解振宇

摘 要：隨著能源問題的日益突出，節(jié)能減排提高做功效率也成為汽車領(lǐng)域中重要的研究課題，其中汽車的外形設(shè)計(jì)也是主要方向之一，包括整車氣動(dòng)性能是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的核心問題。由于氣體粘性的存在，氣流在流經(jīng)車尾區(qū)域時(shí)產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因。本次研究主要是應(yīng)用粒子圖像測速法通過測量得出最佳外形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以改善車輛空氣動(dòng)力已得到最佳優(yōu)化外形，通過對汽車車型與空氣阻力現(xiàn)象之間的關(guān)系的研究，以達(dá)到汽車空氣動(dòng)力學(xué)在實(shí)際應(yīng)用這一領(lǐng)域的完善，實(shí)現(xiàn)能源環(huán)保節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：PIV技術(shù);車尾流場;空氣阻力

一、研究背景及意義

汽車發(fā)展之初，由于車輛本身速度很慢，造型就是大家都見過的老爺車，“方頭方腦”的完全沒有空氣動(dòng)力學(xué)考量。古今中外學(xué)者也做過很多研究，馮博超（2019）[1]研究了汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身，研究的結(jié)果對車型設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響。彭麗霞（2019）[2]研究得出了汽車車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率主要用來克服空氣阻力.空氣阻力增加，則汽車動(dòng)力性降低，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。黃仁森，王宇（2019）[3]得出了每一次都會影響空氣阻力的變化，進(jìn)而改善汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性。本文在以往研究的基礎(chǔ)上通過對汽車車型與空氣阻力現(xiàn)象之間的關(guān)系的研究，以達(dá)到汽車空氣動(dòng)力學(xué)在實(shí)際應(yīng)用這一領(lǐng)域的完善，實(shí)現(xiàn)能源環(huán)保節(jié)能的目的。

二、研究目的

本文研究目的如下：

1.利用PIV技術(shù)和Tecplot以及solidworks等軟件，在不同來流速度下觀測，繪制出流場速度矢量圖、渦量云圖等。

2.再通過對不同風(fēng)速下繪制出流場速度矢量圖、速度分量圖的分析，構(gòu)造出每種汽車最合適的外形。

3.最終通過構(gòu)造最佳汽車外形來減少汽車在運(yùn)行時(shí)所受的阻力，達(dá)到節(jié)能減排提高做功效率的目的。

設(shè)計(jì)良好的汽車外形，可以減小汽車空氣阻力，提高汽車的操縱穩(wěn)定性，保證行車安全。從箱型、甲蟲型、船型到魚型和楔型，每一次汽車外形的變化都帶來了空氣阻力的降低。從而改善汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性。

三、研究方法

（一）Solidworks

首先繪制出各種車型的三維立體圖像，此過程通過SolidWorks進(jìn)行繪制。繪制出公交車、轎車、SUV三種車型。

公交車長10厘米＼寬5厘米＼高3厘米，標(biāo)點(diǎn)符號好好改改！轎車長15厘米＼寬 7厘米＼高5厘米，Suv長18厘米＼寬10厘米＼高8厘米.

（二）PIV技術(shù)

Particle Image Velocimetry（PIV），PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場。另外PIV技術(shù)具有較高的測量精度。由于PIV技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今流體力學(xué)測量研究中的熱門課題，因而日益得到重視。在PIV測速技術(shù)中，高質(zhì)量的示蹤粒子要求為：（1）比重要盡可能與實(shí)驗(yàn)流體相一致;（2）足夠小的尺度;（3）形狀要盡可能圓且大小分布盡可能均勻;（4）有足夠高的光散射效率。通常在液體實(shí)驗(yàn)中使用空心微珠或者金屬氧化物顆粒，空氣實(shí)驗(yàn)中使用煙霧或者粉塵顆粒（超音速測量使用納米顆粒），微管道實(shí)驗(yàn)使用熒光粒子等。

（三）Tecplot

再利用Tecplot技術(shù)進(jìn)行流場速度矢量圖、渦輪圖，進(jìn)一步觀測汽車在不同流速下的狀態(tài)。

Tecplot技術(shù)：它提供了豐富的繪圖格式，包括x-y曲線圖，多種格式的的2-D和3-D面 Tecplot繪圖，和3-D體繪圖格式。而且軟件易學(xué)易用，界面友好。而且針對于Fluent軟件有專門的數(shù)據(jù)接口，可以直接讀入*.cas和*.dat文件，也可以在Fluent軟件中選擇輸出的面和變量，然后直接輸出tecplot格式文檔。

四、實(shí)驗(yàn)過程

首先置入轎車模型于實(shí)驗(yàn)水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機(jī)垂直于實(shí)驗(yàn)槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置。預(yù)估測試區(qū)域的來流速度，設(shè)定兩脈沖時(shí)間間隔和脈沖延遲時(shí)間，加入示蹤粒子，這時(shí)先以快速來流速度進(jìn)入水槽，通過照相機(jī)的光圈來調(diào)節(jié)視野亮度，并用尺子進(jìn)行距離標(biāo)定，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像，然后再次調(diào)整慢速來流速度重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像。

其次再次置入公交車模型與實(shí)驗(yàn)水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機(jī)垂直于實(shí)驗(yàn)槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置.預(yù)估測試區(qū)域的主流速度，設(shè)定兩脈沖時(shí)間間隔和脈沖延遲時(shí)間，加入示蹤粒子，這時(shí)先以快速來流速度進(jìn)入，通過照相機(jī)的光圈來調(diào)節(jié)視野亮度，并用尺子進(jìn)行距離標(biāo)定，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像，然后再次調(diào)整慢速來流速度重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像。

最后置入SUV模型與實(shí)驗(yàn)水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機(jī)垂直于實(shí)驗(yàn)槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置.預(yù)估測試區(qū)域的主流速度，設(shè)定兩脈沖時(shí)間間隔和脈沖延遲時(shí)間，加入示蹤粒子，這時(shí)先以快速來流速度進(jìn)入，通過照相機(jī)的光圈來調(diào)節(jié)視野亮度，并用尺子進(jìn)行距離標(biāo)定，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像，然后再次調(diào)整慢速來流速度重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程，并利用tecplot技術(shù)將其繪制出圖像。

五.分析和總結(jié)

在相同水流速度下， 轎車所受到的阻力均是最小的，說明轎車的車型最符合空氣動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，汽車在運(yùn)行過程中，由于氣體粘性的存在，氣體在流經(jīng)車底不平整區(qū)域時(shí)產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因，圖中對比可以看出，轎車、SUV、公交車的矢量圖與渦量圖中，轎車受到明顯變小，可以看出由于擾流板的存在，進(jìn)一步分析可知，轎車相比于其他兩車（公交車、SUV）運(yùn)行時(shí) 受阻小的原因有要有針對圖片的分析，尤其是渦量圖，看看旋渦的位置和大小，流動(dòng)分離的位置有什么區(qū)別等等。透過看藍(lán)色區(qū)域內(nèi)渦量的大小，來判斷是否產(chǎn)生流動(dòng)分離。即渦量越大，流動(dòng)分離越強(qiáng)，汽車所受阻力越大。因此我們可以通過適當(dāng)降低公交車和SUV的高度和寬度或增添擾流板來降低流場的強(qiáng)度，以減小運(yùn)行時(shí)能源的消耗，起到減少碳排放更加符合環(huán)保理念。

參考文獻(xiàn)

[1]馮柏超.汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身研究進(jìn)展[J]. 時(shí)代汽車201905期

[2]彭麗娟等.某型SUV氣動(dòng)性能與驗(yàn)證[J]. 汽車工程201902期

[3]黃仁森等.汽車前部汽車外形減阻自動(dòng)優(yōu)化研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)201903期