，对计算域的边界比较精确，汽车模型中很多圆角还有轮子都是边界上的。但是在流体内部的网格不规则，计算不精确。这种方法也称为非结构网格划分。

四面体和六面体划分的网格有规律，在计算机求解过程中比较快速，准确。但对于本例汽车模型，尤其是最后模型还带有车轮的模型很难用六面体或者四面体生成精确的网格。这种方法也称为结构网格划分[9][17]。

故本文中采用的是混合网格划分。 (2)计算网格的生成

考虑计算机的计算能力和计算要求，网格划分设置最大网格尺寸0.2m，车表面的面最大网格尺寸0.15m，共划分了140万个单元网格。

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图3.6 网格分布图

3.3.5 计算过程控制

1.边界条件的设定

1)入口边界，边界入口设定为速度入口，速度为30m/s，即空气从此入口以30m/s速度流入；

表3.2 入口边界条件设置 选项

Boundary Type Mass And Momentum Normal Speed Turbulence Fractional Intensity Eddy Length Scale

设置 Inlet Normal Speed 30[ms^-1]

Intensity and Length Scale

0.05 0.25[m]

2)出口边界，出口边界设定为压力出口，出口相对于远方来流处的压力为零，Pout=0，故静压值取零；

表3.3 出口边界条件设置

选项

Boundary Type Mass and Momentum Relative Pressure Turbulence Fractional Intensity Eddy Length Scale

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设置 Opening

Opening Press. And Dim

0[Pa]

Intensity and Length Scale

0.05 0.25[m]

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图3.7 设置边界条件

3)壁面边界，除了出口、入口，其他面都设定为壁面，选取标准壁面函数[20]和标准k-ε双方程湍流模型[5]。

表3.4 流域边界条件设置 选项

Boundary Type Mass and Momentum Wall Roughness

设置 Wall No Slip Wall Smooth Wall

2.求解器属性控制

表3.5 求解器属性设置 选项

Advection Scheme Turbulence Numerics Min Iterations Max Iterations

设置 High Resolution First Order

1 50

3.4 数值模拟结果与分析 3.4.1 残差迭代收敛曲线

标准k-ε湍流模型具有的特点是收敛性最好，且收敛速度较快[5]，由于网格划分较密，而计算精度要求又不高，因此迭代30次即达到所设定的精度要求，收敛曲线如图所示。

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图3.8 残差迭代收敛图a

图3.9 残差迭代收敛图b

由上可知各个变量的残差设定为10-4，均达到收敛标准。残差曲线基本稳定，不再发生变化；故可以判断该计算已收敛。

3.4.2 速度流线图

图3.10是车身纵向对称面流线图。从流线图来看，入口的气流到达车头部，分成两部分，一部分从车顶部流过，另一部分从车底部流过。由于该汽车车顶处导流板的设计，整车的坡度较小，使气流能流畅的通过车体上部，并未出现分离和漩涡，呈层流流动。紧贴车身的流线在车身后部向后延伸，没有明显的波动，它们之间形成一个负压区。另外我们可以注意到从底部流出的气流，与上部的气流在尾部交汇，没有出现明显的漩涡，流线型较好，降低了气动阻力。

图3.10 车身纵向对称面流线图

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3.4.3 空气速度场

从图3.11可以看出，气流从远处到车前部，遇到车前涵道顶端受阻，速度变小，动压转变成对车体的静压，然后气流沿车身散开，流经车体上部的气流通过导流板，车顶盖流向尾部，气流流经车盖时，遇到车盖的阻挡，流速变大。同样，气流在遇到尾部推进涵道稳定杆和支柱时被分流，流速也变大。突出的车轮部分阻挡了气流平稳通过，气流绕过轮胎边缘流速也增大。轮胎突出车身阻挡了气流的通过，增大了飞行汽车的气动阻力，这是一个可以改进的地方。

图3.11 车身表面速度矢量图

从图3.12车身纵向对称面速度矢量图可以看到，流速较大的几个地方出现在车顶盖边缘和推进涵道边缘。在车尾有两个不太明显的漩涡（图3.13），上面的是顺时针，下面的是逆时针，这是由于流过顶部的气流速度较大，压强小，动能较大；流过底部的气流速度较小，压强大，动能较小[5]。

图3.14是一侧车轮，车顶盖，推进涵道和支柱的截面，从这个截面的速度矢量图我们可以看到，气流流经车盖和车轮时速度变大，并没有出现漩涡。但当气流在推进涵道和尾部时出现了明显的漩涡，涡流的产生对汽车的性能影响很大，它不仅造成汽车尾部的压力降低，增大了压差阻力，可能使升力增大，影响汽车的附着性能。推进涵道支柱很大程度阻滞了气体流动，应该在满足强度刚度的前提下尽量减小厚度，另外还可以考虑改进推进涵道的形状使其减小阻力。

图3.12 车身纵向对称面速度矢量图

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图3.13 车尾局部速度矢量图

图3.14 车身纵向0.9m处截面速度矢量图

3.4.4 压力分布

图3.15~3.18是车身的压力分布图，从远处的来流遇到车前部时，流速骤然较小，使车头压力上升，推进涵道也是压力较大的一个部位。另外，在车顶盖与车体交界的地方以及轮胎前后的位置形成了局部逆压梯度。车身表面压力和速度都相对于汽车行驶方向对称分布，这说明在仿真过程中没有产生侧向流动[3]。

图3.15 车身压力分布

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图3.16 车身纵向对称面压力分布

图3.17 车身纵向0.9m处截面压力分布

图3.18 车身纵向0.65m处截面压力分布

3.4.5 湍流动能

从图3.19~3.21可以看出，湍流强度最大的地方在车顶盖两侧，车顶盖四周湍流动能也较大，这是由于受到分离扰动的影响，气流流动紊乱，湍流动能较大。湍流动能最后转换成热能耗散掉，这也是汽车阻力的来源之一[5]。可以通过改进车顶盖与车身的结合面去减弱车顶盖附近的湍流动能，从而减小气动阻力。

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图3.20 车身表面湍流动能分布

图3.19 车身对称面湍流动能分布

图3.21 车身纵向0.9m处截面湍流动能分布

3.4.6 风阻系数与气动力

该飞行汽车的风阻系数为：CD?2Fx/?v2A=0.478。其中，Fx为气动阻力，v为汽车行驶速度，A为风向方向的正面投影面积，设计的这种飞行汽车的投影面积

A=2.272m2。

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表3.6 30m/s速度下各方向气动力

气动力 气动阻力FX 气动升力FY 气动侧力FZ

表3.7 不同速度下各项数据对比

速度m/s 20 30 40 50

气动阻力FX -268.545 -599.237 -1065.99 -1685.67

气动升力FY 56.367 128.736 231.124 364.678

气动侧力FZ -2.065 -5.004 -8.238 -9.953

阻力系数CD 升力系数CL

0.483 0.479 0.479 0.485

0.1013 0.1028 0.1038 0.1048

数值[N] -599.237 128.736 -5.004

3.5 结论

本次模拟仿真，得到了飞行汽车的流线图，速度矢量图，压力分布图以及湍流动能图，通过分析这些图我们可以得知设计的这种汽车的外流场特点，从这些特点可以知道从哪些方面去减小气动阻力和升力，比如增加车体流线形，车体应该掩盖车轮，改进车顶盖，减小支柱和连接杆的厚度等，为下一步的优化工作起到了指导作用。

3.6 本章小结

本章简单的介绍了飞行汽车建模思路，建立了飞行汽车简化的模型，详细讲解了飞行汽车地面行驶中仿真研究的整个过程。对仿真结果进行了分析，对于改善汽车气流流线，减少气动阻力，有一定的参考价值，对后面提出的优化方案有一定的指导作用。通过模拟分析也可以看到本次仿真的一些不足，在后面的优化中可以得到改进。

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第4章 车身优化分析

4.1 优化方案

通过以上的分析，我们可以对车身外流场进行对应的优化。对模型以下几点进行了改进，然后重新计算。

1、调整车身外形，优化车轮，调整车轮与车边缘位置，减小车轮凸出部分，增强车身流线形以减小气动阻力；优化车窗，调整前车窗斜度，适度加宽顶盖。

2、从仿真结果来看，推进涵道处所受的压力过大，这与地面行驶时推进涵道的受力是不相符的，需要对模型推进涵道处再进行改动，考虑忽略推进涵道中的螺旋桨。

3、适当减小推进涵道稳定杆和支柱的厚度，以减小阻力，增强尾部气流流动。降低支柱高度，增强车体稳定性同时减小阻力。

4、再对模型各棱角处圆角化，增强车体流线型以减小阻力。

5、改变边界条件，调整车体在流域中的位置，设置车体下方为滑移边界条件，使其更接近实际结果。

4.2 优化前后计算模型对比

图4.1 优化前计算模型 图4.2 优化后计算模型

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4.3 优化结果对比 4.3.1 压力分布对比

图4.3 优化前压力云图

图4.4 优化后压力云图

对比两幅图上可以看出，整体的压力分布变化很大，相比优化前，优化后的压力分布更加均匀，车体的负压区主要集中在车顶四周；由于忽略了推进涵道螺旋桨，推进涵道上的压力减小，尾部的压差明显减小。

4.3.2 湍流动能对比

图4.5 优化前对称面湍流动能分布图

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图4.6 优化后湍流动能分布图

对比图4.5和图4.6，我们可以看到优化后车尾出现了很大区域的湍流，这与实际的风洞实验数据是一致的，这是由于优化后的计算采用了滑移边界条件，仿真数据更加接近实际。

4.3.3 速度矢量图对比

图4.7 优化前车身表面速度矢量图

图4.8 优化后车身表面速度矢量图

对比优化前后的速度矢量图，我们可以看到优化前由于车轮的阻挡，气流绕过车轮后速度变大，车轮侧面出现最大速度；优化后由于车轮的位置进行了调整，车轮没有阻

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碍气流在车身侧面的流动。但是调整了驾驶舱整个顶盖的宽度，使得导流板变窄，气流通过时速度变大，没有优化前那么流畅，这是必然的；推进涵道处的优化使得气流通过时没有壁面的阻挡而更加流畅，整体的流动性比优化前要更好，减小了阻力。

4.3.4 阻力系数与气动力对比

优化后阻力系数CD?2Fx/?v2A=0.3116。其中，Fx为气动阻力，v为汽车行驶速度，

A为风向方向的正面投影面积，改动后的飞行汽车模型的投影面积A=2.066m2。

表4.1 优化前后阻力系数气动力对比 气动阻力FX 气动升力FY 气动侧力FZ 阻力系数CD 升力系数CL

优化前 -599.237[N] 128.736[N] -5.004[N] 0.478 0.103

优化后 -354.335[N] -76.377[N] -0.213[N] 0.3116 0.067

从表4.1来看，优化后阻力系数明显降低，气动升力变成了负值，空气升力减小，从而减小了诱导阻力，从而减小能量损失。同时降低空气升力系数可减小附着率，从而改善操纵稳定性和动力性。

4.4 结论

通过对优化后的模型进行计算，对比优化前的实验数据，可以看到优化后整车的气动性能有很大提升，优化后气动阻力降低了40.8%，阻力系数降低了34.8%，优化效果很明显，很大程度上减小了能量的损失，达到了预期的优化目的。

4.5 本章小结

本章参考优化方案对计算模型就行了修改，重新仿真计算得到了优化后的实验数据，然后对比优化前的数据，达到了优化的效果。优化后的数值模拟的结果比优化前更加接近实际的试验规律值，但是仿真过程中对模型和计算环境进行了相应的简化，这使得得到的结果比实际得到的数据还是要小一些。

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第5章 总结与展望

5.1 总结

飞行汽车的概念由来已久，随着人类交通拥堵问题的日趋严重，飞行汽车的研究也被越来越多的人所关注。本文查阅了相关飞行汽车的大量资料，根据一定要求利用Solidworks设计出了飞行汽车的车身3D模型，利用ANSYS/CFX对该飞行汽车在地面行驶中的外流场问题进行了数值仿真，详细介绍了数值仿真的整个过程，包括网格划分、流场边界条件设置、湍流模型的选取等。对得到的飞行汽车压力分布图、速度矢量图、湍流动能图进行了分析，计算出飞行汽车气动阻力，气动升力及阻力系数等参数，获得了飞行汽车外流场详细的力学特征。然后根据初步的仿真结果，对飞行汽车外形进行了适当的结构优化，分析结果与初步结果进行了比较，优化后气动阻力降低了40.8%，阻力系数降低了34.8%，优化效果很明显，这证明了优化的可行性，具有一定的参考价值。

5.2 展望

本论文还有许多需要进一步研究的地方：

1、模型的设计并没有完全到位，还有很多需要完善改进的地方，比如车身的流线形曲面设计不理想，从各种参考资料来看车身的整体水平投影应设计为腰鼓形，这样更符合流线特征。

2、还需要考虑不同的环境下的仿真分析，改变边界条件、选取更加精确的湍流模型等，对不同的边界条件进行仿真分析，寻找更优化的外形。

3、在模拟中将更多的实际问题考虑进去，使仿真模拟更加接近真实情况，得出的结果将更具有实际参考意义。

4、对于同一特征选取不同参数进行CFD分析比较，因每次改变一处特征都需要重新建模、网格化、重新定义边界条件和参数，重新导入分析，在时间上是一个漫长的过程，从研究角度来说，样本越多，数据分析和归纳的标准差越接近真实数值。

5、考虑选用计算精度更高的Realizable k-ε湍流模型进行模拟。

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致 谢

随着毕业论文的收尾，也宣告着我的四年大学生活即将接近尾声。很高兴能把自己一生中最宝贵的青春时光留在这个美丽的大学校园里。

在此，首先我要感谢我的指导老师邓旭辉副教授的细心指导和教诲。邓老师平易近人、知识渊博、富有激情、工作态度精益求精，是我学习的楷模。邓老师能及时的纠正我学习的方向，努力指导我遇到的每一个问题，这样我的论文才能及时的按质按量的完成，从中我学到了很多很多。然后还要感谢帮助过我的郑佳师兄、夏佳伟师兄、邹汝红学姐，感谢你们在我遇到问题时不遗余力的帮助。感谢班主任姜勇老师和力学系的同学这些年的关心和帮助，感谢父母对我学习的全力支持。

感谢湘潭大学，感谢所有支持和关心我的朋友！

阳延 2014年5月1日 于湘潭大学

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qjf3.html