автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка технологии расчета системы отопления и вентиляции легкового автомобиля

ВВЕДЕНИЕ. щ- 1. Аналитический обзор. Постановка задач исследований.

1. 1 Конструкции систем отопления и вентиляции автомобилей.

1.1.1 Требования к системам отопления и вентиляции автомобилей.

1.2 Методики расчета систем отопления и вентиляции автомобилей.

1.2.1 Упрощенный аналитический метод расчета вентиляции салона.

1.2.2 Графический метод расчета воздухообмена в салоне.

1.2.3 Метод расчёта системы отопления и вентиляции салона автомобиля основанный на экспериментальных данных.

Ф 1.3 Обзор существующих CAD/CAE программных пакетов.

Выводы по главе.

2. Моделирование аэродинамических и тепловых режимов систем отопления и вентиляции автомобиля Иж-2126.

2.1 Методы построения геометрии модели и расчетной области объекта.

2.2 Анализ физических процессов, происходящих в системе отопления и вентиляции легкового автомобиля.

2.3 Математическая постановка задачи. Начальные и граничные условия. Описание расчетной области объекта.

Выводы по главе.

3. Численное исследование течения воздуха в системе вентиляции и отопления автомобиля.

3.1 Анализ результатов расчёта штатного отопителя.

3.2 Анализ результатов расчёта модернизированной конструкции отопителя.

Выводы по главе.

4. Экспериментальные методики исследования системы вентиляции и отопления.

4.1 Методика экспериментального определения воздухообмена в салоне автомобиля.

4.2 Аэродинамика подкапотного пространства.

4.3 Испытания системы отопления и вентиляции легкового автомобиля ИЖ-2126.

4.3.1 Условия проведения испытаний.

4.3.2 Методика испытаний.

4.3.3 Обработка и оформление результатов экспериментальных исследований.

4.4 Испытания радиаторов легкового автомобиля. ф 4.5 Экспериментальное исследование системы отопления легкового автомобиля ИЖ-2126.

Актуальность темы. Всевозрастающая конкуренция в автомобилестроении требует повышения уровня комфортности и безопасности водителя и пассажиров в салоне автомобиля, что связано, в частности, с эффективностью функционирования системы отопления и вентиляции.

Используемые в настоящее время методики расчета и проектирования систем отопления и вентиляции базируются на интегральных методах, позволяющих определять лишь осредненные параметры потока. Главенствующая роль при проектировании таких систем отводится экспериментальным исследованиям, дорожным и климатическим испытаниям. Разработкой, проектированием и оценкой эффективности систем отопления и вентиляции в рамках классического подхода занимались: Фасхиев Х.А., Басыров P.P., Андронов В.Н., Палутин Ю.И., Михайловский Е.В., Штробель В.К.

В условиях значительного сокращения финансирования научных исследований и фондов развития производства, экспериментальные исследования систем отопления и вентиляции практически неосуществимы, а существующие интегральные подходы при расчете таких систем не позволяют создавать конкурентоспособные эффективно функционирующие конструкции.

Зарубежные производители в течение последних лет активно используют новые технологии проектирования указанных систем с использованием САПР, которая включает в себя сертифицированные CAD, САМ, CAE программные пакеты. CAD и CAE пакеты позволяют в короткие сроки и с высокой степенью точности спроектировать (построить геометрию), провести расчёт и анализ задач, разрабатываемого изделия, а с помощью САМ пакетов получить готовый прототип изделия.

В данной работе используются CAE программные продукты позволяющие проводить расчёт и анализ проектируемого изделия, задачи гидро- и газодинамики можно решить при помощи следующих программных продуктов: STAR-CD, ANSYS, AVL и др.

Следует отметить, что в рамках жесткой конкурентной борьбы, зарубежные производители практически не публикуют методики и конкретные результаты технологии проектирования этих систем.

В работе рассматривается одна из возможных и перспективных технологий проектирования и расчета систем отопления и вентиляции с использованием сертифицированных программных пакетов STAR-CD, ANSYS, на примере легкового автомобиля Иж -2126.

Физические процессы, происходящие в системе отопления и вентиляции, с точки зрения внутренней аэродинамики представляют процессы нестационарного трехмерного турбулентного течения и теплообмена. Вследствие сложности рассматриваемой задачи ее разбивают на ряд более простых. Одна из них - расчет внутренней аэродинамики системы отопления. Решив эту задачу, получают граничные условия для расчета вентиляции салона автомобиля.

Данная работа и посвящена разработке технологии проектирования и расчета внутренней аэродинамики системы отопления автомобиля Иж -2126.

Объект исследования: система отопления и вентиляции легкового автомобиля ИЖ-2126.

Предмет исследования: внутренняя аэродинамика системы отопления и вентиляции.

Цель работы.

Разработка технологии проектирования и расчета системы отопления и вентиляции легкового автомобиля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию создания реальной конфигурации расчетной области, используя имеющие сертифицированные пакеты программ.

2. Провести анализ физических процессов и обосновать выбор математической модели.

3. Провести численное моделирование турбулентных течений для реальных конфигураций расчетной области. Применить модель для практических приложений.

4. Выполнить анализ процессов и механизмов, определяющих структуру турбулентного потока.

5. Исследовать влияние режимов работы и геометрии области на локальные и интегральные характеристики потока.

6. Дать рекомендации по проектированию системы отопления и вентиляции.

Научная новизна. Разработанная технология расчета позволила получить ряд новых результатов, к которым можно отнести следующие:

1. Детально исследована структура трехмерного турбулентного потока в штатном и вновь спроектированном многоканальном корпусе системы отопления легкового автомобиля в зависимости от режима работы нагнетателя:

•рассчитано пространственное поле скоростей и выявлена его неравномерность при обтекании радиатора;

•определены пространственные профили скорости на выходе из дефлекторов системы отопления, определены коэффициенты неравномерности распределения скорости;

• получены оценки потерь давления по длине воздуховодов;

• определены потери давления на радиаторе в тракте системы отопления;

•рассчитано пространственное распределение кинетической энергии, и скорости диссипации кинетической энергии турбулентности в дефлекторах обдува ветрового стекла.

2. Получены локальные и интегральные характеристики стационарных внутренних течений в трактах системы отопления легкового автомобиля в зависимости от геометрии и граничных условий:

• выявлено расположение и локальные размеры отрывных зон;

• определены интегральные значения распределения скоростей, кинетической энергии и скорости диссипации кинетической энергии турбулентности на выходе из дефлекторов системы отопления.

Практическая полезность. Разработанная технология расчета и проектирования позволяет реализовывать для обоснования рациональной по аэродинамическому сопротивлению конструкции системы отопления легкового автомобиля и подтверждения экспериментально полученных скоростных режимов потоков воздуха на выходе из системы вентиляции автомобиля Иж-2126 техническими требованиями ГОСТ Р 50993-96.

Реализация результатов. Разработанная технология расчета и проектирования используется на ОАО «ИжАвто» при выполнении опытно-конструкторских работ по созданию новых систем отопления и вентиляции легкового автомобиля.

Достоверность результатов работы.

Достоверность представленных результатов подтверждается использованием лицензионных сертифицированных программных продуктов (ANSYS и Star-CD на которые была предоставлена годовая лицензия московским представительством фирмы CAD FEM GmbH), сравнением результатов численных расчетов с данными экспериментальных исследований.

Положения, выносимые на защиту:

1. Технология проектирования и расчета системы отопления и вентиляции легкового автомобиля с использованием сертифицированных программных продуктов.

2. Результаты детального исследования внутренней аэродинамики системы отопления легкового автомобиля ИЖ-2126.

3. Рекомендации по улучшению существующей и вновь спроектированной системы отопления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на «XX международном семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям» (г. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2004 г.); на научно-технической конференции «Новые информационные технологии» (г. Москва, 2003г.); на международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2003 г.); на международной научно-технической конференции «Аэрофизические методы исследования» (ИТПМ СО РАН , г. Новосибирск, 2004 г.).

Диссертация докладывалась и обсуждалась на кафедрах «Автомобили и механообрабатывающее оборудование» и «Тепловые двигатели и установки» Ижевского государственного технического университета, «Дизайн промышленных изделий» Удмуртского государственного университета, а также на производственно-технических совещаниях в Управлении главного конструктора и отделе компьютерных систем и технологий ОАО «ИжАвто».

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных работ. []

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 87 наименований. Работа содержит 123 страниц и 61 рисунок, 12 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

На основании вышеизложенных расчетов можно сделать следующие выводы.

1. Обзор и анализ методик расчета систем отопления и вентиляции легкового автомобиля показал, что в их основу положен интегральный подход, который позволяет определять лишь средние параметры. Для расчета систем отопления и вентиляции используется классический гидравлический расчет, с использованием оценки местных и линейных потерь.

2. Интегральные методы расчета не позволяют получить необходимую информацию о структуре течения в воздуховодах системы отопления и салоне автомобиля, необходимую для создания эффективно работающей системы отопления и вентиляции.

3. Вместо существующих методик необходимо использовать новую технологию расчета, которая состоит из следующих этапов:

- на основе конструкторской документации строится геометрия исследуемого объекта, с использованием CAD - программных пакетов (Solid Works, Unigraphics, CATIA);

- трансляция полученной геометрии в CAE - программные пакеты или препроцессорные модули к ним (SAMM, ICEM или ANSYS/Stractural);

- создание конечно-элементной сетки расчетной области исследуемого объекта;

- трансляция полученных элементов и узлов в расчетный модуль STAR-CD;

- численный расчет течений в системе отопления и вентиляции;

- анализ полученных данных;

- рекомендации по устранению выявленных недостатков.

4. Разработана трехмерная математическая модель геометрии корпуса системы отопления и вентиляции, на основе которой построена, конечно-элементная сетка расчетного пространства.

5. Проведен анализ физических процессов на основании, которого приняты допущения для расчета системы отопления и вентиляции. Обоснованы выбор математической модели течения и модели пористого тела.

6. Разработана, апробирована и верифицирована методика расчета системы отопления и вентиляции легкового автомобиля с использованием сертифицированных программных пакетов STAR-CD и ANSYS/Stractural.

7. Детально исследована структура трехмерного турбулентного потока в штатном многоканальном корпусе системы отопления легкового автомобиля в зависимости от режима работы нагнетателя.

8. Получены локальные и интегральные характеристики стационарных внутренних течений в трактах системы отопления легкового автомобиля в зависимости от геометрии и граничных условий.

9. Сформулированы рекомендации для обоснования рациональной по аэродинамическому сопротивлению конструкции системы отопления легкового автомобиля.

10. Исследования показали, что структура потока в корпусе отопителя (расположение застойных зон и их размер, а так же аэродинамическое сопротивление воздуховодов), в основном, зависит от геометрии отопителя (расположение радиатора, заслонок, форма трактов воздуховодов, форма и расположение диффузоров) и, в незначительной степени, зависит от скоростного режима работы нагнетателя и интенсивности турбулентности на входе в отопитель.

11. Проведено численное исследование нового корпуса отопителя легкового автомобиля. Результат исследования позволил выявить зоны отрыва потока и неверно ориентированные потоки (в режиме вентиляции поток ударяется о стенку отопителя, в режиме общего обогрева большая часть направлена в салон через центральные дефлекторы, а не на ветровое стекло). Изменение в геометрии каналов отопителя устранит эти недостатки в течении воздуха.

1. Андронов В.Н., Палутнн Ю.И. Оценка эффективности системы вентиляции салона автомобиля// Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов и автомобилей и использования Машино-тракторного парка: Сб. научных трудов. Горький: 1986. С. 39-42.

2. Асатрян Р.С. Российское автомобилестроение. Проблемы и решение// Автомобильная промышленность. 2000. - №7. - С.1-5.

3. Атоян К.М., Гнипович В.И. и Иванусь Е.М. Об основах расчета вентиляции пассажирских автомобилей. Львов.: ГСХИ, 1970 С.?.

4. Афанасьев М.Б., Сильянов В.В. Методологические вопросы безопасности дорожного движения // Автомобилизация и расселение: ВНИИ системных исследований. -1979. Вып. 1. — С. 52-56.

5. Афанасьев Л.Л., Дьяков А.Б., Иларионов В.А. Конструктивная безопасность автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. 212 с.

6. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. М.: Транспорт, 1982.-288 с.

7. Белов С.В. Пористые материалы в машиностроении. М., «Машиностроение», 1976.

8. Высоцкий М.С., Выгонный А.Г. Автомобили. Основы проектирования: учебное пособие для вузов. Мн.: Высшая Школа, 1996. -117с.

9. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1984. ? с.

10. Глушко О.В., Клюев Н.В. Труд и здоровье водителя автомобиля. М.: Транспорт, 1982. 160 с.

11. Говорущенко Н.Я., Туренко А.Н. Системотехника проектирования транспортных машин: учебное пособие. Харьков: ХНАДУ, 2002. 176 с.

12. Гортышов Ю.А., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С. Теория и техника теплофизического эксперимента. 2-у изд. Под ред. Щукина В.К. М.: Энергоатомиздат, 1993. 448 с.

13. Гор А.И. и др. Аэродинамические испытания автомобиля ГАЗ -24// Автомобильная промышленность, 1969, № 3.

14. Гор А.И. и др. Аэродинамические испытания легковых автомобилей ГАЗ// Исследования в области конструирования автомобилей. М.: Машиностроение, 1970 -.

15. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М.: Высшая школа,1970.

16. ГОСТ Р 51206 98. Содержание вредных веществ в воздухе салона кабины.

17. ГОСТ Р 50993 96. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Требования к эффективности и безопасности.

18. ГОСТ Р 121005 88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

19. ГОСТ Р 51266 -99. Обзорность с места водителя.

20. Гришкевич А.И. Автомобили. Конструкция, конструирование и расчет. Система управления и ходовая часть. Мн.: Высшая Школа, 1986. ?с.

21. Гухо В.Г. Аэродинамика автомобиля. М.: Машиностроение, 1987.422 с.

22. Долматовский Ю.А. Основы конструирования автомобильных кузовов. М.: Машгиз, 1962. 319с.

23. Евграфов А.Н., Хубаев Б.Г. Совершенствование аэродинамических качеств автомобилей и автопоездов. М.: ЦНИИТЭавтопром, 1987. -52 с.

24. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

25. Зимнюхов А.В. Системы отопления кабин и салонов: ГОСТ Р 50993 96 нуждается в уточнении// Автомобильная промышленность. - 2004. - №7. -С. 18-21.

26. Иванов В.Н. Пассивная безопасность автомобиля. М.: Март, 1995.380 с.

27. Кох П.И. Климат и надежность машин. М.: Машиностроение, 1981. -175 с.

28. Кравец В.И., Голынин Е.В. Законодательные и потребительские требования к автомобилю. М.: ПравоМ, 2003. -453 с.

29. Кривуцкий Г.Я. Держи ноги в тепле// Семь верст. №7. - С. 6-9.

30. Крючков В. Сам себе истопник// За рулем. 2000. №3. - С. 140-141.

31. Кутеев Ю.Н., Громовой С.В., Филькин Н.М., Зыков С.Н., Матвеев Д.В. Инженерный анализ конструкций автомобилей ОАО «ИжАвто»//

32. Материалы 53-ей Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. Ижевск: ООО «Издательский дом «Парацельс». - С. 107-117.

33. Лебедев Г., Карпенко А. Дует, но не греет// За рулем. 1999. - №10. -С. 142-143.

34. Ловцов В.В. Системы кондиционирования динамического микроклимата.-М.: Энергоиздат, 1997.-225 с.

35. Лукин П.П., Гаспарянц Г.А., Родионов В.Ф. Конструирование и расчет автомобиля. М.: Машиностроение, 1984. 215 с.

36. Матвеев Д.В. Математическое моделирование трехмерного течения в задачах газо- и гидродинамики автомобиля// Сборник научных трудов аспирантов и преподавателей. Ижевск-Екатеринбург. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2003. С. 27-29.

37. Михайловский Е.В. Аэродинамика автомобиля. М.: Машиностроение, 1973. 224 с.

38. Мишин С. Наука ленивым// За рулем. 1999. - №10. - С. 140-141.

39. Нефелов С.В., Давыдов Ю.С. Техника автоматического регулирования в системах вентиляции и кондиционирования. М.: Энергоиздат, 1995.- 150 с.

40. Обухов А. Не мерзнет и не потеет// За рулем. 2002. - №12. - 79 с.

41. Островцев А.Н., Кузнецов Е.С., Румянцев С.И. Критерии оценки и управления качеством автотранспортных средств на стадии проектирования, производства и эксплуатации. М.: МАДИ, 1981. 95 с.

42. Палутин Ю.И. Метологические основы совершенствования параметров воздушной среды салонов автомобилей. М.: ГНЦ НАМИ, 1998. -36 с.

43. Резник Л.Г., Ромалис Г.М. Эффективность использования автомобилей в различных климатических условиях. М.: Транспорт, 1989. -127 с.

44. Свиридов А., Мишин С. Обещают потепление// За рулем. 2001. -№1-С. 140-141.

45. Сердюк О. Погода на заказ: отечественные системы климат контроля// Автостандарт. 2003. - №5. - С. 28-30.

46. Сомойлович Г.С. Гидро- газодинамика. М.: Машиностроение, 1990.-384 с.

47. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы. Справочник// Под общ. Ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. М.: Энергия, 1980. - 528 с.

48. Техническая справка ТС 38215 по испытаниям системы отопления и вентиляции автомобиля ИЖ-2126 на соответствие требованиям ГОСТ Р 50993-96.

49. Техническая справка ТС 127-02 по испытаниям системы отопления и вентиляции автомобиля ИЖ-2126 на соответствие требованиям ГОСТ Р 50993-96.

50. Хохряков В.П. Отопление кабины автомобилей. М.: НИИавтопром, 1986.-136 с.

51. Хохраков В.П. Вентиляция, отопление и обеспылевание воздуха вкабинах автомобилей. М.: Машиностроение, 1987. 172 с.

52. Штробель В.К. Современный автомобильный кузов. М.: Машиностроение, 1985. - 263с.

53. Bird, R.B., Stewart, W.E., and Lightfoot, E.N. Transport Phenomena// John Wiley & Sons,. New York. 1966.

54. Chen, Y.S., and Kim, S.W. Computation of turbulent flows using an extended k-e turbulence closure model//NASA CR-179204. 1987.

55. El Tahry, S.H. k-Q equation for compressible reciprocating engine flowsII AIM J. Energy, 7, No. 4, 1983pp. 345-353.

56. Fureby, C., Tabor, G., Weller, H.G. and Gosman, A. D., Acomparative study of subgrid scale models in homogeneous isotropic turbulence// Physics of Fluids, 9, 1997. pp. 1416-1429.

57. Galperin, B. and Orszag, S. A. (editors) Large Eddy Simulation of Complex Engineering and Geophysical Flows// Cambridge University Press. 1993.

58. Hassid, S., and Poreh, M. A turbulent energy dissipation model for flows with drag reduction// J. Fluids Eng., 100, 1975 pp. 107-112.

59. Hinze, P.O. Turbulence// 2nd Edition, McGraw-Hill. New York. 1975.

60. Hirsch, C. Numerical Computation of Internal and External Flows Vol. II: Computational Methods for Inviscid and Viscous Flows// John Wiley & Sons, New York. 1960.

61. Jones, W.P. Models for turbulent flows with variable density and combustion, in Prediction Methods for Turbulent Flow (Ed. W. Kollman)// Hemisphere. Washington, D.C. 1980.

62. Launder, B.E., and Spalding, D.B.The numerical computation of turbulent flow// Сотр. Meth. in Appl. Mech. & Eng., 3, 1974 p. 269.

63. Libby, P.A., and Williams, F.A.Turbulent Reacting Flow// Springer Verlag.-Berlin. 1980.

64. Lien, F.S., Chen, W.L., and Leschziner, M.A. Low-Reynolds-Number Eddy-Viscosity Modelling Based on Non-Linear Stress-Strain/Vorticity Relations// Proc. 3rd Symp. on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, Crete, Greece. 1996.

65. Norris, L.H., and Reynolds, W.C. Turbulent channel flow with a moving wavy boundary// Report No. FM-10, Department of Mechanical Engineering, Stanford University, USA. 1975.

66. N. V. Nederlandse Gasunie Physical Properties of Natural Gases// Groningen. The Netherlands. 1980.

67. Prandtl, L. 1925. Bericht uber unterschungen zur ausgebildeten Turbulenz// ZAMM, 5, 1925.p. 136.

68. Reynolds, W.C. Computation of turbulent flows// Ann. Rev. Fluid Mech., 8, 1976. pp. 183-208.

69. Richtmeyer, R.D., and Morton, K.W. Difference Methods for Initial-Value Problems// 2nd Edition, Wiley-Interscience, New York. 1967.

70. Rodi, W. Experience with two-layer models combining the k-e model with a one-equation model near the wall// AIAA 91-0216. 1991.

71. Rodi, W. Influence of buoyancy and rotation on equations for turbulent length scale// Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows. 1979.

72. Schlichting, H. Boundary Layer Theory// 6th Edition, McGraw-Hill, New York. 1968.

73. Shih, Т.Н., Zhu, J. and Lumley, J. L. A realizable Reynolds stress algebraic equation model// NASA TM-105993. 1993.

74. Smagorinsky, B. General circulation experiments with the primitive equations. I. The basic experiment// Mon. Weather Rev., 91 1963.

75. Van Driest, E.R. On turbulent flow near a wallII J. Aeronaut. Science, 23, 1956. pp. 1007-1011.

76. Warsi Z.V. Conservation form of the Navier-Stokes equations in general nonsteady coordinates// AIAA J. 1981.- № 19. - Pp. 240-242.

77. Wolfstein, M. 'The velocity and temperature distribution in one-dimensional flow with turbulence augmentation and pressure gradientII Int. J. Heat Mass Transfer, 12,1969. pp. 301-318.

78. Yakhot, V., and Orszag, S.A. Renormalization group analysis of turbulence I: Basic theory// J. Scientific Computing, 1, 1986 pp. 1-51.

79. Yakhot, V., Orszag, S.A., Thangam, S., Gatski, T.B., and Speziale, C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique// Phys. Fluids, A4, No. 7, 1992. pp. 1510-1520.