考虑地面效应的汽车车身与车轮瞬态尾流相互作用机理研究

The three-dimensional unsteady flow mechanism of automobile has an important effect on the drag reduction of the automobile, in which the flow around the wheel is more important. The wheels at the same time to rotate, and ground contact, there is a ground effect, but also by the impact of the body. Based on the existing theoretical research, this project studies the interaction of the three-dimensional flow structures of automobile body, wheel and ground, and establishes the three-dimensional unsteady flow structure model, which reveals the relationship between flow and aerodynamic drag. A variety of aerodynamic test investigation, such as force, pressure, Particle Image Velocimetry(PIV) and hot-wire velocimetry measurement, will be carried out by modifying the wind tunnel experiment platform which could realize the wheel rotation and ground effect, and the numerical simulation of wheel rotation based on overset mesh technology. Together with the study of the above state of the wheel wake flow mechanism, the three-dimensional unsteady flow structure physical model will be established. The main innovations of the project are as follows: 1) Study the three-dimensional unsteady flow of the wake of the wheel, find the coherent structure in the wake; 2) Study the relationship between the wake flow structure and surface pressure, aerodynamic force of the vehicle body with wheel; 3) Focusing on the impact of the body on the wheel while taking into account the impact of the wheel on the vehicle's aerodynamic characteristics. This project is expected to provides theoretical guidance for the development of automobile aerodynamic characteristics and passive or active flow control.

汽车三维瞬态流动机理的研究，对汽车减阻有重要作用，其中车轮附近的流动更加重要。车轮同时要旋转，和地面接触，存在地面效应，同时还要受到车身的影响。本项目在现有基础理论研究的基础上，系统的对汽车车身、车轮、地面共同作用的瞬态三维流动结构的相互影响进行研究，建立三维瞬态流动结构模型，揭示流动与气动阻力的关系。主要通过改建满足车轮旋转和地面移动的风洞实验平台，进行测力、测压、激光粒子测速、热线测速等多种空气动力学试验观测，并辅助基于重叠网格技术的车轮旋转的数值模拟方法，一起研究上述状态下的车轮尾流流动机理，建立流动结构物理模型。研究内容的主要创新点：1）研究车轮尾流的三维瞬态流动，寻找尾流中瞬态相干结构；2）通过研究建立车轮尾流流动结构与车身、车轮表面压力和气动力的关系；3）考虑车身对车轮的影响的同时，研究车轮对车身及整车气动特性的影响。研究可望为进行汽车气动开发，汽车主被动流动控制提供理论指导。

汽车三维流动结构是汽车压差阻力形成的原因，由于地面、车轮旋转等影响，汽车的流动相对飞行器更加的复杂，全面的认识汽车和车身、地面等相互作用的流动机理，对进行整车减阻控制有重要的意义。.根据研究目标，项目实现了三个方法上的突破：1.设计了孤立车轮旋转试验台，在车轮旋转的同时可以实现对车轮气动力的测量。同时应用该试验台，开展了孤立车轮旋转工况的测力、测压和PIV瞬态、稳态流场的测量风洞试验工作。2.设计了整车车轮旋转的小比例模型试验台，实现在风洞中对车轮旋转的整车进行气动特性研究。同时应用该试验台进行了多种风洞测试和测量工作，可以测量气动六分力，并结合多种流态显示和测压，测速手段进行流动特性和流动机理研究。3.实现了进行带地面的车轮旋转的流动数值模拟，从而对孤立车轮和整车车轮旋转等工况进行数值模拟研究。.本项目从简化形体出发，研究了单独圆柱，近地面圆柱，倒角圆柱，简化车轮，赛车光胎车轮等在静止和旋转工况的流动机理和流动结构。在研究Ahmed类车体简化模型流动结构基础上，研究详细的汽车整车模型，以MIRA汽车模型和DrivAer模型为研究对象，系统的对汽车车身、车轮、地面共同作用的瞬态三维流动结构的相互影响进行研究，建立三维瞬态流动结构模型，揭示流动与气动阻力的关系。这其中包括：1.关注车轮和地面的存在建立详细汽车周围流动结构模型，同时对不同尾部的汽车的整车尾流结构进行研究，分别提出不同车型的流动结构模型；2.详细解释了单独汽车车轮流动的机理，解释了因为地面存在车轮的表面压力，周围流场的变化规律。3.研究了车轮旋转对整车气动力的影响，并通过对比孤立车轮和有车车轮周围流动，分析车轮旋转对整车流动的作用机理。.通过项目研究，建立的整车流动模型，车轮旋转的流动规律和车轮旋转的整车小比例模型风洞试验台为行业进行低风阻设计应用提供了设计经验指导和验证方法，研究结果有很高的学术价值和实践意义。