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        汽車除霜性能CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

        2015-08-26 07:19:22袁俠義戴澍凱姜葉潔彭麗娟
        客車技術(shù)與研究 2015年5期
        關(guān)鍵詞:汽車優(yōu)化分析

        袁俠義,戴澍凱,姜葉潔,彭麗娟

        (廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣州510640)

        汽車除霜性能CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

        袁俠義,戴澍凱,姜葉潔,彭麗娟

        (廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣州510640)

        簡要介紹汽車除霜除霧的基本原理,對某款乘用車的空調(diào)除霜性能進(jìn)行CFD分析,并通過對管道的優(yōu)化設(shè)計,先利用穩(wěn)態(tài)分析的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷優(yōu)化的可行性,然后瞬態(tài)分析驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)計要求。最后通過除霜試驗(yàn)證明CFD分析的可靠性和有效性,有利于車型開發(fā)中的除霜除霧性能優(yōu)化工作。

        除霜性能;穩(wěn)態(tài)分析;瞬態(tài)分析;CFD;除霜試驗(yàn)

        傳統(tǒng)的設(shè)計是直接通過試驗(yàn)來檢查除霜除霧性能的好壞。但采用試驗(yàn)的方法需要有樣車和相應(yīng)的環(huán)境艙,前期制作空調(diào)樣件的費(fèi)用昂貴和周期較長,而且試驗(yàn)的手段無法獲得除霜除霧氣流的分布和走向規(guī)律,難以快速得到合理的優(yōu)化方案,驗(yàn)證優(yōu)化方案周期較長[1]。目前在車型開發(fā)前階段,CFD計算是分析優(yōu)化除霜除霧性能的主要手段之一。CFD計算可以在設(shè)計開發(fā)前期預(yù)測各種方案的可行性和優(yōu)劣性,大大減少試制樣件和試驗(yàn)次數(shù),很好地縮短設(shè)計開發(fā)周期和降低開發(fā)成本[2]。

        本文利用CFD手段對某乘用車的除霜性能進(jìn)行模擬計算。通過分析計算結(jié)果,對左右風(fēng)量分配以及流線分布進(jìn)行了優(yōu)化,利用穩(wěn)態(tài)求解的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值判斷優(yōu)化方案的可行性,再通過瞬態(tài)分析預(yù)測除霜性能是否達(dá)到國標(biāo)要求,最后對優(yōu)化后的管道進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

        1 汽車除霜除霧的基本原理

        1.1汽車結(jié)霜和起霧的原因

        汽車的結(jié)霜和起霧一般有兩個條件:濕度過高和溫度相對過低,兩者缺一不可。

        結(jié)霜的原理:當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定條件,并且車窗兩側(cè)出現(xiàn)一定的溫差時(一般冬天車內(nèi)溫度會高于車外環(huán)境溫度),溫度低的表面的水分飽和蒸汽壓低于周圍環(huán)境的蒸汽壓時,水汽就向玻璃表面聚集,并以微小的水珠形式滲析出來而形成霧氣;而當(dāng)周圍環(huán)境溫度低于露點(diǎn)溫度0℃時,玻璃表面的霧氣就會結(jié)霜[3]。

        起霧的原理:當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定的條件,且車窗溫度低于露點(diǎn)溫度時,就會在車窗表面形成結(jié)露;而當(dāng)周圍環(huán)境溫度高于露點(diǎn)溫度0℃時,則形成起霧現(xiàn)象[3]。

        1.2汽車除霜的原理與國標(biāo)要求

        汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜原理:氣流從空調(diào)除霜口進(jìn)入乘員艙對玻璃壁面加熱,熱氣流通過熱傳導(dǎo)和輻射的方式傳遞到玻璃內(nèi)表面;氣流的溫度使得玻璃內(nèi)外表面存在溫差,引起玻璃內(nèi)外表面的熱傳導(dǎo);玻璃外表面的霜層接受熱量,累計的熱量超過霜層潛在融化熱量,霜層便開始融化[3]。

        汽車空調(diào)系統(tǒng)的除霜性能是整車開發(fā)中的一項(xiàng)重要指標(biāo),國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555-2009中規(guī)定了汽車應(yīng)裝備除霜除霧系統(tǒng)[1],并需要符合如表1中的要求。

        表1  國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11555- 2009

        2 除霜性能的CFD分析

        2.1汽車除霜CFD模型

        為了能夠更準(zhǔn)確地模擬除霜除霧過程,在計算資源允許的情況下,物理模型(見圖1)充分地考慮了對結(jié)果有影響的部件和細(xì)節(jié),保留了包括HVAC、除霜管道、儀表板、座椅等;除霜模型的入口為HVAC的風(fēng)機(jī)入口,出口為乘員艙后排衣帽架位置。

        利用HyperMesh軟件處理模型的幾何錯誤,得到一個封閉空間的計算域,并在HyperMesh中完成面網(wǎng)格的劃分,如圖2所示。將面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM+后,生成多面體形式的體網(wǎng)格。

        體網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定,兼顧考慮計算精度和計算成本。在流動復(fù)雜區(qū)域附近(如HVAC,除霜空調(diào)管道)使用小尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分,在流動變化緩慢的區(qū)域或?qū)τ嬎憬Y(jié)果影響較小的區(qū)域(乘員艙后半段)使用尺寸相對較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。最后生成的多面體網(wǎng)格數(shù)大約870萬[4]。

        2.2除霜穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)分析的結(jié)合應(yīng)用

        空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)中除霜和除霧的CFD分析基本一致,本文只對除霜分析進(jìn)行說明?,F(xiàn)階段的計算資源,一般汽車除霜CFD穩(wěn)態(tài)求解大約需要8 h,瞬態(tài)求解大約需要4~6天。在設(shè)計開發(fā)的前期,由于需要修改的次數(shù)較多,使用瞬態(tài)求解將很難滿足工程時間上的要求。綜合考慮開發(fā)周期和計算成本,根據(jù)工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出一套有效的除霜性能CFD優(yōu)化流程:在開發(fā)的前期,使用穩(wěn)態(tài)求解完成管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作,滿足穩(wěn)態(tài)計算目標(biāo)后,再進(jìn)行瞬態(tài)計算的驗(yàn)證[5]。圖3為穩(wěn)態(tài)求解結(jié)果示意圖。

        穩(wěn)態(tài)求解的目標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)如下:

        1)風(fēng)量分配和設(shè)計要求一致。

        2)風(fēng)窗玻璃面流線要均勻,盡量避免亂流。

        3)玻璃表面風(fēng)速以1.2m/s為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,A區(qū)和A'區(qū)要100%達(dá)到1.2m/s以上,B區(qū)域要有90%達(dá)到1.2m/s以上。

        2.3除霜穩(wěn)態(tài)分析的邊界設(shè)定

        除霜穩(wěn)態(tài)求解主要是考慮氣流的流動。由于除霜?dú)饬魉俣容^低,所以流體區(qū)的物性參數(shù)設(shè)定為常數(shù),不考慮重力和溫度的影響,邊界參數(shù)如表2所示[5]。

        表2 穩(wěn)態(tài)計算邊界條件

        對車內(nèi)流場模擬時,湍流模型選擇Realizablek-ε模型,因?yàn)樗梢愿玫靥幚砀邞?yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動[6];在壁面附近的附面層中采用壁面函數(shù)法;穩(wěn)態(tài)計算入口設(shè)為流量入口,流量大小為空調(diào)設(shè)定的目標(biāo)值,入口處氣流的速度均勻分布,方向垂直于入口邊界;出口設(shè)為壓力出口,背壓為0;所有物理量的收斂判斷條件為誤差不大于1.0E-4。

        2.4除霜瞬態(tài)分析的邊界設(shè)定

        瞬態(tài)計算除了考慮計算域的流動外,還要考慮對流換熱和熱輻射等。一般為了節(jié)省求解的收斂時間,先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算,等流場穩(wěn)定后,再調(diào)整入口邊界,打開能量方程進(jìn)行瞬態(tài)計算。瞬態(tài)計算需要調(diào)整的邊界設(shè)定如表3所示;除霜溫升曲線如圖4所示[7]。

        表3 瞬態(tài)計算邊界條件

        3 汽車除霜性能的CFD優(yōu)化與預(yù)測

        3.1除霜性能的優(yōu)化

        空調(diào)除霜除霧性能的設(shè)計參數(shù)主要有除霜?dú)饬鞒隹谖恢?、氣流和玻璃面的夾角、出口截面形狀、管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。因?yàn)榍捌谝呀?jīng)進(jìn)行了出口位置和出風(fēng)夾角等和布置相關(guān)的設(shè)計,本文主要考慮除霜管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

        除霜管道如圖5所示,為從車頭方向看過去的正視圖。管道有四個出口,DR.S指駕駛員側(cè)的側(cè)窗除霜出口,DR.C指駕駛員側(cè)前擋風(fēng)玻璃除霜出口,PA.C副駕駛員側(cè)前擋風(fēng)玻璃除霜出口,PA.S指副駕駛員側(cè)的側(cè)窗除霜出口。國家標(biāo)準(zhǔn)中未對側(cè)窗的除霜效果進(jìn)行規(guī)定,因此,在保證管道出口風(fēng)量分配合理的前提下,主要針對前窗的除霜性能進(jìn)行優(yōu)化。

        通過穩(wěn)態(tài)分析發(fā)現(xiàn),初版除霜?dú)饬鞯牧鲃臃浅;靵y,而且流量的分配也和設(shè)計目標(biāo)有一定差異。表4為流量分配計算結(jié)果。本次設(shè)計的管道是扇形管道,并在管道內(nèi)側(cè)設(shè)計導(dǎo)流片。這種形式的管道可以通過改變導(dǎo)流片的相對位置和形狀來進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案分兩步走:優(yōu)化流量分配;優(yōu)化除霜?dú)饬髁鲃印?/p>

        表4 除霜?dú)饬黠L(fēng)量分配表

        3.2穩(wěn)態(tài)除霜性能分析優(yōu)化

        穩(wěn)態(tài)除霜優(yōu)化是CFD優(yōu)化除霜性能的主要手段。通過對管道的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片的長度和角度進(jìn)行優(yōu)化(如表5所示),以提高前擋風(fēng)玻璃面的流速和流動分布,具體優(yōu)化流速和流線分布過程如下。

        1)優(yōu)化風(fēng)量分配:風(fēng)量分配沒有達(dá)到設(shè)計要求,副駕駛員側(cè)風(fēng)量偏小。如圖6所示,管道結(jié)構(gòu)中部位置需要向右移動3mm,以增加副駕駛員側(cè)風(fēng)量;管道入口處兩側(cè)導(dǎo)流片向中間移動2mm,以增大兩側(cè)除霜風(fēng)量。優(yōu)化后管道如圖6中虛線所示;優(yōu)化后流量如表4所示,基本滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

        2)優(yōu)化流速和流線分布,以提高前擋風(fēng)玻璃面的除霜效果。

        ①根據(jù)表6中原始管道的分析結(jié)果,管道的流動分布非常差,左右兩邊氣流過于分散,導(dǎo)流片的導(dǎo)流效果較差。優(yōu)化方案:先加長導(dǎo)流片上半部分的導(dǎo)向長度,減少下半部分的斜率,并在上部加入一定的斜率,優(yōu)化后管道見表5第a版。

        ②第a版管道的分析結(jié)果:兩側(cè)的除霜?dú)饬骰靵y,不能落到玻璃面上,原因是兩側(cè)導(dǎo)流片的角度導(dǎo)流能力較差;中間位置的氣流也存在互相干涉。優(yōu)化方案:調(diào)整導(dǎo)流片為兩長四短,把除霜?dú)饬鞑糠址稚⒌角皳躏L(fēng)玻璃兩側(cè);同時導(dǎo)流片角度太大,造成了局部亂流,進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)流片的角度,優(yōu)化后管道見表5第b版。

        表6 除霜流速和流線分布優(yōu)化圖

        ③從第b版管道的分析結(jié)果可知,流線在駕駛員側(cè)的下角處速度過慢,并且整體流速偏慢,應(yīng)適當(dāng)加大除霜出口流速。優(yōu)化方案:右側(cè)的導(dǎo)流片改成長型,在除霜管道出口加入格柵,離散并加快出口氣流的流速。為了減少格柵對氣流走向的影響,格柵的高度必須小于5 mm,寬度小于2mm。優(yōu)化后管道見表5第c版。

        ④從第c版管道的分析結(jié)果可知,流線分布均勻,在視野區(qū)域內(nèi)流速達(dá)到1.2m/s的達(dá)到了90%以上。3.3除霜瞬態(tài)分析及試驗(yàn)結(jié)果對比

        搭建瞬態(tài)除霜模型進(jìn)行瞬態(tài)除霜CFD分析,其中前擋風(fēng)玻璃A區(qū)、A′區(qū)和B區(qū)如圖7所示。

        CFD瞬態(tài)分析結(jié)果如表7所示。經(jīng)計算得到除霜開始時間大約是試驗(yàn)開始后9min時刻(為了與表7的試驗(yàn)結(jié)果對比,主要監(jiān)測每間隔5min的分析結(jié)果),需要判斷除霜面積的時刻都達(dá)到國標(biāo)要求。

        根據(jù)GB 11555-2009除霜和除霧試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定環(huán)境艙的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法,先后對樣車進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。除霜結(jié)果見表7。

        表7 除霜面積CFD分析及試驗(yàn)結(jié)果

        仿真瞬態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致,誤差大約在2%左右。主要原因是溫升曲線為設(shè)計目標(biāo)值,在試驗(yàn)過程中可能存在發(fā)動機(jī)工作的轉(zhuǎn)速波動,溫升曲線有所變化,所以結(jié)果會有所差異,但誤差都在3%以內(nèi),達(dá)到了工程應(yīng)用的誤差要求。

        4 結(jié)論

        1)利用CFD方法能很好地完成汽車除霜分析優(yōu)化,縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。

        2)利用穩(wěn)態(tài)求解方法作為除霜分析的重要組成部分,并總結(jié)出穩(wěn)態(tài)求解的判斷標(biāo)準(zhǔn),能有效提高CFD分析的效率、節(jié)約計算資源。

        3)本文中提出的優(yōu)化風(fēng)量分配,優(yōu)化氣流走勢的方法,可以指導(dǎo)其他車型的開發(fā)。

        4)通過試驗(yàn)和CFD計算結(jié)果對比,驗(yàn)證模型選擇的正確性,可進(jìn)一步證明CFD分析優(yōu)化除霜的可靠性。

        [1]GB 11555-2009,汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

        [2]谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2005.8.[3]鄧峰,谷正氣,楊易,等.汽車前風(fēng)窗玻璃除霜除霧數(shù)值模擬分析和研究[J].汽車工程,2009,31(2):175-179.

        [4]谷正氣,孟慶超,楊易,等.轎車室內(nèi)流場的數(shù)值模擬研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(7):1700-1702.

        [5]付宇,蔡曉林,蘇成謙.汽車除霜管道的數(shù)值模擬仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C].2012年IDAJ-China中國用戶論文集,2012:271 -282.

        [6]黃向東.汽車空氣動力學(xué)與車身造型[M].北京:人民交通出版社,2000.

        [7]張曉蘭,施俊業(yè),陳江平.汽車擋風(fēng)玻璃除霜性能數(shù)值模擬[J].汽車工程,2007,29(11):1009-1013.

        修改稿日期:2014-12-01

        CFD Analysisand Test Verification on Automotive Defrosting Performance

        Yuan Xiayi,DaiShukai,Jiang Yejie,Peng Lijuan
        (AutomotiveEngineering Institute,Guangzhou AutomobileGroup Co.,Ltd,Guangzhou 510640,China)

        Theauthorsbriefly introduce the fundamentalprincipleofautomotivedefrosting,andanalyze thedefrosting performanceofapassenger carconditionerby CFDmethod.Through optimizing theductstructuredesign,theyuse the experience data of steady-state analysis to estimate the optimizing feasibility.The result of transient analysis shows that thedefrostingeffectsatisfies thedesign requirement.Last,the defrosting testproves the reliability and validity of theCFDmethod.Thismeasureisbeneficial to theoptimizingwork ofdefrostingperformance forvehicledevelopment.

        defrostingperformance;steady-stateanalysis;transientanalysis;CFD;defrosting test

        U463.85+1

        B

        1006-3331(2015)05-0052-04

        袁俠義(1983-),男,碩士;工程師;主要研究方向:汽車空氣動力學(xué)。

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