（载运工具运用工程专业论文）汽车淋雨试验系统能量转换的分析研究.pdf

摘要 摘要 本文探讨了能量转换的质级关系，根据能量转换的质级关系理论设计出淋雨试验室 的喷淋装置，目的是使喷淋装置各个喷嘴能够保持均匀的喷射流量，同时使得能量得到 有效的利用。然后应用大型通用有限元分析软件ansys与淋雨试验室喷淋装置嚣03，1 7 r e p f a s t 伊oc ，1 ，一o 3 ，1 瓜ep f a s t fo c ，1 ，一0 3 ，1 re p ，f a s t fo c ，1 ，一o 3 ，1 re p ，f a s t fo c ，1 ，一o 3 ，1 re p f a s t f0 c ，1 - o 3 ，1 re p f a s t fo c ，1 ，- 0 3 ，1 r ep f a s t fo c ，1 ，一o 3 ，1 东北林业火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i r s te x p l o r e dt h eq u a l i t yl e v e lo fe n e 唱yc o n v e f s i o nr e l a t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t y l e v e lo fe n e r g yc o n v e r s i o nr e l a t i o n st h e o r yd e v i s e dd r e n c h e dl a b o r a t o r ys p r a yt op o u rd e v i c e s ， d e s i g n e dt op r o v i d es p r a yt op o u ri n s t a u a t i o no fv a “o u sn o z z l e st om a i n t a i nh o m o g e n e o u sj e t f l o w ，a n dm a k e se f ：f e c t i v eu s eo fe n e r g y a n dt h e na p p l i e dt oal a 唱ea n di ng e n e r a lu s ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r ea n s y sa n dd r e n c h e dl a b o r a t o r yd e s i g ns p r a yt op o u rd e v i c e s c o m b i n e dw f t ht h eu s eo fa u t o m a t e dt e c h n o l o g i e st ob eac e r t a i nt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a l s j g n i f i c a n c eo f t h es i m u l a c i o ns y s t e m u n d e rt h es y s t e mu s e da n s y ss o f t w a r et ot h eq u a l i t yl e v e lo fe n e r g yc o n v e r s i o nt h e o r y d e s i g n e dd r e n c h e dl a b o r a t o r ya n df i n a l l ym a k eas i m u l a t i o nt ot h es i d e ，t h et o pa n dt h eb o t t o m w h i c hc h o i c eas p r a yt op o u rp i p e l i n er e s p e c t i v e l y ，i nl i n es i m u l a t i o n d i a m e t e rp i p e l i n ei n o r d e rt or e n e c tt h ed i f ! i e r e n ts i z ec o u n t e r p a r td i f i e r e n tr e s u l t sf i n a l l ym a d es i d ea n dt o pf a c e d i a m e t e ro f2 5 m m ，3 0 m m ，2 0 m ma n d1 5 m md i a m e t e rs u b s t r a t e s ，2 0 m ma n d1 0 m mn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h eu s eo fa n s y ss o f t w a r ei nal i n eo fs p r a yt op o u r p i p e l i n em o d e l i n g ，u s i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ed e s i g na p p r o a c hi st om o d e lt h ev a r i o u sp a r a m e t e r su s e di nt h ef o r mo f v a r i a b l e st h a to u to ft h ev a r i o u s p a r a m e t e r so nt h eb a s i so fu s e r sm a yr e q u e s tr a n d o m a d j u s t m e n ta n dt h u sd e m a n dd i f f e r e n td e s i g n t h i sw o u l dr e d u c et h ed e s i g nc o s t sa n ds h o r t e n t h ep r o d u c td e s i g na n da n a l y s i sc y c l e ，i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t sa n de n g i n e e r i n g ， m a t e r i a lc o n s u m p t i o na n dl o w e rc o s t ，b u ta l s oi n p r o d u c tm a n u f a c t u r i n ga n dc o n s t r u c t i o n f b u n d p o t e n t i a lp r o b l e m si na d v a n c ea n dc a nb et i m e l yr e s o l v e d f i n a l l yu s i n gh y d r o d y n a m i c ss i m i l a rp r i n c i p l e sa n db yr e d u c i n gt h ep r o p o r t i o no fa c e r t a i nk i n do fm o d e l ，w h i c hw o u l ds a v et h ec o s to fe x p e r i m e n t sa n de x p e r i m e n t a is p a c e f u r t h e rm a k eac o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t er e s u l t sa n a l y s i s t h r o u g ht h i s p i l o t c e r t i f i c a t i o no fv a r i o u sn o z z l e s d e s i g n e df a c t o r yi n s t a h a t i o n so ft h ej e tf l o wi s h o m o g e n e o u s 1 姆w o r d ss p r a yt op o u rd e v i c e ； e n e r g y ； s i m u l a t i o n i i l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着世界汽车工业的不断发展壮大，汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突 出，逐渐成为各主要汽车生产国的支柱产业，并对世界经济的发展和社会的进步产生巨 大的作用和深远的影响1 1 | 。 汽车工业引进技术及其国产化进程的实际成就，标志着汽车工业已经完成历史性的 转变，奔向了汽车工业的起飞阶段1 2 j 。 在汽车工业，车身的淋雨密封性试验是一个不可缺少的重要环节。无论是客车、轿 车、微型车或者卡车，给司乘人员创造一个良好环境并保证其安全是十分重要的。因 此，汽车淋雨试验是汽车生产必须进行的试验，需要汽车淋雨试验室这一基础性设施。 毫无疑问，在汽车淋雨试验室方面的研究在当前来说是非常必要的，它将在一定程度上 促进汽车行业的平稳发剧引。 汽车淋雨试验是一种人工环境试验方法，它用于测试汽车的防雨密封性能，模拟汽 车在使用条件下遇到自然降雨或滴水环境因素后的影响。淋雨试验方法的研究和应用至 今已有多年历史【4 1 。早在7 0 年代法国航空标准、美国军用标准和英国军用标准中均正 式规定了有关人工淋雨、暴雨和防滴水方面的条款。我国也于1 9 9 0 年做出规定：中华 人民共和国国家标准客车防雨密封性试验方法( r a i np r 0 0 fp e r f o r m a n c et e s tm e t h o df o r b u s e s ) g b 厂r1 2 4 8 0 9 0 【5 1 。 在经济突飞猛进的今天，节能和经济性毕竟是发展的方向与趋势。因此本课题根据 东北林业大学交通学院为工大集团按照国家标准设计的淋雨试验室流体喷淋系统，进行 流体能量转换过程的计算和论证，从而保证每个喷头喷水量均匀一致。并且通过计算机 模拟仿真，研究如何达到最佳的设计效果。 同时我们所用的计算机模拟仿真系统是现今c a e ( c o m p u t e r 赴d e de n g i n e e r i n g ，计 算机辅助工程) 的重大应用。 计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿 真分析。一方面，c a e 技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过 计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问 题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工 程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同 时c a e 这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许 多相关的基础学科和应用科学的进步1 6 】。 1 1 1 国外c a e 技术概况 美国于1 9 9 8 年成立了工程计算机模拟和仿真学会( c o m p u t e rm o d e l i n ga n d 耋青鬓饕蠢茎囊萋莲蛆强“惹萎蓁 羹；摹藕强霎雾雾 篓萋蓁嚣粪囊薹萋蓁纛冀鬻薹薹露羹 季；蚤霎蚜篓冀羹薹 謇霪羹手重眦氅罕盒世嚣堡薹麓配鞭担；罂躺鍪羹墓瞵型! 囊蓁雾薹歪蚪型熟犁出光 穗锱。塾羹茬蹦习墓菰龚季i 广寝墓篓雾埘讶嵛；孺嘶鬣基耋磊辫甥趣誊墼厘剧十! ；i ! ；灞 j 嚣囊裂在翮涣砰型看箍蕊毕森震链婴名冀弦匿= 薹副鹈引掣篓衙速嚅镞鬟豪甭瓦矛前 萎达；班誊趟割眇鞭芝型蓄甄州印掳哪磷；荆秽啪雾融型二叩譬饵碉部菸恶博崾筢些墨 强项翟雾獭；甲雾开发蓄濯壤霎甄黔驯到斟；望蠢墨蒴摧啉湍捌馑篓! 冀幢莲璺么鳍 燮斋嚣篓鍪形渊罐蝰鏊习毖嗡罐薹阡羹鹳懒彻越丝雾骀i 要基萨鍪鬻鬻孺匣蓄k 篓菥 前当蠢羔刃缀；薷戊鬟淫强缈淫矬瑚强蓁钵缝囊耋薹薹塑冀羹而萋蚕羹冀童i i 型i 攀；薹；羹零耋羹雾冀冀鬟 霪塞妻逊锄世霆终淄强搐榴摆罐懦竖毖睡| 蔓雾坶明确新鳢l 鞘黑i ? 霸纛莉孤 i 蔼i 型嚷召。婴蓠甾翁l 茄i 萋嶷狮j 毳轻羹雳躲酗掣氍舭i 翘鐾蝇烈班季簧璧济囊 伊此翔i i j i 。 冶蒋：霎嚣嚣雾翮铫缈劐烈挲龆檬，雾决复蔡，羹嘴蟛捌；腹垌捩蕴；坼蓟i 粥警i & 鞘； 口j ，劐剃俄j 舳羹苕旦，纛逻冶皿i 焰溜；骥雾蔺掰；与设，计间j 明天 系；釜娶蔫烈擎蓁i 僦勘鞲坦篓蔼淡薹噬灞i 2 1 i ； 萋二篓蛹濮羹翟羹蓁蓁黧冀冀蓁蠢 鐾鬻警耋耋薹爿霎测怖降毓空丽酾落签谱裂落蓦h ? 四羹萝震雾蠢薹至蕈謇f 2 萼簧塔些薹霎菱蓁 濉萋萋f 羹鬟囊攀喜酬蓁袁；坚墓雾雾翼雾冀蓁蓁羹i 冀雾匠甲整垂需掣羹蠢肇瓮婪擐；拍 礁孽囊醉。戮坠k 北留m 鲥擞。器塑雨殖爨雾弼酲黢鸶剂摊酴躺璧群鳃蝗蛳；裂塑震簧 氛影薹薹塞羹主蓁j 粤i i ；! ，篓茎氢篓兰烈雾亨羹强囊彖洱划吁每葩不n 捌雾l 霉i | 喜蓉；李翳毡嚣| 薹茎睁! 襄委! 霉：蓥攀妻! 而葱= 印器重主蓁薹墓岸果蔺苻棼i 塞霎耄薹喜鎏萎霎蓁震蠡雾囊薹羹喜羹擎 定蛙。飘骱茎蒯秸髟翻绷矧翼i 奏童罄萋i ；翳虱茬汽车裔 誊妻| 薹i 卿抖遣耄堑游丝荞“獯 蝴篓而甫辅髓j i 科幽；墼塞薹辅弼骶固蚕羹霎馏磐馕2 砼掣隶需量竖羹握熏瑶磬礤 弧薹降晦妻奏涵嚣吾经拥有珊i ! ! i i 薹￥誊誊薹蠹彳型型冀琶蒌除荆鏖雾受霪蓁蒜；苗墓摧塑甚1 2 迎耀糖薹蓁蓁塑厘慨绍 磷雨鬣稀糙勘薹霎霎g 乐姒麓剥舶型! 泓缝爱国叼搿唠；虢酎；罐翥蓟前；融托嗣箭 揪搭溅矍。霭奔瓮硝；缘妯诮涮；薹镣藕若! | 蓁酬；鬈蒜瓮秀；前删。手步毁恩j 拜 贬j 鲫醴。弼鸥。霎酾丑新蒴一因丽强雀套磊雕醋! 需梨墨倒鬟蒂蓁萋蓁二雾妻雾耋墓 窭薹雾霎蓁薹霎霎蓁羹霉翻，蕊罕乎曲鳓覆盟鋈雾垂墓囊塑蓁囊斧氍孽錾蔫蓁掣磊鬣 徽；霎烈蓁剐爵毒祗甜羟嚣；筋誊划蓁鸶鞋轾i ；i ：二 x 东北林业人学颂i j 学位论文 2 3a n s y s 的基本功能 a n s y s 的协同仿真环境正是适应企业的需求，为企业搭建一个仿真分析的平台， 很好地实现对设计、仿真分析和试验的协同和管理，从而实现研发过程的正规化、流程 化和统一化，便于进行研发管理和控制，同时极大提高研发效率，降低研发成本，确保 产品质量1 2 l i 。 a n s y s 能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l o g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一 【2 2 】。其中数据交换格式采用1 9 8 0 年美国n b s 研究的基本图形交换规范l g e s ( i n i t i a l g r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i t i o n ) 【2 3 。 图2 1a n s y s 计算分析过程流程图 软件主要包括三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) ，分析计算模块( s o l u t i o n ) 和 后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分 工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分 析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电 分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优 化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出 x 东北林业人学硕：j j 学位论文 本文首先根据流体力学和能量转换理论设计淋雨试验喷淋系统，达到最佳节能效果 及经济性。并对每个管路处的水流量进行分析计算，根据计算结果对淋雨试验室进行计 算机模拟仿真。可以让用户通过可视化的模拟仿真系统直接对设计的试验设备有所了 解，并可以根据用户的要求随意调整各个参数，显示出对应不同参数的不同结果，通过 人机交互达到改进设计的目的，从而满足不同用户的各种需求。实现缩短设计周期、优 化设计方案、节约设计成本的目的。 1 3 2 研究方案 利用流体系统中不同形态的机械能之间实际上也存在某种质级上的差异，即能量转 换能力越大它的质级就越高的理论。具体的说就是在流体机械能中势能的质量要优于动 能，位能的质量又优于压力能。本文正是用这个理论来分析计算每个喷头喷水量，研究 流体能量转换关系，从而保证每个喷头喷水最均匀一致。另外还要避免从低品质能量向 高品质能量的转换，从而减少能量的损失。 1 3 3 研究方案的可行性分析 汽j ! 淋一j 试验系统中能量转换的分析弥补了在能量使用经济方面的不足，使我国的 能量利用更加科学化。大大降低了能源的浪费。满足人们对于汽车安全性、舒适性的要 求。 现今国际上还没有将能量转换的分析应用于汽车淋雨试验上的先例。本课题首次将 流体力学、水力机械、工程热力学统一起来对淋雨试验系统进行分析，能更经济的使用 和设计淋雨试验系统。最后把计算出来的数据录入计算机，利用相关的模拟软件对淋雨 试验进行模拟仿真，以达到设计结果的可视化。本文首先根据流体力学和能量转换理论 设计淋雨试验室喷淋系统，达到最佳节能效果及经济性。并对每个喷头的喷水量进行分 析计算，根据计算结果对淋雨试验室进行计算机模拟仿真。可以让用户通过可视化的模 拟仿真系统直接对设计的试验设备有所了解，并可以根据用户的要求随意调整各个参 数，通过人机交互达到改进设计的目的，从而满足不同用户的各种需求。实现缩短设计 周期、优化设计方案、节约设计成本的目的。汽车淋雨试验的研究在汽车行业中的地位 是特别重要的，淋雨试验是暴露矛盾的重要途径，它在验证车身的防雨密封性的同时， 又提供了改进产品的机会。并且在淋雨试验中利用能量转换理论，更能使淋雨试验在节 能与经济上发挥其作用，达到国家标准，而且对汽车行业也是大有裨益的。 2 采用a n s y s 软件仿真的基础 2 1c a e 技术 2 采用a n s y s 软件仿真的基础 2 1 1c a e 的概念 c a e 实际上是对真实物理环境的仿真，利用c a e 环境，用户可以进行各种虚拟的 试验，然后再将分析结果体现在c a d 设计中，从而省去了实物试验的昂贵代价【1 4 j 。它 与真实环境的贴近程度最终取决于所使用的模型，每个分析人员都希望使用非常精确的 模型，不过太精确的模型计算工作量太大、可行性又不高，于是只能牺牲某些特征放粗 模型的网格，但同时必须确保留住关键特征，在多次耿舍和修正之后，得到一个较为贴 近真实的模型。这才是在实际应用中q 姬模型的获得过程。如果在c a d 设计之初就融 入。垣的思想，显然更容易得到更合理的设计以及更理想的c a e 分析结果1 1 引。 2 1 2c a e 应用简述 c a e 分析是采用虚拟分析方法对结构( 场) 的性能进行模拟( 仿真) ，预测结构 ( 场) 的性能，优化结构( 场) 的设计，为产品研发提供指南，为解决实际工程问题提 供依据1 1 6 j 。 现在，c a e 已广泛用于航空航天、电子电器、机械制造、材料工程、汽车、铁道、 造船、水力、土木工程、医疗器械、石油化工、核能、钢铁冶金、电力、地矿、一般工 业、同常生活用品、教学和科研等各个领域1 1 。7 1 。 2 2 a n s y s 软件的发展现状 a n s y s 是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建a n s y s 公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析，历 经3 0 多年的不断完善和修改，现成为全球的工程应用最受欢迎的应用程序。其最新版 本是a n s y s 9 o 【1 8 j 。a n s y s 是目前国际上最流行的有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f e a ) 软件，它是在1 9 9 5 年第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类 软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协 会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并 在国务院1 7 个部委推广使用【1 9 】。 当今a n s y s 的全球用户高达5 0 0 0 多家，其中在我国的用户就有5 0 0 多家。二十 世纪九十年代我国引入该应用程序后，广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源工程、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻 工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究，为各领域的产品设计、结构分析和 科学研究做出了应有的贡献。现在许多院校把a n s y s 作为理工科学生的门必修课 程，引起了学生的广泛兴趣，收到了良好的效果【2 0 1 。 2 采用a n s y s 软件仿真的批础 来，也可将计算结果以图表、f f l _ l 线形式形示或输。软件提供了1 0 0 种以内币元类 型，用来模拟工程中的各种结构和材料【2 4 j 。 a n s y s 计算分析过程的具体流程图如图2 1 所示1 2 5 1 。 2 4 本章小结 在本章里主要介绍了大型有限元软件a n s y s 的发展现状及其基本功能，又由于它 是一种c a e 技术，因此本章又对c a e 技术做了简要的介绍。通过这些介绍，使我们更 加清楚地了解c a e 技术和a n s y s 软件。为本文采用a n s y s 软件进行模拟仿真打下了 基础，同时也是这些基本的介绍说明了本文利用a n s y s 软件的原因。 东北林业人学硕：i ：学位论文 3 汽车淋雨试验系统的喷淋装置设计与计算 3 1 喷淋装置设计的依据 3 1 1 喷淋装置能量转换过程和能量质级关系 喷淋装置的设计方案采用由四个长为4 1 0 0 m m 的主管路向直径为1 0 0 m m 的高位均 压管供水，再分配给各个向下分支管路及喷头。采用向下布置正是运用了能量的质级关 系与转换理论。因为虽然位置在上的喷头处的压力能量损失小，但是位置在下的喷头处 的水又多了一个由势能转化来的压力能。因此整个分支管路的各个喷头压力能基本相 同，这样就保证了各个喷头的喷水量均匀。能量的自发过程方向反应的是能量的一种质 级属性，高质级能量可以自发地转化为低质级的能量，反之则不能。喷淋装置设计的原 理就是利用能量的质级关系。 喷淋装置的能量转换过程是：水泵将电机输入的机械能( 转矩丁和角速度) 转换 为水的压力能( 压力p 和流量q ) 输出，这时水从蓄水池内不断泵入主管路，转化为高 位均压管里水的势能与压力能。进入淋雨管路，由水的势能与压力能下行分配共同转换 为各个喷头水的压力能。最后通过喷嘴将水的压力能转换为射向车体表面的水的动能。 喷射出的水汇集流入蓄水池，经过多级沉淀、过滤后，循环使用。 c 2 _ 一 一 - - - - - 一 图3 1 势能与动能的相互转换图3 2 位能与压力能的转换示意 我们观察图3 1 。设从液高保持z 。的容器底部喷口中出流液体的速度为c ，则动能头 c ，2 2 9 就是由势能头z ，转换而得的，现以与z 。等值的动能头c ：2 2 9 ( c ：= 2 9 z 。) 正 向冲击出流口，在切断容器外来流体供给的情况下，液位高只能维持z ，。应该说这个 位能头是由动能头c ：2 2 9 转换而得的，试验发现z ： z ，它表明势能对动能的转换能 力要高于动能对势能的转换能力。说明势能的质级要优于动能。 图3 2 是一个常见的液体系统分析例子，如果从可以保持液位高不变的一个大容器 中部有液体出流，人们很自然地会画出实线所示那样的流线示意，而不会如虚线那样表 示。应该说在静止液体中各点的总势能头( z + p 加g ) 是相等的，但是当打开出流口 时，流动只能如实线那样行进。表示位能有转化为压力能的自发趋势，反之则无。这种 自发趋势也应该是位能质级优于压力能质级的一种体现。 3 汽车淋雨试验系统的喷淋装置设计1 j 计算 在各种形式机械能中，动能的质级是较低的，这不仅因为它本身可能成为一种无用 能而直接耗损掉，而且也是系统中能量损失的直接诱发因素，在伯努利方程中有关系式 j f l ：= 盘：2 2 9 ，这个关系式就充分证明了这一剧2 6 1 。 3 1 2 喷淋装置的总体布置及组成 本文设计的淋雨试验室喷淋系统正是根据这一理论，用四个垂直主管路将水打到最 上方的水平主管路，再分配给各个分支管路。由于四个垂直主管路是对称布置的，因此 水打到最上方的水平主管路之后，再等待一段时间，水平主管路中的水是均压的，这样 水平主管路就好比是一个高位水箱，里面的水是相对静止不动的均匀分配给各个分支管 路。这就基本保证了均匀性的要求。 人工淋雨试验时配备的防雨密封性监测设备称为喷淋装置或淋雨试验室。其工作原 理是通过电机驱动水泵，把水从储水池泵入主管路，经压力和流量调节进入包容车体受 雨面的淋雨管路，水通过喷嘴以规定的降雨强度射向车体表面，达到喷淋时间后水泵自 动停止工作。使用后的水被汇集流入储水池，过滤后循环使用。构成喷淋装置的主要部 件有：地下储水池、水泵及驱动电机，压力调节阀、节流阀、截止阀、时间继电器、水 压表、流量计、输水管路及附件、喷嘴、支架和污水排放泵等。 1 压力调节阀2 系统压力表3 喷头4 水泵5 管路6 蓄水池 图3 3 喷淋系统简图 3 2 喷淋装置的设计与计算 由于客车是所有车型中进行淋雨试验最多的车型，因此，我们对客车的淋雨试验室 进行设计和计算。设计对象所测试的客车外形尺寸为：长高宽为1 1 2 5 2 o ( 单 位：m ) ，轮胎半径0 4 m 。按照有行李舱( 箱) 的客车淋雨标准面积计算。 3 2 1 汽车车体受雨面积的计算 ( 1 ) 顶部淋雨面积 s 1 = l m l + ( 0 5 1 ) 陋+ ( 0 4 一o 8 ) 】 ( 3 1 ) = ( 1 1 + 1 ) ( 2 + 0 8 ) = 3 3 6 m 2 ( 2 ) 侧面( 侧围上部) 淋雨面积 东北十 = 业人学硕i j 学位论文 s 2 = l ；l + ( 0 5 1 ) 】陋一r + ( 0 4 o 6 ) 】 = ( 1 1 + 1 ) ( 2 5 0 4 + 0 4 ) = 3 0 m 2 ( 3 ) 前面( 前围上部) 淋雨面积 s 3 = m p = 陋+ ( o 4 o 8 ) 陋一凡+ ( 0 4 o 6 ) 】 = ( 2 + o 8 ) ( 2 5 一o 4 + o 4 ) = 7 m 2 ( 4 ) 后面( 后围上部) 淋雨面积 s 。= m q ：陋+ ( 0 4 o 8 ) 】陋一r + ( o 4 o 6 ) = ( 2 + o 8 ) ( 2 5 一o 4 + o 4 ) = 7 m 2 ( 5 ) 底部淋雨面积 s l = l m ：_ 。+ ( o 5 1 ) 陋+ ( o 4 0 8 ) = ( 6 + 1 ) ( 2 + o 8 ) = 1 9 6 m 2 式中彳车长，m ； b 车蠢，m ： ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 尺轮胎自由半径，m ； 臻一车高，m ； 顶部、底部淋雨面长，m ； m 顶部、底部淋雨面宽，m ； 一侧面淋雨面宽，m ； p l 一自订面淋雨面高，m ； q 后面淋雨面高，m ； 彳车体底部行李箱长，m 【2 7 】 淋雨外廓尺寸为1 2 m 2 8 m 2 5 m 。总淋雨面积为3 3 6 + 6 0 + 1 4 + 1 9 6 = 1 2 7 2 m 2 3 2 2 喷嘴的设计依据及喷嘴参数和数目的确定 根据客车车体受雨部位标准规定的降雨强度( 前部8 m m m i 驴1 0 m i i l m i n ；侧面、后 部、顶部4 m m m i n 6 m m m i n ；底部6 m m m i n 8 m m 】 i l i n ) 以及喷嘴喷射的人工雨均匀覆 盖车体表面不存在死区的原则设计喷嘴。计算喷嘴喷孔的孔径和个数，核定在各受雨面 配备喷嘴的数量和间距。 按照g b 厂r1 2 4 8 0 9 0 的规定，喷嘴的喷射压力为6 9 1 4 7 k p a 。 由水泵的参数和喷嘴的类型说明，选定压力为1 0 0 k p a 。喷嘴选用萧山坎山喷嘴厂的 产品，经过查询，其中的f l - 1 3 和f l 广2 系列满足使用要求，由g b 厂r1 2 4 8 0 9 0 中的射 程要求选定了其中的西6 m m 型号，由此得出两组满足使用要求的喷嘴： 东北林业大学硕士学位论文 3 0 0 7 0 0 m m 。因此，喷头距车体表面的距离s 可确定为：前风窗5 0 0 m m ：后窗 7 0 0 m m ；侧窗6 5 0 m m ；顶盖1 1 0 0 m m ；底部5 0 0 m m 【2 9 j 。 按照g b 厂r1 2 4 8 0 9 0 的规定中的前、后部喷嘴的轴线与客车基准y 平面平行，与 铅垂方向的夹角为3 0 。4 5 0 ，喷嘴朝向车体。侧面喷嘴的轴线与客车基准x 平面平 行，与铅垂方向的夹角为3 0 。4 5 。，喷嘴朝向车体。顶部喷嘴的轴线与客车基准z 平面 垂直，喷嘴朝向车体、底部喷嘴位于客车基准y 平面两侧，其轴线与客车基准x 平面 平行，与铅垂方向的夹角为3 0 。4 5 。，喷嘴上仰朝向另一侧车体1 3 0 】。 由此确定喷淋装置的外形尺寸为：长1 2 2 0 0 m m ，宽3 3 0 0 m m ，高4 1 0 0 m m 。 3 2 6 喷淋装置管路的控制 使用软管上装有流量计、压力表、喷嘴的校验装置对各幅面喷嘴的喷射压力和降雨 强度进行校验、调整，符合要求后方可使用。由于受检车辆车体长度各不相同，可按不 同车辆的车身长度把淋雨管路划分为三个淋雨区段进行三段式控制( 人工操纵压力阀、 节流阀、截止阀) 或把淋雨管路设计成三套不同长度的管路实行自动控制。 对淋雨系统的控制，除可通过调整各种阀体保证泵的水流量、压力符合要求外，还 应满足喷淋时间1 5 m i n 的自动控制( 时间继电器) 【2 8 j 。 3 2 7 喷淋管路的主管路简图 主管路的各个管路直径为函1 0 0 m m ，主管路的简图如图3 - 4 所示。 图3 4 主管路图 3 2 8 喷淋管路的地上管网简图 顶面和侧面的管路直径为西6 0 m m ，底面的管路直径为引o m m 。地上管网简图如图 3 5 所示。 3 汽午淋雨试验系统的喷淋裂置i 殳汁j 计算 图3 5 地上管网图 3 3 本章小结 本章首先根据能量转换过程和能量的质级关系构想出喷淋装置的总体设计布局，再 根据国家标准g b 厂r1 2 4 8 0 9 0 客车防雨密封性试验方法对淋雨试验室喷淋系统进行了设 计，使各项指标满足国家标准，特别是在喷淋的均匀性问题上更能达到国家标准。 东北林业人学硕i j 学位论文 4 利用a n s y s 软件对模型进行有限元分析和仿真 4 1 流场的数学模型 在建立水流数学模型时，有以下假定条件成立： ( 1 ) 水流为单相稳态牛顿流； ( 2 ) 由于马赫数( 流体的流动速度( v ) 和声音在该流体内传播的速度( c ) 之比，称为 马赫数( ，m = v c ) 小于0 2 ，气流膨胀程度很小，可近似按不可压缩流体处理； 一 ( 3 ) 水在流动区域内的宏观流动，其雷诺数远远大于极限雷诺数r e 。( 2 3 0 0 ) ，可 判定为紊流流动； 、 ( 4 ) 流体做定常的轴对称流动，将水流简化为山对称轴z 和半径r 构成的平面上 的平面流； ( 5 ) 水流管道为均匀分布在横截面上的轴向管道，即采用单通道模型； ( 6 )由于水流的流动不存在化学反应，故本模拟简化喷嘴内的流动为绝热、无化 学反应流。 根据喷淋管路和喷嘴装置的结构和液体流动特性，可以将其内部整个区域中的流动 定为在自由空间区域中的流动。以下为自由流动区域的数学模型【3 1 3 2 1 ： ( 1 ) 流体控制方程对稳态不可压流动，有以下雷诺平均的连续方程( 质量守恒 力拈! ) 、动量、j 。喳力程( n a v i e r s t o k e s 方程) 、能量方程： 望+ 亟型：o( 4 1 ) o t 缸f 掣+ 掣一詈+ o x - - a - 7 声, ( 鼍) + 儿( 酱+ 等) + 昭t c 4 彩 掣+ 扎胪) = 扑t l 比叫, c el 驯o t + q 3 ， 式中p 密度； x f 、x i i 、_ 方向的坐标分量； u ，、，f 、j 方向上的速度分量： ， a 导热率； g 。方向上重力加速度分量； p 压力； c ，比热； s ，常量； 4 利用a n s y s 软件对模型进行有限元分析和仿真 q 源项，这里表示管路壁阻力； “动力粘度； ，紊流粘性系数，由式( 4 4 ) 给出： “，。c 。p k 2 ( 4 4 ) p f 2 c “ l 斗。j e 式中 c 。经验常数； k 紊流动能： e 二紊流动能的耗散率。 ( 2 )紊流模型根据有关的基本物理原理可以推导出描述其运动状态的微分方程 ( 4 1 ) ( 4 - 4 ) ，由于方程个数小于变量个数，不能直接求解，因而需要添加一些假设 的各变量之间的关系，即紊流模型。通过各湍流模型的模拟结果比较，标准k e 模型 的模拟结果在整体上最接近于实测值，一般能够提供流体的真实情况，因此在其后模拟 中，我们均采用此紊流模型。 紊流模型采用标准的k e 模型计算雷诺应力来封闭上述水流控制方程： 昙( 蒯+ 毒c p 叩) 2 专卜考) + s c 4 剐 式中妒通量； g ，传输系数； s ，源项。其他符号与前同。 对于紊流动能有： 妒= k g ，；+ 丝 s ，= p t + p e ( 4 - 6 ) 紊流动能k 方程： 杀拯) + 毒k ) 2 毒+ 告) 篝卜p t 唯 对于耗散率g 有： g ，：肛+ 丝 墨2 昙+ c 2 胪) 紊流耗散率方程： ( 4 7 ) ( 4 8 ) 昙( 川+ 毒。咿) = 旦0 x j 陋+ 丝s e1 旦o x j1 j + k ( c ，p k - c 2 , o e ) c 4 - 9 ) 式中 5 ，s 。，c l ，c 2 均为常数。其中 p k 啪等( 等+ 等) _ 对于标准k e 模型，有c l = l 4 4 ，c 2 = l 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，吼= 1 0 ，仃。= 1 3 1 。 4 2 数值求解 本文采用a n s y s 有限元分析软件中的f l o t r a nc f d 单元【3 4 】对流体进行数值模 拟，分析管道内部的水流分布特性。有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限 个单元，并在每一单元中设立有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单 元的集合体：同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插 值函数以表示单元中场函数的分布规律：进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求 解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中 的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以 至整个集合体上的场函数。利用有限单元法求解流体动力学问题的基本流程由图4 - 1 给 出【3 5 】。 图4 1利用a n s y s 软件求解流体动力学问题的基本流程 4 利用a n s y s 软件对模型进行有限元分析和仿真 4 2 1 实常数的设置 所分析问题的流体性质已经确定了，所以流体的性能参数和设计参数也就确定了， 其值如表4 1 所示。 要根据分析问题的物理性质选择单元，单元一旦选定，则分析问题的物理环境随之 确j t嘤塔肇选择维数低的单元获得预期的结果，即能选择点则不选择线，能选择线则 小选择向，能选择面则不选择体等。对于复杂的结构，为保证计算结果的可靠性，应考 虑建立两个或更多不同复杂程度的模型【3 6 j 。 因此本着这一原则，又由于水流被四个垂直主管路打到最上方之后是均匀分配给各 个分支管路的。本文只对一个向下的喷淋管路、一个顶部的喷淋管路、一个底部的喷淋 管路进行模拟数值求解，得出各个喷嘴的喷射速度。这就足以能反映出整个喷淋装置顶 部、侧部、前后和底部喷嘴的喷射情况了。 表4 1 流体的性能参数及设计参数 参数名称参数值 流体材质 流体密度( k g m 3 ) 流体粘度( p a s ) 流体线膨胀率( ) 流体比热( k j k g ) 孔道水力半径( m m ) 水 1 0 0 0 0 0 0 1 1 4 2 0 0 0 3 4 2 2 几何模型 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与白底向上。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基 元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模 型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义 关键点，然后依次是相关的线、面、体。 无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集， 从而“雕塑出”一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相 减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操 作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延 伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋 转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、 移动、拷贝和删除。 几何建模的基本要素是点、线、面、体等，对于几何形状较为简单的，可以直接利 用a n s y s 的交互式方法构建模型。对于复杂的几何形状，应利用其他c a d 软件或图 象处理技术进行建模【了7 1 ，然后用i g e s 格式导入a n s y s 中。许多物体都有某种对称， 包括重复对称、反对称或轴对称。当一个物体在所有方面( 几何、载荷、约束和材料属 东北林业大学硕士学位论文 性) 都对称时，可以减少模型的大小和范围【3 6 】。任何表现在对一中心轴几何对称的结构 是轴对称，例如直管、圆锥、圆盘、圆盖等。 3 d 轴对称结构的模型可用2 d 形式等效，2 d 轴对称分析比相应的3 d 分析更精 确。由于本文所要构建的喷淋管路是轴对称结构，因此本文采用自底向上的实体建模方 式来建立二维的几何模型，这样就可以直接利用a n s y s 的交互式方法构建模型，减少 了由于其他c a d 软件模型的导入所带来的元素格式不匹配等等问题，而且这样既简化 了模型的建立和分析过程，又能使计算结果更加精确。因此侧面、底面、顶面的二维几 何模型分别如图4 2 所示。 曲顶面 图4 - 2 二维几何模型 我们将管路进行参数化建模，以便为了适应不同车型而改变喷淋管路的尺寸或是改 变水泵的泵入流量时，可以直接通过参数的输入得出相应的结果。进入a n s y s 的前处 理模块，在工具菜单中( u t i l i t y m e n u ) 中选择p a r a m e t e r s 选项下s c a l a r p a r a m e t e r s 项， 调出参数尺寸定义界面，本文以侧面、顶面、底面的参数为例，将模型中需要进行参数 化的尺寸依次输入完成参数化过程，如图4 3 所示是输入的参数。实际问题中，需要参 数化的尺寸是有限的，在定义参数尺寸时，要注意不要使得模型过约束。然后在 a n s y s 中开始建模，在模型中的尺寸如果是参数化的，要用尺寸的定义名输入，否则 4 利用a n s y s 软件对模型进行有限元分析和仿真 参数化信息没有进入模型。 在参数化模型建立后，进行正常的单元定义，实参数定义，单元划分，加载，求解 工作。在这些过程进行后，通过a n s y s 的l g w r i t e 命令保存命令流文件，文件名为 j o b n a m e 1 9 w 。j o b n a m e 为自定义的分析文件名名称。用记事本打开，可以看到操作的步 骤都一一被a n s y s 以一定的格式记录下来，对其中的参数定义部分进行编辑，保存文 件。丌始一个新的分析过程，用a n s y s 的i n p u t 命令将j o b n a m e i g w 文件读入 a n s y s ，由于是批处理文件，因此程序自动进行分析过程得到参数化尺寸编辑后的模 型及其计算结果。从上述论述中，可以看到应用a n s y s 的参数化模型建立功能可以方 便的得到相同结构不同尺寸模型的模拟结果和分析结果。只有在参数化模型建立后，才 可以进 a ) 侧面b ) 顶面 c ) 底面 图4 3 参数尺寸定义界面 4 2 3 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功能。包括四 种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一 个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部 东北林业大学硕士学位论文 分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。a n s y s 程序的自由网格划 分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后 进行组装时各部分网格不匹配带