Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований в области моделирования аэродинамики и загрязнения автомобиля 11
1.1. Экспериментальные и теоретические работы в области исследования аэродинамики автомобиля 11
1.2. Современные подходы к изучению аэродинамики автомобиля в различных условиях 16
1.3. Современные инженерные подходы в борьбе с загрязнением автомобиля 29
ГЛАВА 2. Математическое моделирование аэродинамики и загрязнения автомобиля 37
2.1 Моделирование процесса налипания частиц в предположении отсутствия их влияния на газовую фазу 37
2.2 Особенности задания граничных условий при 3D-моделировании процесса загрязнения автомобиля и их тестирование на примере обтекания тела Ахмеда 44
2.3 Расчёт загрязнения автомобиля на основе модели жидкой пленки 48
2.4 Расчёт загрязнения автомобиля на основе модели инжектора 55
2.5 Расчёт загрязнения автомобиля на основе модели дисперсной многофазности 62
ГЛАВА 3. Использование разрывного преобразования для моделирования аэродинамических процессов при многополосном движении колонн автотранспорта 72
3.1. Об особенностях использования разрывного преобразования координат для моделирования аэродинамики колонн автотранспортных средств, движущихся с разной скоростью 72
3.2. Результаты численного моделирования обгона и встречного движения колонн автотранспортных средств и их анализ 76
Заключение 90
Список использованных источников
- Современные подходы к изучению аэродинамики автомобиля в различных условиях
- Особенности задания граничных условий при 3D-моделировании процесса загрязнения автомобиля и их тестирование на примере обтекания тела Ахмеда
- Расчёт загрязнения автомобиля на основе модели инжектора
- Результаты численного моделирования обгона и встречного движения колонн автотранспортных средств и их анализ
Современные подходы к изучению аэродинамики автомобиля в различных условиях
Вопросам изучения и совершенствования аэродинамических характеристик автомобилей посвящено множество работ. Среди российских исследователей стоит выделить Евграфова [20 - 29], Ечистова [30, 31], Михайловского, [50 - 53], Смирнова [63 - 65], Тура [68, 69], Чудакова [72, 73], Фалькевича [70, 71], Ильина [33 - 35], Королева [39 - 46] и других. Среди зарубежных авторов стоит обратить внимание на работы Ahmed S.R., Buckley, Cogotti, Hucho W.H., Marks, Morelli, Nedley Lloyd [79 - 81, 87, 88, 92, 96 - 98, 101 - 103, 106 - 110].
Вопрос загрязнения кузова крупных моделей транспортных средств поднимается в работе [13]. Авторами исследована аэродинамика городских и междугородних автобусов при помощи аэродинамической трубы. Сделаны выводы о влиянии формы кузова и его элементов на аэродинамическое сопротивление и аэродинамические характеристики. Выявлено, что максимальному загрязнению подвергается заднее стекло за счет наличия на кормовой части автобуса области разреженного воздуха, что приводит к появлению вихрей за транспортным средством. Из-за этого явления повышается не только загрязняемость заднего стекла, но и растет аэродинамическое сопротивление.
Важно отметить, что одним из основных источников загрязнения автомобиля являются мелкодисперсные частицы, которые сложно увидеть невооруженным взглядом, но, скапливаясь на поверхности, они приводят к загрязнению и, как следствие, ухудшению видимости. Причинами появления таких частиц являются пыль, мелкие капли воды, а также износ дорожного полотна. Загрязнение мелкодисперсными частицами существенно выше от грузовых автомобилей, нежели от легковых [48]. Данные о составе мелкодисперсных частиц и их распределении описаны в исследованиях [48, 54]. Авторами работы [54] выявлено, что размер подавляющего большинства мелкодисперсных частиц составляет 30 мкм. Половина частиц, возникающих за счет износа дорожного полотна, являются мелкодисперсной пылью, размер частиц которой составляет 10 мкм. Остальные имеют размер менее 2,5 мкм.
Движению автопоезда по увлажненному шоссе уделено место в работе [19]. Выявлено, что водогрязевые частицы захватываются протекторной частью шин, при помощи чего переносятся в окружающую среду. Причинами разброса мелкодисперсных частиц являются адгезионные силы, которые возникают между протекторной частью шины и дорожным полотном. Частицы из-под колес отбрасываются не только на сам автомобиль, но и, попадая на вблизи идущие транспортные средства, загрязняют их. Автором работы представлена схема загрязнения мелкодисперсными частицами. При движении автомобиля в сырую погоду, в частности после дождя, от колес отбрасываются более крупные частицы, которые можно увидеть невооруженным взглядом. Несмотря на то, что такие крупные частицы довольно быстро оседают, они все же опадают на автомобили, идущие рядом, так как даже 0,1 с хватает, чтобы частица достигла другой автомобиль.
Среди исследований в рассматриваемой области следует выделить научную школу Е.В. Михайловского. Выполнен внушительный объем работ, затрагивающих разносторонние вопросы аэродинамики автомобилей, включая теории обтекания тела, различные аспекты методологии аэродинамических испытаний, изучение влияния конструкции транспортных средств на их аэродинамические свойства. Степень влияния конструктивных особенностей автомобиля исследуется в работах [15, 16, 36, 47] с помощью экспериментов, проведенных в аэродинамической трубе. Исследования проводятся на моделях автомобилей ВАЗ и ГАЗ. Эксперименты проводились при различных модификациях передней и задней частей кузова. В результате получены полиноминальные полуэмпирические зависимости, которые позволили определить значения аэродинамического сопротивления. Однако погрешность при проведении экспериментов возникала из-за того, что не учитывались аэродинамические потери в подднищевой зоне транспортных средств. Полученные результаты сравнивались с результатами экспериментов с использованием полномасштабных моделей. Вопросам влияния аэродинамических характеристик на управляемость и устойчивость автомобиля посвящена работа [6]. Исследовано влияние на свойства управляемости за счет силы и направления бокового ветра, а также внесения изменений в дизайн кузова и за счет навесного оборудования. Автором отмечается повышение устойчивости транспортных средств при добавлении переднего и заднего спойлеров.
Изучению и разработке методик испытаний автомобилей в аэродинамической трубе посвящена работа [7]. Результаты исследования позволили провести большое количество испытаний по предложенной методике в аэродинамической трубе различных видов транспортных средств. Автором сделан значительный вклад по совершенствованию транспортных средств, что позволило уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления и повысить управляемость и устойчивость автомобиля.
Исследования взаимосвязи формы кузова с аэродинамическими характеристиками автомобиля проведены в работе [9]. Рассмотрено несколько вариантов формы кузова с использованием мелкомасштабной модели автомобиля.
Подобными вопросами занимается автор работы [12]. В исследовании приводятся систематизированные признаки аэродинамических параметров, влияющие на эксплуатационные свойства транспортных средств. Для легкового автомобиля выявлена зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от угла натекания потока воздуха. Исследованием параметров крупных автомобилей ВАЗ в аэродинамической трубе занимается автор работы [32]. Исследования позволили создать хорошо обтекаемую форму кузова автомобиля. Получена взаимосвязь коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля с геометрическими параметрами двухобъемного кузова модели автомобиля, а именно углами наклона облицовки радиатора, радиуса закругления фронтальных кромок, заднего и ветрового стекол. Исследования проводились с помощью имитации дорожного полотна неподвижным гладким экраном, что не исключает возникновение некоторой погрешности.
Работа [60] посвящена детальному анализу вариантов имитации дорожного полотна. Выявлено, что использование гладкого неподвижного экрана дает положительные результаты при проведении экспериментов с крупными моделями транспортных средств в малых аэродинамических трубах.
Значительное количество исследований осуществлено А.Н. Евграфовым [20 - 29] в области экспериментальных исследований аэродинамики пассажирских транспортных средств и магистральных автопоездов. Проводились численные эксперименты, а также тестирование с использованием полномасштабных моделей. Автору удалось получить значения переходных параметров от модельных экспериментов к натурным за счет сравнения регрессионного анализа проведенных исследований и их результатов.
Особенности задания граничных условий при 3D-моделировании процесса загрязнения автомобиля и их тестирование на примере обтекания тела Ахмеда
ANSYS – семейство программ, включающее в себя программы для расчета динамики газа, жидкости, твердых тел, прочности и долговечности материалов, позволяющее производить междисциплинарный анализ.
Компонента ANSYS Meshing используется для построения сетки. Пользователем может быть изменена структура сетки, а также при необходимости построена гексагональная сетка.
Для оптимизации разработки конструкций с учетом динамики газа и жидкости используется модуль ANSYS CFX. За счет адаптивной архитектуры есть возможность производить анализ течения жидкости и взаимодействия многосложных структур. Ядро ANSYS CFX составляет многосеточный сопряженный решатель Coupled Algebraic Multigrid, позволяющий выполнять вычисления за короткий промежуток времени. Удобной особенностью является возможность корректирования параметров решателя и граничных условий, не прерывая расчет без ярко выраженной необходимости. Приемлемую погрешность обеспечивает схема дискретизации второго порядка. Масштабируемые и устойчивые решения задач динамики газов и жидкости позволяет получить технология сопряженных решателей. Решатель разработан таким образом, чтобы не исключать возможности параллельных расчетов на многоядерных процессорах и кластерах. Свойство масштабируемости позволяет эффективно использовать оперативную память и доступные процессорные ядра. Не стоит забывать, что точность расчетов напрямую зависит от адекватно выбранной физической модели. В ANSYS CFX предложено большое количество физических моделей. Для выполнения сложных междисциплинарных расчетов в данном комплексе реализована возможность взаимодействия различных типов элементов физических моделей и соединений сеточных интерфейсов. Комплекс ANSYS поддерживает такие модели как вращающиеся машины, многофазные потоки, турбулентность, движущаяся сетка, теплообмен, горение, жидко-конструкционное взаимодействие, погружённые в жидкость твёрдые тела [18].
Одним из самых современных программных комплексов является STAR-CCM+. Основным направлением использования является решение задач механики сплошных сред и исследования прочности совместно с газодинамикой. STAR-CCM+ включает в себя два решателя связанный Coupled solver и распределенный Segregated solver.
Программный комплекс поддерживает большое количество физических моделей: многофазные среды, турбулентные и ламинарные течения, развитие пограничного слоя, сверхзвуковые течения, горение, излучение, кавитация, сопряженный теплообмен, ньютоновские и неньютоновские жидкости и др. Преимуществом для пользователя является визуализация результатов в процессе произведения расчетов, а также возможность корректировки некоторых параметров, не прерывая расчет. Модели совместимы с программными продуктами GridGen, STAR-CD, Gambit, ICEM.
За счет масштабируемости есть возможность использовать модели с сеткой более 1 млрд. ячеек.
Программный комплекс STAR-CCM+ имеет средства построения сеток с рядом алгоритмов, которые позволяют восстанавливать целостность поверхностей, исправляя CAD-модели и получая замкнутые поверхности.
Программный комплекс обладает средствами работы с сетками Surface wrapping, которые позволяют не только восстанавливать поверхность модели, но и создавать различные конфигурации сеток из многогранных ячеек, в том числе и произвольных. Такой подход снижает потери времени при проведении расчетов. Средство построения сеток с многогранными ячейками Polyhedral Meshing значительно повышает точность вычислений при численных экспериментах с моделями сложной геометрии.
Средства работы с расчетной областью на этом не исчерпываются. Технология усеченных ячеек Trimmed cells позволяет избежать появления некорректных ячеек, повышая стабильность работы с многогранными ячейками. В программном комплексе имеется функция построения сеток различной конфигурации Multi-region meshing, незаменимая при решении задач вращающихся механизмов, моделирования пористых сред, а также сопряженного теплообмена.
При наличии не единственного варианта конфигурации модели используется конвейерная методика Pipeline. Она позволяет подбирать форму сетки, степень и места сгущения, перестраивать сетку при необходимости. Также имеется возможность отображения результатов на новую сетку, чтобы получить начальные условия для быстрой сходимости.
Еще одной необходимой функцией является оптимизация построения сеток под решатель Solver-optimized meshing, которая помогает улучшить точность вычислений [115].
Современное автомобилестроение динамично развивается, выставляет все новые и новые задачи по усовершенствованию, как отдельных деталей, так и форм автомобилей в целом. С каждым годом скорости автомобилей повышаются, тем самым увеличивая требования к безопасности. Важным аспектом для водителя является возможность полно и адекватно оценивать ситуацию на дороге. К ухудшению видимости чаще всего приводит загрязнение стекол и боковых зеркал заднего вида, тем самым создавая угрозу жизни и здоровью не только водителей и пассажиров, а также пешеходов.
В борьбе за сохранение безопасности на дороге с помощью предотвращения ухудшения видимости используются различные накладки на кузов, жидкости для предотвращения налипания грязи.
Так, например, авторы [61] предложили NANO-покрытие, гарантирующее защиту стекла от внешних загрязнений. После обработки таким покрытием стекла, оно приобретает водо-, грязе-, насекомооталкивающие свойства. Эффект способен сохраняться от трех месяцев для лобового стекла, от шести месяцев для боковых и задних стеклах.
Расчёт загрязнения автомобиля на основе модели инжектора
В результате вышеописанных расчетов, проведенных на основе модели жидкой пленки, можно сказать, что распределение жидкости по боковой поверхности колеса, а также отрыв капель воспроизведены довольно реалистично. Однако по мере увеличения толщины пленки увеличивается и скорость ее перемещения, поэтому повышаются требования к шагу по времени, в расчетах же шаг не меняется на протяжении всего расчета. Вследствие этого время выполнения расчетов существенно увеличивается, но ограничение на толщину жидкой пленки все же имеет смысл вводить.
Ширина зоны, в которой толщина жидкой пленки достигает максимума, мала. Это позволяет в процессе внутренних итераций перераспределить избыточную толщину по поверхности пленки. Другим недостатком является отсутствие моделирования переноса воды через протектор колеса. В рамках данной симуляции вода по жидкой пленке перетекает с передней на заднюю часть колеса только по бокам, что несколько нарушает физику протекающих процессов.
Таким образом, данная модель предоставляет возможность выполнять расчёты, основанные на модели жидкой пленки, позволяющей реалистично учитывать динамику отрыва капель. Тем не менее, в силу ресурсоемкости и высокой требовательности к числу внутренних итераций модели жидкой пленки, расчёт может занимать несколько суток даже на современном персональном компьютере, поэтому использовать модель жидкой пленки целесообразно перед началом серийного выпуска автомобиля, но не на начальных этапах его проектирования.
Данная часть работы посвящена описанию загрязнения автомобиля с помощью модели инжектора. Алгоритм, использующийся для построения симуляции, во многом аналогичен алгоритму, описанному выше. Значительным отличием является отсутствие необходимости использования модели жидкой пленки, а также межфазных взаимодействий, связанных с этой моделью. Лагранжева фаза участвует в модели за счет инжектора, что дает возможность априорно задать поток частиц.
В ниже представленной симуляции использован объект Star CCM+ под названием “сплошной конический инжектор”. Для того чтобы определить параметры инжектора, в НГТУ им. Р.Е. Алексеева проводился эксперимент (рис. 2.16), в результате которого удалось определить угол, под которым частицы вылетают из-под колеса.
Для вывешивания колеса автомобиля была изготовлена подставка под мост. Высота подставки была такой, чтобы колесо находилось на расстоянии 20-25 см от земли. Задняя часть автомобиля была поднята и подставка установлена под ведущий мост. После того, как автомобиль опущен, подставка была надежно закреплена стропами к мосту во избежание смещения ее во время проведения эксперимента. Для проведения эксперимента были сняты оба колеса с одной стороны ведущего моста и установлено только одно внешнее колесо. Кроме того, на колесе была установлена метка для контроля вращения колеса. Для обеспечения визуализации эксперимента сбоку были установлены экраны белого цвета, а жидкость в емкости под колесо подкрашена перманганатом калия. Для высокопроизводительной видеосъемки использовались осветительные приборы и камера со скоростью записи 300 кадров в секунду. В кабину автомобиля садится ассистент и заводит автомобиль. Вращение колес начинается одновременно с началом сьемки видеокамерой. Была проведена серия экспериментов с различным уровнем воды и скоростью вращения колеса. В рамках проведенного эксперимента рассматривалась динамика потока частиц воды, вылетающих из-под вращающегося колеса при варьируемых параметрах скорости от 10 до 60 км/ч. Общий вид экспериментальный площадки перед проведением эксперимента представлен
При использовании инжектора для формирования Лагранжевой фазы появляется возможность моделировать движение дискретных частиц. В настройках модели определено число частиц, группирующихся в облака. Частицы, которые составляют облако, уже являются неделимыми. В расчетах, описываемых в диссертации, каждое облако состоит из порядка 107 частиц. Это существенно снижает точность расчёта взаимодействия Лагранжевой и газовой фазы и распределения частиц по поверхности автомобиля. Ввиду такого эффекта частицы попадают в поле зрения лишь на поверхностях, куда они попадают с высокой вероятностью. Особенно ярко выражено это в том случае, если анализу подвержены поверхности автомобиля, частота попадания на которые невысока.
На основе данной симуляции получены расчеты, описанные на рис. 2.17-2.18. Цветовая гамма на поверхности автомобиля, исключая колеса, соответствует цветовой шкале давления (Pressure). Плоскость симметрии, частицы воды, дорога по цветовой гамме соответствуют цветовой шкале модуля скорости (Velocity: Magnitude).
Результаты численного моделирования обгона и встречного движения колонн автотранспортных средств и их анализ
Как было отмечено в первом параграфе данной главы, использование разрывного преобразования координат целесообразно для моделирования движения колонн с разными скоростями. В данном пункте проводится анализ результатов моделирования сонаправленного движения колонн.
В отличие от предыдущей задачи, расстояние между автомобилями в колонне составляет 49 м. Расстояние между колоннами составляет 7 м. В общем случае автомобили должны быть одинаковыми только в рамках одной колонны, тем не менее, в данной работе приводится расчёт для динамики обгона колонн с одинаковыми автомобилями. В нижней расчётной подобласти колонна автомобилей движется со скоростью 30 м/с, а в верхней 20 м/с.
На рис. 3.5 показан результат взаимодействия двух круговых волн, возникших в момент начала движения автомобилей, с ними и между собой в результате пренебрежения динамикой их разгона. В результате отражения волн от автомобилей, происходит увеличение их амплитуды, что приводит к кратковременному формированию области повышенного давления около более быстрого автомобиля и пониженного давления около за ним идущего. Увеличение амплитуды изменения давления также происходит за счёт интерференции упругих волн. При дальнейшем развитии процессов имеет место распространение волн перепада давления, которые с течением времени затухают, не оказывая в дальнейшем существенного влияния на формирование вихревых течений, возникающих при сонаправленном движении колонн автомобилей.
На рис. 3.6 показана аэродинамика обгона на момент 0,7 с одной колонны автомобилей другой колонной, движущейся с большей скоростью. Позади автомобилей формируются течения, причём у автомобиля движущегося быстрее, скорость этого течения выше.
По мере развития процесса, направление течения позади автомобилей начинает отклоняться от прямой линии, и формируются дорожки Кармана. На момент 2.7 с, аэродинамика которого продемонстрирована на рис. 3.7, уже сформировалось несколько вихрей. На данный момент времени дорожки Кармана, формирующиеся в колоннах автомобилей, уже начинают взаимодействовать друг с другом, хотя пока ещё слабо.
В дальнейшем происходит разрастание вихрей и их смещение в направлении поперек движения автомобилей, в результате этого формируется вихревое течение между колоннами автомобилей.
К моменту 4.4 с, происходит столкновение вихря с автомобилем по координатам x=10 м, y=20 м, что продемонстрировано на рис. 3.8. Видно, что данный вихрь находится на границе полос, но, несмотря на это, там не наблюдается существенного искажения поля скоростей. По мере развития процесса, автомобиль взаимодействует с вихрем.
Аэродинамика обгона колонн в момент 4,4 с Как показали результаты расчётов, при движении колонн между автомобилями формируются вихри, которые способны сохранять устойчивость и двигаться достаточно медленно, чтобы взаимодействовать с позади идущим автомобилем. По мере дальнейшего хода процесса, вихри занимают большую часть пространства между колоннами. Интенсивность вихревого течения связана как с расстоянием между колоннами, так и с расстоянием между автомобилями в самих колоннах.
В данном пункте показаны и проанализированы результаты расчётов аэродинамики встречного движения колонн с различной дистанцией автомобилей в нём (49 и 94 м). На рис. 3.9-3.10 продемонстрирована аэродинамика встречного движения колонн. На начальном этапе течения, формируемые каждым из автомобилей по отдельности, не оказывают существенного влияния друг на друга, поэтому динамика процесса до момента 1,8 с не демонстрируется. На рис. 3.9 показано начало формирование дорожек Кармана. Конфигурация течений, формируемых позади каждого из автомобилей одинакова, что связано с одинаковой скоростью, геометрией автомобилей и постоянной дистанцией.
По мере развития процесса происходит взаимодействие вихрей и их искажение. Вихревые течения занимают весь промежуток между автомобилями в колоннах, и идет интенсивное формирование вихревого течения между самими колоннами, что показано на рис. 3.10.
Для оценки влияния дистанции между автомобилями в колонне был проведен расчёт с увеличенной дистанцией, составляющей 94 м. В данном случае в начальный момент времени местоположение автомобиля в нижней полосе определялось координатами 12-14 м по оси y, 37-40 м по оси x. Автомобиль, находящийся в верхней полосе имеет координаты 21-23 м по оси y и 49-52 м по оси x.
Движение колонн с большей дистанцией, характеризуется ослабленным влиянием автомобиля на позади идущее транспортное средство. Тем не менее, расстояние между самими колоннами остаётся прежним, в результате чего автомобили все же оказывают влияние друг на друга.
Упругие волны выходят из расчётной области, через верхнюю границу, тогда как боковые границы являются циклическими и волны, проходящие через них, могут распространяться дольше по мере затухания. На данный момент времени картина течения является симметричной в силу симметрии расположения автомобилей относительно полос и равной скорости их движения.
В результате взаимодействия двух автомобилей формируются вихревые течения между двух полос. При этом возникшие вихревые течения занимают существенную часть расчётной области, что видно на рис. 3.15.
На рис. 3.16 показано влияние расстояния между колоннами автотранспортных средств на изменение поля скоростей впереди автомобиля и формирования боковой силы, возникающей вследствие взаимодействия автомобиля и вихревого течения, сформированного в результате аэродинамического взаимодействия колонн автомобилей. ояния влияние боковой силы возрастает, приводя к увеличению момента рыскания, как показано на рис. 3.16(а), в то время как при большом расстоянии между колоннами, составляющем 7 м, данного эффекта не наблюдается, что видно из рис. 3.16(б).
Использование разрывного преобразования координат позволяет сократить время расчётов аэродинамики движения колонн автомобилей и упростить алгоритмы вычислений. Показано, что данный приём хорошо применим в случае движения колонн в различной конфигурации при условии, что движение во всех колонах периодично с одинаковым периодом. Хотя результаты связаны с моделированием движения двух колонн, данный прием может быть легко распространён и на большее количество колонн, движущихся в различном направлении с различными скоростями.
Как показали результаты расчётов, выполненные в главе, как при встречном движении, так и при обгоне формируется вихревое течение между колоннами, создающее динамически изменяющуюся силу рыскания, однако, при встречном движении интенсивность вихрей несколько больше, что согласуется с результатами работы [116]. При этом на формирование данного вихревого течения также оказывает влияние скорость движения колонн и дистанциями как между автомобилями в колонне, так и между колоннами. Как показали результаты расчётов, чем больше длина расчётной области (соответствующей периоду в колонне), тем медленнее формируются в ней вихревые течения.
В рамках данной главы приведен способ расчёта аэродинамики колонн, движущихся с разными скоростями и направлениями, а также приведены численные результаты. Как видно из результатов, граница сшивки подобластей вносит некоторую погрешность, связанную с неточностью интерполяции, однако не приводит к их искажению. Данная погрешность может быть уменьшена за счёт использования более точных способов интерполяции, чем линейная. Тем не менее, на участках с быстро меняющимся решением, использование интерполяции более высокого порядка не обеспечивает повышение точности. Использование предложенного в данной главе подхода может давать более точные результаты в случае использования нерегулярных сеток, однако вследствие движения подобластей, около границ будет необходимо обновлять информацию о том, какие ячейки являются соседними.
