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汽车空气动力学研究方法

2020-10-20 16:51:24·  来源：AutoAero  作者：李昀航  
　
汽车空气动力学研究可以指导汽车外形设计，降低汽车气动阻力系数，改善汽车操纵稳定性；也可以改善发动机舱等零部件的散热问题，降低汽车噪声，改善乘坐舒适性。

汽车空气动力学研究可以指导汽车外形设计，降低汽车气动阻力系数，改善汽车操纵稳定性；也可以改善发动机舱等零部件的散热问题，降低汽车噪声，改善乘坐舒适性。所以说，汽车空气动力学对于车辆整成的经济性，动力性，舒适性和行驶安全性的研究具有特殊重要的意义。汽车空气动力学的研究手段可以分为风洞试验、道路试验、数值模拟研究三种。

一、风洞试验

汽车风洞是进行汽车空气动力学试验的主要设备，它实际上是一个特殊建造的管道，利用动力装置在管道中产生可以调节的气流，使风洞试验段能够模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学实验。汽车风洞可分为直流型和回流型，现在大部分的汽车风洞都采用回流型汽车风洞的形式。吉林大学汽车风洞也为回流型风洞，如图1、图2所示。


图1 吉林大学汽车风洞试验段


图2 吉林大学汽车风洞简图

人们通过大量的风洞试验，不断改进汽车设计，而风洞试验又不断地解释各种气动现象，推动汽车空气动力学研究的发展。

二、汽车道路试验

汽车道路试验又分为：用滑行试验法测试汽车的气动阻力系数、侧向风稳定性试验和室内通风试验。相比于其他汽车试验方法，汽车道路试验更接近于实际使用情况，但受环境影响较大，存在着一定的不可控性。

三、数值模拟研究

随着计算机计算能力的增强和计算流体力学的发展，数值模拟方法凭借其便捷和直观的优点，成为了汽车空气动力学研究的重要手段。目前湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和雷诺时均法。

1.直接数值模拟

直接数值模拟（DNS）直接用瞬时的Navier-stokes方程对湍流进行计算，无需对湍流流动做任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果，但对计算资源的要求非常高，目前还无法进行真正意义上的工程计算。

2.大涡模拟法

大涡模拟法（LES）是用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中大尺度的涡，通过建立湍流模型来间接模拟小涡对大涡的影响。这种方法的总体结果对选择何种湍流模型并不敏感，但它对计算机的内存和CPU的处理速度要求较高，所以该方法在工程应用中还比较少。随着计算机技术的发展，LES方法目前是CFD领域研究的热点之一。

3.统计平均法

统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论，主要用相关函数及谱分析的方法来研究湍流结构，统计理论主要涉及小尺度涡的运动。这种方法在工程上的应用不是很广泛。

4.雷诺时均方法

雷诺时均方法（RANS）是想办法求解时均化的动量方程，这样不仅可以避免DNS方法的计算量大的问题，而且对工程实际应用可以取得很好的效果。这种方法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。 
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