CC BY
8
УДК 532.516
Д.А. РЕДЧИЦ
Институт транспортных систем и технологий НАН Украины
СВ. МОИСЕЕНКО
Херсонский национальный технический университет
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ВБЛИЗИ ЭКРАНА
Проведены расчеты турбулентного обтекания контура транспортного средства вблизи экрана. Выделены физические особенности структуры течения вокруг транспортного средства и выполнен анализ коэффициентов давления, трения, подъемной силы и силы лобового сопротивления. Проведен сравнительный анализ интегральных и распределенных аэродинамических характеристик контура автомобиля с экспериментальными данными.
Ключевые слова: транспортное средство, турбулентный поток, уравнения Навье-Стокса
Д.О. РЕДЧИЦЬ
1нститут транспортних систем i технологш НАН Укра1ни
с.в. моюЕеНко
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ОБТ1КАННЯ ТУРБУЛЕНТНОЮ ТЕЧ1СЮ ТРАНСПОРТНОГО ЗАСОБУ ПОБЛИЗУ ЕКРАНУ
Проведено розрахунки турбулентного обтiкання контуру транспортного засобу поблизу екрану. Видiленi фiзичнi особливостi структури течи навколо транспортного засобу i виконано анал1з коефiцieнтiв тиску, тертя, пiдйомноi сили i сили лобового опору. Проведено порiвняльний аналiз ттегральних та розподтених аеродинамiчних характеристик контуру автомобшя з експериментальними даними.
Ключовi слова: транспортний зааб, турбулентний потт, рiвняння Нав'е-Стокса
D.O. REDCHYTS
Institute of Transport Systems and Technologies of Ukrainian National Academy of Science
S.V. MOISEENKO
Kherson National Technical University
NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FLOW AROUND VEHICLE
IN GROUND PROXIMITY
The calculations of turbulent flow over the vehicle contour in ground proximity were carried out. Physical characteristics of flow structure around vehicle were marked out and the analysis of pressure, friction, lift and drag forces coefficients was carried out. A comparative analysis of distributed aerodynamic characteristics of the car contour with the experimental data was carried out.
Keywords: vehicle, turbulent flow, Navier-Stokes equations
Введение
Увеличение парка грузового автотранспорта приводит к росту потребления дизельного топлива. Поэтому вопрос экономии топлива является актуальным в условиях рыночной конкуренции грузовых перевозок. Для автотягача с прицепом расход топлива на преодоление силы лобового сопротивления при скоростях порядка 80 км/ч становится сопоставим с расходом топлива на трение качения колес. А при скорости 110 км/ч расход топлива на преодоление силы лобового сопротивления составляет уже 65% от общего расхода. Поэтому уменьшение лобового сопротивления на 20-25% может привести к снижению расхода топлива на 10-15%.
На сегодняшний день оптимизация аэродинамической формы автотягачей с прицепом проводится путем многократных продувок в аэродинамических трубах. В ближайшем будущем CFD (Computational Fluid Dynamics) расчеты могут существенно уменьшить число необходимых продувок в аэродинамических трубах, и, как следствие, снизить конечную стоимость изделия.
Цель работы
Целью работы является математическое моделирование физических процессов при турбулентном обтекании транспортного средства вблизи экрана турбулентным потоком.
Краткое описание натурного эксперимента. Для компьютерного моделирования обтекания транспортного средства вблизи экрана турбулентным потоком была выбрана компоновка наземной транспортной системы (Ground Transportation System - GTS), которая отражает геометрию автотягача с прицепом, в просторечии - «фура». Причинами выбора данной компоновки послужило то, что она исследовалась специалистами NASA, SANDIA, по ней имеются достоверные экспериментальные данные, а также присутствуют сложные физические эффекты с точки зрения механики жидкости и газа. Экспериментальное изучение наземной транспортной системы проведено в Исследовательском центре Эймса (NASA) [1]. В упрощенной компоновке автотягача с прицепом не рассматриваются зеркала, колеса, зазор между тягачом и прицепом, мелкие элементы конструкции. Экспериментальные данные включают в себя набор интегральных и распределенных характеристик, основные из которых - коэффициенты давления и трения.
Постановка задачи математического моделирования
В настоящей работе для исследования процессов аэродинамики наземной транспортной системы применяются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса несжимаемой жидкости, замкнутые дифференциальной однопараметрической моделью Spalart-Allmaras (SA). В качестве начальных условий задавались параметры невозмущенного потока во всей расчетной области. На внешней границе применялись неотражающие граничные условия. На поверхности твердого тела ставилось условие прилипания.
В качестве характерного размера выбирается длина GTS модели равная 2.47 м. Высота составляет 0.44 м. Переднее скругление (кабина водителя) представляет собой четверть эллипса, малый радиус которого равен 0.22 м, а большой - 0.38 м. Зазор между экраном и моделью - 0.07 м. Скорость потока воздуха в аэродинамической трубе - 78 м/с (0.22 М). Число Рейнольдса, рассчитанное по длине -1.53 107.
Расчетная сетка представляет собой сетку типа Chimera, которая состоит из двух блоков с общим числом узлов 105. Первый блок - это О-сетка, связанная с телом, а второй - прямоугольная сетка, которая прилегает к поверхности (экрану). Первый шаг сетки составлял 10-6 м.
Численный метод. Система исходных уравнений записывалась относительно произвольной криволинейной системы координат. Согласование полей давления и скорости осуществлялось с помощью метода искусственной сжимаемости, модифицированного для расчета нестационарных задач [2]. Для создания дискретного аналога исходных уравнений в качестве базовых использовались регулярные сетки. В неодносвязных областях применялись многоблочные вычислительные технологии, в которых размерность отдельных пересекающихся сеток (блоков) не связана между собой. Такой подход позволил выработать единую методологию расчета течений вязкой жидкости вокруг тел сложной геометрической формы.
Интегрирование системы исходных уравнений осуществлялось численно с использованием метода контрольного объема. Для конвективных потоков использовалась противопоточная аппроксимация Rogers-Kwak, основанная на схеме Roe третьего порядка точности [2]. В моделях турбулентности для аппроксимации конвективных слагаемых применялась схема TVD с ограничителем потоков ISNAS третьего порядка. Производные в вязких членах аппроксимировались центрально-разностной схемой второго порядка. Алгоритм решения уравнений базируется на трехслойной неявной схеме с подитерациями по псевдовремени второго порядка точности по физическому времени. Полученная блочно-матричная система линейных алгебраических уравнений решалась методом минимизации обобщенной невязки GMRES c ILU(0) предобуславливанием.
Результаты и обсуждение
В результате проведенных расчетов турбулентного обтекания профиля автомобиля вблизи экрана выделены физические особенности структуры течения и выполнен анализ коэффициентов давления, подъемной силы и силы лобового сопротивления. Получены распределения полей давления (рис. 1 а), компонент скорости (рис. 1 б), линий тока во всей области и вблизи автотягача с прицепом (рис. 2), а также значения интегральных и распределенных характеристик (рис. 3). Полученная картина обтекания модели автотягача с прицепом носит нестационарный характер. Данная модель относится к плохо обтекаемым телам. Размеры отрывной зоны превосходят длину транспортной системы в несколько раз.
При обтекании автотягача с прицепом происходит ускорение потока в районе кабины и в зазоре между экраном (рис. 1). Над кабиной водителя происходит падение давления, обусловленное резким ускорением потока в данной области. В дальнейшем давление восстанавливается и становится почти постоянным до края прицепа. В следе формируется рециркуляционное течение с противоположно направленным основному потоку течением. Вихри в донной части модели попеременно сходят с верхней и нижней поверхности. Наличие массивных вихрей приводит к уменьшению донного давления. Большой перепад давления между лобовой и донной частями тягача приводит к большим значениям лобового сопротивления.
В зазоре реализуется равномерное течение, аналогичное течению в канале, за исключением небольшой области вблизи кабины. В донной части течение по своей структуре близкое к вихревой дорожке Кармана. Отрыв потока возникает в донной части прицепа с острых кромок, а также в нижней части кабины вблизи поверхности. Отрыв потока наглядно иллюстрируют линии тока (рис. 2).
Получено распределение коэффициента давления по поверхности модели (рис. 3 а). Заметное различие по коэффициенту давления между экспериментальными и расчетными данными на верхней поверхности связано с двумерной постановкой задачи. Направление растекания потока ограничено в отличие от трехмерной постановки. Это же проявляется и в распределении коэффициента трения в передней части модели (рис. 3 б). В то же время общее распределение коэффициента трения удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.
Расчетное значение коэффициента силы лобового сопротивления составляет 0.37, а полученное экспериментальным путем - 0.27. Коэффициент подъемной силы равен 1.19.
а)
б)
Рис. 1. Распределение давления (а) и продольной компоненты скорости (б) вблизи автотягача с прицепом
а)
ь б)
Рис. 2. Распределение линий тока во всей области (а) и вблизи кабины автотягача с прицепом (б)
X а)
Рис. 3. Распределение коэффициентов давления (а) и трения (б) по верхней и нижней поверхности автотягача с прицепом
(о - эксперимент [1], — - настоящая работа)
Заключение
Показана применимость разработанного специализированного CFD пакета к задачам аэродинамики наземного транспорта. Двумерная постановка задачи позволяет выявлять основные физические эффекты обтекания и получать быстрые оценки влияния формы транспортного средства на его аэродинамические характеристики.
Список использованной литературы
1. An experimental study of the ground transportation system (GTS) model in the NASA Ames 7- by 10-ft wind tunnel [Text] / B. L. Storms, J. C. Ross, J. T. Heineck, S. M. Walker, D. M. Driver, G. G. Zilliac// NASA/TM-2001-209621. - 2001.
2. Rogers, S.E. An upwind differencing scheme for the incompressible Navier-Stokes equations [Text] / S.E. Rogers, D. Kwak // Journal Numerical Mathematics. - 1991. - Vol. 8. - P. 43 - 64.
