汽车风挡玻璃气流模型研究——毕业论文

海 南 大 学毕 业 论 文（设计）题 目： 汽车风挡玻璃气流模型研究 学 号： XXXXXXXXXX 姓 名： XXXXXX 年 级： XXXXXXX 学 院： 机电工程学院 系 别： 汽车系 专 业： 车辆工程 指导老师： XXXXX 完成日期： 年 月 日摘要随着现代交通工具行驶速度地不断提高，如何在各种工况下更加安全可靠地清洗汽车前风挡玻璃成为一项难题，使用超声波清理风挡玻璃被视为一种重要的研究方法。本篇论文是超声波清洗风挡玻璃课题的子课题，即利用有限元分析软件comsol对汽车前风挡玻璃表面气流分布进行建模。用CATIA建立风挡玻璃模型，导入到comsol软件中，通过改变气流运动速度和方向，模拟车辆在不同运行速度及侧向风影响下，前风挡表面气流分布规律。仿真结果表明流速增加玻璃表面气流形态基本保持一致，气流都是从风挡玻璃中间位置向玻璃两边分布。从玻璃下边缘开始，气流在向上及左右边流动过程中流速逐渐增大，且在玻璃左右边缘中间靠上的位置流速达到最大；随着流速的增加，整个气流模型的湍流区域向后移动；玻璃倾角减小时流速在玻璃表面增值减小；当有侧向风影响时，玻璃表面气流变得紊乱且气流偏向侧向风的方向流动，在玻璃后部容易形成涡流。 最后对仿真结果进行了实验验证，对比得出仿真结果与实际情况基本吻合，为雨刮器后续项目研究做好准备。关键词：CFD；comsol分析；模型；气流形态I汽车风挡玻璃气流模型研究AbstractWith modern 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 an important research methods.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 distribution 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 surface airflow distribution.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 position 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 glass by the middle position of the flow rate reaches the maximum; with the flow rate increases, the turbulent airflow model throughout the region to move backward; reduce the flow rate of the glass in the glass surface inclination value decreases; when there are side winds, the glass surface of the airflow and the airflow becomes disordered biased lateral direction of the wind flow, easy to form a vortex in the rear glass.Finally, the simulation results are verified by experiments, comparing the simulation results obtained are consistent with the actual situation, to prepare for the wiper subsequent research projects.Keywords: CFD; comsol analysis; model; airflow shape 目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本文主要研究内容22 数值计算方法的理论基础22.1 马赫数22.2 雷诺数32.3 湍流模型43 前风挡玻璃模型构建与建模方法简介63.1 CATIA构建玻璃模型63.2 建模方法介绍6 3.2.1 三维参数化建模7 3.2.2 逆向设计74 基于comsol软件仿真过程及结果分析84.1 comsol软件简介84.2 comsol有限元理论94.3 气流模型建模104.3.1 comsol仿真环境设置104.3.2 变量与几何创建104.3.3 指定材料114.3.4 定义物理场124.3.5 划分网格134.3.6 仿真计算144.4 仿真结果分析164.4.1 气流速度对流动模型的影响164.4.2 气流与玻璃之间夹角对流动模型的影响195 仿真结果的实验验证245.1 实验准备245.2 实验现象与分析256 总结与改进方向266.1 总结266.2 改进方向27致谢28参考文献29IV1 绪论1.1 课题研究背景和意义随着现代交通工具如汽车行驶速度的不断提高，如何在各种工况下更加安全可靠地清洗汽车前风挡玻璃也成为一项重要的研究内容。本课题最终的研究目标是超声波清洗汽车风挡玻璃，这之中就涉及几类研究问题：汽车风挡玻璃气流模型研究；风挡玻璃的模态分析；玻璃表面液珠模型研究；超声波清洗风挡玻璃的激励频率（激励频率避开风挡玻璃的共振频率）；最后实现对于不同的风挡玻璃（不同车型）、不同的行车速度、不同风向、不同大小雨量等采用合适的清洗风挡玻璃方法。 本项研究是对现有的汽车机械式风挡玻璃清洗仪器的变革，相对于传统的雨刮器清洗，超声波清洗具有可靠性好、效率高而且不仅仅是可以运用在汽车上，针对于高速运动交通工具如高铁、飞机优势就更为明显，具有十分重要的意义。本论文就是针对汽车风挡玻璃气流模型进行建模分析，为项目的后续工作打下一定基础。1.2 国内外研究现状汽车前风挡玻璃一般采用的是夹层玻璃，即在两片钢化玻璃之间夹一层聚乙烯醇缩丁醛膜（Polyvinyl Butyral，PVB），具有高强度和高韧性、强抗碰撞能力和高透明度的特点。目前，国内外关于挡风玻璃的研究分为以下几方面：安全方面：受到撞击后玻璃的变化。臧孟炎、雷周等应用试验和数值仿真方法对汽车玻璃的静态特性和破坏机理进行了研究；刘博涵等研究了PVB中间层对挡风玻璃能量吸收作用；徐军、李一兵等使用扩展的有限元法（XFEM）分析风档低速头部撞击模式的问题；Yong Peng、Caroline Deck等研究了挡风玻璃夹层的力学行为与行人的头部碰撞的情况。风噪声、气流阻力方面：田伟将风挡玻璃计入汽车风噪声系统进行研究；田永、韦俊研究了汽车前风挡玻璃的光学性能。前挡风玻璃的颜色及下雨天对人视觉方面的影响：Frdric Bernardin等研究风挡玻璃雨水对于驾驶性能的影响。风挡玻璃除霜性能方面：李智，陈钊利用CFD软件，对汽车空调除霜性能进行了仿真分析。涉及的研究方法有：有限元方法（finite element method）、数值模拟（Numerical simulation）与实验相结合。在国内外研究中与风挡玻璃表面气流模型相关的研究基本没有，本篇论文参照前人的研究方法，采用有限元仿真和实验相结合的方法对气流模型就行研究。1.3 本文主要研究内容利用Comsol软件对汽车前风挡玻璃表面气流分布进行建模。在软件中通过改变气流运动速度和方向，模拟车辆在不同运行速度下以及在侧向风影响下，前风挡表面气流分布规律，为汽车雨刮器项目后序研究做好准备。研究内容：利用CATIA软件构建汽车前风挡玻璃模型。将玻璃模型导入到comsol软件中，对玻璃模型正面施加表面风。在软件中通过改变气流运动速度和方向，模拟车辆在不同运行速度下以及在侧向风影响下，前风挡表面气流分布规律。同时通过调节风挡与气流之间的夹角，模拟不同车型风挡表面气体分布规律。搭建试验平台对仿真结果进行验证，说明模型的可用性。2 数值计算方法的理论基础2.1 马赫数马赫数定义为流体的流动速度（v）和声音在该流体内传播的速度（c）之比，这个无量纲参数表征了流场的可压缩性效应。依照马赫数的不同，流体分为几种类型，如下表2-1。表2-1 根据马赫数划分的流体类型MaMa0.30.3=Ma0.80.8=Ma1.21.2=Ma=5流动类型亚声速不可压缩流亚声速可压缩流跨声速流超声速流高超声速流 虽然所有的流体都是可压缩的，但流体在低速下（Ma0.3），流体的密度变化不大，可以看成不可压缩流，彭小勇、顾炜丽等对于低速气体流动的不可压缩性问题进行了理论解析，通过理想流体定常流动的理论解析，导出了在低马赫数下流体密度的相对变化率与压强、温度的相对变化率之间的关系式，得到了当Ma1时（Ma4000，所以为流动为湍流。2.3 湍流模型常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。在湍流模型中二方程模型运用比较广泛，常用的两方程模型有Jones与Launder提出的标准k-模型，以及k-omega模型，下面主要介绍k-模型。k-模型有以下三种： 标准的k-模型：最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度，为工程流场计算中的主要工具。适用范围广，具有经济合理的精度，它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。 RNG k-模型：RNG k-模型来源于严格的统计技术。它和标准k-模型很相似，但是有以下改进：a、RNG模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。b、考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。c、RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-模型使用的是用户提供的常数。d、标准k-模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的作用取决于正确的对待近壁区域。这些特点使得RNG k-模型比标准k-模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。 可实现的k-模型：可实现的k-模型是才出现的，比起标准k-模型来有两个主要的不同点：可实现的k-模型为湍流粘性增加了一个公式；为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。在参考文献11第106页提及的实例“太阳能电池阵列的自然风载荷稳定分析模型”中自然风流动需要用湍流模型来描述，其使用两方程模型k来描述湍流运动，在两方程k模型中采用标准的k模型。实例与本研究的物理问题相似，拟采用标准的k模型模拟风挡玻璃的外流场。描述湍流k模型的方程为 (1) (2) (3) (4)方程(1) (2)是主方程，通过求解上述方程，就可以获得流动的详细情况，并可以计算出风挡玻璃表面的压力分布。注：向量微分算子,也叫哈密顿(Hamilton)算子或者Nabla算子.定义如下：,是沿x,y,z轴正方向的单位向量。 由本章上述的理论与计算可得，本研究气流运动属于单相不可压缩的湍流流动。3 前风挡玻璃模型构建与建模方法简介3.1 CATIA构建玻璃模型本研究中前风挡玻璃模型选择的是通用五菱荣光面包车前档夹层实物，通过CATIA参数化建模方法建立模型。建模流程比较简单，涉及的主要命令有样条曲线、多截面曲面、3D曲线和加厚曲面等，主要的难点在于如何根据实物获取风挡表面的坐标点，本模型采用的是已经利用3D扫描仪获取的数据。建立的模型如下图3-1所示。图3-1 风挡玻璃CATIA模型树3.2 建模方法介绍对于不同车型，风挡玻璃曲率等参数可能不一样，选择合适的CATIA建模方法将会大大提高建模效率，下面将对三维参数化建模和逆向设计两种建模方法进行介绍。3.2.1 三维参数化建模参数化建模一直都是CAD设计人员探索的问题，其关键是如何用实物的特征参数来自动控制和生成实物三维模型，而且特征参数发生改变能够自动地反映到三维模型中，这一技术将会给机械产品中的标准件、常用件和系列化产品的设计带来很大便利。参数化建模的关键在于用参数、公式、表格、特征等驱动图形以达到改变图形的目的，在CATIA V5中可通过如下的方法来实现。利用系统参数与尺寸约束驱动图形：CATIA V5具有完善的系统参数自动提取功能，它能在草图设计时，将设计人员输入的尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中可视化地对它进行修改，从而达到最直接的参数驱动建模的目的。利用用户参数和公式驱动图形：CATIA V5不仅具有系统定义的参数，而且还有用户自定义参数。设计人员通过用户自定义参数和公式的工具，可以很方便地定制出客户所要的各种各样的参数以及约束这些参数的公式。利用表格数据驱动图形：机械产品设计中，标准件、通用件的尺寸可通过查表获得，在CATIA V5中可应用表格驱动几何图形实现这一功能。利用规则与检验控制特征驱动图形：CATIA V5可通过规则和检验对三维模型的特征进行控制和检查。规则是由用户定义的在一定条件下控制某些参数、特征和事件的指令；检验只是用户编写的一条简单的指令，不影响参数值。3.2.2 逆向设计逆向工程设计是相对于正向工程而言的，把现有的产品实物通过激光扫描和点采集等手段，获取产品的三维数据和空间几何形状，把获取的数据通过计算机专业设计软件设计成图纸，用于生产制造的过程。逆向工程设计的一般有以下步骤：三维扫描：主要用于对物体空问外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。数据处理：扫描得到的产品外型数据会不可避免地引人数据误差，所以要对原始点云数据进行预处理，通常要经过下面过程：去掉噪音点；数据插补；数据平滑；数据光顺；点云的重定位整合。产品的逆向分析：包括面向对象整体系统的宏观分析和面向对象组成部分个体系统的详细分析。4 基于Comsol软件仿真过程及结果分析4.1 Comsol软件简介COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家誉为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。作为一款大型的高级数值仿真软件，COMSOL Multiphysics 以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里广泛应用于声学、生物科学、化学反应、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。 COMSOL Multiphysics大量预定义的物理应用模式，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速地建立模型。COMSOL中定义模型非常灵活，材料属性、源项、以及边界条件等可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。本篇论文运用的就是COMSOL Multiphysics的计算流体动力学模块（Computational Fluid Dynamics，CFD）。COMSOL Multiphysics是一款多物理场有限元仿真软件，和大多数有限元软件建模流程类似，基本建模流程为创建几何-指定材料-定义物理场-划分网格-仿真计算-结果后处理。基本的建模流程就是如此，在4.3节将会针对本模型流体动力学模块，进行详细的建模步骤分析。COMSOL软件保存的文件的类型为.mph。4.2 comsol有限元理论有限元理论就是将连续的求解域离散成一组有限个，按一定方式相互联结在一起的单元组合体，将PDE（Partial Differential Equation，偏微分方程）转换成离散的线性代数方程系统。 （注）K：刚度矩阵 u：解变量，或解向量，u的数量为自由度数目（DOF） F：载荷向量有限元的求解流程如下图4-1。图4-1 有限元软件求解流程图特点：各种复杂单元可以用来模型化几何形状复杂的求解域；各节点上的解的近似函数可以用来求解整个求解域上任意点的结果。这节主要对comsol软件有限元的理论基础及求解的一般流程进行介绍，下面内容将对模型的具体内容进行设置。4.3 气流模型建模4.3.1 comsol仿真环境设置本节主要是对COMSOL仿真环境的设置，根据第二章数值计算方法的理论基础相关的研究选择对应的COMSOL模块进行仿真。步骤如下：启动COMSOL，建立一个新的模型。选择模型向导，空间维度选择三维，物理场依次选择“流体流动”、“单向流”、“湍流”，湍流模型下选择“湍流，ke（spf）”，单击“增加”按钮，选择“研究”，在预制研究中选择“稳态”，单击“完成”，进入模型开发器。4.3.2 变量与几何创建本节模型设置是本篇论文研究基础，对于不同的气流速度大小和气流方向这两类参数都在本节设置。要实现仿真汽车前风挡在不同运行速度下以及侧向风影响下表面气流分布规律，在软件中就是通过改变气流运动速度和方向。汽车前风挡在不同车速下相对于气流的速度，转化为当汽车静止时气流的速度；气流的运动方向造成的气流与玻璃的夹角不同，转化为当气流的方向恒定为平行于汽车前进方向的反方向时，通过调整玻璃的位置，实现气流与玻璃夹角的不同。气流的入口流速选择10m/s，20m/s，30m/s，此时如果在没有自然风的情况下，对应的车速为36km/h，72km/h，108km/h。模型中操作如下：选择模型开发器下全局定义，鼠标右键选择Pi 参数，参数设定表格设置如表4-1：表4-1 入口流速参数设定表名称表达式值描述u_in110m/s10m/s入口流速1u_in220m/s10m/s入口流速2u_in330m/s10m/s入口流速3几何创建步骤如下：定位到组件1下的几何1，鼠标右键选择导入，导入窗口浏览选择之前用CATIA创建好的风挡玻璃模型，单击导入；选择菜单栏上的几何，单击；选择菜单栏上的几何，单击选择，在输入对象栏选择“imp1”，选择角为“55deg”，选择轴上的点为（1,0,0），旋转轴为x轴，点击，完成玻璃角度的调整；选择菜单栏“几何”下的，绘制如图所示的三维图；选择菜单栏上的下的，在增加对象中选择“blk1”，减去对象中选择“rot1”，单击；选择菜单栏上的下的，输入对象选择“dif1”，单击；选择“模型开发器”下的“形成联合体”，单击，完成模型几何的创建。图4-2 气流模型几何图4.3.3 指定材料本节设定模型研究的材料，因为研究只针对气流的形态 ，而不对玻璃进行模态分析，为了减小模型的仿真计算量，在4.2.1节中将玻璃实体通过差集操作减去，而只保留玻璃的外部形状，故模型中只有一个空气域，只需要制定材料为空气。操作步骤如下：选择菜单栏“材料”，单击，选择下的，单击，选择域1。空气材料的属性目录参考软件提供默认值如下表4-2。表4-2 空气的属性参数表属性名称值单位属性组动力粘度mu基本密度rho基本比热率gamma基本电导率sigma基本常压热容Cp基本导热系数k基本声速c基本4.3.4 定义物理场本节主要是对模型物理场参数的设定，根据第二章的对流动模型的分析，可得流动模型为不可压缩的湍流模型，湍流模型类型为RANS，引用的压力水平1atm（标准大气压），再设定气流的入口和出口及相关参数。具体操作步骤如下：选择模型开发器下的，选择域1，物理模型栏依次选择“不可压缩流动”、“RANS”、“”，其他参数按照系统默认值；选择菜单栏物理场下的，选择，指定入口边界条件为“法向流入速度”，值为u_in1（10m/s），同理选择出口边界条件为“压力”，压力值为1atm，其他的长方体面系统默认为壁；“流体属性”和“初始值”选择系统默认。以上定义就完成了物理场参数的设置。4.3.5 划分网格在有限元计算仿真中网格的划分是非常关键的一步，网格划分的质量决定了计算的准确性和计算量的大小。COMSOL Multiphysics 可以创建自由网格、映射网格、扫掠网格、边界层网格等。利用这些网格剖分工具和方法，可以生成三角形和四边形（2D），四面体、六面体、棱柱、棱锥（金字塔）等网格单元，并且可以很方便的从四边形转换成三角形（2D），六面体、棱柱、棱锥转换成四面体（3D） ，同时还支持自适应网格、网格可视化、装配体的网格剖分等功能。 本论文中是按照模型的结构特征划分网格，对于模型的边界选择“较细化”，对于模型的其他部分选择“自由剖分四面体网格”，按照这个网格划分原则得到如图4-3网格划分结果。图4-3 模型网格划分结果图 共有513423个域单元、14504 边界单元和 716 边单元组成的完整网格。最终计算时间为3h13min22s。4.3.6 仿真计算仿真计算模块主要由两部分组成，如图4-4，稳态设定与求解器配置。稳态设定可以查看之前设定的物理场与变量、因变量选择、网格选择以及研究扩展，这些设置均选择系统默认值。求解器配置是仿真的关键，下面将详细介绍。图4-4 模型仿真计算模块图COMSOL求解器分为直接求解器和迭代求解器。直接求解器有MUMPS, SPOOLES, PARDISO等。特点是易于使用，鲁棒性强，占用内存大，适于处理小规模问题，高度非线性和多物理场问题；迭代求解器有GMRES, FGMRES, Conjugate Gradient, BiCGSTAB等。特点是占用内存少，调整比较困难，应用于特定的物理场，如EM（电磁场），CFD（计算流体动力学）等。对于规模较大的问题（单元数多，自由度大），直接求解器计算会出现内存不足，可以尝试迭代求解器如GMRES, FGMRES或BiCGStab，并使用合适的预处理器。几种迭代求解器介绍：GMRES（广义最小残差法）在前面所有搜索方向上最小化残差，直到重新开始，重新求解前迭代步数很关键（默认为50）更节省内存，具有得到较好的鲁棒性（鲁棒性是指控制系统在一定（结构、大小）的参数摄动下，维持其他某些性能的特性，即抗干扰的能力）；FGMRES是GMRES的一个灵活的变种，能有效地处理更多类的预处理器，比GMRES开销2倍多的内存；Conjugate Gradient（共轭梯度法）处理对称正定问题，在计算时比GMRES更快、内存使用效率更高；BiCGStab（双共轭梯度法）可以稳定迭代算法，在计算时比GMRES更快、内存使用效率更高。分离式求解器（segregated solver）是顺序地、逐一求解各方程。其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动，这种算法不对Navier-Stokes方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正。该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证，适用于汽车领域的CFD模拟。由上述分析，本模型属于汽车领域的CFD模拟，单元数多，计算量大，所以求解器选择GMRES和segregated solver。利用这两种求解器得到的收敛图4-5、4-6。图4-5 GMRES求解器得到的收敛图图4-6 Segregated solver求解器得到的收敛图收敛图横轴表示迭代次数，纵轴表示计算的误差。由图4-5、4-6可知，Segregated solver求解器得到的收敛图在连续性与最终的误差方面都比GMRES要好些，但两种求解器的误差范围都在允许范围内，仿真结果比较接近实际情况。4.4 仿真结果分析本节主要对仿真结果进行分析，对比研究气流速度和方向（转化为气流与玻璃之间夹角）对气流模型的影响。4.4.1 气流速度对流动模型的影响利用控制变量法，在玻璃位置处于原始位置时（风挡玻璃相对于地面夹角为55度，这个角度与荣光汽车实际风挡倾角比较接近），气流选择10m/s、20m/s、30m/s的入口流速，观察在不同流速下气流的分布。注：以下仿真结果图中，箭头表示气流方向；颜色深浅表示气流速度的大小，表示方法如图右边所示。V=10m/s时气流形态如下图4-7、4-8所示。图4-7 流速为10m/s时整个侧面气流形态图4-8 流速为10m/s时玻璃表面气流形态V=20m/s时气流形态如图4-9、4-10所示。图4-9 流速为20m/s时整个流场侧面气流形态图4-10 流速为20m/s时玻璃表面气流形态 V=30m/s时气流形态如图4-11、4-12所示。图4-11 流速为30m/s时整个流场侧面气流形态图4-12 流速为30m/s时玻璃表面气流形态对比流速为10m/s、20m/s和30m/s三种情况气流分布，可以得出以下结论：流速增加对于玻璃表面的气流形态不会造成太大影响，形状基本保持一致。共同点都是从玻璃中间位置开始，气流的流向是向着玻璃两边分布，气流从玻璃下面开始向上及左右边流动过程中流速逐渐增大，且在玻璃左右边缘中间靠上的位置流速达到最大。随着流速的增加，整个气流模型的湍流区域向后移动。4.4.2 气流与玻璃之间夹角对流动模型的影响侧向风影响转化为气流方向与风挡玻璃之间的夹角不同，通过调整玻璃的角度达到改变夹角的效果。通过控制变量法的思想，保持气流流速恒定为10m/s，观察在不同角度下，玻璃表面气流的形态。本文设定的角度为玻璃倾角为55度与45度正对玻璃时的风向和当倾角55度有侧向风影响时的风向，三种情况下的气流形态如图4-134-19所示。注：玻璃倾角为玻璃相对x-y平面（地面）的倾角；以下仿真结果中，箭头表示气流方向；颜色深浅表示气流速度的大小，表示方法如图中右边所示。下图4-13、4-14为玻璃倾角55度时得到的气流形态。图4-13 玻璃倾角为55度时整个流场侧面气流形态图4-14 玻璃倾角为55度时玻璃表面气流形态玻璃在玻璃倾角为45度时得到的气流形态如图4-15、4-16。图4-15 玻璃倾角为45度时整个流场侧面气流形态图4-16 玻璃倾角为45度时玻璃表面气流形态玻璃在侧向风影响下得到仿真结果如图4-17、4-18、4-19所示。图4-17 有侧向风影响时整个流场侧面气流形态图4-18 有侧向风时影响玻璃侧面气流形态图4-19 有侧向风影响时玻璃表面气流形态对比上述三种情况可以得出如下结论：对比图4-14和图4-16可以看出在当玻璃倾角为45度时，玻璃表面的气流速度增加值较小，45度时增加了1m/s左右，55度增加了6m/s左右，倾角较小时对于气流的阻碍较小，流速增加较小；表面气流分布较规律且相似。当有侧向风影响时，玻璃表面气流变得紊乱且大部分气流向着侧向风的方向，在玻璃后部很容易形成涡流。 为了下一章的实验验证，补充一个仿真模型，仿真条件为气流速度7.1m/s，风挡玻璃倾角为45度，其他条件不变，仿真结果如下图4-20、4-21。图4-20 流速7.1m/s且玻璃倾角45度时整个流场侧面气流形态图4-21 流速7.1m/s且玻璃倾角45度时玻璃表面气流形态5 仿真结果的实验验证5.1 实验准备搭建试验平台对仿真结果进行验证，本实验选择的仪器有： 通用五菱荣光面包车前风挡玻璃实物，如下图5-1。图5-1 通用五菱荣光面包车前风挡玻璃实物 长扬牌轴流式降温风扇，具体参数如表5-1所示，实物如图5-2。表5-1 轴流式降温风扇参数型号DFN600噪声7580dB风量9000m3/h转速1410rad/min电压220V功率0.55kw实验时，风挡玻璃相对于地面的倾角为45度固定放置，风扇吹出的气流正对玻璃，放置方式如图5-3所示。采用在额定功率下的风速，风扇直径为660mm，根据公式：Q=v*S注：Q表示风量； v表示风速； S表示风扇的截面积。由已知数据算的v=7.1m/s。图5-2 轴流式降温风扇图5-3 实验仪器放置位置5.2 实验现象与分析为了能够清楚地观察实验现象，采用如图5-4所示方式，在玻璃表面按一定顺序黏贴质量很轻的丝带，根据丝带的飘动方向确定玻璃表面气流的流向，玻璃背面贴上纸张是为了是方便拍下丝带的飘动方向。实验结果也如图5-4所示，图5-5为局部放大图，红色线条是按照丝带飘动方向描绘而成。图5-4 玻璃表面气流实验现象图5-5 玻璃表面实验现象放大图（红线表示处理过的气流方向）本实验方法相对于一般研究气流模型所使用的方法如风洞或者烟流发生器，具有很好的可行性、节约成本且能直观地观察记录实验现象。下面对软件仿真结果与实验现在现象对比分析，图5-6为软件仿真结果，图5-6为实验现象。图5-6 流速7.1m/s且玻璃倾角45度时玻璃表面气流形态图5-7 实验得到的玻璃表面气流形态（玻璃右半面）对比实验现象与仿真结果，发现仿真得到的气流形态与实验结果基本一致，气流从玻璃中间向玻璃两边分布，气流从玻璃下面开始向上及左右边流动过程中流速逐渐增大，到达玻璃边缘时流速到达最大值。实验结果说明仿真气流模型符合实际情况，可以做为接下来研究的基础，即考虑在玻璃表面加入小液滴，研究液滴在气流影响下的运动状态。6 总结与改进方向6.1 总结在气流方向正对风挡玻璃的情况下，流速增加对于玻璃表面的气流形态不会造成太大影响，形状基本保持一致。共同点都是从风挡玻璃中间位置开始，气流朝向玻璃两边分布，气流从玻璃下面开始向上及左右边流动过程中流速逐渐增大，且在玻璃左右边缘中间靠上的位置流速达到最大。随着流速的增加，整个气流模型的湍流区域向后移动。玻璃倾角减小时相对于对于气流的阻碍减小，流速在玻璃表面增加较小。当有侧向风影响时，玻璃表面气流变得紊乱且大部分气流向着侧向风的方向流动，在玻璃后部很容易形成涡流。6.2 改进方向本文汽车前风挡玻璃气流模型研究只是基于CATIA软件建立的风挡玻璃模型，没有考虑实际情形下汽车前风挡玻璃气流形态还会受到汽车发动机前盖板的影响，流过风挡玻璃之后的气流直接受到汽车车顶限制。所以后续研究可以利用CATIA软件建立整车模型，导入COMSOL软件进行更符合实际的气流模型研究。汽车在实际行驶中受到的气流状态都是不规律的，即气流的速度不可能是一个定值，可能随时受到不同风速的影响；气流的方向相对于汽车前进的方向也在不断地变化，可能在三维空间里的任何角度。本文针对实际的情形进行了简化，气流的速度选定个特殊值（10m/s，20m/s，30m/s）进行研究；气流的方向也只是局限在x-y平面和z-y平面内变化，对于在x轴、y轴和z轴方向都有分量的气流缺乏研究。后续研究针对这两面的问题可以进行如下改进：气流入口流速选择用随时间变化的瞬态值替代，指定仿真的时间步长，可以观察不同时刻气流形态；气流方向通过对风挡玻璃的角度的二次旋转，以实现三维气流形态研究；最后可以将气流的流速与方向结合起来，利用瞬态变量实现不同时刻下的气流形态的仿真。致谢四年大学生活即将结束，回首这四年的过程，怀着感激的心情，感激那些在我学习生活中给我指导、帮助的人。 本论文是在我的导师李劲松老师的指导下完成的，他严谨的教学态度、朴实的工作作风、严格的撰写要求，一直给予我悉心的指导和支持。在将近四年的学习生涯里，李劲松老师不仅在学业上给我以精心指导，同时在思想、生活上都潜移默化地给我无微不至的关怀。在此谨向他致以崇高的敬意和真挚的问候，感谢他大学期间对于我的关怀与影响。也感谢在所有在大学期间给予我帮助和关怀的老师。 感谢姜立标老师，感谢他对完成论文给我提供的条件和帮