Введение
С развитием технологий численное моделирование становится незаменимым инструментом для исследования сложных физических процессов. Одним из актуальных направлений является численное моделирование загрязнения задней поверхности автомобиля, которое имеет важное практическое значение [1]. В результате загрязнения поверхностей систем освещения автомобиля и внешних камер заднего вида затрудняется получение качественной навигационной информации [2], снижается удобство эксплуатации и ухудшается эстетический вид автомобиля. Кроме того, загрязнение внешней поверхности автомобиля приводит к преждевременному нарушению лакокрасочного покрытия, износу щеток стеклоочистителей и в некоторых случаях приводит к разрушению стекол [3, 4].
Цель исследования – численное моделирование распределения частиц на поверхности тела Ахмеда и модификаций его кормовой части в результате изменения угла наклона последней.
В данной работе рассмотрены основные принципы и методики численного моделирования влияния угла наклона кормовой части тела на его загрязнение, а также проанализированы полученные результаты с целью выявления закономерностей и перспектив дальнейших исследований в этой области.
Материалы и методы исследования
Проблема загрязнения транспортных средств своими корнями уходит в далекие 1950-е гг. На первых порах рассматривались вопросы по защите ветровых стекол от дождя, и исследования привели к созданию встроенных систем стеклоочистителей и омывателей, а затем и к использованию дефлекторов различной конфигурации для защиты от скопления тяжелых частиц. Уже к середине 1960-х гг. были разработаны механические системы, уменьшающие загрязнение задних стекол. Большое количество работ было посвящено аэродинамике автомобиля и снижению его аэродинамического сопротивления. Для решения данной задачи привлекались различные инструменты и методики от экспериментальных, аналитических до самых современных методов моделирования на основе различных подходов. Авторы [5] использовали модель взаимодействия жидкость – твердое тело, исследовали нестационарную аэродинамику автомобиля и показали хорошее согласование результатов моделирования с экспериментальными данными. По вопросам влияния реальных дорожных с непостоянной скоростью внешнего набегающего потока возникает перекос встречного профиля, который невозможно повторить в аэродинамической трубе и при реальных испытаниях, что ограничивает точность результатов, полученных на основе стационарных моделей [6]. Одной из пионерских работ в области численного моделирования является работа [7], где изучено загрязнение боковой части и задней части внедорожника с использованием для отслеживания траекторий частиц Лагранжева подхода, а для определения концентрации грязи – Эйлерова и где утверждается, что стационарное поле течения дает результат, не отличающийся от нестационарного. В дальнейшем это утверждение было опровергнуто авторами работ [8, 9]. В работе [8] утверждается, что использование усредненного по времени поля скоростей для прогноза траектории частицы снижает ее вероятность попадания на тело в сравнении и использованием нестационарного, а в [9] автор подчеркивает сложность моделирования взаимодействия частиц с нестационарным следом за автомобилем, и даже небольшие отличия в поле скоростей могут приводить к существенным различиям в распределении частиц на поверхности этого тела. Несмотря на большое количество работ в области моделирования аэродинамики тела и расчета аэродинамического сопротивления эта тема остается открытой: во-первых, до сих пор нет теоретических методов его расчета для сложных тел, а во-вторых, известные экспериментальные данные до сих пор недостаточно систематизированы, а попытки выявить зависимость аэродинамического сопротивления в зависимости от формы не дали результата в силу большого числа параметров геометрии и их сложных взаимосвязей [10–12]. В работе [13] с помощью математического моделирования и экспериментально выявлены аспекты определения силы аэродинамического сопротивления, которая влияет на расход топлива и динамические свойства, особенно при большой скорости. Численному моделированию взаимного аэродинамического влияния тел при движении посвящена работа [14], где показана нестационарная картина поля скоростей.
Следует сказать, что с ростом скоростей вопрос о загрязняемой поверхности автомобиля вновь выходит на первый план. Это связано, прежде всего, с необходимостью обеспечить водителю хороший обзор и видимость, а использование камер не решает данный вопрос, так как частицы пыли и грязи налипают и на них.
Постановка задачи
Для численного моделирования загрязнения кормовой части рассматриваемых тел использовались уравнения Навье – Стокса с осреднением по числу Рейнольдса в сочетании с k-ω моделью турбулентности [14]. В качестве тела выбрано тело Ахмеда и его модификации. Моделирование загрязнения тела рассматривается только для мелкодисперсной фазы, не оказывающей существенного влияния на газовую фазу [15].
Для моделирования динамики движения частиц и процесса их налипания на поверхность рассматриваемых тел используется модель дисперсной многофазности. Аэродинамическое взаимодействие дисперсной фазы с газовой проводилось на основе модели Schiller-Naumann, а источником подачи частиц являлась входная граница. Частицы рассматривались в форме шара с постоянными размерами 1, 10 и 100 мкм. В модели границы тела и земли считаются проницаемыми для частиц, что имитирует их налипание на данные поверхности.
Результаты исследования и их обсуждение
Численное моделирование осуществляется на основе модификаций тела Ахмеда – плохо обтекаемое тело со скошенной кормовой частью, поднятое над поверхностью земли на 50 мм. В каждой серии рисунков представлены результаты моделирования тела Ахмеда с кормовой частью, расположенной под различными углами: a – 10°; b – 15°; c – 20°; d – 25°; e – 30°; f – 35°. На рис. 1 показано поле скоростей и распределение давления при обтекании тела Ахмеда и его модификаций, связанных с изменением угла наклона его кормовой части. Во всех вариантах угла наклона кормовой части тела Ахмеда хорошо видна вихревая зона, способствующая загрязнению тела. Однако наименьший вихрь сформировался у тела Ахмеда в кормовой части при угле наклона ее 30° (рис. 1, e). По мере уменьшения угла наклона вихревая зона смещается в нижнюю часть автомобиля, а по мере увеличения угла наклона вихревая зона растет, и уже при угле наклона 25° вихревая зона распространяется и на саму наклонную плоскость, что хорошо видно из рис. 1, d. При угле в 35° наблюдается снова усиление вихревых течений в нижней части тела и, следовательно, снова начинает расти площадь, покрытая частицами.
Представляет интерес, насколько различна будет зона, покрытая частицами разного размера в зависимости от конфигурации кормовой части тела Ахмеда. На рис. 2–4 представлены серии результатов численного моделирования налипания частиц с постоянными размерами 1, 10 и 100 мкм соответственно. Линии тока показывают траектории движения частиц соответствующего размера, а их цвет – объемную долю. Цвет поверхности обтекаемого тела показывает массу частиц, налипающих на нее за единицу времени по логарифмической шкале, максимум которой соответствует значению невозмущенного потока.
Рис. 1. Типичное поле скоростей и распределение давления, формирующееся при обтекании тела Ахмеда и его модификаций
Рис. 2. Моделирование процесса загрязнения тела Ахмеда частицами 1 мкм
Рис. 3. Моделирование процесса загрязнения тела Ахмеда частицами 10 мкм
Рис. 4. Моделирование процесса загрязнения тела Ахмеда частицами 100 мкм
Цвет в плоскости симметрии показывает объемную долю частиц. Как показано на рис. 2, частицы размером 1 мкм загрязняют боковые поверхности тела Ахмеда при любом угле наклона кормовой части, но по мере увеличения угла поток загрязняющих частиц уменьшается, а кормовая часть тела Ахмеда и его модификаций загрязняется примерно одинаково. При малом угле наклона (рис. 2, a) площадь загрязнения верхней части кормы больше, что связано с увеличением ее площади.
На рис. 3 видно, что частицы размером 10 мкм почти не загрязняют верхнюю и боковую части тела Ахмеда и его модификаций, но при увеличении угла наклона кормовой части загрязняются ребра, на которых имеет место резкий перепад направления нормали поверхности. Загрязнение задней части поверхности тела Ахмеда уменьшается по мере увеличения угла, что связано с направлением потоков обтекания. При большом угле (рис. 3, f) завихренность меньше, что приводит к тому, что их поток проходит мимо поверхности тела.
На рис. 4 показано загрязнение тела Ахмеда и его модификаций частицами 100 мкм.
Видно, что загрязнения практически не происходит, за исключением ребер на верхней части корпуса, что видно на рис. 4, a–f. Это связано с большой инерцией частиц, препятствующей их попаданию в вихревые потоки.
Заключение
Численное моделирование аэродинамики тела Ахмеда и его модификаций показало, что угол наклона кормовой части тела Ахмеда оказывает существенное влияние на формирование и местоположение вихревой зоны. Мелкодисперсные частицы грязи и пыли, вовлекаемые в вихревые потоки, оседают на поверхности тела. При увеличении коэффициента аэродинамического сопротивления траектории шарообразных частиц приближаются к линиям тока, не пересекающимся с линиями автомобиля, и, следовательно, более крупные частицы, движущиеся под действием силы инерции и аэродинамических сил, приводят к большему налипанию частиц и его загрязнению. При удаленности крупных частиц от автомобиля они быстрее оседают на землю, не достигая его поверхности. Более мелкие частицы больше вовлекаются в вихревые потоки вблизи поверхности автомобиля, оседая на его поверхности при столкновении. Результаты численного моделирования могут послужить основой для разработки эффективных мер по снижению воздействия загрязнения кормовой части автомобиля и повышению безопасности на дорогах.
Библиографическая ссылка
Катаева Л.Ю. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА НАКЛОНА КОРМОВОЙ ЧАСТИ ТЕЛА АХМЕДА НА ЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2024. – № 7. – С. 22-27;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=40080 (дата обращения: 31.10.2024).