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1、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： 指导教师： 完成日期：2014年5月10日V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
2、，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、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1了解
3、课题背景，查阅资料2013/11/15-2013/12/142熟悉Solidworks、ANSYS/Workbench软件2013/12/15-2014/01/303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2014/02/01-2014/04/304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
4、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,200
5、6.10 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
6、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.湘潭大学毕业论文（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 评价项目评价内容选题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
7、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（设计）质量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，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；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。综合评价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
8、。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 日湘潭大学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
9、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。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，
10、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
11、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
12、定为优。答辩委员会主任： 年 月 日3湘潭大学本科毕业论文目录目录I摘要IIIAbstractIII第1章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 计算流体力学(CFD)11.3 国内外研究现状11.3.1 国外汽车计算流体动力学发展现状11.3.2 国内汽车计算流体动力学发展现状21.4 本文的研究内容21.4.1 研究目标21.4.2 本文的主要工作21.4.3 技术关键和难点3第2章 汽车空气动力学42.1 空气动力学基本理论42.1.1 空气基本物理属性42.1.2 流体阻力现象52.1.3 汽车动力流体运动的基本方程62.2 汽车空气动力学62.2.1 气动力和力矩62.2.2 气动阻
13、力特性和气动升力特性72.3 汽车外流场数值模拟82.3.1 汽车外流场的基本假设82.3.2 CFD理论基础82.4 本章小结9第3章 飞行汽车外流场数值模拟103.1 汽车车身造型发展史103.2 飞行汽车车身设计113.2.1 飞行汽车车身设计基本思路113.2.2 飞行汽车模型123.3 飞行汽车外流场数值模拟133.3.1 ANSYS/Workbench简介133.3.2 飞行汽车数值模拟简化模型133.3.3 计算区域的确定143.3.4 网格模型建立143.3.5 计算过程控制153.4 数值模拟结果与分析163.4.1 残差迭代收敛曲线163.4.2 速度流线图173.4.3
14、空气速度场183.4.4 压力分布193.4.5 湍流动能203.4.6 风阻系数与气动力213.5 结论223.6 本章小结22第4章 车身优化分析234.1 优化方案234.2 优化前后计算模型对比234.3 优化结果对比244.3.1 压力分布对比244.3.2 湍流动能对比244.3.3 速度矢量图对比254.3.4 阻力系数与气动力对比264.4 结论264.5 本章小结26第5章 总结与展望275.1 总结275.2 展望27参考文献28致 谢29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
15、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
16、car body design and optimization of the external flow field ground runningAbstractTo 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 re
17、quirements,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 res
18、ults, 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 resu
19、lts 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; com
20、putational fluid dynamics; numerical simulation; aerodynamic drag; optimization analysisIII湘潭大学本科毕业论文第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
21、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
22、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
23、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、
24、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
25、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
26、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。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
27、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。第2章 汽车空气动力学汽车空气动力学顾名思义就是空气动力学和汽车的关系，其中是以空气动力学为理论基础的，研究的内容是提高汽车的各种性能16。本章主要探讨数值模拟计算中的理论基础。2.1 空气动力学基本理论空气动力学是研究空气流动状态，当空气流经物体表面时，空气会与其发生相对运动，空气动力学研究的重点就是它们之间相互作用规律的一门学科，属于物理学流
28、体力学分支16。2.1.1 空气基本物理属性(1)空气的密度空气的密度是指在标准大气压下，每立方米空气所具有的质量(千克)就是空气密度。运用极限原理有： (2.1) (2.2)对于压强 (2.3)其中，为正压力，为面积。任一点温度，由完全气体满足物理学状态方程式，得 (2.4)其中，为气体常数，。由公式可知，空气的密度与压力和温度有关，在汽车的速度不是很大的情况下，压力和温度对可以看成是不变的量，所以，可以认为空气是不可压缩的。(2)空气的流动性空气的流体取决于运动物体。当运动物体的速度小于300m/s时，运动物体相对于空气起步到干扰作用，气体流动性好。当运动物体速度大于300m/s之后，物体
29、对空气的干扰很大，此时空气流动性就很差。汽车速度远小于流动的临界速度，故在研究时空气的流动性很好。(3)湍流和雷诺数判断流体流动情况是否为湍流的标准是雷诺数： (2.5)式中，为圆管横截面上流体平均速度，m/s；为圆管直径，又称特征长度，m；，分别为流体的密度和粘度，单位分别为和。雷诺数的物理意义是：当流体运动时作用于流体微团上的惯性力与粘性力之比。较大时，流体作湍流运动。显然汽车在空气中运动雷诺数比较大，汽车周围的流体是做湍流运动的2。2.1.2 流体阻力现象当物体在水和空气等流体中运动时，在物体上产生阻力，其大小在低速时与速度一次方成比，高速时与速度的二次方成正比。流线形物体与非流线形物体
30、所受的阻力，在低速时基本相同，高速时则不同。实验表明，在定常不可压缩理想流体中，圆柱体的流谱决定于气流速的大小。当1000时，圆柱体后面形成的涡很复杂，如图2.1所示2。a)Re1000图2.1 置于理想流体中的圆柱体的流动在定常不可压缩理想流体中，如果气流流经与流线相似的物体表面，流线基本不改变轨迹，速度不受什么影响。但高速流体比低速流体物体表面流速为零的区域明显变大，如图2.2所示2。 a)Re1图2.2 置于理想流体中的流线体的流动22.1.3 汽车动力流体运动的基本方程气体在运动过程中也遵循物理学基本定律：质量守恒、动量守恒、能量守恒。(1)质量守恒方程质量守恒定律在流体中的微分形式：
31、 (2.6)流体密度不变，式（2.6）可以简化为 (2.7)(2)动量方程动量方程在流体中的微分方程为： (2.8)上式即为无粘性气流的一维定常流动的运动微分方程。(3)能量守恒方程能量守恒方程在流体中的表达式是伯努利方程： (2.9)因伯努利方程是能量守恒定律的表达式，且流速越高、动能越大，压力能越小；反之亦然2。2.2 汽车空气动力学2.2.1 气动力和力矩汽车在形式中主要受到的各种力与力矩如图2.3所示。图中为横摆角；为车身纵向气动阻力(x轴方向)；为车身侧向气动阻力(y轴方向)；为车身垂直方向的气动阻力(z轴方向)；为纵倾力矩（绕Y轴)；为侧倾力矩(绕x轴)；为横摆力矩(绕Z轴)；为轴
32、距。气动阻力是与汽车运动方向相反的空气阻力，气动阻力经研究表明与正面投影面积和气动阻力系数有关2。气动阻力系数定义为：。同理，汽车受到气动升力、气动侧力、气动阻力矩、气动升力矩、气动侧力矩这六个力的大小及相关系数见表2.l。图2.3 汽车稳定坐标系表2.l 各分力及分力系数表气动力和气动力矩气动系数气动阻力气动阻力系数气动升力气动升力系数气动侧力气动侧力系数气动阻力矩气动阻力矩系数气动升力矩气动升力矩系数气动侧力矩气动侧力矩系数2.2.2 气动阻力特性和气动升力特性气动阻力由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和内流阻力组成，其方向与汽车运动方向相反。而气动升力主要由诱导阻力和摩擦阻力组成。
33、压差阻力是作用在汽车外形表面上的沿汽车行驶方向的气动力，它是气动阻力的主要组成部分。压差阻力是由于空气在运动过程中的粘性在汽车车身前后产生压力差而形成的阻力，约占汽车总气动阻力的50%65%。摩擦阻力是汽车的摩擦阻力是由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身表面产生摩擦而形成的阻力，约占汽车总气动阻力的6%11%。诱导阻力是由车身附着涡诱导而成的，约占汽车总气动阻力的8%15%。干涉阻力是汽车外表面上的附件，孔眼和缝隙引起气流干涉而产生的阻力，约占汽车总气动阻力的5%16%。内流阻力是由汽车制动器冷却气流、发动机，空调和驾驶室气流通风引起的阻力，约占汽车总气动阻力的10%18%23。根据机翼产生升
34、力的基本原理，上翼面的流速比下翼面的流速大，由伯努利定理可知，上翼面的静压比下翼面的静压小，因此在上下翼面间会产生压差。汽车，特别是流线型汽车，可以看成翼型很短的钝形体，车身上下会产生压力差，这是气动升力的主要组成部分2。2.3 汽车外流场数值模拟2.3.1 汽车外流场的基本假设在对汽车外流场数值计算之前需要对外流场假设，这样可以对汽车外流场数值模拟有个直观的认识。(1)假设空气为不可压缩流体。在路上行驶的汽车速度最高也不过一百多米每秒，而现在研究汽车是在常速50m/s，可以认为空气的密度不变，当然也就是不可压缩的。此环境的物理条件是一个标准大气压，密度=1.225kg/m3。(2)设定汽车周
35、围流体都是理想流体。(3)因为是对空气的研究，故可以不考虑重力。2.3.2 CFD理论基础汽车周围流体是空气，在一个标准大气压，摄氏15时密度，动力粘性系数，运动粘度。(通常用斯托洛哈数表示，)2。描述流体运动基本方程为：(1)描述无粘性流体运动的基本方程对于无粘性无旋流体，常用势函数表示描述流体的连续方程(质量方程)为： (2.10) (2.11)(2)描述非定常可压无粘性流体的基本方程为 (2.12) (2.13)当为定常流时 (2.14)(3)描述定常不可压粘性流体的基本方程目前完全反映流体流动规律的方程是Navier-Stokes方程： (2.15)质量守恒完全方程：(N-S方程) (
36、2.16)其中，和是三维方向的速度分量，下标，代表的是对，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 ： (2.17) (2.18)其中，=1，2，3表示坐标轴的三个方向，是坐标的三个分量。但此方程引入了关联项，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： (2.19) (2.20)将上式带入雷诺时均N-S方程得： (2.21) (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
37、的是“2”方程模型，该方程模型称为模型。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。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。
38、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
39、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，
40、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。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
41、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，
42、最终设定车身长宽高(mm)为540020001500。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130mm200mm，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。表3.1 整车主要参数表性能指标参数尺寸参数(mm)长宽高540020001500主涵道直径1600推进涵道直径400轴距3000轮距1800离地距180前悬1400后悬1000重量参数(t)空重1.5最大起飞重量2.88载客量(kg)4人2803.2.2 飞行汽车模型 图3.1 飞行汽车模型视角a 图3.2 飞行汽