1、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 日汽车风挡玻璃气流模型研究I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 com
2、sol 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；comso
3、l 分析； 模型；气流形态k汽车风挡玻璃气流模型研究IIAbstractWith 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
4、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
5、 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
6、 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
7、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
8、 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 k汽车风挡玻璃气流模型研究III目录摘 要
9、.IAbstract .II1 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 .63.2.1 三维参数化建模 .73.2.2 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.
10、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 .19汽车风挡玻璃气流模型研究IV5 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 .29汽车风挡玻璃气流模型研究11 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
11、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
12、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：1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2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3PVB 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4（XFEM）分析风档低速头部撞击模式的问题；Yong Peng、Caroline Deck 等
13、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。5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6究；田永、韦俊 研究了汽车前风挡玻璃的光学性能。7前挡风玻璃的颜色及下雨天对人视觉方面的影响：Fr dric Bernardin 等研究风挡玻璃雨水对于驾驶性能的影响。8汽车风挡玻璃气流模型研究2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9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
14、，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。
15、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。 cvMa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Ma Ma=5流动类型 亚声速 亚声速 跨声速流 超声速流 高超声速流汽车风挡玻璃气流模型研究3不可压缩流 可压缩流虽然所有的流体都是可压缩的，但流体在低速下（Ma4000，所以为sPa eR流动为湍流。汽车风挡玻璃气流模型研究42.3 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
16、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-
17、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
18、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 来描汽车风挡玻璃气流模型研究5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)(k)(kT kp (2)()(TkcP2k1(3)2kCT (4)pk()T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：kjizyx, , 是沿 x,y,z 轴正方向的单位向量。ijk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。
