تحقیق بررسی ضرایب آیرودینامیکی خودرو تحت تاثیر عوامل موثر و بررسی تاثیر این ضرایب بر راندمان خودرو

توضیحات:

پایان نامه بررسی ضرایب آیرودینامیکی خودرو تحت تاثیر عوامل موثر و بررسی تاثیر این ضرایب بر راندمان حرکتی خودرو

 

 

چکیده:

دراین پروژه ضمن بررسی جریان هوا در اطراف مدلهای مختلف بدنه خودرو و لیفت ارائه شده وبا بهره گیری ازروشه نیروهای آئرودینامیکی وارده بر بدنه در هر جزء ازبدنه شکلهای بهینه برای دستیابی به کمترین مقادیر درگ  حل عددی تغییرات اعمال شده روی بدنه خودرو نسبت به طرح اولیه موردآزمایش قرار گرفته ونتایج بدست آمده در شرایط مشابه برای دو حالت اولیه و تغییریافته ارائه شده است.سعی شده است  که با استفاده از رو شهای عددی، جریان سیال بر روی بدنه خودروی به صورت د و بعدی وسپس به صورت سه بعدی حل شود. برای انجام این کار با استفاده از نرم افزار فلوئنت، معادلات حاکم بر جریان سیال به همراه مدل K-ε استاندارد با استفاده از شرایط مرزی مناسب حل گردیده اند . با مطالعه نتایج حاصل از این تحقیق و مشاهده خطوط جریان، گردابه های  ایجاد شده در اطراف اتومبیل و توزیع فشار، میتوان منطقه هایی را که باعث افزایش پسا میگردند، مشخص کرده و با توجه به آ نها، رو شهایی را برای کاهش پسا ارائه نمود.  بنابراین در این  پروژه، ایده های مختلفی که در جهت بهبود ایرودینامیک یک خودرو به نظر می رسید، بررسی شده و با مد لسازی و تحلیل عددی جریان بر روی اتومبیل های  مورد آزمایش قرار می گیر د.  در نهایت از بین ایده های بررسی شده، نتایج دو مورد از آ نها با عنوان استفاده از سطح صاف جهت پوشاندن اجزا کف خودرو و تزریق هوا از روی سپر عقب به سمت بیرون، در پروژه  حاضر شرح داده شده است، چرا که این دو ایده نتایج بسیار مناسبی از لحاظ کاهش پسا داشته و عملی تر به نظر میرسند. در این پروژه ابتدا به معرفی منابع نویزآکوستیک در خودرو پرداخته می شود و برخی از روش های کنترل نویز در خودرو شرح داده خواهد شد سپس رفتار آکوستیکی یک نمونه کاربردی که محفظه آن شبیه سازی کاملی از تداخل سازه و سیال  است ارائه می شود و اثر وجود صندوق عقب خودرو در سطح فشار آکوستیک مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرد.

واژه های کلیدی: درگ- لیفت- خط جریان – زاویه انحراف – ناویر استوکس- آیرودینامیک 

 

 

مقدمه:

هرچند که تحقیقات با استفاده از تونل باد از اهمیت شایانی برخوردار است اما استفاده از روش های محاسباتی جهت شبیه سازی بدنه خودروها به نحو گسترده ای در کشورهای توسعه یافته و با استفاده از کامپیوترهای با قابلیت بالا، زمان طراحی و تعداد آزمایشات تونل باد را کاهش داده است. با وجود تمام پیشرفتهایی که در روش های محاسباتی حاصل شده است پیش بینی دقیق و صحیح جریان با توجه به فیزیک جریان و پیچیدگی های هندسی موجود کار آسانی نیست. در جریان حول خودروها، با جریان های کاملا مغشوش سه بعدی، جدایش جریان و جریان های برگشتی مواجه هستیم. لذا ایجاد هندسه، تولید شبکه و حل آن نیاز به ابزارهای قوی شبکه سازی و الگوریتم های حل قابل اعتماد و منابع کامپیوتری مناسب دارد. روش های حجم محدود یا اختلاف محدود که به معادلات حاکم اعمال می شود، به عنوان روش های استانداردی در حل مسائل صنعتی جریان خارجی مطرح هستند و میزان حافظه و زمان محاسباتی مورد نیاز عامل محدود کننده ای در انتخاب تعداد سلولهای بکار رفته و نوع مدل اغتشاشی است.

در این خصوص کارهای عددی و تجربی بسیاری صورت گرفته است. بخشی از کارهای انجام شده در این زمینه که در راستای اهداف مقاله حاضر بوده مربوط به کار بر روی قسمت زیرین خودرو(underbody) می باشد ارائه می گردد. در زمینه ایرودینامیک خودرو مطالعات و تحقیقات بسیاری از سالها پیش تا به امروز صورت گرفته است. تحقیقات نشان می دهد که تا به حال پیشرفتها در زمینه ایرودینامیک خودرو بطور عمده با پیشرفت کار بر روی شکل بالایی خودرو (upper body) صورت  گرفته است. در یک خودروی مدرن، شکل اصلی تقریبا 45 درصد نیروی درگ، چرخ ها و محل قرارگیری آ ن ها 30 درصدنیروی درگ، و و زمین و جزئیات آن 25 درصد درگ اصلی را شامل می گردند. اما پس از تمام مطالعات و تحقیقات انجام شده بر روی قسمت بالای خودرو، اکنون مساله بخش زیرین بسیار مورد توجه قرار گرفته است. Hoerner  درسال 1958 مساله بخش زیرین خودرو را یکی از مهمترین و اجتناب ناپذیرترین جز در ایجاد درگ خودرو می داند و می گوید که درگ برای یک ماشین مرسوم با بخش زیرین صاف از 0.3 تا0.6  برای بخش زیرین ناصاف و باز تغییر می کند.درسال 1965 G.W.Carr   اثرات ایرودینامیکی جزئیات بخش های زیرین خودرو را روی یک مدل نمونه ماشین نشان می دهد. درسال 1982 Holt روشن می کند که جریان بخش زیرین خودرو موضوع اصلی درآینده ایرودینامیک خودرو خواهد. درسال 1998  Cooper.et.al تحقیقی انجام داد که نشان می دهد درصد بسیاری ازنیروی لیفت و درگ از بخش زیرین خودرو اثر می پذیرد .

 

 

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه ای بر طراحی خودرو از دیدگاه آیرودینامیک

1-1-  مقدمه         4

1-2- اتمسفر        4

1-3- خصوصیات فیزیکی هوا physical properties of air   5

1-3-1- فشار هواair pressure           5

1-3-2- اندازه گیری فشار هوا            5

1-3-3- درجه حرارت هوا   air temperature      5

1-3-4- غلظت(چگالی)هوا  (air density(ρ        5

1-3-5- چسبندگی هوا   air viscosity(μ)         6

1-3-6- رطوبت هوا  humidity            6

1-4- حرکت نسبی relative motion   6

1-5- اصل برنولی Bernoulli principle  7

1-6- لوله وانتوری venture tube         7

1-7- نیروهای آئرودینامیکی   7

1-8- دیوار صوتی shock wave           8

1-9- مرکز ثقل center of gravity       8

1-10- محاسبه مرکز ثقل      8

1-11- آیرو دینامیک کردن خودرو          9

1-12- طرح خودروهای فردا   9

1-13- مدل سازی دینامیکی سیستم تعلیق خودرو          9

1-14- معادلات حرکت خودرو  10

1-15- سیستم های تعلیق سنتی و فعال ونیمه فعال خودرو           12

1-16- روش های کنترل در سیستم تعلیق         12

1-17- نتیجه گیری  13

فصل دوم: بررسی آیرودینامیک خودروهای داخلی

2-1- مقدمه          14

2-2- بررسی نیروهای آئرودینامیک وارد بر بدنه خودرو سمند            14

2-3- معادلات حاکم            15

2-4- روش حل      15

2-5- شرایط مرزی  15

2-6- نتایج            16

2-6-1- سپرجلووجریان زیربدنه خودرو    16

2-6-2- سقف خودرو            18

2-7- بررسی آنالیز آیرودینامیکی وانت مزدا         25

2-8- بررسی شرایط مرزی    25

2-9-  شرایط اولیه  26

2-10- معادلات حاکم           26

2-11- تحلیل مدل سه بعدی 28

2-12- نتایج و جمع بندی      29

فصل سوم: بررسی آیرودینامیک خودروهای خارجی

3-1 مقدمه           39

3-2- کاربردهای آیرودینامیک  39

3-3- آیرودینامیک خودرو        40

3-4- نیروی درگ چیست؟     40

3-5- جریان های ایرودینامیکی            41

3-5-1- جریان لامینار - جریان توربولانس 42

3-6- ضریب پسار چیست؟    42

3-7- لامینار و توربولانس        43

3-8- مقاومت هوا   44

3-9- کشنده آیرودینامیک ایسوزو         45

3-10- مقایسه رفتار آکوستیکی خودروهای هاچ بک و ناچ بک در تحریک بافرکانس های پائین         47

3-11- منابع نویز در خودرو     48

3-11-1- منابع ویبرو آکوستیک            48

3-11-2- منابع آیرو آکوستیک  48

3-11-3- منابع نویز سیستم قوای محرکه و تعلیق 48

3-11-4- منابع نویز حرکت خودرو روی سطح ناصاف           48

3-12- روشهای کنترل نویز    49

3-12-1- طراحی آیرودینامیک 49

3-12-2- استفاده از مواد آکوستیکی    50

3-12-3- استفاده از مواد ویسکوالاستیک           50

3-12-4- مستحکم کردن بدنه 50

3-13- مدلسازی تحریک با فرکانس های پائین     50

3-14- تحلیل آکوستیک مدل با فرکانس های پائین            51

3-15- مقایسه وضعیت آکوستیک هاچ بک و ناچ بک           51

3-16- نتیجه گیری  52

فصل چهارم: بررسی و معرفی ضریب آیرودینامیکی خودرو و تاثیرات آن

4-1- مقدمه          53

4-2- تحلیل تئوریک یک مدل خودروی بادی ایرفویلی          54

4-3- فهرست علائم            54

4-4- مثلث سرعت خودروی بادی        55

4-5- مثلث نیروهای اعمالی وارد بر خودروی بادی            56

4-6- ممانهای اعمال شده بر خودروی بادی       57

4-7- کد محاسباتی تخمین عملکرد آیرودینامیکی 58

4-8- روش حل      58

4-8-1- سرعت باد طبیعی    58

4-8-2- نسبت ضریب برآ به پسا          58

4-8-3- مشخصات جانبی مثل نیروی وزن و ابعاد هندسی خودرو      59

4-8-4- تعداد چرخها            59

4-9- نتایج و بحث   59

4-10- ضریب اصطکاک جانبی 69

4-11- توزیع e و f در محدوده قوس      74

4-12- نکات طراحی            78

4-13- شیب عرضی عادی    78

4-14- تندترین قوس بدون یک بری       78

4-15- مقادیر حداکثر یک بری برای راه ها و خیابان ها       78

4-15-1- شرایط آب و هوایی (یعنی کثرت بارش و مقدار برف و یخ)    79

4-15-2- وضع پستی و بلندی (یعنی دشتی، تپه ماهوری، کوهستانی(         79

4-15-3- نوع منطقه (یعنی برون شهری یا شهری)          79

4-15-4- کثرت وسایل نقلیۀ بسیار کندرو           79

4-16- حداکثر یک بری برای راه های گردشی    80

4-17- شعاع حداقل            81

4-18- تاثیر شیب ها           81

4-19- طراحی خیابان های شهری کم سرعت   82

4-20- ضرایب اصطکاک جانبی 82

4-21- یک بری      82

4-22- طراحی راههای برون شهری، آزادراههای شهری و خیابانهای شهری سریع       83

4-23- فرایند توزیع یکبری به روش (4-11-5)       83

4-24- نتیجه گیری  84

فصل پنجم: ارائه طرح های برتر آیرودینامیکی خودرو

5-1 مقدمه           88

5-2- تحلیل روش هایی مختلف جهت بهبود ایرودینامیک خودرو          89

5-3- روش حل معادلات        89

5-4- شرایط مرزی  89

5-5- شبکه بندی   89

5-6- روش های بررسی شده جهت کاهش نیروی درگ    90

5-6-1- تزریق هوا   90

5-6-2- باز نمودن قسمتی از کف اتومبیل           90

5-6-3- ایجاد لوله به جای باز کردن کف اتومبیل   91

5-6-4- ایجاد لوله از سپر عقب به پشت شیشۀ عقب       91

5-6-5- پوشاندن تجهیزات کف خودرو توسط یک سطح صاف 91

5-6-6- افزایش سطح جانبی خودرو     92

5-6-7- استفاده از فلپ در بدنۀ خودرو  92

5-7- ایجاد هندسه به دو صورت دو بعدی و سه بعدی       93

5-8-  نتایج           93

5-8-1- تزریق هوا از سپر عقب به بیرون 93

5-8-2- استفاده از سطح صاف جهت پوشاندن اجزا کف خودرو         95

5-9- نتایج و جمع بندی        96

منابع      110 

فهرست شکل ها

شکل (1-1) مدل دینامیکی خودرو       10

شکل (1-2) پاسخ های سیستم به ورودی زمین ناهموار   13

شکل )2-1( 1- هندسه دو بعدی خودروی سمند (طرح تولیدی) 2- هندسه دو بعدی خودروی سمند (طرح تغییریافته) 19

شکل (2-2 ) کانتورهای فشار استاتیکی روی سطح خودرو سمند، به دست آمده از یک حل سه بعدی(V=40 m/s)(خودروی سمند تغییر یافته)    19

شکل (2-3 ) کانتورهای فشار استاتیکی روی سطح خودرو سمند، به دست آمده از یک حل سه بعدی( V=40 m/ s) (خودروسمند، طرح تولیدی)  20

شکل (2-4 ) نمایش کانتورهای فشارمیدان جریان برای خودرو پژو- 405 در سرعت 30m/s          20

شکل (2-5 ) نمایش بردارهای سرعت میدان جریان برای خودرو پژو-405 در سرعت30m/s          21

شکل (2-6 ) نمایش شماتیک طراحی بهینه سپرجلو وتاثیرآن بردرگ یک خودرو 21

شکل (2-7  ) نمایش شبکه مثلثی ایجاد شده بر روی بدنه تغییریافته خودرو سمند       22

شکل (2-8  ) نمایش شبکه چهارگوشه تولیدشده توسطCgrid-Code برروی بدنه تغییریافته خودروسمند(فضای درنظرگرفته شده برای میدان جریان دههابرابر بزرگتر است)         22

شکل(2-9 ) نمایش خطوط جریانStream-Lines وگردابه های شبه دوبعدی Quasi-Two-Dimensional خودروسمند(طرح تغییریافته)       23

شکل(2-10 ) نمایش خطوط جریان وگردابه های شبه دو بعدی خودروسمند(طرح دوبعدی)          23

شکل(2-11) 1- توزیع فشاربالاو پایین به دست آمده ازیک حل دوبعدی برای بدنه خودروسمند(طرح تولیدی) 2- توزیع فشاربالاو پایین به دست آمده ازیک حل دوبعدی برای بدنه خودروسمند(طرح تغییریافته) (بهبود ضریب درگ طرح تغییریافته نسبت به طرح تولیدی05/0) 3- توزیع فشار بالاو پایین ازیک حل دوبعدی برای بدنه خودرو پژو 405        24

شکل(2-12) حجم ازنمای روبرو          29

شکل(2-13) نقاط تعیین شده            30

نمودار(2-14) نمودارضریب فشارازکاپوت تاسقفm/s15      30

نمودار(2-15) ضریب فشارازکاپوت تاسقفm/s     31

نمودار(2-16) ضریب فشارازکاپوت تاسقفm/s25 31

نمودار(2-17) ضریب فشارازکاپوت تاسقفm/s30 32

شکل(2-18) زیرخودرو          32

نمودار(2-19)برای چرخ بدون چرخش وکف ساکن 33

نمودار(2-20) برای چرخ بدون چرخش وکف متحرک           33

نمودار(2-21) برای چرخ درحال چرخش وکف ساکن          34

نمودار(2-22) برای چرخ درحال چرخش وکف متحرک         34

شکل(2-23) کانتور نرخ کرنش K-ε  استاندارد     35

شکل(2-24) مدل K-ε  استاندارد        35

شکل(2-25) مدل K-ε  RNG 36

شکل(2-26) مدل K-ε  استانداندارد برای چرخ جلو           36

شکل(2-27) مدل RNG K-ε  برای چرخ جلو        37

شکل(2-28) خط مسیر برای کل خودرو            37

شکل 3-1 Isuzu T-Next Concept     45

شکل 3-2 Isuzu T-Next Concept     46

شکل 3-3 Isuzu T-Next Concept Interior      46

شکل 3-4 Isuzu T-Next Concept Interior      47

شکل 3-5 Isuzu T-Next Concept     47

شکل(3-6) معرفی منابع اصلی نویز درخودرو      48

شکل(3-7) بررسی اثر بهینه سازی آئینه در کاهش نویز    49

شکل(3-3) معرفی مدل باتحریک فرکانس پائین   50

شکل(3-4) مقایسه نتایج حل عدد و نرم افزاردرمحاسبه SPL          51

شکل(3-5) مقایسه SPL  دونوع خودرو 52

شکل(4-1) مثلث سرعت خودروی بادی درصفحه افقی     61

شکل(4-2) مثلث نیروهای خودروی بادی          61

شکل(4-3) شماتیک محور واژگونی خودروی بادی            62

شکل(4-4) شماتیک کج شدن ایرفویل نسبت به محورقائم 62

شکل(4-5) تاثیرمقاومت غلتشی چرخهابرروی سرعت،زاویه بادطبیعی وزاویه ایرفویل متناظرباماکزیمم سرعت خودرو    63

شکل(4-6) تاثیرسرعت بادطبیعی برروی سرعت،زاویه بادطبیعی وزاویه ایرفویل متناظرباماکزیمم سرعت خودرو           63

شکل(4-7) تغییرات برآی ایرفویل نسبت به زاویه حمله درسرعتهای مختلف بادطبیعی     64

شکل(4-8) تغییرات ضریب ایرفویل نسبت به زاویه حمله درسرعتهای مختلف بادطبیعی   64

شکل(4-9) تغییرات نیروی محرک خودرو نسبت به زاویه بادطبیعی درسرعتهای مختلف بادطبیعی   65

شکل(4-10) تغییرات نیروی محرک خودرو نسبت به زاویه حمله ایرفویل درسرعتهای مختلف بادطبیعی         65

شکل(4-11) تغییرات سرعت خودرو با زاویه بادطبیعی درW=2kg))   66

شکل(4-12) تغییرات سرعت خودرو با زاویه بادطبیعی درW=10kg)) 66

شکل(4-13) تغییرات خودرو با زاویه بادطبیعی در(W=20kg)           67

شکل(4-14) تغییرات خودرو با زاویه بادطبیعی در(W=25kg)           67

شکل(4-15) تغییرات نسبت سرعتهای خودرو با زاویه باد ظاهری     68

شکل(4-16) وضع هندسی شتاب سنج گلوله ای           71

شکل(4-17) ضریب اصطکاک جانبی برای راه هاوخیابان های با سرعت زیاد    73

شکل(4-18) ضریب اصطکاک جانبی برای راه ها و خیابان های با سرعت کم   73

شکل(4-19) ضریب اصطکاک جانبی برای طراحی            74

شکل(4-20) روشهای توزیع یک بری واصطکاک جانبی       75

شکل(4-21) روش (4-11-5)برای توزیع یک بری   84

شکل(4-22) میزان یک بری طرح برای نرخ یک بری بیشینه 4%       85

شکل(4-23) میزان یک بری طرح برای نرخ یک بری بیشینه 6%       85

شکل(4-24) میزان یک بری طرح برای نرخ یک بری بیشینه 8%       86

شکل(4-25) میزان یک بری طرح برای نرخ یک بری بیشینه 10%      86

شکل(4-26) میزان یک بری طرح برای نرخ یک بری بیشینه 12%      87

شکل (5-1)نمودار تغییرات ضریب درگ نسبت به افزایش تعدادسلول های شبکه درمدل دوبعدی    97

شکل (5-2) نمودار تغییرات ضریب درگ نسبت به افزایش تعداد سلول های شبکه درمدل سه بعدی           97

شکل (5-3) مدل کردن تجهیزات کف خودرو به صورت دوبعدی          98

شکل (5-4) مدل نمونه برای حالت سه بعدی    98

شکل (5-5) خودروی پراید با کف صاف  99

شکل (5-6) خودروی پرایدباتجهیزات کف منهای لوله اگزوز  99

شکل (5-7) خودروی پرایدبا تجهیزات کف          100

شکل (5-8) گردابه های پشت خودرو در حالت بدون تزریق 100

شکل (5-9) تزریق هوا از بالای سپر عقب بانرخ Κγ/σ ٠/٥  101

شکل (5-10) تزریق هوا ازبالای سپرعقب بانرخ Kg/s ٢     101

شکل (5-11) تزریق هوا ازقوس بالایی سپر عقب 102

شکل (5-12 ) تزریق هوا ازتمام سپر عقب به بیرون          102

شکل (5-13) کانتور فشار در مدل همراه با تجهیزات کف    103

شکل (5-14) کانتور فشار در مدل همراه با سطح صاف     103

شکل (5-15) بردارهای سرعت در مدل همراه با تجهیزات کف         104

شکل (5-16) گردابه های ایجاد شده در اجزای زیر خودرو  104

شکل(5-17)ضریب درگ بر حسب تغییرات کف خودرو        105

فهرست جداول

جدول(2-1) اثرانواع شرایط مرزی بر ضریب درگ    38

جدول(2-2) میزان تغییرات ضریب درگ در شرایط مختلف     38

جدول (4-1)  مشخصات خودروی بادی مدل       69

جدول (5-1) تغییرات ضریب پسابر حسب نرخ جریان          96

جدول (5-2) تاثیر استفاده ازسطح صاف جهت پوشاندن تجهیزات بخش زیرین خودرو       97