- 1 -附錄 1：外文翻譯礦用自卸卡車的氣動特性及頭部形狀的改善魏 Xiu-ling 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院、吉林大學(xué)、長春 130022 年,中國航空機(jī)械工程學(xué)系,空軍航空大學(xué) 130022 年長春,中國,電子郵件:wei411036@163.com 王 Guo-qiang機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林大學(xué),長春 130022 年中國風(fēng)蘇里基礎(chǔ)科學(xué)部門,裝甲技術(shù)研究所,130117 年長春,中國(2008 年 3 月 6 日，2008 年 6 月 13 日修訂)文摘:對某礦用自卸卡車的外流場進(jìn)行了模擬。討論了氣流結(jié)構(gòu)和氣動阻力，得到了氣流特性與氣動阻力的關(guān)系。為了解決卡車頭部形狀的問題，通過數(shù)值模擬和分析，提出了三種方案，分別是邊舍入邊、安裝分流面和組合。模型和方法被選為三維和時間無關(guān)的。用有限體積法求解了雷諾-平均納維-斯托克斯方程。選擇 RNG k-模型來封閉紊流量。結(jié)果表明，第三種方案是最好的，因?yàn)槠錃鈩犹匦詢?yōu)于未改進(jìn)的模型。關(guān)鍵詞:自卸車，外流場，數(shù)值模擬。1.介紹礦用自卸卡車主要用于各種礦山和地面站。由于其工作條件差，路面較低，且經(jīng)常起動、制動和轉(zhuǎn)向，負(fù)荷過重，外部負(fù)荷復(fù)雜。目前，設(shè)計人員對自卸車的強(qiáng)度和剛度的要求越來越重視，其部件滿足各種要求，很少考慮其氣動特性和氣動設(shè)計。據(jù)報道，我國大約有 9000 輛礦用自卸卡車[1,2]，一般負(fù)荷超過 20 噸，油耗和污染排放顯著增加。由于節(jié)能和對環(huán)境保護(hù)的要求，需要通過降低自卸卡車的空氣阻力來提高自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。關(guān)于重型車輛空氣動力學(xué)的大量信息可以在至少 20 世紀(jì) 70 年代早期的公開文獻(xiàn)中找到。這些工程大多涉及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、道路測試和計算模擬。參考文獻(xiàn)[3-5]聯(lián)合風(fēng)洞和計算模擬，以減少卡車空氣阻力，導(dǎo)致減阻裝置的智能設(shè)計。在Ref.[6]中引入的全面測試提供了計算驗(yàn)證的詳細(xì)數(shù)據(jù)、減阻設(shè)備的指導(dǎo)和風(fēng)洞測試指南。這些已發(fā)表的作品都不包括對礦車的氣動參數(shù)的研究或?qū)ζ錅p阻的研究。摘要在分析礦山傾卸卡車外部流場的速度場和壓力場的基礎(chǔ)上，給出了氣動阻力的變化規(guī)律。為了解決卡車頭部形狀的氣動問題，通過數(shù)值模擬和分析，提出了改善頭部形狀的三種方案。2.計算模型和網(wǎng)格2.1 計算模型對一輛礦車的三維計算模型進(jìn)行了以下假設(shè)，忽略了外部鏈接和車架附件的影響，將卡車底部作為平面處理。空氣被認(rèn)為是不可壓縮的，所以可以計算出傾卸卡車周圍的穩(wěn)態(tài)流場。自卸卡車被認(rèn)為是在沖擊荷載狀態(tài)下，以恒定的速度行駛在平滑的道路上，忽略了邊坡和橫風(fēng)的影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]。車輪表面被修整到 10o 和 350o，然- 2 -后垂直的邊界下降到地面。所以輪子與地面的接觸是一個矩形?；谏鲜黾僭O(shè)，它是某一類型的采礦自卸車的 1/10 比例復(fù)制品，如圖 1 所示。它的長度為 765 毫米(L)，高度為 370 毫米(H)，寬度為 349 毫米(W)。圖 1 簡化模型2.2 計算域和網(wǎng)格生成。計算域是由 2L 在模型前面，5L 在后面，4H 在頂部，2W 在每邊。圖 2 礦用自卸車網(wǎng)格圖的一部分。為了克服復(fù)雜幾何、大計算域和大網(wǎng)格數(shù)的困難，該域被分解。在本研究中，通過在卡車周圍創(chuàng)建一個平行六面體箱，將該域分解為 18 個部分。包含卡車的盒子里裝滿了四面體細(xì)胞，而其他的部分則含有六面體細(xì)胞(見圖 2)。該網(wǎng)格是由 Fluent Inc.開發(fā)的商業(yè)幾何和網(wǎng)格構(gòu)建工具 GAMBIT 生成的。離卡車越遠(yuǎn)的地方，網(wǎng)格就越稀疏。由于尾跡區(qū)對卡車的空氣動力學(xué)特性有很大的影響，所以卡車后面的文章網(wǎng)格更加密集。本文所創(chuàng)建的網(wǎng)格包括四面體細(xì)胞、六面體細(xì)胞和金字塔細(xì)胞。3.數(shù)值模擬3.1 數(shù)學(xué)模型由于外部流場可以被認(rèn)為是不可壓縮流，所以利用時間平均守恒方程來計算流動?，F(xiàn)在方程在笛卡爾坐標(biāo)系中給出。連續(xù)性方程是（1）0xuji??動量方程- 3 -（2）iijjij xp)τu（ρx????本構(gòu)方程（3）ijkτijτij δxuμ32s???動蕩的粘度（4）εKρCμ2τ?空氣的密度 ρ,u 速度相對于卡車,p 的平均壓力,μ 空氣粘度,湍流粘度,K 湍流動能,湍流耗散率,相關(guān)系數(shù)和粘度,應(yīng)力張量,和 ij 年代染色率張量。j)0(iS),xu(21Sijjiij ?????iij選擇 RNG 湍流模型，是因?yàn)樗笆褂昧艘幌盗蓄愃频膯栴}(8,9)，精確到更高的應(yīng)變率和漩渦流[10-12]。時間平均湍流動能方程。(5)ρεSμ)xk(αx)(ρk2τiεfji ????時間平均湍流耗散率方程(6)kC)()( 2ε1εjεfkji ??這里 0.12β4.37,η,εkSη68,C,β)(1.9,α,S20.845,,μ0 ije1e 30e1ek ijtef???????3.2 邊界條件u∞用作一個恒定的速度入口邊界條件在 v 和 w 強(qiáng)加于零,u,v 和 w x,y 和 z 分量的速度相對于卡車。開礦傾卸車的最大速度為 52 公里/小時(14.44 m/s)。湍流強(qiáng)度比和湍流耗散率是過程默認(rèn)值。出口邊界條件為零相對靜壓。移動墻地平面(= uu∞)指定- 4 -邊界條件來模擬道路條件[13]。自卸卡車頂部和兩側(cè)的計算區(qū)域足夠?qū)?，足夠高，可以忽略這些邊界的影響，因此選擇進(jìn)口的條件[14]。3.3 數(shù)值方法在本文中，所有的守恒方程和湍流模型方程都是用基于有限體積法的 CFD 軟件Fluent 求解的。對對流條件采用了一階逆風(fēng)法，對彌散性特爾馬進(jìn)行了中心差分。為了評價壓力-速度耦合場，采用了著名的簡單算法。4 結(jié)果與討論4.1 空氣動力空氣動力在表 1 中給出。力包括壓力和粘性力。通過計算，自卸卡車的氣動阻力系數(shù)為 0.9184。實(shí)測車輛滑行試驗(yàn)測量的空氣動力阻力系數(shù)為 0.89[15]。兩個結(jié)果之間的誤差為 5%，表明計算模擬結(jié)果是可信的。表 1 氣動力和阻力系數(shù)。4.2 流動結(jié)構(gòu)圖 3 顯示了卡車表面的壓力輪廓，圖 4 為=0z 截面的速度矢量。迎面氣流在卡車前部分為兩個區(qū)域，其中一個在頂部，一個在卡車的底部(見圖 4)。通過保險杠，流體從底部的運(yùn)動被提升到后面的壓力峰值沿著底部。頂部的流也被分成兩個區(qū)域，在閥罩的流動過程中。一個在底部，形成漩渦，讓身體在駕駛室底部和身體之間的空間停下來。下一步是與底流合并，穿過車輪與地面之間的空隙，并沿下游路徑進(jìn)入尾流區(qū)。另一種流動的速度在身體的上邊緣加速，在身體的前部形成一個低壓區(qū)。然后，水流繼續(xù)流向下游，形成一個巨大的漩渦，因?yàn)樯眢w的形狀。下一步是將它們重新附著在身體的表面，并與后面的氣流合并。在向上流動的過程中，由于自卸車的形狀，在車頂、駕駛室、車身和車身前部形成了一個較大的正壓區(qū)域(見圖 3)。這是形成自卸卡車壓力的主要原因。- 5 -圖 3 自卸汽車的表面壓力輪廓圖 4 z=o 時的速度矢量圖 5 顯示了從卡車尾部各部分的速度矢量的結(jié)果?？梢钥闯?，在靠近尾部的區(qū)域，渦流非常復(fù)雜，因?yàn)榭ㄜ嚨男螤钍遣粚ΨQ的。隨著渦旋沿著下游延伸，渦旋逐漸合并成一對渦旋與相反的方向旋轉(zhuǎn)，在遠(yuǎn)后方的強(qiáng)度變得較弱。圖 5 在不同位置時的速度矢量圖5 從卡車形狀的氣動性能上研究頭部形狀的改善- 6 -其不足主要是由于前緣基本上是一個方形的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頭部的空氣動力特性惡化，而面對風(fēng)面積較大。這些因素使車輛的頭部成為空氣阻力的主要來源。為了提高傾卸車的氣動性能，提出了三種頭部形狀改進(jìn)方案，并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。進(jìn)行了以下研究。5.1 頭型改善方案第一個方案是改變自卸車的形狀。因?yàn)轭^部形狀基本上是一個方形的結(jié)構(gòu)，在引擎罩的邊緣，平臺和身體的頭部是圓形的。發(fā)動機(jī)罩的半徑為 10 毫米，其他零件的半徑為 5 毫米。這些變化之后，卡車模型如圖 6 所示。圖 6 變化之后的卡車模型二是減少面向空氣的面積。由于氣流對機(jī)體的影響范圍非常大，因此在傾卸卡車的頭部形成了一個較大的正壓區(qū)域。為了解決這個問題，拆分機(jī)安裝在機(jī)身前部(如圖7 所示)，因?yàn)樵?Ref.[16,17]中使用了類似的設(shè)備來減少拖拉機(jī)拖車的阻力。圖 7 安裝分束器飛機(jī)后的卡車模型第三種是將第一種與第二種相結(jié)合，通常是改善邊緣和朝向風(fēng)區(qū)。在模擬上述三種情況下，計算了該區(qū)域的初始條件和條件。邊界條件將與前一個模型相似。通過計算，我們可以得到改進(jìn)的卡車氣動性能的數(shù)值結(jié)果。- 7 -圖 8 自卸汽車在 z=0 時改善前后的對比圖5.2 原型與改進(jìn)卡車的對比5.2.1 壓力輪廓的比較=0 z 截面圖 8 顯示了原型和改進(jìn)卡車在=0 z 部分的壓力輪廓?？梢钥吹?，氣流通過引擎蓋和車身頂部平滑地流動。在車頂和車尾的壓力輪廓變得稀疏，壓力梯度降低。在機(jī)身前部安裝了分裂機(jī)后，在車身前部和卡車尾部的壓力輪廓都是稀疏的。它降低了整個卡車的壓力阻力。第三個場景集成了前兩個程序的優(yōu)點(diǎn)，使壓力減阻更顯著。5.2.2 改進(jìn)后的卡車阻力系數(shù)比較，如表 2 所示。表 2 改進(jìn)前后氣動阻力系數(shù)。改進(jìn)后的卡車的氣動阻力系數(shù)均減小。第一種情況減少 3.8%，第二種減少6.59%，第三種減少 13.7%。第三種情況的氣動特性比其他的要好。因此，在氣動外形優(yōu)化設(shè)計中，我們應(yīng)盡量使形狀順利進(jìn)行，同時安裝額外的設(shè)備以減小頭部的壓力。6 總結(jié)- 8 -通過計算得出礦用自卸卡車的阻力系數(shù)很大。因此，有必要對礦用自卸卡車的氣動特性進(jìn)行研究，并采取相應(yīng)的措施來減少阻力和動力消耗。礦用自卸卡車的主要?dú)鈩幼枇碜杂谧孕犊ㄜ嚽暗妮^大的正壓區(qū)。根據(jù)卡車頭部氣動形狀的缺陷，提出了三種改進(jìn)卡車形狀的方案。通過對比發(fā)現(xiàn)，第三種方法比其他方法更好，使卡車的氣動特性大大提高。因此，在氣動外形優(yōu)化設(shè)計中，我們應(yīng)盡量使形狀順利進(jìn)行，同時安裝額外的設(shè)備以減小頭部的壓力。- 9 -附錄 2：外文原文- 10 -- 11 -- 12 -- 13 -- 14 -- 15 -致 謝經(jīng)過了半年的努力，畢業(yè)設(shè)計終于走到了尾聲，在這個過程中，有過心酸和汗水，也有過歡樂和笑聲，在此，我要感謝我的導(dǎo)師王邦國老師，我的論文就是在他的指導(dǎo)和幫助下完成的，王邦國老師淵博的學(xué)術(shù)知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的敬業(yè)精神以及和藹寬容的待人作風(fēng)使我獲益頗多。一開始教會了我如何查找文獻(xiàn)，循循善誘，一遍不行就兩遍，很有耐心，當(dāng)我計算遇到困難的時候教我學(xué)會 MATLAB 軟件進(jìn)行編譯計算，大大節(jié)省了我的時間和精力，當(dāng)檢查開題報告和中期答辯的時候，對于我每個文字和數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查和分析，非常嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，并時刻督促我趕上進(jìn)度。在此，向王老師致以最誠摯的敬意和感謝！我還要感謝呂杰，林倩雯等同學(xué)，他們?yōu)槲业恼撐奶峁┝撕芏嗪玫慕ㄗh和支持。有時候老師并不能隨時出現(xiàn)在自己的身邊，在這時，同學(xué)們的出現(xiàn)也給了我很大的幫助。這次設(shè)計可能就是我作為學(xué)生時代的最后一次作業(yè)了，對此我也很認(rèn)真，本著一絲不茍的治學(xué)精神，也是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)生涯的一個檢測，更是我將理論與實(shí)踐相結(jié)合的一個契機(jī)，還是一個溫故而知新的過程。在這次設(shè)計中，自己也是獲益頗豐，學(xué)到了很多課本外的知識，見識到了很多國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，加深了我對理論知識的理解，拓展了自己的眼界，對實(shí)際生產(chǎn)有了更加的感性認(rèn)識。所以也感謝這次畢業(yè)設(shè)計帶給我的長足進(jìn)步。