汽车、高速列车与低速飞行器空气动力研究

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1、2011—2012汽车工程学院空气动力学论文汽车、高速列车与低速飞行器空气动力研究姜霖摘要：本文结合课堂学习知识，参考课件和有关论文，首先阐述了风洞试验，汽车风洞边界层效应；其次解释了影响告诉列车形状对气动性能的影响以及列车通过隧道时的空气动力效应；最后对比了翼型优化的随机梯度遗传算法和响应面法，并以课件中重点的NACA0012翼型为算例，对比了两种算法并得出各自的优缺点。关键词：风洞试验；边界层；流线外形；翼型优化引言风洞作为研究空气动力学必不可少的一项重要工具，被广泛应用与汽车、飞行器和高速列车的研究之中。针对不同

2、研究课题，风洞类型也各式各样，对于汽车来说，风阻系数是计算汽车空气阻力的一个重要系数，而汽车风洞试验有别予其他风洞试验的关键在于边界层问题。空气动力学研究在高速列车的研究中同样是不可忽视的问题，今年4月18日科技部印发的《高速列车科技发展“十二五”专项规划》中便提出继续“提高列车速度”的目标，而列车形状对气动性能影响颇大，因此和提高列车速度的关系更是密切相关，还有列车通过隧道时的动力效应都是今年来的热点研究课题。而对于飞行器，空气动力学的研究更是重中之重，本文重点叙述的是低速飞行器翼型的两种优化方法，尤其针对经典的NA

3、CA0012翼型进行了算例分析。1汽车空气动力学研究空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性隔和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投入大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。本文从汽车空气动力学传统方法风洞试验对此问题进行探索。1.1风洞试验风洞就是用来产生人造气流(人造风)的管道。在这种管道中能造成一段气流均匀流动的区域，汽车风洞试验就在这段风洞中进行。汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如图1中奔驰公司的汽车风洞，其风扇直径就达8.5m，驱动风扇的电动功率高达400

4、0kW，风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270km/h。风洞分两种：较大的、可容纳整辆汽车进行试验的风洞叫做实物性风洞；小一点的，主要用于测试按比例制作的整车模型或者汽车部件的风洞叫做模型风洞。如图2展示的是三菱公司的实物风洞和模型风洞的平面图，从图中可以看出两种风洞在尺寸上的差异。-13-2011—2012汽车工程学院空气动力学论文图1奔驰公司实车试验图2三菱公司的实物风洞和模型风洞1.2风洞分类回流型风洞和断流型风动：回流型风洞：如果一个风洞中的气流在穿过试验区以后又回到试验区，那么这样的风洞就叫做回流型风洞；

5、断流风洞：气流在穿过试验区后直接流出外部的风洞被称为断流风洞；回流型风洞可以使用功率较大的风扇，因为这种风洞中的气流能量能够恢复并能让空气湿度和温度保持在一个恒定的水平。但是这种风洞的构造比较复杂，设备占地较大，制造成本也较高；断流风洞构造和设备安装子都比较简单，但是需要大功率的电扇来从外界抽取空气，同时它不能保持洞内气温的恒定。这种类型的风洞还可以根据风扇的位置分成冲击型和鼓风型两种。埃菲尔型风洞和哥廷根风洞：埃菲尔风洞：从内向外空气呈直线流动的断流型风洞；哥廷根风洞：空气流动路线呈单循环形状的回流型风洞；宝马公司在

6、2002年便建造了一种复合型风洞，这种风洞兼具有两种风洞的特点；根据试验区有无围墙对风洞分类：闭合式风洞：在一个风洞里，如果实验区被围墙包围住，从外部进入的气流就会直接与围墙接触，这样的风洞就被称为闭合式风洞；半开放式风洞：围墙与气流还有一段距离，但是围墙的作用也不可忽视的风洞被称为半开放式风洞；根据喷嘴尺寸和最大风速划分风洞类型：喷嘴面积≤10平方米：包括成比例模型风洞和气候风洞，喷嘴面积较小的气候型风洞主要被应用在对热能比较集中的发动机舱的周边区域的测试中；10平方米≤喷嘴面积≤30平方米：应用于任何针对小型客车或

7、其它体积相对较小的汽车的空气动力试验；-13-2011—2012汽车工程学院空气动力学论文喷嘴面积≥30平方米：这种风洞可以进行各种车型的测试，从小型客车到中型卡车及客车。1.3试验车与风阻系数风阻系数，是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数,用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的外形.风阻系数愈大,则空气阻力愈大。现代汽车的风阻系数一般在0.3-0.5之间。风阻是车辆行驶时来自空气的阻力，一般空气阻力有三种形式，一是气流撞击车辆正面所产生的阻力，是气

8、流撞击所产生的阻力；二是摩擦阻力，空气与划过车身一样会产生摩擦力，然而以一般车辆能行驶的最快速度来说，摩擦阻力小到几乎可以忽略；三是外型阻力，一车辆高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源。外型所造成的阻力来自车后方的真空区，真空区越大，阻力就越大。风阻系数可以通过风洞测得。当车辆在风洞中测试时，借由风速来模拟汽车行驶时的车速，