基于CFD的乘用车车窗空气幕系统设计与气动性能研究

作     者：马帅威 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张渝

授予年度：2023年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：空气幕 射流装置 隔雨性能 多目标优化 

摘      要：随着科学和技术的不断发展,人们对汽车的乘坐舒适性有了更高的需求。在雨天时,为躲避雨水,不得不长时间紧闭车窗,往往导致车内空气质量不佳。而开启车窗,又会使得雨水进入车内,从而影响乘员乘坐的舒适性。因此研究汽车在降雨环境下车窗开启时的隔雨措施,具有重要的理论意义和应用价值。本文针对雨天汽车车窗开启时雨水进入车内影响乘员舒适性这一问题,提出一种基于汽车车窗具有射流装置的空气幕系统,采用数值模拟和多目标优化的方法,开展了该空气幕的气流特性分析。主要的研究内容如下:(1)利用三维建模软件针对MIRA汽车物理模型,进行空气幕射流装置的设计和建模。设计了三种不同外形轮廓的射流装置,对每一种外形又设计了两种出风口形状,分别为:圆管式射流装置、方管式射流装置以及鸭嘴式射流装置。每一种装置出风口又分为圆孔和方孔两种类型。分别对六种射流装置的流场进行模拟仿真分析,得到出风口面积的加权平均速度,并生成速度散点连线图,对相同外形轮廓射流装置的出风口速度进行比较,通过对出风口的速度云图、速度矢量图以及静压散点图进行分析,对出风口速度的均匀性比值进行综合性比较,结果表明出风口为圆孔的鸭嘴式射流装置速度均匀性最为接近理想比值1。最后确定射流装置的外形轮廓为圆孔鸭嘴式射流装置,并以此为基础对空气幕的整体系统进行设计。(2)基于汽车模型建立空气幕流体域模型。使用ANSYS Workbench Meshing组件,采用非结构化网格的方法对其进行网格划分,对精度需求要求较高的平面进行网格尺寸调整,建立下雨等级为小雨的降雨平面。对处于降雨环境中且车辆后窗开启状态下,有空气幕和无空气幕的车内液膜状态进行对比,通过分析液膜厚度云图和液膜总质量。结果表明有空气幕与无空气幕相比,液膜总质量降低了大约38.11%。最后对射流装置的结构参数进行研究,分析其对空气幕隔雨性能的影响,结果表明出风口的个数和出风口送风角度对空气幕隔雨性能影响较强,且随着出风口送风角度的降低,空气幕隔雨性能呈上升趋势。出风口半径对空气幕隔雨性能的变化趋势相对于另外两个参数较为缓慢,但随着出风口半径的增大,液膜总质量呈上升趋势,液膜最大厚度呈下降趋势。(3)以出风口个数、出风口半径和出风口送风角度作为设计变量,以液膜总质量和液膜最大厚度为优化目标,建立多目标优化数学模型。采用CCD方法生成试验样本点,并基于试验点数据构建出Kriging响应面近似模型,通过分析响应面的指示图和拟合度曲线,验证了响应面模型的准确性。利用MOGA多目标遗传算法,求得射流装置结构参数的最优解,优化后的结果与初始结果相比,得到了很好的改善,液膜总质量减少了55.712%,液膜最大厚度减小了38.572%;对优化后参数所对应的射流装置重新进行有限元数值模拟,并将仿真结果与响应面结果进行对比分析,误差在2%以内,证明了多目标优化结果的有效性和可信度。