Моделирование процесса обтекания автомобиля

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИЮ РФ

 

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра: «Автомобильный транспорт»

 

Реферат по дисциплине: Математическое моделирование

 

«МОДЕЛИРОВАНИЕ  ПРОЦЕССА ОБТЕКАНИЯ АВТОМОБИЛЯ»

 

    

 

 

 

 

  Студент гр. 09-АХ

                                                                             Верещако Р. К.

                                                                             Преподаватель:

                                                                                                Архангельский А. Н.

Брянск 2012

 

 

 

       Движение автомобиля сопровождается сложными процессами взаимодействия с окружающим воздухом. Среди них выделяют два типа процессов: обтекание внешней поверхности автомобиля и внутренние потоки воздуха. Эти процессы тесно связаны друг с другом. Воздушный поток должен проходить через внутреннее пространство автомобиля, в большей степени это необходимо для обеспечения охлаждения двигателя. Объемный расход воздуха через радиатор системы охлаждения зависит от скорости движения автомобиля. Проблема влияния внутренней аэродинамики на внешнюю до сих пор полностью не изучена. Многочисленные эксперименты показывают, что коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля становится меньше, если закрыть воздушный тракт системы

охлаждения. Это приводит к уменьшению коэффициента на 5 - 30 процентов. На основании этого иногда делается вывод, что именно это и есть плата  за использование набегающего потока. Очень часто при этом пишут, что  для того чтобы уменьшить долю аэродинамического сопротивления  системы охлаждения нужно уменьшать  аэродинамическое сопротивление самого воздушного тракта. Это утверждение  противоречит упомянутым экспериментальным  данным, - ведь когда мы закрываем  проход воздуха через воздушный  тракт, то коэффициент его аэродинамического  сопротивления становится равным бесконечности.

        Расположение, форма, конструкция воздухозаборных  отверстий влияют на количество  воздуха проходящего через радиатор, вместе с тем эти параметры  также оказывают влияние и  на внешнюю аэродинамику. Для  того, чтобы решать концептуальные вопросы конструирования «воздушной части» системы охлаждения двигателя легкового автомобиля, необходимо знать физическую природу процессов, происходящих при протекании охлаждающего воздуха через воздушный тракт и влияние этого течения на аэродинамику автомобиля в целом. Необходимо изучить главные детали этого процесса.

Рассмотрим воздухозаборник имеющий тонкостенный обтекатель. Теоретическая форма струи для двух режимов работы воздухозаборника показана на рис. 1 (А _∞ – площадь сечения струи воздуха, проходящего через внутренний канал, где поток невозмущен ,A _н - площадь воздухозаборника).

Одним из основных параметров воздухозаборника и воздушного тракта является коэффициент расхода φ , который характеризует отношение действительного расхода воздуха, проходящего через воздухозаборник в единицу времени G , к тому расходу G_∞ , при котором параметры потока во входном сечении равны параметрам невозмущенного потока:

_.

Если воздух несжимаем, то = w _н / w_∞, где w _н - скорость воздуха в

воздухозаборнике, w_∞ - скорость набегающего воздуха.

Используя закон сохранения импульса можно получить выражение  для определения силы аэродинамического сопротивления воздухозаборника

Рисунок 1 - Схемы  обтекания воздухозаборника при различных режимах работы: а)

при скорости струи  меньше скорости движения; б) при скорости струи равной скорости движения

Таким образом, сила аэродинамического  сопротивления воздухозаборника зависит

только от его режима работы, определяемого коэффициентом расхода φ . Если φ=1, т.е. нет изменения скорости в потоке, то F N = 0 Или другой крайний случай когда φ = 0 , когда внутренний канал закрыт, . Эта сила равна силе давления потока на пластину, запирающую канал.

Представленная зависимость  не согласуются с упомянутыми  результатами «продувки» легкового  автомобиля. Наблюдается противоположный  эффект, если закрыть воздухозаборник, то сила аэродинамического сопротивления, действующая на него, увеличится. Если же закрыть воздухозаборник системы охлаждения автомобиля, то сила

аэродинамического сопротивления, действующая на автомобиль, наоборот уменьшится.

Следует предположить, что  обтекание автомобиля воздушным  потоком сопровождается более сложными процессами. Разный результат обусловлен абсолютно разными условиями  обтекания. Таких отличий несколько: площадь воздухозаборных отверстий  автомобиля значительно меньше его  фронтальной площади, поверхность  кузова автомобиля имеет сложную  асимметричную форму, большое влияние  на обтекание

автомобиля имеет поверхность  дороги и т.д.

Для определения основных факторов влияния потока воздуха  протекающего внутри

объекта на его аэродинамику были проведены численные эксперименты с использованием

программного модуля CosmosFloWorks. Чтобы исключить влияние вторичных факторов

автомобиль был заменен  простейшими моделями. Модели представляли собой цилиндр с

закругленными краями. Длина  и диаметр моделей соответствовали  длине и ширине

легкового автомобиля среднего класса. Модели имели внутренний осевой канал,

имитирующий воздушный тракт  автомобиля. На передней панели моделей  было выполнено круглое воздухозаборное  отверстие, площадь которого составляла 3,5% площади миделя модели. Воздухозаборные  отверстия всех моделей имели  одинаковый диаметр.

Аэродинамическое сопротивление  внутреннего канала моделировалось переменным

сечением отверстия на задней панели моделей (выпускное отверстие). Скорость

набегающего потока воздуха  задается 41,7 м/с. Во всех экспериментах были использованы трехмерные модели, т.е. исследовалось трехмерное обтекание. Для удобства дальнейшего описания модели будут называться по величине выпускного отверстия. Таким образом, имеем модели с дросселирующими отверстиями «50», «100», «150», «200», «250», «300», «350», «400», «500» и «560». На рис. 2 представлены результаты численного эксперимента. График а показывает изменение силы аэродинамического сопротивления моделей Fx в зависимости от расхода воздуха G. Линия в показывает величину аэродинамического сопротивления модели с закрытым воздухозаборным отверстием, а линия б соответствует аэродинамическому сопротивлению модели с закрытым выпускным отверстием (модель «0»). Хотя в последних двух случаях воздух через внутренний канал не проходит, но аэродинамическое сопротивление этих моделей абсолютно разное. Аэродинамическое сопротивление модели, у которой воздушный тракт перекрыт на выходе будет на 19% больше чем у модели, тракт которой закрыт прямо на передней панели. Это говорит о том, что нарушение целостности поверхности передней панели приводит к изменению течения воздуха в передней части.

Часть потока воздуха у  модели «0», находящегося напротив воздухозаборного отверстия,

проникает внутрь канала на определенную глубину и вновь  выходит обратно, тем самым

существенно искривляется траектория его движения. Давление в плоскости  отверстия

возрастает незначительно (по сравнению с моделью с закрытым воздухозаборным

отверстием), поэтому аэродинамическое сопротивление этой модели в основном зависит от изменившихся условий  обтекания. Траектория потока воздуха  вдоль передней панели

становится более пологая, из-за «проседания» потока в области  воздухозаборных отверстий, что  в свою очередь приводит к его  большему отрыву от кромки передней панели по периферии

 

Рисунок 2 - Зависимость  аэродинамического сопротивления  цилиндрических моделей от расхода  воздуха через тракт

а – воздушный  тракт открыт; б – закрыты воздухозаборные отверстия; в – воздушный тракт закрыт на выходе.

У модели «0» коэффициент  аэродинамического сопротивления  воздушного тракта

равен бесконечности. У остальных моделей через воздушный тракт проходит воздух. По

мере увеличения расхода  воздуха увеличивается аэродинамическое сопротивление моделей(рис. 2). Установлено, что давления перед воздухозаборным отверстием по мере увеличения G мало влияет на аэродинамическое сопротивления моделей. Сопротивление моделей и в этом случае зависит в основном от процессов, протекающих в передней части. Чтобы понять, какие процессы происходят при обтекании модели нужно исследовать структуру потока в ее передней части. Струя воздуха, находящаяся в проекции воздухозаборного отверстия, имеет разное строение в зависимости от расхода воздуха через тракт. При небольшом расходе струя разделяется, центральная часть идет через воздухозаборное отверстие внутрь модели (рис. 3 а), а периферийная часть струи, причем значительная, отклоняется от оси и обтекает модель снаружи. Отклонение этой части потока начинается на определенном расстоянии от передней панели. По мере увеличения расхода воздуха диаметр струи, попадающей внутрь воздушного канала, становится все больше (рис. 3 б).

 

Рисунок 3 - Струя  воздуха, попадающая в воздушный  тракт моделей:

а) – модель «100»; б) – модель «400».

Как можно наблюдать на рис. 2 плавный рост аэродинамического  сопротивления

моделей по мере увеличения расхода воздуха в определенный момент резко падает.

Переходный процесс начинается когда расход воздуха достигает величины G=0,05 м3/с, в

этом случае уменьшается отрыв потока от кромок воздухозаборного отверстия, при этом

весь воздушный поток, находящийся перед воздухозаборным  отверстием подадает внутрь

воздушного канала не искривляясь. Это состояние можно назвать режимом «насыщения». На интервале изменения расхода 0,05-0,35 м3/с поток становится нестационарным это приводит к резкому снижению сопротивления модели. При дальнейшем увеличении расхода G диаметр струи, попадающей в воздухозаборное отверстие становится больше чем диаметр этого отверстия, поэтому струя воздуха сужается (рис. 3 б).

Картина течения струи  для затупленного тела с небольшим воздухозаборным

отверстием принципиально  отличается от обтекателя имеющего большое  отверстие (рис.1 а). Отличие заключается  в том, что сечение струи воздуха  перед воздухозаборником

становится больше сечения  воздухозаборника, а затем уменьшается (рис. 3 б). Это вызвано значительным искривлением траектории потока обтекающего модель.

При малых расходах зона полного торможения потока воздуха  находится в области

воздухозаборного отверстия  модели, затем по мере увеличения G, смещается от центра к

переферии. Эта зона постепенно преобретает форму кольца, поскольку часть воздуха из

центральной части проходит через воздушный тракт. В момент «насыщения» полное

торможение потока оказывается  на кромке воздухозаборного отверстия. При дальнейшем

увеличении расхода воздуха зона полного торможения будет находиться вокруг

воздухозаборного отверстия, примерно посредине между отверстием и внешней кромкой

передней панели.

В инервале изменения расхода G от 0,35 до 1,0 м3/с наблюдается резкое увеличение

аэродинамического сопротивления  модели (рис. 2). Это происходит в первую очередь из-за того, что достаточно большая часть воздуха набегающяя на модель идет через воздушный тракт, это составляет 1-3% от общего потока. На кромке воздухозаборного отверстия возникает отрыв потока это и обуславливает резкое увеличение сопротивления.

Эти эксперименты показали, что обтекание потоком воздуха  тел, имеющих внутренний канал, сопровождается гораздо более сложными процессами, чем это может показаться на первый взгляд. Кроме того, что аэродинамическое сопротивление тела зависит от расхода  воздуха, оно еще зависит от множества  факторов, например: размеров, формы  и конструкции воздухозаборных  отверстий, их расположения на передней панели, форма

передней части самого тела и т.д.

Рисунок 4 - Модель автомобиля

Для исследования обтекания  легкового автомобиля был проведен специальный

эксперимент. В численном  эксперименте в целях исключения влияния вторичных факторов модель автомобиля имела упрощенную трехмерную форму (рис. 4). У модели отсутствовали  колеса, она имела ровное днище  и т.д. В эксперименте было использовано несколько моделей автомобилей  отличающихся между собой «воздушным трактом системы охлаждения». Воздушный  тракт также имел упрощенную форму. Он состоял из двух воздухозаборных  отверстий, расположенных выше и  ниже бампера. Подкапотное

пространство было имитировано  двумя горизонтальными каналами, идущими от

воздухозаборных отверстий  и двумя вертикальными каналами. Задний вертикальный канал заканчивался выпускным отверстием в днище  автомобиля. Модели автомобилей отличались сопротивлением воздушного тракта, величина которого моделировалась размерами  выпускного отверстия. Площадь отверстия (щели) изменялась за счет его ширины.

Исследования были выполнены  для восьми моделей автомобилей. Первая модель

внутри воздушного тракта не имела. Именно по отношению к этой модели оценивалось

влияние на внешнюю аэродинамику протекания воздуха внутри остальных  моделей.

Картина обтекания модели без воздушного тракта показана на рис. 5. На передней