Содержание к диссертации
Введение
1. Соврменные методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля 9
1.1. Основные аэродинамические характеристики автомобиля 9
1.2. Экспериментальные методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля 13
1.2.1. Методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля в аэродинамических трубах 13
1.2.2. Условия моделирования движения автомобиля 15
1.2.3. Исследования аэродинамических характеристик автомобиля визуальными методами 22
1.2.4. Исследования аэродинамических характеристик автомобиля в дорожных условиях 25
1.3. Эмпирические методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля 31
1.4. Теоретические методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля 35
2. Теоретические исследования аэродинамических характеристик автомобиля 42
2.1. Постановка задачи теоретического исследования аэродинамических характеристик автомобиля 42
2.2. Вывод уравнения зависимости подъемной силы автомобиля от его геометрических параметров 46
2.3. Методы определения лобового сопротивления и продольного момента автомобиля 55
2.4. Постановка задачи оптимизации 59
2.5. Выбор критерия оптимизации 61
2.6. Выбор независимых параметров оптимизации 70
2.7. Алгоритм оптимального поиска 71
3. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик автомобиля 77
3.1. Экспериментальные исследования модели гоночного автомобиля в аэродинамической трубе 78
3.1.1. Описание установки, экспериментальной модели и приборов, используемых в экспериментальном исследовании 78
3.1.2. Программа проведения экспериментального исследования 86
3.1.3. Методика комплексного исследования характеристик автомобиля в аэродинамической трубе 89
3.1.4. Анализ точности и обработка результатов экспериментальных исследований 91
3.2. Натурный эксперимент в дорожных условиях 95
3.2.1. Объект исследований. Аппаратура и оборудование для аэродинамических испытаний. Условия проведения опытов 96
3.2.2. Программа и комплексная методика проведения дорожных экспериментов 99
4. Анализ результатов исследований 109
4.1. Результат решения оптимизационной задачи 109
4.2. Анализ математических моделей описания аэродинамических характеристик автомобиля по результатам экспериментальных исследований 117
4.3. Анализ причин несовпадения натурных и модельных экспериментов по фактору подъемной силы . 126
4.4. Анализ эпюр распределения давления воздуха по поверхности кузова гоночного автомобиля 131
4.5. Влияние угла скольжения на аэродинамические характеристики гоночного автомобиля 141
Заключение
- Экспериментальные методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля
- Вывод уравнения зависимости подъемной силы автомобиля от его геометрических параметров
- Методика комплексного исследования характеристик автомобиля в аэродинамической трубе
- Анализ причин несовпадения натурных и модельных экспериментов по фактору подъемной силы
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, намечена большая программа работ по развитию и совершенствованию автомобильного траспорта страны. При этом одной из важнейших задач является создание новых автомобилей - более экономичных, надежных и безопасных.
Требование к экономичности вызвано в первую очередь тем, что на долю автомобильного транспорта приходится около 20 $ жидкого топлива, расходуемого в народном хозяйстве. Одним из способов улучшения топливной экономичности автомобиля является уменьшение аэродинамических составляющих общего сопротивления движению. Наиболее значительное снижение энергетических потерь на преодоление сопротивления воздуха достигается использованием при разработке формы кузова автомобиля методов оптимального проектирования по критериям, связанным с аэродинамическими характеристиками.
Наряду с экономичностью, весьма важным является требование обеспечения хорошей управляемости, устойчивости и активной безопасности. Эти характеристики при скоростном движении в существенной мере связаны с аэродинамическими качествами автомобиля и, в частности, с изменением вертикальных реакций на колесах.
С целью наиболее полной оценки аэродинамических свойств автомобиля в настоящее время проводятся обширные экспериментальные исследования как в дорожных условиях, так и в аэродинамических трубах. Основной акцент в этих исследованиях делается на поиск конструктивных решений, позволяющих снизить коэффициент лобового сопротивления и повысить устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Несмотря на большое число достаточно разработанных экспериментальных методик, опытное определение аэродинамических функций
и воздействие на них конструктивными факторами - процесс трудоемкий и требующий значительных материальных затрат.
Определение аэродинамических характеристик автомобиля является сложной теоретической и технической задачей, которая характеризуется совокупностью факторов, зависящих не только от конструктивных особенностей кузова, но и от параметров движения автомобиля. Условия движения, как показал опыт проведения работ по испытанию автомобилей в аэродинамической трубе и дорожных условиях, трудно смоделировать таким образом, чтобы они были адекватны в обоих экспериментах, что отражается на результатах определения аэродинамических характеристик и, как следствие, на возможность достоверного выбора конструктивных решений кузова.
Исследованию взаимодействия автомобиля с воздушной средой посвящено достаточно много работ /10,11,29,31,33,45,50,72,74,81/. Несмотря на это ряд вопросов, касающихся исследования влияния формы кузова автомобиля на его аэродинамические характеристики и, следовательно, установления обоснованных требований к изменению конструкции кузова при проектировании, а также методы определения аэродинамических параметров автомобиля как расчетным, так и экспериментальным путем исследованы недостаточно.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является совершенствование формы кузова автомобиля и разработка методов оптимизации его конструктивных элементов на основе теоретического и экспериментального исследования аэродинамических характеристик автомобиля.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Использование теории потенциальных течений идеальной жидкости позволило впервые в отечественной практике получить аналитическую модель для определения аэродинамических характеристик автомобиля, имеющего достаточно гладкую форму кузова, которая удовлетворяет условиям безотрывности обтекания. Модель дает возможность рассчитать основные аэродинамические параметры уже на ранних стадиях проектирования автомобиля.
Примененная методика оптимизации конструктивных элементов кузова на основе использования двух математических моделей, а именно, аэродинамической и оптимизационной является принципиально новой при проектировании автомобилей. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными в аэродинамической трубе и при натурных испытаниях автомобиля, показало возможность применения разработанных методов для расчетов аэродинамических параметров автомобиля и, как следствие этого, возможность оптимизации конструктивных элементов кузова на стадии проектирования.
Предложена комплексная методика аэродинамических испытаний автомобилей в дорожных условиях, которая позволяет получить практически все важнейшие аэродинамические характеристики автомобиля без использования аэродинамических труб.
Предложен способ учета влияния неподвижного экрана на коэффициент подъемной силы автомобиля при моделировании его взаимодействия с воздушным потоком в аэродинамической трубе, что значительно повышает точность определения вертикальных нагрузок при модельном эксперименте.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:
- аналитическая модель, описывающая взаимодействие автомобиля с набегающим потоком воздуха, составленная на основе использования теории потенциальных течений идеальной жидкости;
- метод определения оптимальных геометрических параметров кузова автомобиля по критерию максимальной аэродинамической прижимающей силы, и с ограничениями на лобовое сопротивление и распределение вертикальных аэродинамических нагрузок по осям автомобиля;
- метод определения в дорожных условиях вертикальной аэродинамической нагрузки, действующей на автомобиль; - способ учета влияния неподвижного экрана на величину коэффициента подъемной силы, который определяется при модельных экспериментальных исследованиях в аэродинамической трубе.
Результаты аэродинамических исследований автомобилей, представленные в виде технических справок и итоговых отчетов, исполь-зуготся в конструкторско-экспериментальных разработках по усовершенствованию существующих и проектированию перспективных моделей гоночных автомобилей серий "Эстония" и "МАДИ", способствуя улучшению их динамических и эксплуатационных характеристик, и повышению конкурентноспособности.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Содержит 127 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 8 таблиц, I страницу приложения. Список использованной литературы содержит 108 наименований.
Экспериментальные методы исследования аэродинамических характеристик автомобиля
Первые аэродинамические исследования автомобилей /29,75,81, 104/ показали, что, во-первых, нет единого взгляда на методику моделирования движения автомобиля и, во-вторых, для достижения удовлетворительной точности исследований необходимы специальные автомобильные аэродинамические установки.
В 1929 г. фирмой Форд построена первая аэродинамическая труба, предназначенная для изучения взаимодействия моделей автомобиля, выполненных в масштабе 1:4, с воздушной средой. Необходимость увеличения точности исследований привела к созданию полноразмерной специализированной аэродинамической установки /84/. В настоящее время все крупные автомобильные фирмы и научно-исследовательские центры автомобильной промышленности имеют аэродинамические трубы для испытания масштабных и натурных образцов автомобилей. Совершенствование методики и техники экспериментов, а также самих "ветровых" установок, превратили их в достаточно точный прибор для исследования различных характеристик движения автомобиля.
Сравнительная оценка работы различных аэродинамических труб /57,89,107/ по определению аэродинамических характеристик нескольких автомобилей показала, что расхождение результатов, полученных на этих установках, не превышает 2-3 % при скоростях набегающего потока 20-40 м/с. Результатом исследований /61/ явилось подтверждение высокого совпадения получаемых в различных аэродинамических трубах данных, несмотря на различие в подходах к вопросу моделирования, а также хорошее совпадение их с результатами дорожных испытаний, проводимых по самым различным методикам.
Исследование аэродинамических характеристик автомобилей проводится и в некоторых отечественных аэродинамических трубах (Казанского /27/ и Московского /1,9,36/ авиационных институтов). Эти трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью, в которых "земля11 моделируется с помощью неподвижного экрана. В работах /28,40/ нет достаточно полного обоснования возможности перерасчета результатов экспериментальных исследований на натурные объекты.
В настоящее время наиболее всестороннее и достаточно обоснованное исследование аэродинамических характеристик автомобилей проводится в аэродинамической трубе института механики МГУ /1,18, 37/, которая оснащена шестикомпонентными весами и результаты измерений непосредственно обрабатываются на ЭВМ. Сопоставление результатов аэродинамических продувок моделей автомобилей /27/ с экспериментальными результатами, полученными при испытании автомобилей в натурных (дорожных) условиях, показывает возможность использования полученных на установке данных для аэродинамической доводки кузова автомобиля. В работе /I/ указывается, что масштаб модели легкового автомобиля, испытываемого в трубе института механики, не должен превышать 1:2, в этом случае затенение рабочей части трубы менее 10 %,
Для того, чтобы результаты, полученные при экспериментах в аэродинамической трубе на масштабной модели автомобиля, соответствовали действительно имеющимся зависимостям, необходимо соблюсти полное подобие. Под полным подобием подразумевается геометрическое подобие модели, а также динамическое и кинематическое подобие потоков.
На практике очень редко удается воспроизвести полное подобие и приходится пренебрегать некоторыми критериями подобия, маловли-яющими на картину обтекания. Основными критериями подобия при моделировании движения тел в воздухе с дозвуковыми скоростями являются критерии Маха и Рей-нольдса /7,93/. Критерий Маха учитывает сжимаемость среды и определяется отношением скорости потока в точке к скорости звука.
Скорость движения легкового автомобиля не превышает значения 80 м/с, что дает возможность пренебрегать фактором сжимаемости среды /71,92/. Число Рейнопьдса Re имеет большое значение в аэродинамике. Оно определяет подобие по силам вязкости при обтекании тел жидкостью или газом и позволяет оценить характер обтекания этих тел. Так, при достижении критического значения Яекр , происходит резкое изменение аэродинамических параметров тела (для шара лобовое сопротивление изменяется на 80 %), При дальнейшем увеличенииRe Re нр значения аэродинамических коэффициентов практически линейно зависят от данного критерия. Исследованию этих вопросов применительно к моделированию движения автомобиля посвящены многие работы как у нас в стране, так и за рубежом /7,24,26,61/.
Вывод уравнения зависимости подъемной силы автомобиля от его геометрических параметров
Вихревая система, моделирующая обтекание автомобиля потоком идеальной жидкости, индуцирует собственное поле скоростей , которое взаимодействует с однородным набегающим потоком воздуха, В результате такого наложения векторов скоростей образуется неоднородное поле течения, для описания которого используется гипотеза плоских сечений /22/. Для каждого плоского сечения потока вводится понятие о своей местной скорости на бесконечности, равной сумме векторов скорости набегающего потока на бесконечности и индуктивной скорости от свободных вихрей: где Цт - вектор местной скорости на бесконечности; Эта гипотеза позволяет свести расчет пространственного обтекания автомобиля воздушным потоком к решению задачи о плоском обтекании сечений, образующихся в пересечении кузова плоскостями нормальными к продольной оси автомобиля, и к последующему суммированию результатов по всем плоским сечениям автомобиля. При рассмотрении задач о движении тел вблизи твердой поверхности требование равенства нулю нормальных составляющих скоростей потока воздуха должно выполняться как на поверхности тела, так и на твердой стенке. Для выполнения граничных условий неперетекания на опорной поверхности вводится зеркальное отображение характер 47 ной плоскости, моделирующей автомобиль, относительно дорожного полотна (рис. 2.3). Отображенная плоскость имеет собственную вихревую интенсивность, равную интенсивности основной вихревой системы, взятой с противоположным знаком.
В силу симметрии такого представления условия на границе раздела сред будут выполняться автоматически. Рассмотрим произвольное сечение автомобиля плоскостью, перпендикулярной к продольной оси (рис. 2.4). Пусть линия АВ, представляющая сечение характерной плоскости, подлежит исследованию на взаимодействие с потоком воздуха. В этом случае поток, обтекающий основную линию АВ, будет образован наложением трех потоков: 1) поступательного потока, направленного по касательной к характерной плоскости, с составляющей скорости в исследуемой плоскости У/7 ІҐравной U o SinU. , где - угол, образованный касательной, проведенной к характерной кривой и осью ОХ; 2) потока от вихрей, распределенных вдоль основной линии АВ, направленного перпендикулярно к ней со скоростью, равной W ; 3) потока от вихрей, распределенных вдоль отображенной пинии А Вх, направленного перпендикулярно к ней со скоростью, равной \л/+ h4-І где h-h(X)- расстояние между основной и отображенной прямой. Граничные условия на поверхности моделирующей плоскости требуют равенства нулю суммарной нормальной к каждому сечению (прямой АВ) скорости потока в любой его точке. Суммируя вектора скоростей всех трех потоков, получим: где Vu W - компоненты вектора возмущенной скорости. Принимая во внимание тот факт, что величина составляющей вектора скорости вдоль линии АВ определяется половиной величины интенсивности ее вихревой системы, можно записать следующее соотношение: Таким образом, для каждого плоского сечения характерной плоскости автомобиля найдена величина интенсивности моделирующей вихревой системы. Для определения распределения поля скоростей около характерной поверхности введем понятие потенциала возмущенной скорости, определив его следующим образом: где V? - функция потенциала возмущенной скорости; LJ.ft единичные вектора.
Подставляя это выражение для скорости в формулу (2.2), найдем квадрат вектора полной скорости потока, обтекающего автомобиль: Разность значений потенциалов скоростей потока воздуха, обтекающего верхнюю и нижнюю поверхность сечения АВ, обусловлена действием вихревой системы. Следовательно, учитывая (2.6), получим: где A f " разность потенциалов скоростей потока. Подставляя в это равенство соотношение (2.9) и проинтегрировав, получим Получив таким образом распределение скоростей по поверхности характерной плоскости и используя уравнение Бернулли, запишем распределение давления по поверхности в форме: где Ср " безразмерный коэффициент давления; Р - давление в невозмущенном потоке на бесконечности; Р - давление в точке на поверхности; р - плотность воздуха. Подставляя соотношение {2.II) в (2.14), получим выражение для разности давлений на нижней и верхней поверхности сечения: Умножая полученную разность давлений на площадь элемента поверхности характерной плоскости с/хс/у , получим значение коэффициента подъемной силы, действующей на эту элементарную площадку:
Методика комплексного исследования характеристик автомобиля в аэродинамической трубе
Комплексные исследования характеристик гоночного автомобиля в аэродинамической трубе проводились с привлечением теории факторного эксперимента, а установочные параметры аэродинамических элементов определялись в соответствии с составленным планом (табл. 3.3). Для получения эпюр распределения статического давления кузов модели был дренирован по всей поверхности с шагом, определяемым в зависимости от значимости точек, но не более 0,1 м. Приемники давления крепились нормально к поверхности кузова заподлицо с ней и имели внутренний диаметр 0,8 мм. Эластичными трубками, проложенными внутри кузова (рис. 3.7), приемники соединялись с переходником батарейного типа, установленным в корме модели (рис. 3.8), для того, чтобы минимально возмущать поле течения вокруг модели. К переходнику снаружи подводилась основная магистраль, ведущая к батарейному микроманометру. На несущем кузове и обтекателях размещалось 27 приемников давления, на боковых секциях в зависимости от модели - 30-40 штук. "Гребенка" также с помощью эластичных трубок, проложенных внутри модели, соединялась с батарейным переходником. При определении поля скоростей под моделью с дорожным просветом, равным 80 мм, "гребенка" перемещалась по высоте так, чтобы снять данные как можно ближе к граничным поверхностям. Изучение влияния колес на аэродинамические характеристики модели производилось с помощью закрепления их на специальном кронштейне к экрану, при этом их относительное расположение с моделью не менялось, но между кузовом и колесами не было контакта (рис. 3.9). Полученные результаты сравнивались с характеристиками модели без колес (рис. 3.10).
Основными этапами обработки результатов экспериментов являлись проверка воспроизводимости результатов опытов по сериям, получение уравнений регрессии для основных аэродинамических функций и проверка их коэффициентов на значимость, проверка адекватности представления результатов эксперимента полученными уравнениями. Проверка воспроизводимости осуществлялась из условия однородности выборочных оценок дисперсий опыта в соответствующих точках факторного пространства: где St - дисперсия в і -точке факторного пространства; L/IJ - отклик / -го параллельного опыта; УІСР-ЩМ - среднее значение отклика в і -точке; т - число параллельных опытов в каждой точке. Гипотеза об однородности оценок дисперсий проверялась с помощью критерия Кохрена: где Gmax - максимальное число Кохрена в данной серии опытов; Si max - максимальное значении дисперсии. Для принятого уровня значимости # = 5 % и числе степеней свободы, равного т -1 = 2, критическое число Кохрена {GXP) определялось по статическим таблицам. Следовательно, условие воспроизводимости опытов имело вид: После определения значений коэффициентов регрессионных зависимостей, рассчитанных по результатам опытов, проводилась оценка значимости каждого из коэффициентов по t - критерию Стьюдента. Первоначально рассчитывалась дисперсия коэффициентов регрессии по формуле: Полученное значение it сравнивалось с критическим значением числа Стьюдента, которое определялось по статистическим таблицам.
В случае выполнения неравенства ti кР , коэффициент Зі признается значимым, в противном случае - незначимым и принимается равным нулю, что указывает на отсутствие корреляции данного фактора и данной функцией отклика в выбранном диапазоне варьирования. Проверка адекватности результатов эксперимента и найденных значений функций отклика по уравнениям (3.1) проводилась с исполь Если вычисленное таким образом значение F Ркр , найденного по таблицам для степеней свободы А/- И и /\/(m-f) при 5 % уровне значимости, то полученное экспериментальное уравнение признается адекватным. В противном случае необходимо повысить порядок уравнения регрессии, что требует проведения дополнительных опытов. Точность весовых испытаний в аэродинамической трубе определялась по трехкратным повторениям замеров сил и моментов, действующих на модель гоночного автомобиля. Предварительно, в процессе наладки поля трубы, тарировки весов и других измерительных приборов, которые использовались при проведении опытов, исключены все систематические ошибки с помощью введения в расчет коэффициентов поля трубы, весовых элементов, манометров. Для определения средней квадратичной ошибки по результатам повторных опытов использовалась Формула Бесселя: где бсі- средняя квадратичная погрешность опыта; d - текущее значение L -ой компоненты; СіеР - среднеарифметическое значение і -ой компоненты; /7 - число повторных опытов. Вероятная погрешность измерения определялась по формуле: где рг - вероятная погрешность измерения. Значения квадратичных погрешностей, полученных по результатам модельного эксперимента и их средний доверительный интервал, приведены в табл. 3.4.
Анализ причин несовпадения натурных и модельных экспериментов по фактору подъемной силы
Сравнение результатов натурных и модельных экспериментов для трех моделей гоночного автомобиля с нулевыми углами установки антикрыльев приведено в табл. 4.4.
Данные, приведенные в таблице, подтверждают сделанные ранее выводы о совпадении результатов опытов для коэффициента лобового сопротивления и значительном расхождении для коэффициента подъемной силы.
Анализ несовпадения результатов экспериментальных исследований проводился как с помощью изучения эпюр распределения скорости воздушного потока между моделью и экраном, так и с помощью изучения влияния высоты расположения модели над экраном на величину подъемной силы.
На рис. 4.4 приведены эпюры распределения скорости воздушного потока между днищем модели автомобиля и экраном, полученные при двух значениях дорожного просвета и двух положениях гребенки. Перед моделью кривые 1,2) скорость воздуха практически не зависит от высоты расположения модели над экраном и имеет незначительное ускорение (5 % от 1/оо ). Пограничный слой на поверхности экрана нарастает медленно и оказывает небольшое влияние на эпюру скоростей. Ядро потока стабилизируется уже при отношении f-= 0,01.
Эпюры распределения скорости воздушного потока под моделью (кривые 3,4) показывают прогрессивное нарастание пограничного слоя на экране. При дорожном просвете, равном 40 мм (кривая 4), ядро потока полностью вырождается, и максимальная скорость на 20$ ниже скорости набегающего потока. Увеличение дорожного просвета на 40 мм приводит к образованию устойчивого ядра потока. Влияние пограничного слоя на эпюру скоростей в этом случае сказывается до значения тг= »3, пограничный слой на модели имеет небольшую величину и практически не влияет на характер течения воздушного потока. На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что при соблюдении геометрического подобия по величине дорожного просвета нарушается кинематическое подобие потоков воздуха для натуры и модели, что не дает возможности получать достоверные результаты при экспериментальном моделировании дорожного полотна неподвижным экраном. Увеличение расстояния между моделью и экраном приводит к снижению влияния пограничного слоя на экране на эпюры скорости потока воздуха, что позволяет образоваться устойчивому ядру потока. Следовательно, при моделировании дорожного просвета между днищем модели и неподвижным экраном расстояние между ними необходимо отсчитывать от точки стабилизации ядра потока, а не от поверхности экрана. При этом величина зоны установившегося движения потока воздуха должна соответствовать геометрическому подобию по дорожному просвету автомобиля.
Для исходного профиля модели 04 аналитически рассчитывалась зависимость коэффициента подъемной силы от относительного дорожно го просвета у- (Рис» 4.5). Аналогичная зависимость была получе-на для масштабной модели этого автомобиля в аэродинамической трубе (рис. 4.5, кривая 2). Разница между максимальными значениями функции отклика в обоих случаях не превышает 15 %, но обращает на себя внимание смещение экстремальной области для экспериментальной кривой в сторону возрастания дорожного просвета. Следовательно, при проведении модельных исследований необходимо учитывать расстояние между моделью и моделирующим экраном. В данном случае это расстояние составляет, примерно, 100-120 мм в то время, как геометрическое подобие выполняется при высоте установки модели 40-60 мм. На этом же рисунке приведена зависимость, полученная в работе / 99 / для гоночного автомобиля без аэродинамических элементов. Характер приведенной кривой совпадает с полученными в данной работе результатами, отличие в количественной картине объясняется различием в конструкции испытуемых моделей.
Таким образом, весовые испытания подтвердили сделанный при анализе эпюр скоростей потока вывод о том, что расстояние между моделью и экраном необходимо выбирать с учетом высоты пограничного слоя на экране. Для определения зоны влияния пограничного слоя на эпюру скоростей под моделью необходимо проведение предварительных экспериментов в аэродинамической трубе, и с учетом полученных результатов следует выбирать высоту расположения модели над экраном.
