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吉林大学汽车工程学院
吉林大学汽车工程学院
工学硕士学位
开题报告
课题名称:
基于内外流场耦合的大客车
气动特性的模拟研究
学号:
2009422145
姓名:
任凤涛
专业:
流体力学
导师:
胡兴军
汽车工程学院
2010年9月27日
大客车行驶时内外流场耦合分析
一.选题来源及背景
节能已成为21世纪汽车工业发展的三大主题之一,汽车的节能体现在多个方面,如发动机技术的提高、整车的轻量化设计、制动能量回收以及通过外形设计减小风阻等多个方面。
而对于客车而言,外形设计时不仅要考虑美观,还要从其流场方面进行分析,以减小风阻达到节能的目的。
客车是指在设计和技术特性上用于载运乘客及其随身行李的商用车辆,而大客车是指长度在10m到12m之间的客车。
其中目前我国市场上的大客车保有量很大,具有价格低廉,乘坐人员多,储货空间大,保养维修方便等特点。
而城市公共汽车主要是大客车,随着城市人口密度的增加,能源需求的增大,大力发展公共交通事业是缓解交通压力,节能减排的有效手段。
因此,从市场的长远发展来看,大客车具有巨大的市场需求潜力。
汽车空气动力特性是衡量大客车性能的重要参数,汽车造型和用途的不同,空气动力学性能优化的目标也不一样,如:
负升力对赛车的影响很大,对货车则可以放在次要的位置;轿车和客车要求空气噪声低,对于赛车来说,空气噪声可以放在次要的位置;然而,随着汽车速度的不断提高,对所有汽车而言,较低的气动阻力系数则是共同的要求。
客车的造型特点为厢式,这种外形的汽车气动阻力问题比轿车更为突出,而大客车的另一个造型特点是由于天窗的开启,使车厢内外有两个流场,因此在研究大客车的流场特点和气动特性时更加复杂,如何降低大客车的气动阻力,提高其行驶稳定性、安全性、舒适性和降低燃油消耗是轻型客车生产厂家面临的主要问题。
因此在满足美学、人体工程学和制造工艺学的基础上,开发出具有较低气动阻力的大客车是各个汽车厂商追求的目标。
综上所述,本课题将针对客车只考虑外流以及内外流耦合两种情况进行分析,评价两种情况下的流场,并且在内外流耦合的情况下,研究不同天窗开启方案对整车内外流场的影响。
二.国内外研究动态简述
1.国内研究现状
在我国汽车工业的发展历程中,客车行业占有重要的一席之地。
改革开放以来,随着长途客运事业的发展,大客车已经和火车,飞机成为人们长途出行的主要工具。
进入新世纪,我国客车行业仍然保持着高速的增长态势,以郑州宇通,厦门金龙等为代表的高端大客车投入市场后,以其全新的造型、先进的性能使人耳目一新,这些都改变了人们对大客车的传统认识;而近年来,随着城市人口的日益密集,政府鼓励乘坐公交出行,大客车在国内的汽车行业中的地位更加举足轻重。
我国的汽车工业起步较晚,技术上也与发达国家存在着一定的差距,无论是风洞试验还是数值模拟,都处于起步阶段,而且空气动力学的研究主要集中在轿车和卡车方面,对大客车的空气动力学研究刚刚起步。
国内对于大客车空气动力学的研究大多只停留在对类客车体的研究阶段。
2000年,国防科技大学的刘君等从雷诺时均N-S方程出发,采用k-ε湍流模型,对类客车体外型的三维绕流场进行数值模拟,着重研究了后体收缩尾段的上表面倾斜角对底部流动的影响。
2002年,大连理工的朱炳哲用计算流体力学(CFD)的方法对类客车体外围的三围流场进行了模拟计算,得出了客车外围流场的速度矢量图和压力分布图以及六个气动力系数,并将最终结果与风洞试验结果进行了比较,结果吻合较好。
2010年,聊城大学的陈铮峰等通过CFD仿真,对两个客车车型的外流场的计算结果进行比较分析,找到外形特征对客车空气动力性的影响因素;根据对比提出改进方案,并得到验证。
2.国外研究现状
国外的汽车空气动力学研究主要采用试验和理论相结合的方法,大型的汽车制造厂家和一些研究中心都有专门的汽车风洞,包括模型风洞、实车风洞和低噪音风洞等,为汽车空气动力学的研究提供了必要的试验条件,而且试验设备先进,试验方法多样。
随着湍流理论研究和计算数学算法的发展,CFD(ComputationalFluidDynamics)技术得到了越来越多的应用,在汽车领域,CFD成为了预测整车外流场的有力工具,特别是在汽车零部件的设计开发及整车的空气动力学优化方面得到了广泛的应用。
目前,CFD研究的主要问题是分析真实流体的复杂流动状况和复杂几何形状周围的流动状况的能力以及求解的准确性等,由于目前所分析的汽车外形的细节部位越来越复杂以及所需要求解的问题本身复杂程度较高,CFD对网格要求和算法精度等都提出了较高的要求。
随着计算机技术的发展,CFD技术与CAD、CAE软件相结合,大大缩短了产品的开发周期和成本,而且,计算方法和计算精度都有了很大的进步。
在国外,很多学者在大客车外形设计及减阻附件方面做了研究。
2009年,ArunRaveendran等人对城市公共汽车的外形进行了改进,将车厢地板提高,并将车窗风挡玻璃的倾斜角度加大,并对模型的外流场进行了数值模拟,计算显示阻力系数
值由0.53降低到0.29;2002年,Min-HoKim等人在大客车尾部加了减阻附件,扰流板。
并且模拟了加了减阻附件以后的客车外部流场,计算得出在不同车速下对于
及
都有大幅度的降低作用。
综上所述,目前国内外没有系统开展关于大客车内外流耦合的研究,所以,本文采用了数值模拟的方法,针对大客车天窗是否开启工况下,对比分析了只考虑外流和内外流耦合两种情况下客车的流场特性,并且进一步研究了天窗的不同开启方式对大客车的内外流的影响。
三.研究目标,研究内容,拟解决的关键理论及技术问题
1.研究目标:
研究大客车在内外流耦合时的气动特性及其热舒适性评价
2.研究内容:
1)只考虑大客车外流,通过CFD软件,分析大客车的外流场及气动特性,并给出评价。
2)考虑客车打开天窗时的情况,通过CFD软件,模拟大客车内外流畅耦合的情况,与1的情况进行对比;分析其气动特性,并评价其热舒适性。
3)在此基础上,对大客车天窗的不同开启方案对于整车内外流场的影响进行对比,对比各种方案的流场特性,并分析其气动特性,评价其热舒适性。
3.关键技术和关键理论
1)技术
基于CAD(计算机辅助设计)软件如CATIA、UG等三维建模技术,建立较复杂的大客车模型,该模型具有座椅,仪表盘,车身厚度,比以往客车模型更精确的模拟真实情况;CAE(计算机辅助工程)软件如ANSYSICEMCFD等网格前处理技术;CFD(计算流体力学)软件如FLUENT、STAR-CD等计算流体力学分析技术。
2)理论
计算流体力学数值模拟主要方法
计算流体力学数值模拟方法主要分为有限差分FDM(FiniteDifferenceMethod)、有限元FEM(FiniteElementMethod)和有限体积FVM(FiniteVolumeMethod)三种。
FDM利用差分替代微分方程组的偏微分,得到相应的差分方程组;对于汽车的一些特殊几何结构,将贴体坐标转换到正交计算网格的转换矩阵有可能不存在,有限差分格式需对计算网格加以限制,并未得到广泛应用。
FEM是由试函数方法演变而来,以变分法或加权余量法为基础,从结构分析的矩阵法起步;其计算量较大,和FVM的主要差别在于求解过程不同。
FVM是一种介于FDM和FEM之间的离散方法,兼有两者的优点,在汽车空气动力学数值模拟中得到了广泛应用。
FVM由流动方程组的守恒、积分形式出发,导出离散方程组,方程组形式简洁、离散较易、程序编制方便和通用性较好。
空间离散单元的控制体适用于各种形状边界,贴体网格可提高边界附近的计算精度;对不同形状的控制体,程序结构变化不大,故载货汽车拟采用有限体积法FVM进行数值模拟计算。
RNGk-ε湍流模型
由于货车外流场为湍流,计算应用的数学模型应为湍流模型。
用于计算湍流的数学模型有很多种,常见的有湍流粘性系数模型和雷诺应力方程模型,其中湍流粘性系数模型又分为:
零方程模型、单方程模型和双方程模型等。
在双方程模型中,最常用的是k-ε双方程模型。
RNGk-ε湍流模型是Yokhot和Orszag应用重整化群的方法导出的一个新型的k-ε湍流模型,对于较高雷诺数的湍流,RNGk-ε湍流模型具有和标准的k-ε湍流模型相同的形式,只不过方程中增加了一个附加项,当流动快速畸变时,这一项显著增大。
与标准的k-ε湍流模型相比其显著特点是,RNGk-ε湍流模型亦适用于低雷诺数区域,且有较好的近壁特性,可直接积分至壁面。
RNGk-ε湍流模型的系数均可由理论计算得出,且以显式出现于方程中,应用十分方便,在预测分离流动方面,RNGk-ε湍流模型明显优于标准的k-ε湍流模型。
载货汽车的外形和轿车外形的区别较大,轿车外形基本上属于流线体,而载货汽车表面有多处曲率急剧变化将出现明显的分离流动,故载货汽车的数值模拟计算应拟采用RNGk-ε湍流模型。
四.研究方法、技术路线和可行性分析
1.研究方法和技术路线
1)查阅国内外客车空气动力学方面的资料并进行深入调研,了解关于客车周围流场的研究进展;
2)验证文献中对类客车体的研究方法
3)在CAD软件平台下建立大客车的几何建模,并进行数据转换,为进行流场网格划分做准备;
4)通过对比分析提出适合大客车内外流场仿真的网格生成方案和策略,并生成各种计算所需的网格;
5)在CFD软件进行数值模拟与计算,并处理和分析计算结果,获得大客车的流场结果和气动数据;
6)对比和分析大客车天窗的不同开启方案,研究每种方案的内外流流场特点,分析各种方案的气动特性并评价其热舒适性。
2.可行性分析
2008年6月吉林大学汽车风洞及其关键设备已经建成完工并投入使用;该风洞有先进的PIV激光流场测速仪、PSI压力扫描阀、CFD软件STAR-CD以及高性能并行计算平台,为课题提供了良好的研究基础和工作条件;课题组的所有老师都具有较高的学术水平和研究能力,这些将确保论文的按期完成。
五.现有研究条件和工作基础
已掌握的技术、技能及已经做过的相关研究工作和研究条件
1.掌握的技术和相关研究工作
1)查阅了大量国内外客车空气动力学的相关资料。
2)对相关文献中关于类客车体的研究方法进行了验证
3)基本掌握了空气动力学的理论基础和课题相关的CAD、CFD计算机软件,并在之前的汽研J5重型卡车减阻的项目里积累了大量建模经验。
4)对客车外流场进行了预研。
2、研究条件
1)吉林大学PACE中心具有超过300套的计算机辅助设计和制造软件及计算机辅助分析软件外,还有14套工作站等硬件设备,总价值2.5亿美元。
为建立三维模型和CFD数值仿真分析提供了良好的硬、软件条件。
2)吉林大学汽车风洞实验室为载货汽车比例模型的风洞试验提供条件;该汽车风洞实验室拥有大型的计算流体力学仿真软件STAR-CD以及由8台双核的高性能计算机组成的并行计算平台;实验室还配备了先进的PIV激光测速仪、PSI电子多点压力扫描阀。
六.计划进度和预期成果
序号
阶段研究内容
阶段工作时间
起止时间
阶段成果
第一阶段
查阅大量国内外有关客车空气动力学方面的文献资料
3个月
2010年8月-2010年10月
完成文献阅读报告和开题报告
第二阶段
系统学习课题所必备的CAD、CFD等软件,对空气动力学的知识进行更深入的了解和掌握
3个月
2010年11月-2011年2月
熟练掌握上述软件以及深入了解大客车外流场特性
第三阶段
通过CAD软件建立一组有乘员空间的客车模型
3个月
2011年3月-2011年5月
完成关键部分的三维模型的建立
第四阶段
对模型进行网格化前处理
3个月
2011年6月-2011年8月
完成对模型的网格化,为CFD分析做准备
第五阶段
进行CFD分析,有无乘员空间两种模型的流场特点分析和总结,对天窗不同开启方案对整车气动特性及热舒适性进行分析和总结。
4个月
2011年9月-2011年12月
对比两种情况下的流场特点,对不同天窗开启方案的气动特性及热舒适性给出评价。
第六阶段
最终修改和论文总结
3个月
2012年3月
论文最终截稿
七.参考文献
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八.评审意见
导师(或导师组)对本课题的评价
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