汽车刮水器气动升力风洞试验设计及动静态数值方法研究

摘要

摇臂式刮水器虽然在驱动、外形和控制上经历过几次改进，但其基本工作原理一直未变。随着车速的提高，摇臂式刮水器的各项性能受到越来越大的考验，目前的刮水器能满足基本的工作要求，但仍存在诸如冲击过位、噪声过大、刮刷阻力过大、气动升力过大等问题，因此仍有必要对刮水器的性能做相关研究。
　　刮水器各项性能中与行车安全联系最紧密的就是气动升力特性。汽车在雨天行驶时，刮水器受来流作用产生的气动升力的影响，使其与前风窗贴合性减弱，刮刷效能降低，影响驾驶员视野，从而易引发交通事故。然而目前大量的研究工作集中在摩擦特性上，对其气动升力特性的研究仍处于初级阶段。一方面目前没有相关的试验来支撑数值计算方法，因此仅靠数值方法计算得到的结果无法判断其准确性，不同学者的计算结果相差较大也印证了试验的必要性；另一方面对刮水器气动升力特性的数值研究仅仅局限于静态刮水器的稳态数值计算，而动态刮水器的气动升力特性更接近其实际工作时的情况，但是目前还没有合适的针对动态刮水器的瞬态计算方法。针对此现状，本文开展了以下研究：
　　1.设计了一种刮水器气动升力测试的试验方法及试验装置，并完成了四种刮水器稳态气动升力风洞试验，为下一步的稳态数值计算提供参考依据。
　　2.以试验结果为依据，对比分析了大涡和雷诺时均数值方法对刮水器气动升力计算的适应性，选择了最优的RNG k-ε湍流模型，然后对四种刮水器进行了部分工况的稳态数值计算，以气动升力性能最优的B型三段刮水器为例，分析了刮水器气动升力的变化机理。
　　3.提出了一种适用于复杂边界大幅度运动模拟的新型动网格策略，即动网格域盒，结合动网格域盒与用户自定义函数(UDF），以B型三段刮水器为研究对象，真实地模拟了刮水器的工作状态，并对其瞬态气动升力进行了计算分析。
　　4.为了探索工作环境的变化对气动升力的影响，以 B型三段刮水器为研究对象，针对四种最主要的影响因素，即玻璃倾角、刮水器攻角、侧风以及刮水器刮刷速度，采用稳态与瞬态数值方法，进行了多工况的计算分析。
　　5.提出了一种新型的具有低气动升力刮片的刮水器——“波浪”式刮水器，并对“波浪”的位置参数进行了优化设计，然后与原始刮水器进行了对比分析，说明了新型刮水器具有更加优良的气动升力性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2刮水器的演变

1.3刮水器刮刷性能的研究现状与趋势

1.4刮水器气动特性的研究现状

1.5本文研究的主要内容

第2章 稳态气动升力风洞试验设计

2.1 HD-2汽车风洞概况和气动升力测试设备

2.2稳态气动升力风洞试验设计

2.3试验结果

2.4稳态气动升力基本规律

2.5本章小结

第3章 湍流模型的适应性分析与稳态气动升力计算

3.1流体运动基本控制方程

3.2湍流模型的适应性分析

3.3稳态气动升力数值计算

3.4稳态气动升力变化机理分析

3.5本章小结

第4章 瞬态气动升力数值方法研究

4.1动网格技术

4.2一种新型动网格策略

4.3基于动网格域盒的刮水器瞬态气动升力数值计算

4.4瞬态气动升力分析

4.5本章小结

第5章 影响因素分析及低气动升力刮水器设计

5.1气动升力特性的影响因素分析

5.2新型低气动升力刮水器设计

5.3“波浪”式刮水器优化

5.4本章小结

总结与展望

1.全文总结

2.创新点

3.展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间发表的论文)