Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1. Внешняя аэродинамика автобуса 14
1.2. Аэродинамика салона автобуса 17
Глава II. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ОБТЕКАНИЯ АВТОБУСА ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ 24
2.1. Основные уравнения 30
2.2. Конечно-разностный метод решения уравнений Навье-Стокса 33
2.3. Реализация численных граничных условий 35
2.3.1. Граничные условия на входной и верхней границах потока 35
2.3.2. Линия симметрии 37
2.3.3. Граничные условия на выходной границе 38
2.3.4. Граничные условия на твердой непроницаемой стенке 38
2.4. Переход к физическим переменным 43
2.5. Блок-схема и описание программы численного решения задачи обтекания автобуса воздушным потоком 46
2.6. Результаты численного анализа обтекания автобусов воздушным потоком 50
2.6.1. Анализ обтекания прямоугольника 50
2.6.2. Анализ обтекания автобуса воздушным потоком 58
ВЫВОДЫ . 66
Глава III. ИССЛЩОВАНИЕ ВОЗДУХООБМЕНА В САЛОНЕ АВТОБУСА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ 67
3.1. Математическая модель воздухообмена в салоне автобуса при естественной вентиляции 71
3.2. Анализ движения воздуха через вентиляционный проем 73
3.2.1. Экспериментальное исследование сопротивления истечению воздуха через
отверстие на поверхности модели автобуса в присутствии проходящего потока 77
3.3. Расчет воздухообмена в салоне автобуса при естественной вентиляции 89
3.3.1. Испытание кузовов автобусов на герметичность уплотнений 90
3.3.2. Сравнение результатов расчетов воздухообмена в салоне автобуса с результатами натурных испытаний 94
3.4. Анализ производительности системы естественной вентиляции городского автобуса
3.4.1. Выбор основных конструктивных параметров системы естественной вентиляии 101
3.4.2. Влияние внешней формы автобуса на воздухообмен в салоне НО
ВЫВОДЫ 114
Глава ІV. ОПРЩЕЛЕНИЕ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯАВТОБУСОВ 116
4.1. Влияние системы естественной вентиляции на коэффициент лобового сопротивления 126
4.2. Влияние экрана, моделирующего дорожное полотно, на коэффициент лобового сопротивления модели автобуса 129
4.3. Расчетное определение коэффициента лобового сопротивления автобуса 135
ВЫВОДЫ 141
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 142
ЛИТЕРАТУРА 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 155
- Внешняя аэродинамика автобуса
- Конечно-разностный метод решения уравнений Навье-Стокса
- Математическая модель воздухообмена в салоне автобуса при естественной вентиляции
- Влияние системы естественной вентиляции на коэффициент лобового сопротивления
Введение к работе
Автобусный транспорт является одним из главных элементов общей системы массового общественного транспорта, которая в силу социально-экономических и цриродно-климатических особенностей нашей етраны призвана обеспечить основную часть транспортных потребностей населения СССР. Рост автобусных пассажирских перевозок характеризуется (^едугошими данными: за последние 10 лет производство автобусов в стране возросло на 80$, а лассажирооборот более, чем в 2,4 раза при росте населения на 8,2$. За этот же период общая протяженность автобусных маршрутов увеличилась более, чем в 1,5 раза и в настоящее время составляет свыше 4 млн.километров. Долговременный характер и перспективность развития автобусного транспорта определяется "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятыми на ХХУІ съезде КПСС.
За XI пятилетку предусматривается рост пассажирооборота автобусов общего пользования на 16-18$. Улучшение социальных условий жизни народа, повышение его благосостояния и культурного уровня, изменение градостроительной и планировочной структуры населенных мест обуславливают увеличение неравномерности пассажиропотоков; возрастает удельный вес больших концентрированных пассажиропотоков в общем объеме пассажиропотоков, приходящихся на автобусы общего пользования. Предусматривается существенное изменение структуры автобусного парка. Все большее значение приобретает использование больших и особо больших автобусов во внутригородских перевозках. В рекомендуемой структуре автобусного парка общего пользования предполагается довести к 1990 году долю автобусов большой и особо большой вместимости до 43 и 8 процентов соответственно.
Специалисты считают, что удельный вес больших автобусов будет расти. В частности, Т.Иогансон [i] , отмечает, что удельный вес автобусов большой вместимости в парке городских автобусов общего пользования достигает 80%.
Для автобусов большой и особо большой вместимости характерно применение компоновки вагонного типа, обеспечивающей: наилучшее использование габаритной площади автобуса; рациональное распределение нагрузки по осям; соответствие габаритных размеров, параметров проходимости и маневренности, основных параметров пассажирского помещения требованиям стандартов и других нормативных документов; технологичность в производстве.
Наряду с ростом парка и изменением его структуры непрерывно совершенствуется конструкция автобуса. Быстрое развитие науки и техники обусловливает ускорение морального старения машин и, в частности, автобусов. Поэтому первостепенное значение имеет сокращение продолжительности исследовательских и опытно-конструкторских работ, предшествующих постановке автобуса на производство. Эффективным средством решения этой задачи является широкое использование математического моделирования, создание и внедрение автоматизированных рабочих мест (АРМ) инженеров с необходимым прикладным программным обеспечением.
При проектировании автобусов особое внимание уделяется выполнению предъявляемых к нему социальных требований. Главными из них являются: высокая активная и пассивная безопасность; удобство размещения пассажиров в салоне; хорошая обзорность; удобство, быстрота и безопасность входа, прохода и выхода из автобуса; минимальное загрязнение окружающей среды; хорошая вибро- и шумоизоляция; соответствие параметров микроклимата в салоне автобуса санитарно-гигиеническим- требованиям; привлекательный внешний вид.
Непрерывно растет парк междугородных и туристских автобусов, осуществляющих перевозки со скоростью 100 км/ч и более (табл.1). В связи с этим большое значение имеет правильный учет влияния сил и моментов, возникающих в результате силового взаимодействия движущегося автобуса с воздушной средой, на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность, управляемость и устойчивость.
Таблица I
В свете этого, одной из целей данной работы является разработка аналитического метода определения этих параметров. При наличии такого метода представится возможным достаточно строго моделировать движение автобуса с учетом аэродинамических факторов без затраты средств и времени на изготовление моделей и продувку последних в аэродинамической установке.
Одним из параметров, определяющих привлекательность (аттрак-тивность) автобуса для пассажиров, является микроклимат в салоне, который в зависимости от климатических условий обеспечивается системами вентиляции, кондиционирования и отопления, а также такими конструктивными параметрами, как теплоизоляция, остекление, степень герметичности кузова. Параметрами, определяющими микроклимат в салоне автобуса, являются: поле температур, подвижность воздуха, наличие в нем вредных веществ и влажность. Изменение параметров микроклимата в значительной степени влияет на физическое и психическое состояние пассажиров, находящихся в автобусе. Патогеничес-ким механизмом, определяющим всю картину изменений психофизических состояний пассажиров и водителя автобуса, является изменение теплообмена и возникающее в связи с этим охлаждение или перегревание организма. Наблюдается прямая зависимость между уровнем перегрева и степенью нарушения деятельности организма человека, причем это нарушение значительно отстает по времени. В результате дискомфортные параметры микроклимата в салоне автобуса непосредственно скажутся на эффективности трудовой деятельности пассажиров автобуса на своих рабочих местах. Следовательно, нельзя оптимизировать конструкцию автобуса в целом без учета параметров среды, в которой находится водитель и пассажиры.
В летнее время, особенно при наружной температуре выше 30С, наибольшее влияние на микроклимат в салоне автобуса оказывает сие- тема кондиционирования воздуха, которую, как правило, применяют в междугородных и туристских автобусах.
В городских автобусах ограничиваются применением естественной, принудительной или комбинированной систем вентиляции.
В табл.2 приведены данные об использовании систем вентиляции в городских автобусах большой вместимости.
Анализ данных, приведенных в табл.2, показывает, что для городских автобусов характерно использование системы естественной вентиляции, т.е., такой, в которой движение воздуха через открытые вентиляционные проемы обусловлено распределением давления воздуха на наружной поверхности движущегося автобуса.
Таблица 2
Страна
Фирма
Модель :Год начала выпуска {Габаритная дли-:на, мм
Система вентиляции
Планируемый срок начала выпуска.
Для городских автобусов, которые используются для массовых перевозок пассажиров и в которых пассажиры находятся относительно короткое время, как правило, применяют неорганизованную систему естественной вентиляции, не предусматривающую наличия воздухозаборников и воздушных каналов, распределяющих воздух по салону. Неорганизованная система естественной вентиляции является наиболее простой по конструктивному исполнению и наиболее технологичной в производстве.
При разработке нового образца автобуса особую важность приобретает информация, позволяющая уже на этапе эскизного проектирования судить о правильности выбора конструктивных параметров систем вентиляции, кондиционирования и отопления, т.е. систем, которые обеспечивают требуемый микроклимат в зависимости от климатических условий. Это прежде всего связано с тем, что исследование и доводка указанных систем требуют испытаний в различных климатических условиях, что существенно сказывается на сроках создания нового образца автобуса.
Основным фактором, влияющим на параметры микроклимата, является, наряду с теплоизоляцией и остеклением кузова автобуса, воздухообмен. Именно благодаря воздухообмену обеспечивается удаление вредных веществ и избытков тепла из салона автобуса для поддержания параметров микроклимата, соответствующего санитарно-гигиеническим требованиям. В связи с этим конструктор должен располагать методом, с помощью которого уже на этапе эскизного проектирования можно будет судить о влиянии на воздухообмен в салоне таких параметров, как внешняя форма автобуса, места размещения и геометрические характеристики вентиляционных отверстий и т.д. Достоверная информация о воздухообмене в будущем автобусе будет способствовать сокращению сроков доводки системы вентиляции и, следовательно, автобуса в целом.
Исходя из актуальности задачи совершенствования методов проектирования систем естественной вентиляции автобусов другой целью диссертационной работы является совершенствование методики аналитического расчета воздухообмена в салоне автобуса и разработка рекомендаций по проектированию системы естественной вентиляции.
Сформулированные выше цели определили следующее содержание диссертационной работы, представленной к защите:
1. Создание математической модели силового взаимодействия движущегося автобуса с воздушной средой, обеспечивающей возмож ность : анализа обтекания автобуса воздушным потоком путем численного интегрирования уравнений, описывающих этот процесс; определение распределения давления по наружной поверхности автобуса; совершенствования методики расчета воздухообмена в салоне при естественной вентиляции.
Определение коэффициента лобового сопротивления по результатам численного анализа обтекания автобуса воздушным потоком и оценка соответствия его результатам испытаний.
Оценка влияния параметров внешней формы автобуса и конструктивных элементов системы естественной вентиляции на воздухообмен в салоне.
Настоящая работа выполнена во Всесоюзном конструкторско-экс-периментальном институте автобусостроения и заводе-втузе при Московском автомобильном заводе им. И.А.Лихачева. Аэродинамические исследования моделей автобусов проводились в дозвуковой аэродина- мической трубе Львовского ордена Ленина политехнического института.
Результаты проведенных исследований используются при проекта ровании новых образцов автобусов. В частности, рекомендации по проектированию системы естественной вентиляции учтены при создании среднего городского автобуса ЛАЗ-4202, выпуск которого освоен на Львовском автобусном заводе, и большого городского автобуса ЛАЗ-5252.
Внешняя аэродинамика автобуса
Выше было показано, что максимальные скорости современных междугородных и туристских автобусов превышают 100 км/ч (27,8 м/с). Если принять во внимание большие лобовые и боковые поверхности, то станет очевидным значимость учета влияния аэродинамических сил и моментов на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность, управляемость и устойчивость автобуса. Б связи с этим перед специалистами, работающими в области исследования и создания автобусов, возникают две важные задачи:
- анализ влияния параметров формы автобуса на величины и координаты точки приложения лобовой и боковой сил;
- исследование влияния аэродинамических сил и моментов на указанные выше эксплуатационные свойства автобуса.
Исследованию аэродинамики автомобиля и ее влияния на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность, устойчивость и управляемость посвящено значительное количество работ, выполненных как у нас в стране, так и за рубежом. В теоретическом и экспериментальном плане этому вопросу посвящены работы С.Г.Бабенковой t2] , В.Е. Благоразумова [3] , М.Н.Бозного [4] , Н.Я.Говорущенко [5] , А.Н.Евграфова [6] , С.П.Загородникова [7] , И.А.Коровкина [8] , А.С.Литвинова [9] , Е.В.Михайловского [ю] , В.В.Московкина [II] , Я.М. Певзнера [12] , В.А.Петрушова [13] , Е.Я.Тура [14] , Е.И.Романенко [15] , Е.А.Чудакова [іб] , Б.С.Фалькевича [і7] , Ф.Ф.Фатхулина [18], Б.М.Фиттермана [19] и др., а также работы иностранных исследователей P.Buckley [20] , M.Doberenz [21] , Z.Dzygadlo [22] , R.Hradee-ky [23] , M.Masaaki [24] , A.Morelli [25] , D.Raymer [26] , L.Roma-ni [27] , P.Schenkel [28] И др. . В этих работах:
- оценена значимость каждой из составляющих полной аэродинамической силы;
- рассмотрены экспериментальные методы определения коэффициентов аэродинамических сил и моментов;
- исследовано влияние аэродинамических характеристик на тяго-во-скоростные свойства и топливную экономичность пассажирских и грузовых автомобилей;
- разработан раздел теории устойчивости автомобилей, называемой аэродинамической устойчивостью, и исследуется влияние аэродинамических характеристик на управляемость и устойчивость автомобилей.
Конечно-разностный метод решения уравнений Навье-Стокса
Подставив конечно-разностные аналоги для конвективных (2.II) и диффузионных членов (2.12) в уравнение (2.10) получим систему конечно-разностных уравнений для внутренних узлов расчетной области течения. В дополнении с граничным условием решение системы конечно-разностных уравнений дает значения вихря ( Я ) и функции тока ( $ ) в узлах расчетной сетки.
Математическая модель воздухообмена в салоне автобуса при естественной вентиляции
При рассмотрении воздухообмена в салоне автобуса при естественной вентиляции полагаем, что процесс установившийся, массовые силы отсутствуют, температура постоянна во всей массе воздуха, свойство сжимаемости в исследуемых процессах несущественно.
В работах[.32, 36] показано, что давление в салоне практически постоянно по длине автобуса. Это позволяет представить воздухообмен в виде звездного дерева графа (рис.3.3) с п вершинами. Каждой концевой вершине звездного дерева графа соответствует давление (/? ) на вентиляционном проеме, а общей вершине - давление внутри автобуса ( pg ). Ребрам "звездного" дерева поставим в соответствие количество проходящего через вентиляционный проем воздуха ( QL ) и происходящие при этом потери давления ( . ). Движение воздуха через вентиляционный проем обусловливается перепадом давления Ар- =р- -pg и принимается положительным при входе воздуха в салон и отрицательным - при его выходе.
Влияние системы естественной вентиляции на коэффициент лобового сопротивления
Воздухообмен в салоне автобуса, возникающий за счет различия давлений на открытых вентиляционных проемах, оказывает влияние на его обтекаемость. В частности, выход воздуха из вентиляционных отверстий приводит к увеличению эффективной толщины автобуса и, как следствие, к возрастанию его лобового сопротивления.
В іфедьщущей главе показана принципиальная возможность моделирования работы системы естественной вентиляции на пустотелых моделях автобусов при их продувке в дозвуковой аэродинамической трубе. Для соблюдения [гидродинамического подобия натурного и модельного потоков требуется равенство критерией ReL , J , гф и jS .
Исследованиями, проведенными на моделях автобусов с последующими натурными испытаниями, установлено, что в зоне автомо-дельности течений ( / = 6,49-105 - I,62-106, 7 = 4-Ю6 - I-IO10) имеет место гидродинамическое подобие натурного и модельного потоков. Это позволяет при физическом моделировании процесса воздухообмена в аэродинамической трубе на моделях оценить влияние работы системы естественной вентиляции на лобовое сопротивление автобуса.
Экспериментальные исследования проводились в дозвуковой аэродинамической трубе львовского политехнического института. В качестве объекта исследований использована полая модель автобуса JEA3-4202, изготовленная в масштабе 1:15. Размещение вентиляционных отверстий на поверхности модели приведено на рис.3.16.
