隧道内复杂工况下汽车高速气动特性研究
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摘要
汽车空气动力学特性是车身造型设计的前提基础和理论依据,它会影响到汽车的动力性、操纵稳定性、安全性、经济性、乘员的舒适性和周围环境等多个方面,是评价整车性能的重要指标,并已经成为汽车能否在激烈的市场竞争中取胜的重要因素。随着我国汽车产业和高等级公路的迅速发展,汽车车速不断提高,汽车空气动力学研究在国内倍受关注。
随着国内汽车空气动力学研究不断深入发展,汽车外流场的研究不再局限于对简单的理想型体或其他简化模型的稳态分析,对接近实车的几何形体和瞬态问题的研究受到越来越多的关注。新的研究领域呈现出内外流场相互耦合、复杂工况与复杂环境相互耦合等多因素偶合的特征。由于风洞试验的局限性,CFD技术在这些新的领域中发挥着越来越重要的作用。本文以国家创新工程“中气计划”为平台,开展了隧道内复杂工况下汽车高速气动特性研究工作,将轨道交通中的压力波研究引入到汽车空气动力学特性研究中来,数值计算结果对于中气轿车设计与开发有一定的实际指导意义。
首先本文对Ahmed模型、中气轿车、隧道进行了六面体网格划分,根据网格节点和单元的编号,编写了网格变化子程序。
然后运用滑移交界面(Sliding Interface)和移动网格(Moving Mesh)技术实现网格的移动来对Ahmed外流场进行了瞬态数值模拟。并对比了其稳态流场的压力分布、湍动能、湍流粘性、速度标量,分析了二者的差别以及产生这些差别的原因。
最后运用滑移交界面和移动网格技术对单车过隧道、隧道内轿车与轿车迎面会车、隧道内轿车超轿车的外流场进行了数值模拟,找出这些复杂状态下轿车车身压力波、气动力的变化规律,并分析了其原因。
Automotive aerodynamic characteristic is the principal and theoretical basis for the automobile body design.It affects vehicle dynamic characteristic,driving stability,security, economy,comfort and environment.It has been an important indicator to evaluate automobile performance.It takes an important role for automobile to win the fierce market competition. With the rapid progress on the development of domesic automotive industry and expressway,it is paid more and more attention on the automotive aerodynamic.
As the research on automotive aerodynamic get further, the focus of external flow field research is going to shift from simple modle and steady analysis to real model and unsteady analysis.New reseach field has the characteristics coupling muti-factors. Beacause of the limitation of wind tunnel test,CFD (computational fluid dynamic) is more and more widely applied in new research fields.Subsidized by national innovation project"zhongqi program",aerodynamic characteristic of high speed vehicles in tunnel is on disscution,the result of numerical simulation can provide an instruction for the car design and research.
Before the numerical analysis, the hexa mesh of ahmed model, car and tunnel model are created.It takes almost half workload of whole thesis.Then write the program changing mesh.
Next,with sliding interface and moving mesh technique provided by STAR-CD software,the transit external flow field around ahmed model is simulated.Compared with the pressure,turbulent kinetic energy,turbulent viscosity,velocity magnitude distribution from steady anlysis,the difference between transit result and steady result is concluded.
At last, with sliding interface and moving mesh technique,the 3-D transient external flow field when single vehicle go through tunnel,two vehicles pass each other and one automobile overtake another in tunnel are simulated.The tendency of changing drag and side force is provided.By analyzing the pressure distribution and velocity vector on some sections,pressure pulse on some cells,the reason for the tendency and transient aerodynamic characteristics are concluded.
随着国内汽车空气动力学研究不断深入发展,汽车外流场的研究不再局限于对简单的理想型体或其他简化模型的稳态分析,对接近实车的几何形体和瞬态问题的研究受到越来越多的关注。新的研究领域呈现出内外流场相互耦合、复杂工况与复杂环境相互耦合等多因素偶合的特征。由于风洞试验的局限性,CFD技术在这些新的领域中发挥着越来越重要的作用。本文以国家创新工程“中气计划”为平台,开展了隧道内复杂工况下汽车高速气动特性研究工作,将轨道交通中的压力波研究引入到汽车空气动力学特性研究中来,数值计算结果对于中气轿车设计与开发有一定的实际指导意义。
首先本文对Ahmed模型、中气轿车、隧道进行了六面体网格划分,根据网格节点和单元的编号,编写了网格变化子程序。
然后运用滑移交界面(Sliding Interface)和移动网格(Moving Mesh)技术实现网格的移动来对Ahmed外流场进行了瞬态数值模拟。并对比了其稳态流场的压力分布、湍动能、湍流粘性、速度标量,分析了二者的差别以及产生这些差别的原因。
最后运用滑移交界面和移动网格技术对单车过隧道、隧道内轿车与轿车迎面会车、隧道内轿车超轿车的外流场进行了数值模拟,找出这些复杂状态下轿车车身压力波、气动力的变化规律,并分析了其原因。
Automotive aerodynamic characteristic is the principal and theoretical basis for the automobile body design.It affects vehicle dynamic characteristic,driving stability,security, economy,comfort and environment.It has been an important indicator to evaluate automobile performance.It takes an important role for automobile to win the fierce market competition. With the rapid progress on the development of domesic automotive industry and expressway,it is paid more and more attention on the automotive aerodynamic.
As the research on automotive aerodynamic get further, the focus of external flow field research is going to shift from simple modle and steady analysis to real model and unsteady analysis.New reseach field has the characteristics coupling muti-factors. Beacause of the limitation of wind tunnel test,CFD (computational fluid dynamic) is more and more widely applied in new research fields.Subsidized by national innovation project"zhongqi program",aerodynamic characteristic of high speed vehicles in tunnel is on disscution,the result of numerical simulation can provide an instruction for the car design and research.
Before the numerical analysis, the hexa mesh of ahmed model, car and tunnel model are created.It takes almost half workload of whole thesis.Then write the program changing mesh.
Next,with sliding interface and moving mesh technique provided by STAR-CD software,the transit external flow field around ahmed model is simulated.Compared with the pressure,turbulent kinetic energy,turbulent viscosity,velocity magnitude distribution from steady anlysis,the difference between transit result and steady result is concluded.
At last, with sliding interface and moving mesh technique,the 3-D transient external flow field when single vehicle go through tunnel,two vehicles pass each other and one automobile overtake another in tunnel are simulated.The tendency of changing drag and side force is provided.By analyzing the pressure distribution and velocity vector on some sections,pressure pulse on some cells,the reason for the tendency and transient aerodynamic characteristics are concluded.
引文
[1]杨尊正,邹仲贤译.赛伯里尔斯基著.汽车空气动力学.北京：人民交通出版社,1984,162-163,192-193
[2]中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范JTG D70-2004.人民交通出版社2004-10，117
[3]胡希捷.国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会上的讲话.北京.2002-11-6
[4]张生瑞,马壮林,徐景翠.高速公路隧道内交通事故分布规律.长安大学学报(自然科学版)2008,28(4)74-78
[5]张玉春,何川,方勇等.高速公路隧道群交通事故风险致因分析.中国安全科学学报,2009,19(9)120-124
[6]陶文铨.计算传热学的近代进展.北京：科学出版社,2006,13
[7]F.N.Beauvais. Aerodynamic Inputs to a Parked Vehicle by a Passing Bus. SAE Paper 700037,1970,342-345
[8]Robert K.Heffley. Aerodynamic of Passenger Vehicles in Close Proximity to Tucks and Buses. SAE Paper 730235,1973,901-913
[9]S.R.Ahmed, W.H.Hucho. The Calculation of the Flow Field Past a Van with the Aid of a panel Method. SAE Paper 770390,1977,1672-1691
[10]Nobuo Kobayashi, Yoshinori Sasaki. Aerodynamic Effects of an Overtaking Ariticulated Heavy Goods Vehicle on Car Trailer-An Analysis to Improve Controllability. SAE Paper 871919,1987,3924-3931
[11]Minato Kiyoyuki, Ryu Hano, Kobayashi Toshio.Flow Visualization Using the Laser Light Sheet Method and Its Digital Image Processing[C].SAE Paper 910314
[12]Kenji Okumura,Toshihiko Kurlyama.Transient Aerodynamic Simulation in Crosswind and Passing an Automobile.SAE Paper 970404,1997,139-156
[13]Abdel Azim A F,Abdel Gawad A F.A Flow Visualization Study of the Aerodynamic Interface between Passenger Cars[C].SAE Paper 2000-01-0355
[14]L.Tsuei,J.K.Hedrick,O.Savas.A Wind Tunnel Investigation of the Transient Aerodynamic Effects on a Four-Car Platoon during Passing Maneuvers.SAE Paper 010875,2000,1470-1482
[15]Abdel Gawad A F.Aerodynamics of Vehicles Through Driving Tunnels Experimental Study of Interference and Drag Reduction[C].SAE Paper 2001-01-1044
[16]Patrick G.,Christophe Noger,Contribution to the Analysis of Transient Aerodynamic Effects Acting on Vehicles[C].SAE Paper 2004-01-1311
[17]刘顺航.复数车辆并排行驶流场特性的研究：[吉林大学硕士学位论文].吉林长春：吉林大学,2005
[18]周伟.多车相会过程的计算模拟及其对汽车气动特性的影响研究：[湖南大学硕士论文].湖南长沙：湖南大学,2005
[19]贺宝琴.复数车辆超车过程中的气动干扰特性研究： [吉林大学硕士学位论文].吉林长春：吉林大学,2005
[20]扶原放.轿车超过大型运输车的数值模拟研究：[吉林大学博士学位论文].吉林长春：吉林大学,2006
[21]江叔通.具有移动边界的类车体粘性绕流的数值模拟：[南昌航空工业学院硕士学位论文].江西南昌：南昌航空工业学院,2006
[22]李玉虎.会车过程的空气动力特性研究：[吉林大学硕士学位论文].吉林长春：吉林大学,2006
[23]张英朝.轿车大客车会车时的气动特性研究：[吉林大学硕士学位论文].吉林长春：吉林大学,2006
[24]张英朝,傅立敏.简单外形汽车隧道中会车过程的瞬态空气动力学数值模拟[J].吉林大学学报：工学版,2006,36(3)：302-306
[25]张英朝,张喆,傅立敏.轿车客车隧道中会车过程的瞬态CFD仿真[J].哈尔滨工业大学学报：2009,41(9)：104-108
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[27]傅立敏,吴允柱,贺宝琴.队列行驶车辆的空气动力特性.吉林大学学报(工学版),2006,36(6)：871-875
[28]胡兴军.车辆超车与会车时气动特性的动态模拟研究：[吉林大学博士学位论文].吉林长春：吉林大学,2006
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[30]黄泰明.复杂行驶工况下汽车高速气动特性研究：[湖南大学硕士论文].湖南长沙：湖南大学,2008
[31]吴允柱.汽车超车过程的气动特性研究：[吉林大学博士学位论文].吉林长春：吉林大学,2008
[32]郑昊,康宁,蓝天.两车间距对超车过程轿车气动特性的影响.北京航空航天大学学报,2008,34(4),460-464
[33]贺宝琴.汽车队列行驶的气动特性研究：[吉林大学博士学位论文].吉林长春：吉林大学,2009
[34]李莉,杜广生,刘正刚等.隧道对超车过程车辆瞬态气动特性的影响.水动力学研究与进展,2009,24(5),640-646
[35]杨天军,谢金法.侧向间距对超车车辆瞬态气动特性的影响.农业装备技术,2009,35(3),23-26
[36]韩东艳,谢金发.车辆会车过程的瞬态气动特性研究.装备制造技术,2009,5,1-2
[37]高磊,谢金法.车速对会车车辆瞬态气动特性的影响.农业装备技术,2009,35(6),15-17
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