基于Isight平台汽车气动特性及散热器水温协同优化设计

摘要

汽车作为在人们生活出行中必不可少的交通工具，其安全性、舒适性以及燃油经济性是用来判定汽车性能优劣的重要标准。在汽车行驶过程中，由于车身与空气之间的相对运动产生空气阻力的大小以及利用空气对机舱内部进行散热的能力的强弱与汽车燃油经济性、安全性息息相关，但同时其各个性能之间又存在着相互制衡的关系。目前国内在进行汽车研发设计时兼顾汽车的气动特性及机舱内散热器的散热特性的研究相对较少，以此作为文章切入点，基于多目标优化设计平台对汽车在行驶过程中的气动特性及机舱内散热器的散热特性进行协同优化设计分析，使整车设计能够同时满足汽车的燃油经济性、安全性等性能要求。本文的主要研究内容如下：　　(1)将三维CFD仿真软件Starccm中的K-Epsilon求解方程以及RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程作为整车流场求解方程，再利用切割体网格对仿真计算的求解区域进行离散化处理，同时将风洞入口边界设置为速度入口、出口边界设置为压力出口、风洞侧面及顶部考虑为滑移壁面、汽车及地面均设置为非滑移壁面。通过流场仿真值与风洞实验值的对比分析，验证了所搭建数值模拟平台的准确性与可靠性。通过求解RANS方程得到整车流场的解，再以气动阻力系数作为COST函数，利用Adjoint求解方程对整车流场梯度求解，得到整车车身结构对气动阻力系数影响规律的灵敏度分布云图，通过对云图进行分析可筛选出对气动阻力系数有较大影响的车身结构。　　(2)基于KULI一维软件对冷却系统模块(含有冷凝器、散热器、风扇等热交换器部件)进行一维建模仿真，提取三维CFD仿真分析中冷凝器出风温度以及散热器进风量，并作为边界输入条件，创建多孔介质模型来模拟冷却风经过换热部件后的压损，利用仿真模型计算出散热器出水温度并与环境仓热分析实验数值进行对比，验证了模型的可靠性。　　(3)应用网格自由变形技术对气动特性目标值敏感区域以及冷却系统模块进行参数化建模：基于变形软件Sculptor创建Block控制体，然后将待变形区域嵌入至Block控制体中，参数化控制节点位置从而实现目标区域的网格变形，并保证变形后的网格具有较高的质量及较为顺滑的几何形状。　　(4)基于多目标优化平台实现多个软件的联合仿真，对设计变量在其设计空间范围内进行采样，再对这些样本点进行DOE试验设计，并在DOE试验设计结果的基础上构建组合近似模型以替代耗时的流场仿真，然后基于近似模型上运用自动寻优算法得到最优解，从而实现仿真-变形-再仿真-优化的流程自动化。最后将优化算法得出的最优解预测值与仿真值进行验证对比，确保优化算法的准确性。同时对模型优化前后的气动特性和散热器散热特性进行对比分析，验证本文研究设计的适用性与高效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气动外形优化设计研究现状

1.2.2 冷却系统散热性能优化设计研究现状

1.3 本文主要研究内容及方法

第 2 章 汽车气动特性 CFD 数值仿真分析

2.1 汽车周围流场绕流特性

2.2 CFD 数值计算基础理论

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 湍流模型

2.3 CFD 数值仿真分析

2.3.1 CFD 网格模型搭建及划分计算域

2.3.2 边界条件设定与湍流模型验证分析

2.3.3 CFD 仿真流场特性研究分析

2.4 基于 ADJOINT 方法气动特性灵敏度分析

2.5 本章小结

第 3 章 机舱散热器水温一维仿真分析

3.1 机舱内部冷却系统散热特性

3.2 传热分析基础理论

3.3 冷却系统散热特性一维仿真分析

3.2.1 冷却系统一维仿真模型搭建

3.2.2实验与KULI仿真对比验证分析

3.3 本章小结

第 4 章 气动特性与散热器水温协同优化设计

4.1 FFD 网格参数化建模

4.2 基于 Isight 平台进行 DOE 试验设计

4.2.1 多学科软件联合仿真设计

4.2.2 DOE 试验采样方法

4.2.3 DOE 试验设计结果分析

4.3 基于 MIGA 算法进行气动特性与散热器水温协同优化设计

4.3.1 基于组合策略搭建近似模型

4.3.2 基于 MIGA 算法的气动特性与散热器水温协同优化设计

4.3.3 气动特性与散热器水温协同优化前后性能对比分析

4.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致 谢

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