Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ выполненных работ и постановка задач данного исследования 4
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование влияния параметров кузова на обтекаемость автомобиля 21
2.1. Исследование механизма обтекания автомобильного кузова 21
2.2. Влияние формы и параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля 42
2.3. Зависимость аэродинамического сопротивления автомобиля и действующей на него подъемной силы от формы кормовой части кузова 49
2.4. Исследование влияния навесных элементов на аэродинамические свойства автомобиля 60
2.5. Влияние угла натекания воздушного потока на аэродинамическое сопротивление автомобиля 71
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования аэродинамических свойств автомобилей 77
3.1. Стендовые испытания моделей автомобилей в аэродинамической трубе 77
3.2. Дорожные испытания автомобилей 99
ГЛАВА 4. Повышение технико-экономических показателей автомобиля путем улучшения обтекаемости кузова 109
4.1. Повышение безопасности, топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля 109
4.2. Улучшение экологии окружающей среды путем совершенствования аэродинамики автомобиля 113
ГЛАВА 5. Методики и объекты экспериментальных исследований 118
5.1. Объекты и методы стендовых испытаний 118
5.2. Объекты и методы дорожных испытаний 132
6. Выводы и рекомендации 139
7. Библиографический список 140
8. Приложение. Акт внедрения 154
- Влияние формы и параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля
- Влияние угла натекания воздушного потока на аэродинамическое сопротивление автомобиля
- Стендовые испытания моделей автомобилей в аэродинамической трубе
- Улучшение экологии окружающей среды путем совершенствования аэродинамики автомобиля
Введение к работе
Совершенствование аэродинамики легкового автомобиля путем улучшения обтекаемости кузова является одним из направлений повышения его безопасности, топливной экономичности, скоростных и динамических свойств, эр-гономичности и эклогичности. Для разработки мероприятий по улучшению обтекаемости автомобиля на стадии его проектирования необходимы математические зависимости, связывающие аэродинамические характеристики с основными формообразующими параметрами кузова. Наличие таких зависимостей позволит в процессе художественного конструирования целенаправленно вносить изменения в форму кузова, имея при этом возможность количественной оценки степени влияния этих изменений и дополнений на аэродинамические характеристики проектируемого автомобиля.
Одним из путей решения этой задачи является аппроксимация результатов экспериментальных исследований крупномасштабных моделей автомобилей в аэродинамический трубе и получение математических формул, устанавливающих взаимосвязь аэродинамических коэффициентов с конструктивными и установочными параметрами кузова и навесных элементов на нем. При этом важно обеспечить достаточно высокую точность результатов испытаний моделей в аэродинамической трубе, что определяется уровнем их геометрического и кинематического подобия с натурой, а также степенью имитации факторов масштабного моделирования при проведении трубных экспериментов.
На решение этих вопросов и дальнейшее совершенствование аэродинамического проектирования отечественных легковых автомобилей и направлена данная диссертационная работа.
Влияние формы и параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля
Заметное влияние на обтекаемость автомобиля оказывает мало изученная аэродинамика подкапотного пространства, а также находящиеся на поверхности кузова дополнительные конструктивные элементы.
Такой сложный характер обтекания легкового автомобиля затрудняет чисто теоретическое определение его аэродинамических характеристик. Для численного исследования обтекания тел невязким потоком может быть применен метод особенностей или метод поля. Эти же методы используются и при расчете обтекания автотранспортных средств. Например, известны аэродинамические расчеты грузового автомобиля-фургона, поверхность кузова которого моделировалась распределенным слоем источников, а спутная струя слоем диполей. Заметим, что в расчетных моделях потенциального течения могут быть использованы и другие типы особенностей (например, поверхность тела и спутной струи в некоторых исследованиях представлялась распределением вихревых особенностей). При этом, как правило, делается серьезное допущение о том, что положение линии отрыва потока на поверхности автомобиля заранее известно. Данный метод позволяет довольно точно определить подъемную силу и дает высокую точность расчетных величин распределенных давлений в безотрывных зонах обтекания автомобилей. В зоне отрывных течений определение этих характеристик методом особенностей практически не возможно, а значит затруднителен и расчет полного аэродинамического сопротивления автомобиля. В связи с этим представляет интерес использование моделирования поверхности автомобиля и спутной струи. Возможен учет и пограничного слоя, что позволяет в этом случае определить положение линии отрыва на поверхности кузова автомобиля. Однако для всех известных расчетных методов свойственны недостатки, снижающие возможность полного использования результатов расчетов, а именно: - распределение давлений в кормовой части, где наблюдается срыв потока, не коррелируется с экспериментальными данными; - при постановке задач не учитываются местные срывы потока с последующим формированием вихревого следа; - все расчетные расходы при численных расчетах основаны на панельном представлении формы тела, а точность расчетов в большой степени зависит от точности математического воспроизведения формы тела (развитие на панели, их размеров и числа); - при приближенных подходах практически невозможно достаточно точно рассчитать аэродинамическое сопротивление. Для расчета аэродинамических характеристик различных плохооб-тебкаемых тел в настоящее время используется несколько моделей течения жидкости или газа, описываемых уравнениями Навье-Стокса с различной точностью приближения. При рассмотрении обтекания транспортных средств учитывается, что течение вокруг автомобиля исключительно трехмерно, а характерной особенностью является наличие отрывных потоков, обусловленных несовершенством форм. Возможны следующие подходы при теоретическом и численном рассмотрении соответствующей картины обтекания: - использование линейных уравнений движения не вязкой жидкости (потенциальное обтекание) при определенных граничных условиях; - рассмотрение не линейных уравнений движения навязчивой жидкости (уравнений Эйлера); - применение определенных по методу Рейнольдса уравнений Навье-Скотса; - использование полных уравнений Навье-Скотса. Первые две модели позволяют рассчитать распределение давления, подъемную силу, индуктивное сопротивление. В рамках модели движения жидкости, описываемой осредненными по методу Рейнольдса уравнениями Навье-Стокса, учитывается вязкость, однако учет влияния турбулентности воздушного потока осуществляется приближенно. Полная система уравнений Рейнольдса в принципе позволяют рассчитать также отрывные нестационарные течения. Более того, решение полных уравнений Навье-Стокса, включающих и числен 33 ное моделирование крупных энергосодержащих турбулентных вихрей (полу-имперические модели привлекаются при этом только для учета мелкомасштабной турбулентности) делает возможным расчет перехода пограничного слоя от ламинарного к турбулентному состоянию, аэродинамического шума и характеристик турбулентности.
Рассмотрим навязчивое обтекание модели. В нем поверхность тела представлена панелями с источниками - стоками Sb; поверхность спутной струи S„ панелями и диполями. Принцип расчета воздушного течения основан на известном подходе, при котором по поверхности тела и спутной струи распределяются источники, стоки и диполи. Элемент поверхности, содержащий распределенные источники и находящийся в равномерном потоке, приводит к образованию течения, аналогичного течению, возникающему вблизи тела конечной толщины. В этой схеме распределения источников используется для представления твердой поверхности, а распределение диполей — для поверхности спутной струи. Для упрощения расчета градиентов, возникающих в спутной струе, диполи распределяются на дополнительной поверхности спутной струи, продленной внутрь тела, что приводи к уменьшению градиента. Для получения численного решения сплошные поверхности тела и спутной струи аппроксимируются системой небольших плоских четыррехугольных и треугольных элементов. Плотности распределения источников и диполей в пределах каждого элемента предполагаются постоянными.
Влияние угла натекания воздушного потока на аэродинамическое сопротивление автомобиля
Рассмотренные в разделе 2.1 особенности обтекания автомобильного кузова говорят о значительных трудностях чисто теоретического определения аэродинамических характеристик автомобиля численными методами. Это связано с тем, что до настоящего времени нет расчетных моделей обтекания кузова, использование которых позволило бы получить достоверные данные при определении аэродинамических характеристик проектируемого автомобиля. К этому следует добавить отсутствие численных методов определения внутреннего аэродинамического сопротивления в подкапотном пространстве автомобиля, а также аэродинамических потерь в спутном следе за его кузовом.
Несмотря на заметные успехи в области теоретической аэродинамики и прикладной математики, чисто расчетное определение достоверных значений аэродинамических коэффициентов применительно к автотранспортным средствам пока еще существенно затруднено в физическом и математическом аспектах этой проблемы, в том числе из-за недостаточно высокого уровня развития отечественной вычислительной техники, а разработка самих численных методов находится в стадии развития. В настоящее время посредством решения краевых задач либо на основе точных уравнений движения вязкой жидкости, либо на основе приближенных уравнений, полученных из точных путем исключения групп отдельных слагаемых может быть аналитически изучен лишь ряд случаев ламинарного обтекания тела в полном объеме. Что касается турбулентного обтекания, а именно оно типично для АТС, то существующие теории турбулентности в данный момент не позволяют описать характер течения в отдельных зонах посредством краевых задач на основе каких либо дифференциальных уравнений.
В связи с изложенным, основным методом аэродинамического проектирования автомобиля до сих пор остаются экспериментальные исследования в аэродинамических трубах путем постановки многофакторного эксперимента с использованием математического метода его планирования и последующей аппроксимаций полученных результатов. Это направление аэродинамических исследований обеспечивает достаточно высокую точность в сочетании с возможностью объяснения физической сущности характера влияния конструктивных параметров кузова на обтекаемость автомобиля. Необходимо отметить, что особенно сложный характер носит обтекание головной и кормовой части автомобиля, а также его подднищевой зоны и подкапотного пространства. Поэтому здесь не могут быть использованы численные методы, используемые в авиационной аэродинамике, а также применяемая для аналитического описания обтекаемости скоростных железнодорожных поездов известная полуэмперическая теория турбулентных течений по пути перемешивания Прандтля. На основное течение воздушного потока вокруг серийного автомобиля накладываются частичные пульсационные движения потока при обтекании местных выступов, деталей шероховатостей на поверхности кабины и кузова, в результате чего возникает перемешивание отдельных частей воздуха. Пульсационное движение воздушного потока в своих деталях очень сложно и практически его точный теоретический расчет невозможен, по этому приходится искать закономерности лишь для осредненных по времени величин, характеризующих турбулентное течение. Введение некоторых вероятных полуэмперических допущений позволяет использовать полученный экспериментальный материал с точки зрения общих принципов математического моделирования и дает возможность вычислить осредненные характеристики турбулентного течения, адекватность которых по отношению к эксперименту достаточно высока.
Для установления влияния формы и параметров кузова на аэродинамические характеристики были проанализированные рассмотренные в разделе 2.1 особенности обтекания кузовов различного типа и выявлены факторы, влияющие на аэродинамику автомобиля. На рис. 2.5 представленная схема легкового автомобиля с основными, влияющими на его обтекаемость, конструктивными и установочными параметрами кузова. К их числу следует отнести: - углы наклона облицовки радиатора 8 , крышки капота ф, ветрового стекла 4і, задней стенки кузова у ; - радиусы закругления фронтальных кромок капота Rf, кузова Rf3, крышки Rfp, а также задней кромки крышки R p; - величину заужения кормовой части кузова в плане в и ее длину 13; - длину La, ширину Ва и высоту На автомобиля. Последующая задача заключалась в получении расчетных зависимостей, устанавливающих взаимосвязь коэффициента аэродинамического сопротивления Сх автомобиля с каждым из перечисленных выше параметров кузова, за исключением параметров установки колес, влияние которых было исследовано ранее [72].
Для решения поставленной задачи были проведены параметрические испытания крупномасштабной модели автомобиля в аэродинамической трубе. Она имела полное геометрическое подобие с натурным автомобилем. Для соблюдения кинематического подобия параметрические испытания модели проводились в зоне «автомодельное», где ее аэродинамические характеристики практически не зависят от числа Рейнольдса (Re). Для данной модели это число Рейнольдса составляло: Re = 5-Ю5. Методика модельных аэродинамических исследований включала получение опытных данных, устанавливающих влияние каждого из рассмотренных выше параметров кузова на величину коэффициента Сх модели автомобиля. При этом для исключения влияния интерференции на результаты опытов исследования велись в следующей последовательности.
Стендовые испытания моделей автомобилей в аэродинамической трубе
В диапазоне изменения угла наклона задней панели кузова: 65 у 80 сопротивление w" ее наклонной поверхности уменьшается быстрее, чем возрастает сопротивление PJ3 задней вертикальной стенки багажника, поэтому здесь наблюдается минимум функции С„ = /(/). Для геометрических конфигураций, имеющих 1"ФНК, следует пользоваться уравнением (2.37). Таким образом, принципиально возможно получить форму кормовой части автомобиля, имеющую минимальное аэродинамическое сопротивление. Для этого прежде всего необходимо установить зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления задней вертикальной стенки багажника Свхз от величины относительного удлинения сужающейся задней части кузова, которая определяется экспериментальным путем.
Рассчитать аэродинамическое сопротивление задней части можно только для тел простой конфигурации, например призматических. Сделать такой расчет для кормовой части автомобильного кузова не представляется возможным. Обтекание передка автомобиля, выпуклость крыши, радиус перехода от крыши к поверхности задней стенки, выпуклость боковых поверхностей кузова — все эти факторы в настоящее время теоретически учесть затруднительно.
Аэродинамику кормовой части автомобиля с кузовом "седан", имеющей ступенчатую форму, можно рассматривать аналогичным способом. За счет излома задней стенки кузова увеличивается число переменных [6], а характер ее обтекания существенно усложняется. Поверхность заднего стекла трехобъемного кузова можно смоделировать неизолированным крылом и рассматривать его обтекание точно так же, как наклонную поверхность стекла кормовой части двухобъемного кузова. Так как отношение Вк/13н 3-4 существенно больше у трехобъемного кузова, чем у двухобъемного, то при том же угле наклона ,на поверхности задней стенки кузова "седан" индуцируются в среднем меньшее разрежение и меньшая подъемная сила чем на задней стенке "хэтчбека". К тому же, место излома задней стенки кузова "седан" при переходе в поверхность богажника может стать местом отрыва вихря, так как оно накладывает отпечаток на поток в виде положительного градиента давления. Поэтому разрежение на заднем стекле кузова "седан" и скорость нисходящего с него воздушного потока становится еще меньше.
Как показывают исследования повторное прилегание оторвавшегося в месте излома задней стенки кузова "седан" воздушного потока к крышке багажника зависит от параметров пограничного слоя. Чем толще пограничный слой, тем позднее воздушный поток прилегает к поверхности кузова позади линии излома. Применительно к автомобилю это означает: толстый пограничный слой, существующий из-за неблагоприятного обтекания передней части автомобиля (капота, ветрового стекла, крыши), затрудняет повторное прилегание воздушного потока к поверхности задней части кузова автомобиля. Результаты для ух 0 неизвестны, однако можно предполагать, что благодаря нисходящему потоку, индуцированному кромочными вихрями, возникающими при обтекании наклонного заднего стекла автомобиля с кузовом "седан", точка повторного прилегания потока смещается вперед.
Аэродинамическое сопротивление автомобиля с трехобъемным кузовом "седан" со ступенчатой формой задка зависит от высоты багажника. В работе [5] показана зависимость коэффициента Сх модели автомобиля от высоты багажника. При увеличении высоты багажника на 100 мм наблюдается заметное уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля. Уменьшение значения коэффициента Сх объясняется тем, что при сходе с крыши воздушный поток прилегает к поверхности крышки багажника и стекает с нее. При этом уменьшается площадь разрежения и спутного следа за автомобилем.
При ступенчатых формах задней части автомобиля с более длинным багажником, как правило, с увеличением его высоты наблюдается непрерывное падение коэффициента аэродинамического сопротивления.
На рис. 2.8 приведены результаты исследований модели автомобиля с двухобъемным кузовом, кормовая часть которого заужалась в плане. Видно, что по мере увеличения кривизны боковых стенок кузова наблюдается снижение коэффициента Сх автомобиля. Это объясняется тем, что уменьшается длина спутного следа за автомобилем.
В разделе 2.2 были приведены полученные методом аппроксимации графических зависимостей, представленных на рис. 2.7 и 2.8, математические зависимости (2.24) и (2.29) для определения влияния угла наклона задней стенки двухобъемного кузова и его заужения в плане на аэродинамическое сопротивление автомобиля. Они могут использоваться при художественном конструировании автомобилей с кузовами "хэтчбек". Полученные уравнения позволяют с достаточно высокой точностью определить значения коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля и его приращения. Погрешность при использовании этих формул не превышает 3%. Для удобства использования приведенных в разделе 2.2 математических зависимостей нами разработана соответствующая компьютерная программа.
Улучшение экологии окружающей среды путем совершенствования аэродинамики автомобиля
Представляет интерес возможность снижения аэродинамических потерь в подднищевой зоне автомобиля за счет сдува пограничного слоя с его днища. Для оценки степени снижения аэродинамического сопротивления за счет этого мероприятия были проведены исследования модели автомобиля, в которой имелась возможность протекания воздушного потока через смоделированное подкапотного пространство. При этом пространство под двигателем было перекрыто таким образом, что имелась возможность дозированного выброса прошедшего через подкапотное пространство воздуха в подднищевую зону модели. Дозирование выброса воздуха осуществлялось путем изменения степени перекрытия моторного отсека за счет изменения площади зоны выброса из него охлаждающего двигатель воздуха. Выброс воздушного потока производился через прямоугольное отверстие размером Вх10. При этом ширина его - В = 0,265 м оставалось в ходе опытов постоянной, а длина 10 - принимала дискретные значения. Исследованиями установлено, что снижение коэффициента аэродинамического сопротивления модели за счет улучшения протекания потоков в подднищевой зоне и сдува пограничного слоя с днища путем организованного выброса охлаждающего воздуха из подкапотного пространства, которое составляет 8% и достигается при длине выпускного отверстия 0,016 м. При реализации данного конструктивного мероприятия следует учитывать, что, как установлено выполненными исследованиями, наибольший эффект обеспечивается при: 0,01 lo/LMO 0,02, где LM0 - длина моторного отсека.
Как показали испытания, аэродинамическое сопротивление модели автомобиля с плоским днищем от угла тангажа кузова. Наличие отрицательного тангажа позволяет увеличить скорость потока в подднищевой зоне, что приведет к снижению давления на днище и уменьшению подъемной силы (индуктивного сопротивления), а следовательно, аэродинамического сопротивления. Наклон модели (отрицательный тангаж) на 1 снижает аэродинамическое сопротивление модели на 4%.
Дополнительно была испытана модель легкового автомобиля с плоским днищем и с имитацией реального днища, в том числе при различной величине дорожного просвета. Имитация элементов днища (выхлопной трубы, глушителя, нижней части топливного бака и др.) увеличивает коэффициент аэродинамического сопротивления модели на 15%, что связано со снижением скорости в подднищевой зоне и увеличением индуктивной составляющей аэродинамического сопротивления. Испытания при различной величине дорожного просвета показали, что уменьшение его до определенного значения снижает коэффициент Сх модели. Это связано со снижением расхода воздуха, протекающего под автомобилем, по мере уменьшения дорожного просвета. Наибольшее снижение аэродинамического сопротивления модели за счет улучшения протекания в подднищевой зоне, составляющее 5%, получено при уменьшении дорожного просвета против исходного на 15%. Дальнейшее уменьшение дорожного просвета модели не дает эффекта, а при малых значениях дорожного просвета даже увеличивает аэродинамическое сопротивление. Это можно объяснить сильным торможением потока в подднищевой зоне при малом дорожном просвете модели, что увеличивает гидравлические потери и давление на ее днище. Для максимально возможного снижения аэродинамического сопротивления за счет оптимизации дорожного просвета автомобиля можно рекомендовать следующее соотношение: 0,10 h/H 0,l 1.
На рис. 3.6 представлены результаты исследований модели автомобиля, оборудованной верхним передним дефлектором на капоте. При установке верхнего дефлектора часть встречного потока воздуха "подбрасывается" им и направляется непосредственно на крышу кузова автомобиля. При этом значительно уменьшается давление на ветровом стекле. Эффективность верхнего дефлектора зависит от его длины и угла наклона. На рис. 3.6, видно, что наибольшее снижение коэффициента Сх модели достигается при угле наклона дефлектора равном 30.
На рис. 3.7-3.10 показаны результаты параметрических исследований модели автомобиля с передним споил ером. Видно, что коэффициент Сх и Cz модели зависит от высоты и места расположения переднего споилера, а также угла "атаки". Наибольшее снижение коэффициента Сх автомобиля наблюдается при размещении переднего споилера высотой 40 мм за передним буфером под углом 90. Наибольшее снижение коэффициента Cz автомобиля имеет место при установке переднего споилера высотой 120 мм ближе к переднему буфером 60. При этом следует учитывать, что эффективность переднего споилера будет зависеть также от формы переднего свеса автомобиля и расположения отверстий для забора воздуха в подкапотное пространство. На рис. 3.11 показаны результаты испытаний масштабной модели автомобиля ЗАЗ (кривая 1), а также передним поддоном днища (кривая 2) и передним спойлером (кривая 3). Видно, что практически во всем диапазоне исследованных углов натекания потока установка переднего споилера и переднего поддона днища снижает коэффициент Сх на 5 и 2,5%. Дополнительно был исследован разработанный при непосредственном участии автора задний спойлер с перетекание. Спойлер имел направляющий аппарат, посредством которого происходило перетекание части потока, двигающегося по верхней панели споилера, на заднее стекло - с целью уменьшения его загрязнения. Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля при установке заднего споилера с перетеканием составило 3,5% при одновременном уменьшении разрежения в зоне заднего стекла. Эффект, достигаемый за счет установки заднего споилера, связан с улучшением характера обтекания задней стенки, а при наличии переднего поддона - с уменьшением аэродинамических потерь на трение перемещающегося под автомобилем объема турбулизированного воздуха.
