پروژه بررسي ضرايب آيروديناميكي خودرو تحت تأثير عوامل مؤثر و بررسي تأثير اين ضرايب بر راندمان حركتي

توضیحات:

پایان نامه بررسي ضرايب آيروديناميكي خودرو تحت تأثير عوامل مؤثر و بررسي تأثير اين ضرايب بر راندمان حركتي خودرو

چکیده:

دراین پروژه ضمن بررسی جریان هوا در اطراف مدلهای مختلف بدنه خودرو و لیفت ارائه شده وبا بهره‌گیری 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 كار با استفاده از نرم افزار فلوئنت، معادلات حاكم 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 كه باعث افزایش پسا میگردند، مشخص كرده و با توجه به آ نها، رو شهایی را برای كاهش پسا ارائه نمود.  بنابراین در این  پروژه، ایده‌های مختلفی كه در جهت بهبود ایرودینامیك یك 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 كف خودرو و تزریق هوا از روی سپر عقب به سمت بیرون، در پروژه  حاضر شرح داده شده است، چرا كه این دو ایده نتایج بسیار مناسبی از لحاظ كاهش پسا داشته و عملی تر به نظر میرسند. در این پروژه ابتدا به معرفی منابع نویزآكوستیك در خودرو پرداخته می‌شود و برخی از روش های كنترل نویز در خودرو شرح داده خواهد شد سپس رفتار آكوستیكی یك نمونه كاربردی كه محفظه آن شبیه سازی كاملی از تداخل سازه و سیال  است ارائه می شود و اثر وجود صندوق عقب خودرو در سطح فشار آكوستیك مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرد.

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

مقدمه:

هرچند كه 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 كشورهای توسعه یافته و با استفاده از كامپیوترهای با قابلیت بالا، زمان طراحی و تعداد آزمایشات تونل باد را كاهش داده است. با وجود تمام پیشرفتهایی كه در روش های محاسباتی حاصل شده است پیش بینی دقیق و صحیح جریان با توجه به فیزیك جریان و پیچیدگی های هندسی موجود كار آسانی نیست. در جریان حول خودروها، با جریان های كاملا مغشوش سه بعدی، جدایش جریان و جریان های برگشتی مواجه هستیم. لذا ایجاد هندسه، تولید شبكه و حل آن نیاز به ابزارهای قوی شبكه سازی و الگوریتم های حل قابل اعتماد و منابع كامپیوتری مناسب دارد. روش های حجم محدود یا اختلاف محدود كه به معادلات حاكم 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 كننده ای در انتخاب تعداد سلولهای بكار رفته و نوع مدل اغتشاشی است.

در این خصوص كارهای عددی و تجربی بسیاری صورت گرفته است. بخشی از كارهای انجام شده در این زمینه که در راستای اهداف مقاله حاضر بوده مربوط به كار بر روی قسمت زیرین خودرو(underbody) می باشد ارائه می گردد. در زمینه ایرودینامیك خودرو مطالعات و تحقیقات بسیاری از سالها پیش تا به امروز صورت گرفته است. تحقیقات نشان می دهد كه تا به حال پیشرفتها در زمینه ایرودینامیك خودرو بطور عمده با پیشرفت كار بر روی شكل بالایی خودرو (upper body) صورت  گرفته است. در یك خودروی مدرن، شكل 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، اكنون مساله بخش زیرین بسیار مورد توجه قرار گرفته است. Hoerner  درسال 1958 مساله بخش زیرین خودرو را یكی از مهمترین و اجتناب ناپذیرترین جز در ایجاد درگ خودرو می داند و می گوید كه درگ برای یك ماشین مرسوم با بخش زیرین صاف از 0.3 تا0.6  برای بخش زیرین ناصاف و باز تغییر می كند.درسال 1965 G.W.Carr   اثرات ایرودینامیكی جزئیات بخش های زیرین خودرو را روی یك مدل نمونه ماشین نشان می دهد. درسال 1982 Holt روشن می كند كه جریان بخش زیرین خودرو موضوع اصلی درآینده ایرودینامیك خودرو خواهد. درسال 1998  Cooper.et.al تحقیقی انجام داد كه 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 نيروهای آئروديناميک وارد بر بدنه خودرو سمند            14

2-3- معادلات حاکم            15

2-4- روش حل      15

2-5- شرايط مرزی  15

2-6- نتايج            16

2-6-1- سپرجلووجريان زيربدنه 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- مقايسه رفتار آكوستيكي خودروهاي هاچ بك و ناچ بك در تحريك بافركانس هاي پائين         47

3-11- منابع نويز در خودرو     48

3-11-1- منابع ويبرو آکوستيک            48

3-11-2- منابع آيرو آکوستيک  48

3-11-3- منابع نويز سيستم قواي محرکه و تعليق 48

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

3-12- روشهاي كنترل نويز    49

3-12-1- طراحي آيروديناميک 49

3-12-2- استفاده از مواد آکوستيکي    50

3-12-3- استفاده از مواد ويسكوالاستيک           50

3-12-4- مستحكم كردن بدنه 50

3-13- مدلسازي تحريك با فركانس هاي پائين     50

3-14- تحليل آكوستيك مدل با فركانس هاي پائين            51

3-15- مقايسه وضعيت آكوستيك هاچ بك و ناچ بك           51

3-16- نتيجه گيري  52

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

4-1- مقدمه          53

4-2- تحليل تئوريک يک مدل خودروی بادی ايرفويلی          54

4-3- فهرست علائم            54

4-4- مثلث سرعت خودروی بادی        55

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

4-6- ممانهای اعمال شده بر خودروی بادی       57

4-7- کد محاسباتی تخمين عملکرد آيروديناميکی 58

4-8- روش حل      58

4-8-1- سرعت باد طبيعی    58

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

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

4-8-4- تعداد چرخها            59

4-9- نتايج و بحث   59

4-10- ضریب اصطکاك جانبی 69

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

4-12- نکات طراحی            78

4-13- شیب عرضی عادي    78

4-14- تندترین قوس بدون یک بري       78

4-15- مقادیر حداکثر یک بري براي 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 ماهوري، کوهستانی(         79

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

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

4-16- حداکثر یک بري براي راه هاي گردشی    80

4-17- شعاع حداقل            81

4-18- تأثیر شیب ها           81

4-19- طراحی خیابان هاي شهري کم سرعت   82

4-20- ضرایب اصطکاك جانبی 82

4-21- یک بري      82

4-22- طراحی راههاي برون شهري، آزادراههاي شهري و خیابانهاي شهري سریع       83

4-23- فرایند توزیع یکبري 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- تحليل روش هايي مختلف جهت بهبود ايروديناميك خودرو          89

5-3- روش حل معادلات        89

5-4- شرايط مرزي  89

5-5- شبكه بندي   89

5-6- روش هاي بررسي شده جهت كاهش نيروي درگ    90

5-6-1- تزريق هوا   90

5-6-2- باز نمودن قسمتي از كف اتومبيل           90

5-6-3- ايجاد لوله به جاي باز كردن كف اتومبيل   91

5-6-4- ايجاد لوله از سپر عقب به پشت شيشۀ عقب       91

5-6-5- پوشاندن تجهيزات كف خودرو توسط يك سطح صاف 91

5-6-6- افزايش سطح جانبي خودرو     92

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

5-7- ايجاد هندسه به دو صورت دو بعدي و سه بعدي       93

5-8-  نتايج           93

5-8-1- تزريق هوا از سپر عقب به بيرون 93

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

5-9- نتايج و جمع بندي        96

منابع      110 

فهرست شكل‌ها

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 (۲-۲ ) 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 (۲-۴ ) نمایش کانتورهای فشارمیدان جریان برای خودرو پژو- ۴۰۵ در سرعت 30m/s          20

شکل (۲-۵ ) نمایش بردارهای سرعت میدان جریان برای خودرو پژو-۴۰۵ در سرعت30m/s          21

شکل (۲-۶ ) نمایش شماتیک طراحی بهینه سپرجلو وتأثیرآن بردرگ یک خودرو 21

شکل (۲-۷  ) نمایش شبکه مثلثی ایجاد شده بر روی بدنه تغییریافته خودرو سمند       22

شکل (۲-۸  ) نمایش شبکه چهارگوشه تولیدشده توسطCgrid-Code برروی بدنه تغییریافته خودروسمند(فضای درنظرگرفته شده برای میدان جریان دههابرابر بزرگتر است)         22

شکل(۲-۹ ) نمایش خطوط جریانStream-Lines وگردابه های شبه دوبعدی Quasi-Two-Dimensional خودروسمند(طرح تغییریافته)       23

شکل(۲-۱۰ ) 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

شكل 3-1 Isuzu T-Next Concept     45

شكل 3-2 Isuzu T-Next Concept     46

شكل 3-3 Isuzu T-Next Concept Interior      46

شكل 3-4 Isuzu T-Next Concept Interior      47

شكل 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) تأثیرمقاومت غلتشی چرخهابرروی سرعت،زاویه بادطبیعی وزاویه ایرفویل متناظرباماکزیمم سرعت خودرو    63

شکل(4-6) تأثیرسرعت 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) تأثیر استفاده ازسطح صاف جهت پوشاندن تجهیزات بخش زیرین خودرو       97