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前围造型对12 m客车空气动力学性能影响研究

更新时间:2009-03-28

汽车空气动力学是研究汽车与空气相对运动时的现象和作用规律的一门科学。客车空气动力学性能是指客车在流场中所受到气动六分力(阻力、升力、侧向力、侧倾力矩、纵倾力矩、横摆力矩)的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、气动噪声特性、侧风稳定性、泥土及灰尘的附着和上卷等特性,因为其中的作用以气动阻力和气动升力为主,故用气动阻力系数和气动升力系数作为本次研究评价空气动力学性能的指标[1-4]。对于客车空气动力学性能方面的研究,国外学者结合客车模型以及近似车体模型(Ahmed模型)的风洞试验验证了数值模拟分析的可行性[5-7]。国内学者也用数值模拟方法对Ahmed模型和客车模型进行相关的气动升力以及气动减阻特性研究[8-10];还采用风洞试验对比研究的方法,对单一的前围倾角变化进行了研究[11]

结合国内外学者在客车空气动力学方面的研究,本文基于某款12 m客车的开发,探寻前围造型参数改变对客车气动阻力和气动升力的影响,为客车产品开发提供参考。

1 数值模拟方案的验证

1.1 求解模型选择

相对于航空风洞来说,汽车风洞是低速风洞。所以,在对客车外流场空气动力学性能分析时,客车周围的流场可以直接被认为是三维、定常、等温、不可压、粘性以及湍流流动的。相关研究表明,基于 K-Omega 模型的SST(剪切应力输运)湍流模型能较准确地捕捉气流分离特性,对湍流现象的模拟与实际物理现象吻合性较好,气动参数计算结果较为精确,被广泛应用于汽车绕流的数值仿真[12-13]。本文所有的数值计算都借助于STAR-CCM+仿真平台,选用SST K-Omega湍流模型求解。

博物馆是严肃庄重的场所,它能让我们以中国为自豪,也能鼓励我们不怕艰苦,实现中国梦。所以博物馆公示语的英译质量不仅体现出着我们对历史文化看重程度,也意味着是否向国外游客传达了错误的中国文化信息。本文主要指出了镇江博物馆公示语一部分问题,但是还有好多公示语有错误。希望镇江博物馆能找寻翻译专家修改整个博物馆公示语。当然修正公示语不仅仅是专家的任务,也是每个爱国者的责任。笔者期待更多人可以用自己所学的知识发现公示语错误,并向有关部门反馈。那么,各个地方准确的公示语英译来日可期。

根据亨廷顿的观点,政治衰败源于新兴社会行动者对政治参与的渴望,政治参与程度的减弱有利益政治的稳定,亚当·普沃斯基则对此提出了批评,认为对于稳定的民主政治真正的合法化危机不是来源于社会动员导致的政治参与扩大,而是来自政治参与的不足。[6]就互联网背景而言,两者的理论都需要修正,互联网下的社会动员会导致公民重拾参与政治的热情,但是也诱发了基于互联网的不当的社会动员问题。

1.2 模型建立

Ahmed钝体模型为近似车体模型,最早由S.R.Ahmed[5]用于风洞试验研究汽车尾涡时提出,在汽车空气动力学方面应用广泛,是国际认可的风洞试验模型,可以用来验证数值模拟方法的准确性。图1为在UG中建立的标准Ahmed模型[6](长×宽×高为1 044 mm × 389 mm × 288 mm)。

  

图1 Ahmed钝体模型

计算域的尺寸大小与几何模型大小有关,Ahmed模型与客车模型的计算域选取原则保持一致。长方体的计算域大小是入口边界距车头为3倍车长、出口边界距车尾为4倍车长、左右壁面边界与车辆距离各为3倍车宽、总高度为5倍车高。

前文已经通过Ahmed模型验证了数值模拟方案具有较高的可信度,所以选择SST K-Omega湍流模型来模拟客车车身表面及其周围空气的流动情况。计算域的选取原则与Ahmed模型的选取原则保持一致,即入口边界距车头为3倍车长、出口边界距车尾为4倍车长、左右壁面边界与车辆距离各为3倍车宽、总高度为5倍车高。根据实际情况,车轮略微压扁,则计算域地平面要比原始轮胎下切面高出0.05 m,如图4所示。

1.3 计算结果分析

Ahmed模型数值模拟与风洞试验的气动力系数对比如表1所示,其中气动阻力系数误差为4.70%,气动升力系数误差为3.87%,均小于工程允许的误差5%,说明所采取的数值模拟方法对气动力系数的求解可信度较高。

未覆盖竹林其经营成本支出平均为1 132元/667 m2,其中购买肥料250元,农药22元,平常管理用工860元。覆盖竹林其经营成本支出平均为9 110元/667 m2,其中覆盖物成本为4 223元,约占总成本的46.35%;肥料、农药521元,约占总成本的5.72%;管理用工4 366元,约占总成本的47.93%。由此可见:雷竹林不进行覆盖,基本没有收益,如果算上自家挖笋的用工,那可能还要亏本,说明覆盖是必要的;而对于覆盖竹林的成本支出,通过我们近几年减肥增效、科学覆盖的培训,生产资料成本有所下降,但管理用工的成本仍接近一半,说明劳动力的投入是影响竹农实施规模化适度经营的主要因素之一。

 

表1 数值仿真与风洞试验结果对比

  

气动阻力系数气动升力系数数值仿真结果0 3120 322风洞试验结果0 2980 310

如图2所示,分别取数值模拟和风洞试验距离模型尾部x=500 mm处的截面,观测其速度矢量发现两者在该截面都显示出一对涡核,且流线一致性较好,进一步表明所采取的数值仿真方法具有较高的可信度。这样通过验证后的数值模拟方法,可以用来分析因客车前围造型参数改变而引起的空气动力学性能变化。

  

(a)数值模拟结果

  

(b)风洞试验结果图2 尾部截面速度矢量图(x=500 mm)

2 客车模型及其空气动力学性能

2.1 客车几何模型

[2] 傅立敏.汽车设计与空气动力学[M].北京:机械工业出版社,2011:1-5.

  

图3 客车前围造型参数

Ahmed模型的风洞试验是由Hermann Lienhart等人[6]在LSTM低速风洞中完成的。为保证数值模拟方法的结果与风洞试验数据具有可比性,边界条件的设置与风洞试验条件需要保持一致:入口边界为速度入口,V=40 m/s;出口边界为压力出口,P=101 325 Pa;地面边界为类似移动带地面效应模拟系统,滑移速度40 m/s;壁面边界为无滑移壁面。

  

图4 车轮压扁示意图

体网格采用的是Trimmer(切面体网格),边界层采用Prism Layer(棱柱层网格)模型。除了计算域没有边界层之外,其余均是6层边界层,厚度为16 mm,增长比1.2,体网格最大尺寸为500 mm。如图5所示,通过该网格策略生成的整个模型的体网格数为1 100万~1 200万个。

  

图5 计算域网格示意图

为更准确地模拟客车在公路上行驶,模拟客车车速为100 km/h,具体边界条件如下:入口边界为速度入口,V=100 km/h;出口边界为压力出口,P=101 325 Pa;地面边界为类似移动带地面效应模拟系统,滑移速度100 km/h;壁面边界为无滑移壁面。

2.2 R1对客车空气动力学性能的影响

[5] HAN T, SUMANTRAN V, HARRIS C, et al.Flow-field simulations of three simplified vehicle shapes and comparisons with experimental measurements [J].International congress & exposition, 1996, 86 (7):1159-1166.

  

图6 不同R1的气动阻力系数和气动升力系数

图7为不同R1的对称面速度云图,对比可以发现,当前围顶部半径为0,即没有过渡半径时,气流从正面流经客车顶面,气流不能沿着客车表面流动,分离现象最为严重,气流再附着点后移,分离涡的区域范围较大。在增加R1后,严重的分离涡消失。随着R1的增大,气流贴近车身表面的流动效果逐渐变好,能更平顺地流经转折处,印证了图6中气动阻力系数随R1增加而逐渐减小的结论。从图7可以看出,R1在200~1 000 mm变化范围,气流附着效果虽然逐渐变好,但是附着区域变化范围较小,气动阻力系数降低而降幅不大。

财政内控是财政领域一项基础性、创新性工作,是财政管理的现代要求和财政改革的应有之意。近年来,内蒙古立足自治区实际,从建立制度入手,以见效管用为终极目标,加强领导,统筹谋划,本级先行,以上率下;对盟市、旗县财政分类指导,精准施策,解疑释惑,有序推进;在建设内容上既有统一要求,又明确突出各级、各地特色,内控成效初步显现。

  

(a) R1=0

  

(b) R1=200 mm

  

(c) R1=600 mm

  

(d) R1=1 000 mm图7 不同R1的对称面速度云图

2.3 R2对客车空气动力学性能的影响

参考文献

图9显示了不同R2对应的z向截面对称平面的速度矢量图。当R2为0时,前方气流流经侧面时无法贴近车身,分离严重,反向涡流区域较大,气流流动特性较差。随着R2的增加,前方气流流经侧面时能更好地贴近车身,涡流区域变得很小,气流分离点靠后且再附着点前移,使得该处气流流动特性较好。

1.2方法采用飞利浦iE33型彩色多普勒超声诊断仪和飞利浦EPIQ 7C,探头频率S8-3和S5-1,患儿镇静、安静状态下平卧扫查,经心底大动脉短轴切面,左室长轴切面,四腔心切面,胸骨上窝主动脉弓长轴、短轴切面,以及剑突下翻转的,左、右室流出道长轴切面,心室短轴等多个切面扫查,先对心脏进行全方位观察。

  

图8 不同R2的气动阻力系数和气动升力系数

  

(a) R2=0

  

(b) R2=100 mm

  

(c) R2=300 mm

  

(d) R2=500 mm图9 z向截面速度矢量图(z=500 mm)

2.4 α对客车空气动力学性能的影响

为研究α对空气动力学性能的影响规律,选取6组算例,α从0到10°,变化梯度为2°。所得气动阻力系数和气动升力系数随α的变化规律如图10所示:随着α的增大,气动阻力系数逐渐减小,但减小的幅度较小,α为10°时也才减小0.027。气动升力系数随着α的增大而逐渐增大,变化幅度也较小,最大绝对值为0.155,最大变化值为0.032。气动升力系数均为负值,有利于提高客车高速行驶时的稳定性。

[4] 陈振明,尹华鑫.改善汽车空气动力学性能的措施[J].公路与汽运,2007,23(5):4-6.

  

图10 不同α的气动阻力系数和气动升力系数

  

(a) α=0

  

(b) α=2°

  

(c) α=6°

  

(d) α=10°图11 不同α的对称面速度云图

3 结 论

前围造型对客车气动阻力系数影响较大,对气动升力系数影响较小。气动阻力系数随前围顶部半径、前围侧方半径、前围底部仰角的增加而减小。其中,对气动阻力系数影响最大的为前围侧方半径,前围顶部半径次之,前围底部仰角影响最小。较小的前围顶部半径和较小的前围侧方半径就能显著地降低气动阻力系数,后续继续增加半径,气动阻力系数降低不再那么明显。因此在客车前围造型设计时,应当优先考虑前围侧方半径的选择,且选取适当的前围顶部半径以及适当的前围侧方半径,避免出现因过渡半径过大而降阻效果不大却损失客车内部乘坐空间的问题。

社会压力的存在会对青少年的价值观的建立产生巨大的影响,必须要对青少年进行一定的引导,保证他们能够以正确的方式看待社会,形成正确的价值观。

为研究R2对空气动力学性能的影响规律,选取6组算例,考虑到后视镜的安装位置,R2范围不能过大,取0到500 mm,变化梯度为100 mm。所得气动阻力系数和气动升力系数随R2的变化规律如图8所示,随着R2的增大,气动阻力系数逐渐减小,R2从0增加到100 mm,气动阻力系数减小0.298,此时减幅最为明显,而R2从100 mm增加到500 mm,气动阻力系数仅减小0.045。R2对气动升力系数影响较小,气动升力系数均为负值,有利于提高客车高速行驶时的稳定性。气动升力系数无明显变化规律,最大绝对值为0.155,最大变化值为0.058。

[1] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005:149-151.

为研究客车前围造型参数(前围顶部半径R1、前围侧方半径R2、前围底部仰角α)的变化对客车空气动力学性能的影响,采取了3组算例,每组6个,总共18个。为更好地控制变量,对12 m大客车模型(长×宽×高为12 000 mm × 2 500 mm × 3 000 mm)作简化处理,除了空调、天窗、后视镜安装位置外,对客车顶部、尾部、底部、前部均做平滑处理,如图3所示。

五是保障措施方面的问题。“一站式”司法确认机制是一种矛盾纠纷多元化解机制。它的运行,不仅需要司法机关、司法行政机关在工作机制、人员配备等方面提供保障,还需要在办公场地、办公设备、办公耗材、人员工资、职业保障等方面作出合理安排。这就需要各级党委、政府和相关部门在政策、财政及相关场所建设方面予以支持。

[3] 张英朝.汽车空气动力学数值仿真技术[M].北京:北京大学出版社,2011:24-30.

图11为不同α的对称面速度云图。对比可以发现,客车前围与底部转折处出现涡流区域,且随着α的增加而逐渐变小,当α为10°时,该转折处涡流区域最小。气流流动虽有变化,但是变化范围较小,总体来说各模型气流流动效果相当,所以α对气动阻力系数和气动升力系数影响较小。

“其他同学的父母因为忙于工作不能到场,你们回去后也可以和父母说一声‘您辛苦了’,他们也会非常高兴的。”

为研究R1的影响规律,选取6组算例,R1从0到1 000 mm,变化梯度为200 mm。所得气动阻力系数和气动升力系数随R1的变化规律如图6所示:随着R1的增大,气动阻力系数逐渐减小,R1从0增加到200 mm,气动阻力系数减小0.161,此时减幅最为明显,之后R1从200 mm增加到1 000 mm,气动阻力系数也才减小0.06。R1对气动升力系数影响较小,最大绝对值为0.155,最大变化值为0.035。气动升力系数为负值表示客车行驶时空气对车体将产生下压力,提升轮胎的抓地性能,从而提高客车行驶稳定性。

[6] VINO G, WATKINS S, MOUSLEY P, WATMUFF J, PRASAD S.Flow structures in the near-wake of the Ahmed model[J].Journal of fluids and structures, 2005, 20 (5):673-695.

[7] LIENHART H, BECKER S.Flow and turbulence structure in the wake of a simplified car model[J].Communication law & policy, 2003, 8 (1):25-110.

[8] 宋昕,谷正气,何忆兵,等.基于Ahmed模型的气动升力研究[J].汽车工程,2010,32(10):846-850.

[9] 宋宝军.类客车体非光滑气动减阻特性研究[D].长沙:湖南大学,2014.

[10] 胡树青,庄国华,林风场.中型客车气动特性优化仿真分析[J].机电技术,2015,39(1):62-63.

[11] 杨永柏,黄宜坚,谭鸿迅,等.大客车不同前围和尾翼下的风洞试验对比研究[J].客车技术与研究,2016,38(6):54-57.

第三、护边员补助扶贫。重点在三个边境乡招聘一批贫困人口为护边员,按照一线每人每月2 600元、二线每人每月2 000元的工资标准,确保脱贫。

[12] 吴军,钟志华,谷正气.汽车外流场数值仿真的进一步研究[J].机械工程学报,2003,39(9):110-113.

[13] 吴军,谷正气,钟志华.SST湍流模型在汽车绕流仿真中的应用[J].汽车工程,2003,25(4):326-329.

 
方忠,吴长风,于霖冲,林雪芳,叶诚伟
《客车技术与研究》 2018年第02期
《客车技术与研究》2018年第02期文献

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