基于流固耦合的高速客车气动特性研究

【摘要】节能、环保、安全是当今汽车工业发展面临的三大主题。高速客车属于形状不规则钝头体,较大的迎风面导致行驶中气动阻力大,降低高速客车气动阻力对节省能耗、提高经济效益具有积极的现实意义；高速行驶中风窗玻璃承受前方气动压力,设计不合理将引起较大变形并产生应力集中,进而发生破碎现象,严重影响行车安全。因此,开展基于流固耦合的客车气动特性及风窗玻璃风致振动特性研究对高速客车节能与安全行驶具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟计算和实验研究相结合的方法对类客车体模型和某高速客车模型的气动特性及风窗玻璃风致振动特性进行了研究。首先,对某国产高速客车的稳态气动特性进行了研究。制作了与实车比例为1：10的高速客车模型,利用低速风洞和精密天平测得客车气动阻力系数；采用RNGk-ε湍流模型对该客车的气动特性进行数值模拟计算,风洞实验结果验证了稳态数值模拟计算方法的正确性。通过流场分析获得了高速客车稳态行驶工况下的气动特性。对风窗玻璃后倾角度、头部侧面圆化半径、头部下侧后倾角度、顶部后侧下倾角度、尾部侧面圆化半径、尾部上翘角度、底部前端上倾角度等七种车身结构参数变化对高速客车流场的影响进行了数值计算与分析,获得了各参数变化对气动特性的影响规律。研究结果表明这七种结构参数中,减阻效果最大的为尾部上翘角度,可达到8.5%。其次,对类客车体的气动特性及迎风面玻璃的风致振动特性进行了研究。自制了1：1比例的类客车体模型,迎风面采用400mm×400mm×2mm的薄玻璃,其余部分采用钢材,利用低速风洞、天平和高精度的电涡流位移传感器等实验设备测量了类客车体气动阻力系数及玻璃中心点的风压变形量。实验结果表明：玻璃的变形量与风速近似成正比关系,说明在一定风压作用范围内,玻璃可视为线弹性材料。采用流固耦合模型对类客车体在非稳态行驶工况下的气动特性和玻璃风致振动特性进行了数值模拟计算,并通过实验结果验证了计算方法的正确性。计算结果表明：考虑流固耦合作用的类客车体气动阻力系数比不考虑的情况大；前玻璃在风荷载作用下产生明显变形,最大变形量位于玻璃中心；不同风速时的玻璃变形和应力变化规律基本一致,均随风速增大而增大,且变形量与风速近似成正比关系；玻璃的最大应力区位于上、下及侧面边缘部位,最大应力点位于上、下边角附近,中心区域形成圆形的次应力区,二者构成了“梅花形”的应力分布,该区域易产生应力集中；变速工况时风荷载引起的应力值远远高于匀速过程的时均应力值。在上述研究的基础上,对某国产高速客车瞬态气动特性及PVB夹层风窗玻璃的风致振动特性进行了研究。PVB夹层玻璃采用等效厚度法进行处理,基于流固耦合研究方法分别研究了稳定风载荷、脉动风载荷作用下的客车气动特性和风窗玻璃风致振动特性,以及不同风窗玻璃厚度时的风窗玻璃风致振动特性。对稳态风载荷的研究结果表明：在稳定风压作用下,考虑流固耦合作用时客车气动阻力系数略大于不考虑流固耦合作用的气动阻力系数,增大程度与风压变形有关；在行驶过程中风窗玻璃产生风压变形,变形量随风速增大而增大；由加速过程进入匀速过程的初期,由于惯性力作用引发变形的剧烈波动变化,随后波动迅速衰减并趋于稳定,保持在某时均值附近小幅波动,整个过程的瞬时最大风压变形量远高于时均值。稳定风条件下风窗玻璃风压变形分布左右对称,最大变形点位于玻璃轴对称线中点偏下位置。风窗玻璃表面各节点瞬态应力变化趋势类似于瞬态风压变形量变化趋势。整个过程的瞬时最大应力值远高于时均应力值。稳定风条件下风窗玻璃主应力区位于上、下及侧面固定边缘部位,最大应力点位于上、下边角附近。对4mm+0.76mmPVB+4mm、3.5mm+0.76mmPVB+3.5mm和3mm+0.76mmPVB+3mm三种风窗玻璃厚度情况下的研究结果表明：风窗玻璃厚度变化对瞬态风窗玻璃变形及应力的变化规律有明显影响,即厚度减小,风压变形明显增大,但应力变化不规律。对于脉动风载荷的的研究结果表明：脉动风特性变化对高速客车瞬态气动特性影响显著。当正弦脉动速度的振幅和频率变化时,客车的气动阻力系数、风窗玻璃的风压变形及应力变化规律类似,时均值表现为余弦函数的曲线变化规律,完全不同于稳态风的恒定时均值。当振幅增大时,各参数瞬态波动剧烈程度增大,时均值的幅值明显增大；当频率增大时,各参数瞬态波动剧烈程度增大,时均值不仅频率相应增大,幅值也明显增大。本文研究了稳态工况下高速客车不同结构参数对气动特性的影响,并给出了参数变化对气动阻力特性的影响规律；采用流固耦合计算方法分别对类客车体和高速客车进行了数值模拟计算,获得了瞬态工况下气动阻力特性和风窗玻璃的风致振动特性变化规律,以及风窗玻璃厚度变化和脉动风特性对客车气动特性的影响规律,尤其是考虑脉动风情况时对客车气动阻力系数、风窗玻璃风压变形及应力的影响远远大于稳定风的情况。本文研究结果可以为高速客车的气动造型优化、安全行驶及轻量化设计提供理论指导,具有重要的理论意义及工程应用价值。
【作者】陶莉莉；
【导师】杜广生；
【作者基本信息】山东大学，热能工程，2014，博士
【关键词】高速客车；类客车体；风窗玻璃；气动特性；流固耦合；

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