汽車風擋玻璃氣流模型研究——畢業(yè)論文

1、<p><b>　　海 南 大 學</b></p><p>　　畢 業(yè) 論 文（設計）</p><p>　　題 目： 汽車風擋玻璃氣流模型研究 </p><p>　　學 號： XXXXXXXXXX </p><p>　　姓 名

2、： XXXXXX </p><p>　　年 級： XXXXXXX </p><p>　　學 院： 機電工程學院 </p><p>　　系 別： 汽車系

3、 </p><p>　　專 業(yè)： 車輛工程 </p><p>　　指導老師： XXXXX </p><p>　　完成日期： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b&

4、gt;</p><p>　　隨著現(xiàn)代交通工具行駛速度地不斷提高，如何在各種工況下更加安全可靠地清洗汽車前風擋玻璃成為一項難題，使用超聲波清理風擋玻璃被視為一種重要的研究方法。</p><p>　　本篇論文是超聲波清洗風擋玻璃課題的子課題，即利用有限元分析軟件comsol對汽車前風擋玻璃表面氣流分布進行建模。用CATIA建立風擋玻璃模型，導入到comsol軟件中，通過改變氣流運動速度和方向，

5、模擬車輛在不同運行速度及側向風影響下，前風擋表面氣流分布規(guī)律。</p><p>　　仿真結果表明流速增加玻璃表面氣流形態(tài)基本保持一致，氣流都是從風擋玻璃中間位置向玻璃兩邊分布。從玻璃下邊緣開始，氣流在向上及左右邊流動過程中流速逐漸增大，且在玻璃左右邊緣中間靠上的位置流速達到最大；隨著流速的增加，整個氣流模型的湍流區(qū)域向后移動；玻璃傾角減小時流速在玻璃表面增值減??；當有側向風影響時，玻璃表面氣流變得紊亂且氣流偏向側

6、向風的方向流動，在玻璃后部容易形成渦流。</p><p>　　最后對仿真結果進行了實驗驗證，對比得出仿真結果與實際情況基本吻合，為雨刮器后續(xù)項目研究做好準備。</p><p>　　關鍵詞：CFD；comsol分析；模型；氣流形態(tài)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With mode

7、rn vehicle traveling speed, continue to improve, how to clean the windshield before the car more safely and reliably under various conditions become a problem, the use of ultrasound to clean the windscreen is considered

8、an important research methods.</p><p>　　This paper is the ultrasonic cleaning the windshield topics sub-topics, namely the use of finite element analysis software for automotive front windshield comsol air d

9、istribution surface modeling. Establish windshield model with CATIA, into comsol software, by changing the air flow velocity and direction at different simulated vehicle speed and lateral winds, the front windshield surf

10、ace airflow distribution.</p><p>　　Simulation results show that the flow rate of gas flow to increase the surface morphology of the glass remained the same, the air is distributed from the intermediate posit

11、ion to the windshield glass on both sides. Starting from the lower edge of the glass, the air flow in the left and right side up and the process of gradually increasing the flow rate, and the left and right edges of the

12、glass by the middle position of the flow rate reaches the maximum; with the flow rate increases, the turbule</p><p>　　Finally, the simulation results are verified by experiments, comparing the simulation res

13、ults obtained are consistent with the actual situation, to prepare for the wiper subsequent research projects.</p><p>　　Keywords: CFD; comsol analysis; model; airflow shape </p><p><b>　　目錄

14、</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景和意義1</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀1<

15、/p><p>　　1.3 本文主要研究內容2</p><p>　　2 數值計算方法的理論基礎2</p><p><b>　　2.1 馬赫數2</b></p><p><b>　　2.2 雷諾數3</b></p><p>　　2.3 湍流κ~ε模型4</p>

16、<p>　　3 前風擋玻璃模型構建與建模方法簡介6</p><p>　　3.1 CATIA構建玻璃模型6</p><p>　　3.2 建模方法介紹6</p><p>　　3.2.1 三維參數化建模7</p><p>　　3.2.2 逆向設計7</p><p>　　4 基于comsol軟件仿真過程及

17、結果分析8</p><p>　　4.1 comsol軟件簡介8</p><p>　　4.2 comsol有限元理論9</p><p>　　4.3 氣流模型建模10</p><p>　　4.3.1 comsol仿真環(huán)境設置10</p><p>　　4.3.2 變量與幾何創(chuàng)建10</p><

18、p>　　4.3.3 指定材料11</p><p>　　4.3.4 定義物理場12</p><p>　　4.3.5 劃分網格13</p><p>　　4.3.6 仿真計算14</p><p>　　4.4 仿真結果分析16</p><p>　　4.4.1 氣流速度對流動模型的影響16</p>

19、<p>　　4.4.2 氣流與玻璃之間夾角對流動模型的影響19</p><p>　　5 仿真結果的實驗驗證24</p><p>　　5.1 實驗準備24</p><p>　　5.2 實驗現(xiàn)象與分析25</p><p>　　6 總結與改進方向26</p><p><b>　　6.1 總結

20、26</b></p><p>　　6.2 改進方向27</p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背

21、景和意義</p><p>　　隨著現(xiàn)代交通工具如汽車行駛速度的不斷提高，如何在各種工況下更加安全可靠地清洗汽車前風擋玻璃也成為一項重要的研究內容。本課題最終的研究目標是超聲波清洗汽車風擋玻璃，這之中就涉及幾類研究問題：汽車風擋玻璃氣流模型研究；風擋玻璃的模態(tài)分析；玻璃表面液珠模型研究；超聲波清洗風擋玻璃的激勵頻率（激勵頻率避開風擋玻璃的共振頻率）；最后實現(xiàn)對于不同的風擋玻璃（不同車型）、不同的行車速度、不同風向、

22、不同大小雨量等采用合適的清洗風擋玻璃方法。 </p><p>　　本項研究是對現(xiàn)有的汽車機械式風擋玻璃清洗儀器的變革，相對于傳統(tǒng)的雨刮器清洗，超聲波清洗具有可靠性好、效率高而且不僅僅是可以運用在汽車上，針對于高速運動交通工具如高鐵、飛機優(yōu)勢就更為明顯，具有十分重要的意義。本論文就是針對汽車風擋玻璃氣流模型進行建模分析，為項目的后續(xù)工作打下一定基礎。</p><p>　　1.2 國內外研究

23、現(xiàn)狀</p><p>　　汽車前風擋玻璃一般采用的是夾層玻璃，即在兩片鋼化玻璃之間夾一層聚乙烯醇縮丁醛膜（Polyvinyl Butyral，PVB），具有高強度和高韌性、強抗碰撞能力和高透明度的特點。目前，國內外關于擋風玻璃的研究分為以下幾方面：</p><p>　?、侔踩矫妫菏艿阶矒艉蟛ＡУ淖兓?。臧孟炎、雷周等應用試驗和數值仿真方法對汽車玻璃的靜態(tài)特性和破壞機理進行了研究；劉博涵等研

24、究了PVB中間層對擋風玻璃能量吸收作用；徐軍、李一兵等使用擴展的有限元法（XFEM）分析風檔低速頭部撞擊模式的問題；Yong Peng、Caroline Deck等研究了擋風玻璃夾層的力學行為與行人的頭部碰撞的情況。</p><p>　?、陲L噪聲、氣流阻力方面：田偉將風擋玻璃計入汽車風噪聲系統(tǒng)進行研究；田永、韋俊研究了汽車前風擋玻璃的光學性能。</p><p>　?、矍皳躏L玻璃的顏色及下雨

25、天對人視覺方面的影響：Frédéric Bernardin等研究風擋玻璃雨水對于駕駛性能的影響。</p><p>　?、茱L擋玻璃除霜性能方面：李智，陳釗利用CFD軟件，對汽車空調除霜性能進行了仿真分析。</p><p>　　涉及的研究方法有：有限元方法（finite element method）、數值模擬（Numerical simulation）與實驗相結合。在國內

26、外研究中與風擋玻璃表面氣流模型相關的研究基本沒有，本篇論文參照前人的研究方法，采用有限元仿真和實驗相結合的方法對氣流模型就行研究。</p><p>　　1.3 本文主要研究內容</p><p>　　利用Comsol軟件對汽車前風擋玻璃表面氣流分布進行建模。在軟件中通過改變氣流運動速度和方向，模擬車輛在不同運行速度下以及在側向風影響下，前風擋表面氣流分布規(guī)律，為汽車雨刮器項目后序研究做好準備

27、。</p><p><b>　　研究內容：</b></p><p>　　①利用CATIA軟件構建汽車前風擋玻璃模型。</p><p>　?、趯⒉ＡＰ蛯氲絚omsol軟件中，對玻璃模型正面施加表面風。在軟件中通過改變氣流運動速度和方向，模擬車輛在不同運行速度下以及在側向風影響下，前風擋表面氣流分布規(guī)律。同時通過調節(jié)風擋與氣流之間的夾角，模擬不

28、同車型風擋表面氣體分布規(guī)律。</p><p>　　③搭建試驗平臺對仿真結果進行驗證，說明模型的可用性。</p><p>　　2 數值計算方法的理論基礎</p><p><b>　　2.1 馬赫數</b></p><p>　　馬赫數定義為流體的流動速度（v）和聲音在該流體內傳播的速度（c）之比，這個無量綱參數表征了流場的可

29、壓縮性效應。</p><p>　　依照馬赫數的不同，流體分為幾種類型，如下表2-1。</p><p>　　表2-1 根據馬赫數劃分的流體類型</p><p>　　雖然所有的流體都是可壓縮的，但流體在低速下（Ma<0.3），流體的密度變化不大，可以看成不可壓縮流，彭小勇、顧煒麗等對于低速氣體流動的不可壓縮性問題進行了理論解析，通過理想流體定常流動的理論解析，導出

30、了在低馬赫數下流體密度的相對變化率與壓強、溫度的相對變化率之間的關系式，得到了當Ma<<1時（Ma<0.3就可定義為不可壓縮流）低速氣體流動可以視為不可壓縮流的直觀理論解析。</p><p>　　本研究中，氣流的速度是相對于汽車運動的速度，選取三個常見情況下的速度，選定的氣流速度為10m/s，20m/s，30m/s。</p><p>　　根據公式，取聲音在15攝氏度下的速

31、度340m/s，分別得到Ma為0.029，0.059，0.088，小于0.3，按照定義屬于非壓縮流。</p><p><b>　　2.2 雷諾數</b></p><p>　　雷諾數定義為在流體運動中慣性力對黏滯力比值的無量參數用Re表示，即</p><p><b>　　式中為流體密度；</b></p><

32、;p>　　為流場中的特征速度；</p><p><b>　　為特征長度；</b></p><p><b>　　為流體的黏性系數。</b></p><p>　　對于管道流可以根據以下定義：</p><p>　　Re＜2000為層流狀態(tài)；</p><p>　　Re＞4000

33、為紊流狀態(tài)；</p><p>　　Re＝2000～4000為過渡狀態(tài)。</p><p>　　本研究中流體為空氣，根據后續(xù)章節(jié)中模型的設置條件，可以近似將空氣流動看作為管道流。常溫下（20攝氏度）空氣密度；流場中氣流速度為20m/s；特征長度為為5m；20攝氏度時,空氣粘性系數為1.8*10^-5。由這些數據可得該條件下空氣的雷諾數為7.2*10^6>>4000，所以為流動為湍流

34、。</p><p>　　2.3 湍流κ~ε模型</p><p>　　常用的湍流模型可根據所采用的微分方程數進行分類為：零方程模型、一方程模型、兩方程模型、四方程模型、七方程模型等。對于簡單流動而言，一般隨著方程數的增多，精度也越高，計算量也越大、收斂性也越差。</p><p>　　在湍流模型中二方程模型運用比較廣泛，常用的兩方程模型有Jones與Launder提出的

35、標準k-ε模型，以及k-omega模型，下面主要介紹k-ε模型。k-ε模型有以下三種：</p><p>　?、?標準的k-ε模型：</p><p>　　最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度，為工程流場計算中的主要工具。適用范圍廣，具有經濟合理的精度，它是個半經驗的公式，是從實驗現(xiàn)象中總結出來的。</p><p>　?、?RNG k-ε模

36、型：</p><p>　　RNG k-ε模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術。它和標準k-ε模型很相似，但是有以下改進：</p><p>　　a、RNG模型在ε方程中加了一個條件，有效的改善了精度。</p><p>　　b、考慮到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度。</p><p>　　c、RNG理論為湍流Prandtl數提供了一個解析公式，然而標準k-ε

37、模型使用的是用戶提供的常數。</p><p>　　d、標準k-ε模型是一種高雷諾數的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數流動粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域。</p><p>　　這些特點使得RNG k-ε模型比標準k-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。</p><p>　　③ 可實現(xiàn)的k-ε模型：</p><p

38、>　　可實現(xiàn)的k-ε模型是才出現(xiàn)的，比起標準k-ε模型來有兩個主要的不同點：可實現(xiàn)的k-ε模型為湍流粘性增加了一個公式；為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程。</p><p>　　在參考文獻[11]第106頁提及的實例“太陽能電池陣列的自然風載荷穩(wěn)定分析模型”中自然風流動需要用湍流模型來描述，其使用兩方程模型k~ε來描述湍流運動，在兩方程k~ε模型中采用標準的k~ε模型

39、。實例與本研究的物理問題相似，擬采用標準的k~ε模型模擬風擋玻璃的外流場。描述湍流k~ε模型的方程為</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4)

40、</b></p><p>　　方程(1) (2)是主方程，通過求解上述方程，就可以獲得流動的詳細情況，并可以計算出風擋玻璃表面的壓力分布。</p><p>　　注：向量微分算子?,也叫哈密頓(Hamilton)算子或者Nabla算子.定義如下：,,是沿x,y,z軸正方向的單位向量。</p><p>　　由本章上述的理論與計算可得，本研究氣流運動屬于

41、單相不可壓縮的湍流流動。</p><p>　　3 前風擋玻璃模型構建與建模方法簡介</p><p>　　3.1 CATIA構建玻璃模型</p><p>　　本研究中前風擋玻璃模型選擇的是通用五菱榮光面包車前檔夾層實物，通過CATIA參數化建模方法建立模型。建模流程比較簡單，涉及的主要命令有樣條曲線、多截面曲面、3D曲線和加厚曲面等，主要的難點在于如何根據實物獲取風擋

42、表面的坐標點，本模型采用的是已經利用3D掃描儀獲取的數據。建立的模型如下圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 風擋玻璃CATIA模型樹</p><p>　　3.2 建模方法介紹</p><p>　　對于不同車型，風擋玻璃曲率等參數可能不一樣，選擇合適的CATIA建模方法將會大大提高建模效率，下面將對三維參數化建模和逆向設計兩種建模方法進行介紹。</p&

43、gt;<p>　　3.2.1 三維參數化建模</p><p>　　參數化建模一直都是CAD設計人員探索的問題，其關鍵是如何用實物的特征參數來自動控制和生成實物三維模型，而且特征參數發(fā)生改變能夠自動地反映到三維模型中，這一技術將會給機械產品中的標準件、常用件和系列化產品的設計帶來很大便利。</p><p>　　參數化建模的關鍵在于用參數、公式、表格、特征等驅動圖形以達到改變圖形

44、的目的，在CATIA V5中可通過如下的方法來實現(xiàn)。</p><p>　?、倮孟到y(tǒng)參數與尺寸約束驅動圖形：CATIA V5具有完善的系統(tǒng)參數自動提取功能，它能在草圖設計時，將設計人員輸入的尺寸約束作為特征參數保存起來，并且在此后的設計中可視化地對它進行修改，從而達到最直接的參數驅動建模的目的。</p><p>　　②利用用戶參數和公式驅動圖形：CATIA V5不僅具有系統(tǒng)定義的參數，而且

45、還有用戶自定義參數。設計人員通過用戶自定義參數和公式的工具，可以很方便地定制出客戶所要的各種各樣的參數以及約束這些參數的公式。</p><p>　?、劾帽砀駭祿寗訄D形：機械產品設計中，標準件、通用件的尺寸可通過查表獲得，在CATIA V5中可應用表格驅動幾何圖形實現(xiàn)這一功能。</p><p>　　④利用規(guī)則與檢驗控制特征驅動圖形：CATIA V5可通過規(guī)則和檢驗對三維模型的特征進行控制

46、和檢查。規(guī)則是由用戶定義的在一定條件下控制某些參數、特征和事件的指令；檢驗只是用戶編寫的一條簡單的指令，不影響參數值。</p><p>　　3.2.2 逆向設計</p><p>　　逆向工程設計是相對于正向工程而言的，把現(xiàn)有的產品實物通過激光掃描和點采集等手段，獲取產品的三維數據和空間幾何形狀，把獲取的數據通過計算機專業(yè)設計軟件設計成圖紙，用于生產制造的過程。逆向工程設計的一般有以下步驟：

47、</p><p>　?、偃S掃描：主要用于對物體空問外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。</p><p>　　②數據處理：掃描得到的產品外型數據會不可避免地引人數據誤差，所以要對原始點云數據進行預處理，通常要經過下面過程：去掉噪音點；數據插補；數據平滑；數據光順；點云的重定

48、位整合。</p><p>　　③產品的逆向分析：包括面向對象整體系統(tǒng)的宏觀分析和面向對象組成部分個體系統(tǒng)的詳細分析。</p><p>　　4 基于Comsol軟件仿真過程及結果分析</p><p>　　4.1 Comsol軟件簡介</p><p>　　COMSOL Multiphysics 是一款大型的高級數值仿真軟件，由瑞典的COMSOL公

49、司開發(fā)，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家譽為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，適用于模擬科學和工程領域的各種物理過程。作為一款大型的高級數值仿真軟件，COMSOL Multiphysics 以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真。COMSOL Multiphysics以高效的計算性能和杰出的多場直接耦合分析能力實現(xiàn)了任意多物理場的高度精確的數值仿

50、真，在全球領先的數值仿真領域里廣泛應用于聲學、生物科學、化學反應、電磁學、流體動力學、燃料電池、地球科學、熱傳導、微系統(tǒng)、微波工程、光學、光子學、多孔介質、量子力學、射頻、半導體、結構力學、傳動現(xiàn)象、波的傳播等領域得到了廣泛的應用。 </p><p>　　COMSOL Multiphysics大量預定義的物理應用模式，范圍涵蓋從流體流動、熱傳導、到結構力學、電磁分析等多種物理場，用戶可以快速地建立模型。COMS

51、OL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項、以及邊界條件等可以是常數、任意變量的函數、邏輯表達式、或者直接是一個代表實測數據的插值函數等。本篇論文運用的就是COMSOL Multiphysics的計算流體動力學模塊（Computational Fluid Dynamics，CFD）。</p><p>　　COMSOL Multiphysics是一款多物理場有限元仿真軟件，和大多數有限元軟件建模流程類似，基本建模流程為

52、創(chuàng)建幾何->指定材料->定義物理場->劃分網格->仿真計算->結果后處理。基本的建模流程就是如此，在4.3節(jié)將會針對本模型——流體動力學模塊，進行詳細的建模步驟分析。COMSOL軟件保存的文件的類型為.mph。</p><p>　　4.2 comsol有限元理論</p><p>　　有限元理論就是將連續(xù)的求解域離散成一組有限個，按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元組

53、合體，將PDE（Partial Differential Equation，偏微分方程）轉換成離散的線性代數方程系統(tǒng)。</p><p>　?。ㄗⅲ㎏：剛度矩陣 </p><p>　　u：解變量，或解向量，u的數量為自由度數目（DOF）</p><p><b>　　F：載荷向量</b></p><p>　　有限元的求解流程

54、如下圖4-1。</p><p>　　圖4-1 有限元軟件求解流程圖</p><p>　　特點：各種復雜單元可以用來模型化幾何形狀復雜的求解域；各節(jié)點上的解的近似函數可以用來求解整個求解域上任意點的結果。</p><p>　　這節(jié)主要對comsol軟件有限元的理論基礎及求解的一般流程進行介紹，下面內容將對模型的具體內容進行設置。</p><p>

55、;　　4.3 氣流模型建模</p><p>　　4.3.1 comsol仿真環(huán)境設置</p><p>　　本節(jié)主要是對COMSOL仿真環(huán)境的設置，根據第二章數值計算方法的理論基礎相關的研究選擇對應的COMSOL模塊進行仿真。</p><p>　　步驟如下：啟動COMSOL，建立一個新的模型。選擇模型向導，空間維度選擇三維，物理場依次選擇“流體流動”、“單向流”、“湍

56、流”，湍流模型下選擇“湍流，k~e（spf）”，單擊“增加”按鈕，選擇“研究”，在預制研究中選擇“穩(wěn)態(tài)”，單擊“完成”，進入模型開發(fā)器。</p><p>　　4.3.2 變量與幾何創(chuàng)建</p><p>　　本節(jié)模型設置是本篇論文研究基礎，對于不同的氣流速度大小和氣流方向這兩類參數都在本節(jié)設置。</p><p>　　要實現(xiàn)仿真汽車前風擋在不同運行速度下以及側向風影響下

57、表面氣流分布規(guī)律，在軟件中就是通過改變氣流運動速度和方向。汽車前風擋在不同車速下相對于氣流的速度，轉化為當汽車靜止時氣流的速度；氣流的運動方向造成的氣流與玻璃的夾角不同，轉化為當氣流的方向恒定為平行于汽車前進方向的反方向時，通過調整玻璃的位置，實現(xiàn)氣流與玻璃夾角的不同。</p><p>　?、贇饬鞯娜肟诹魉龠x擇10m/s，20m/s，30m/s，此時如果在沒有自然風的情況下，對應的車速為36km/h，72km/h

58、，108km/h。模型中操作如下：</p><p>　　選擇模型開發(fā)器下全局定義，鼠標右鍵選擇Pi 參數，參數設定表格設置如表4-1：</p><p>　　表4-1 入口流速參數設定表</p><p>　?、趲缀蝿?chuàng)建步驟如下：</p><p>　　定位到組件1下的幾何1，鼠標右鍵選擇導入，導入窗口瀏覽選擇之前用CATIA創(chuàng)建好的風擋玻璃模型，

59、單擊導入；選擇菜單欄上的幾何，單擊；選擇菜單欄上的幾何，單擊選擇，在輸入對象欄選擇“imp1”，選擇角為“55deg”，選擇軸上的點為（1,0,0），旋轉軸為x軸，點擊，完成玻璃角度的調整；選擇菜單欄“幾何”下的，繪制如圖所示的三維圖；選擇菜單欄上的下的，在增加對象中選擇“blk1”，減去對象中選擇“rot1”，單擊；選擇菜單欄上的下的，輸入對象選擇“dif1”，單擊；選擇“模型開發(fā)器”下的“形成聯(lián)合體”，單擊，完成模型幾何的創(chuàng)建。&l

60、t;/p><p>　　圖4-2 氣流模型幾何圖</p><p>　　4.3.3 指定材料</p><p>　　本節(jié)設定模型研究的材料，因為研究只針對氣流的形態(tài) ，而不對玻璃進行模態(tài)分析，為了減小模型的仿真計算量，在4.2.1節(jié)中將玻璃實體通過差集操作減去，而只保留玻璃的外部形狀，故模型中只有一個空氣域，只需要制定材料為空氣。</p><p>&l

61、t;b>　　操作步驟如下：</b></p><p>　　選擇菜單欄“材料”，單擊，選擇下的，單擊，選擇域1?？諝獠牧系膶傩阅夸泤⒖架浖峁┠J值如下表4-2。</p><p>　　表4-2 空氣的屬性參數表</p><p>　　4.3.4 定義物理場</p><p>　　本節(jié)主要是對模型物理場參數的設定，根據第二章的對流動模

62、型的分析，可得流動模型為不可壓縮的湍流模型，湍流模型類型為RANS，引用的壓力水平1[atm]（標準大氣壓），再設定氣流的入口和出口及相關參數。具體操作步驟如下：</p><p>　　選擇模型開發(fā)器下的，選擇域1，物理模型欄依次選擇“不可壓縮流動”、“RANS”、“”，其他參數按照系統(tǒng)默認值；選擇菜單欄物理場下的，選擇，指定入口邊界條件為“法向流入速度”，值為u_in1（10m/s），同理選擇出口邊界條件為“壓力

63、”，壓力值為1[atm]，其他的長方體面系統(tǒng)默認為壁；“流體屬性”和“初始值”選擇系統(tǒng)默認。以上定義就完成了物理場參數的設置。</p><p>　　4.3.5 劃分網格</p><p>　　在有限元計算仿真中網格的劃分是非常關鍵的一步，網格劃分的質量決定了計算的準確性和計算量的大小。COMSOL Multiphysics 可以創(chuàng)建自由網格、映射網格、掃掠網格、邊界層網格等。利用這些網格剖

64、分工具和方法，可以生成三角形和四邊形（2D），四面體、六面體、棱柱、棱錐（金字塔）等網格單元，并且可以很方便的從四邊形轉換成三角形（2D），六面體、棱柱、棱錐轉換成四面體（3D） ，同時還支持自適應網格、網格可視化、裝配體的網格剖分等功能。 </p><p>　　本論文中是按照模型的結構特征劃分網格，對于模型的邊界選擇“較細化”，對于模型的其他部分選擇“自由剖分四面體網格”，按照這個網格劃分原則得到如圖4-3網格

65、劃分結果。</p><p>　　圖4-3 模型網格劃分結果圖</p><p>　　共有513423個域單元、14504 邊界單元和 716 邊單元組成的完整網格。最終計算時間為3h13min22s。</p><p>　　4.3.6 仿真計算</p><p>　　仿真計算模塊主要由兩部分組成，如圖4-4，穩(wěn)態(tài)設定與求解器配置。穩(wěn)態(tài)設定可以查看之

66、前設定的物理場與變量、因變量選擇、網格選擇以及研究擴展，這些設置均選擇系統(tǒng)默認值。求解器配置是仿真的關鍵，下面將詳細介紹。</p><p>　　圖4-4 模型仿真計算模塊圖</p><p>　　COMSOL求解器分為直接求解器和迭代求解器。直接求解器有MUMPS, SPOOLES, PARDISO等。特點是易于使用，魯棒性強，占用內存大，適于處理小規(guī)模問題，高度非線性和多物理場問題；迭代求

67、解器有GMRES, FGMRES, Conjugate Gradient, BiCGSTAB等。特點是占用內存少，調整比較困難，應用于特定的物理場，如EM（電磁場），CFD（計算流體動力學）等。對于規(guī)模較大的問題（單元數多，自由度大），直接求解器計算會出現(xiàn)內存不足，可以嘗試迭代求解器如GMRES, FGMRES或BiCGStab，并使用合適的預處理器。</p><p>　　幾種迭代求解器介紹：GMRES（廣義最小

68、殘差法）在前面所有搜索方向上最小化殘差，直到重新開始，重新求解前迭代步數很關鍵（默認為50）更節(jié)省內存，具有得到較好的魯棒性（魯棒性是指控制系統(tǒng)在一定（結構、大小）的參數攝動下，維持其他某些性能的特性，即抗干擾的能力）；FGMRES是GMRES的一個靈活的變種，能有效地處理更多類的預處理器，比GMRES開銷2倍多的內存；Conjugate Gradient（共軛梯度法）處理對稱正定問題，在計算時比GMRES更快、內存使用效率更高；BiC

69、GStab（雙共軛梯度法）可以穩(wěn)定迭代算法，在計算時比GMRES更快、內存使用效率更高。</p><p>　　分離式求解器（segregated solver）是順序地、逐一求解各方程。其適用范圍為不可壓縮流動和中等可壓縮流動，這種算法不對Navier-Stokes方程聯(lián)立求解，而是對動量方程進行壓力修正。該算法是一種很成熟的算法，在應用上經過了很廣泛的驗證，適用于汽車領域的CFD模擬。</p>&

70、lt;p>　　由上述分析，本模型屬于汽車領域的CFD模擬，單元數多，計算量大，所以求解器選擇GMRES和segregated solver。利用這兩種求解器得到的收斂圖4-5、4-6。</p><p>　　圖4-5 GMRES求解器得到的收斂圖</p><p>　　圖4-6 Segregated solver求解器得到的收斂圖</p><p>　　收斂圖橫軸表

71、示迭代次數，縱軸表示計算的誤差。由圖4-5、4-6可知，Segregated solver求解器得到的收斂圖在連續(xù)性與最終的誤差方面都比GMRES要好些，但兩種求解器的誤差范圍都在允許范圍內，仿真結果比較接近實際情況。</p><p>　　4.4 仿真結果分析</p><p>　　本節(jié)主要對仿真結果進行分析，對比研究氣流速度和方向（轉化為氣流與玻璃之間夾角）對氣流模型的影響。</p&

72、gt;<p>　　4.4.1 氣流速度對流動模型的影響</p><p>　　利用控制變量法，在玻璃位置處于原始位置時（風擋玻璃相對于地面夾角為55度，這個角度與榮光汽車實際風擋傾角比較接近），氣流選擇10m/s、20m/s、30m/s的入口流速，觀察在不同流速下氣流的分布。</p><p>　　注：以下仿真結果圖中，箭頭表示氣流方向；顏色深淺表示氣流速度的大小，表示方法如圖右

73、邊所示。</p><p>　　V=10m/s時氣流形態(tài)如下圖4-7、4-8所示。</p><p>　　V=20m/s時氣流形態(tài)如圖4-9、4-10所示。</p><p>　　V=30m/s時氣流形態(tài)如圖4-11、4-12所示。</p><p>　　對比流速為10m/s、20m/s和30m/s三種情況氣流分布，可以得出以下結論：</p&g

74、t;<p>　?、倭魉僭黾訉τ诓ＡП砻娴臍饬餍螒B(tài)不會造成太大影響，形狀基本保持一致。共同點都是從玻璃中間位置開始，氣流的流向是向著玻璃兩邊分布，氣流從玻璃下面開始向上及左右邊流動過程中流速逐漸增大，且在玻璃左右邊緣中間靠上的位置流速達到最大。</p><p>　　②隨著流速的增加，整個氣流模型的湍流區(qū)域向后移動。</p><p>　　4.4.2 氣流與玻璃之間夾角對流動模型的

75、影響</p><p>　　側向風影響轉化為氣流方向與風擋玻璃之間的夾角不同，通過調整玻璃的角度達到改變夾角的效果。通過控制變量法的思想，保持氣流流速恒定為10m/s，觀察在不同角度下，玻璃表面氣流的形態(tài)。本文設定的角度為玻璃傾角為55度與45度正對玻璃時的風向和當傾角55度有側向風影響時的風向，三種情況下的氣流形態(tài)如圖4-13~4-19所示。</p><p>　　注：玻璃傾角為玻璃相對x-

76、y平面（地面）的傾角；以下仿真結果中，箭頭表示氣流方向；顏色深淺表示氣流速度的大小，表示方法如圖中右邊所示。</p><p>　　下圖4-13、4-14為玻璃傾角55度時得到的氣流形態(tài)。</p><p>　　玻璃在玻璃傾角為45度時得到的氣流形態(tài)如圖4-15、4-16。</p><p>　　玻璃在側向風影響下得到仿真結果如圖4-17、4-18、4-19所示。<

77、/p><p>　　對比上述三種情況可以得出如下結論：</p><p>　?、賹Ρ葓D4-14和圖4-16可以看出在當玻璃傾角為45度時，玻璃表面的氣流速度增加值較小，45度時增加了1m/s左右，55度增加了6m/s左右，傾角較小時對于氣流的阻礙較小，流速增加較??；表面氣流分布較規(guī)律且相似。</p><p>　　②當有側向風影響時，玻璃表面氣流變得紊亂且大部分氣流向著側向風

78、的方向，在玻璃后部很容易形成渦流。</p><p>　　為了下一章的實驗驗證，補充一個仿真模型，仿真條件為氣流速度7.1m/s，風擋玻璃傾角為45度，其他條件不變，仿真結果如下圖4-20、4-21。</p><p>　　5 仿真結果的實驗驗證</p><p><b>　　5.1 實驗準備</b></p><p>　　搭建

79、試驗平臺對仿真結果進行驗證，本實驗選擇的儀器有：</p><p>　?、偻ㄓ梦辶鈽s光面包車前風擋玻璃實物，如下圖5-1。</p><p>　　圖5-1 通用五菱榮光面包車前風擋玻璃實物 </p><p>　?、陂L揚牌軸流式降溫風扇，具體參數如表5-1所示，實物如圖5-2。</p><p>　　表5-1 軸流式降溫風扇參數</p>

80、<p>　　實驗時，風擋玻璃相對于地面的傾角為45度固定放置，風扇吹出的氣流正對玻璃，放置方式如圖5-3所示。采用在額定功率下的風速，風扇直徑為660mm，根據公式：</p><p><b>　　Q=v*S</b></p><p><b>　　注：Q表示風量；</b></p><p><b>　　v表

81、示風速；</b></p><p>　　S表示風扇的截面積。</p><p>　　由已知數據算的v=7.1m/s。</p><p>　　5.2 實驗現(xiàn)象與分析</p><p>　　為了能夠清楚地觀察實驗現(xiàn)象，采用如圖5-4所示方式，在玻璃表面按一定順序黏貼質量很輕的絲帶，根據絲帶的飄動方向確定玻璃表面氣流的流向，玻璃背</p&

82、gt;<p>　　面貼上紙張是為了是方便拍下絲帶的飄動方向。實驗結果也如圖5-4所示，圖5-5為局部放大圖，紅色線條是按照絲帶飄動方向描繪而成。</p><p>　　本實驗方法相對于一般研究氣流模型所使用的方法如風洞或者煙流發(fā)生器，具有很好的可行性、節(jié)約成本且能直觀地觀察記錄實驗現(xiàn)象。下面對軟件仿真結果與實驗現(xiàn)在現(xiàn)象對比分析，圖5-6為軟件仿真結果，圖5-6為實驗現(xiàn)象。</p><

83、;p>　　對比實驗現(xiàn)象與仿真結果，發(fā)現(xiàn)仿真得到的氣流形態(tài)與實驗結果基本一致，氣流從玻璃中間向玻璃兩邊分布，氣流從玻璃下面開始向上及左右邊流動過程中流速逐漸增大，到達玻璃邊緣時流速到達最大值。實驗結果說明仿真氣流模型符合實際情況，可以做為接下來研究的基礎，即考慮在玻璃表面加入小液滴，研究液滴在氣流影響下的運動狀態(tài)。</p><p><b>　　6 總結與改進方向</b></p>

84、;<p><b>　　6.1 總結</b></p><p>　?、僭跉饬鞣较蛘龑︼L擋玻璃的情況下，流速增加對于玻璃表面的氣流形態(tài)不會造成太大影響，形狀基本保持一致。共同點都是從風擋玻璃中間位置開始，氣流朝向玻璃兩邊分布，氣流從玻璃下面開始向上及左右邊流動過程中流速逐漸增大，且在玻璃左右邊緣中間靠上的位置流速達到最大。</p><p>　　②隨著流速的增加

85、，整個氣流模型的湍流區(qū)域向后移動。</p><p>　?、鄄ＡA角減小時相對于對于氣流的阻礙減小，流速在玻璃表面增加較小。</p><p>　?、墚斢袀认蝻L影響時，玻璃表面氣流變得紊亂且大部分氣流向著側向風的方向流動，在玻璃后部很容易形成渦流。</p><p><b>　　6.2 改進方向</b></p><p>　　本

86、文汽車前風擋玻璃氣流模型研究只是基于CATIA軟件建立的風擋玻璃模型，沒有考慮實際情形下汽車前風擋玻璃氣流形態(tài)還會受到汽車發(fā)動機前蓋板的影響，流過風擋玻璃之后的氣流直接受到汽車車頂限制。所以后續(xù)研究可以利用CATIA軟件建立整車模型，導入COMSOL軟件進行更符合實際的氣流模型研究。</p><p>　　汽車在實際行駛中受到的氣流狀態(tài)都是不規(guī)律的，即氣流的速度不可能是一個定值，可能隨時受到不同風速的影響；氣流的方

87、向相對于汽車前進的方向也在不斷地變化，可能在三維空間里的任何角度。本文針對實際的情形進行了簡化，氣流的速度選定個特殊值（10m/s，20m/s，30m/s）進行研究；氣流的方向也只是局限在x-y平面和z-y平面內變化，對于在x軸、y軸和z軸方向都有分量的氣流缺乏研究。</p><p>　　后續(xù)研究針對這兩面的問題可以進行如下改進：氣流入口流速選擇用隨時間變化的瞬態(tài)值替代，指定仿真的時間步長，可以觀察不同時刻氣流形

88、態(tài)；氣流方向通過對風擋玻璃的角度的二次旋轉，以實現(xiàn)三維氣流形態(tài)研究；最后可以將氣流的流速與方向結合起來，利用瞬態(tài)變量實現(xiàn)不同時刻下的氣流形態(tài)的仿真。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　四年大學生活即將結束，回首這四年的過程，懷著感激的心情，感激那些在我學習生活中給我指導、幫助的人。 </p><p>　　本論文是在我

89、的導師李勁松老師的指導下完成的，他嚴謹的教學態(tài)度、樸實的工作作風、嚴格的撰寫要求，一直給予我悉心的指導和支持。在將近四年的學習生涯里，李勁松老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時在思想、生活上都潛移默化地給我無微不至的關懷。在此謹向他致以崇高的敬意和真摯的問候，感謝他大學期間對于我的關懷與影響。也感謝在所有在大學期間給予我?guī)椭完P懷的老師。 </p><p>　　感謝姜立標老師，感謝他對完成論文給我提供的條件和幫助

90、。 </p><p>　　感謝陳書聰和邱華川師兄，他們認真、刻苦的學術專研精神讓我受益匪淺，他們無論在軟件學習還是論文思路上都給予我很大的幫助。 </p><p>　　感謝一起走過大學四年的小伙伴，是你們讓大學的生活變得豐富多彩。</p><p>　　最后感謝我的父親和母親，感謝他們在我大學生涯中給我的支持與肯定。</p><p><b

91、>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張立軍,孫俊剛,孟德建,刁坤. 汽車前擋風玻璃結構模態(tài)的有限元建模與分析[J]. 汽車工程學報,2014,06:402-406.</p><p>　　[2]臧孟炎,雷周,尾田十八. 汽車玻璃的靜力學特性和沖擊破壞現(xiàn)象[J]. 機械工程學報,2009,02:268-272.</p><p>　　[3]

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