ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZEFAKULTA STROJNÍ
ÚSTAV TECHNICKÉ MATEMATIKYOBOR APLIKOVANÉ A NUMERICKÉ MATEMATIKY
DIPLOMOVÁ PRÁCE
PROUDĚNÍ V TRAKTU TOPENÍ AUTOMOBILU
Autor: Tomáš MužíkVedoucí práce: Prof. Ing. Pavel Šafařík, CSc.Akademický rok: 2006/2007
CÍL DIPLOMOVÉ PRÁCE 1. Vyřešení proudového pole
uvnitř traktu topení automobilu firmy ŠkodaAuto.
2. Navržení tvarových změn vedoucích k zrovnoměrnění hmotnostních průtoků na výstupech z traktu.
3. Tvarová optimalizace traktu topení vedoucí k zrovnoměrnění hmotnostních průtoků na výstupech z traktu.
Vstup
Výstup 1
Výstup 2
Výstup 3 Výstup 4
Přívod vzduchu k ofukovačům
400
210
97
210
73,5
60
210
210
145
145
85
Výpočet proudového pole CFD metodami v software Fluent
Soustava rovnic:
Navierovy – Stokesovy rovnice
• Rovnice kontinuity
• Rovnice bilance hybnosti
• Doplněné rovnicemi transportními pro kinetickou energii turbulence a pro rychlost disipace podle druhu modelu turbulence.
0
i
i
x
u
i
j
ij
ij
ji Fxx
p
x
uu
1. Vyřešení proudového pole uvnitř traktu topení automobilu firmy ŠkodaAuto
• Řešení rozložení hmotnostních průtoků na výstupech z traktu topení s cílem otestovat a vybrat nejvhodnější variantu modelu turbulence a typu sítě pro řešení zrovnoměrnění hmotnostních průtoků na výstupech z traktu.
• Vstup: Hmotnostní průtok odpovídající 2. stupni na ventilátoru (rychlost zadána homogenně V=5,3m.s-1). Ostatní parametry nastaveny tak, aby simulovaly reálné prostředí.
• Jako nejlepší varianta byl vyhodnocen model turbulence realizable k-ε (rke)
Model kvalita
sítě
Hmotnostní průtok [kg/hod]
Turbulence vstup výstup 1 výstup 2 výstup 3 výstup 4
Měření 288,1 -63,5 -93,5 -71,9 -59,2
rke
level 2 288,072252 -64,0092096 -93,9323556 -72,0785592 -58,0519152
level 4 288,072252 -64,011978 -93,8670552 -72,0854532 -58,1082264
level 6 288,072252 -63,9368964 -93,9112056 -72,1107216 -58,1136732
ske
level 2 288,072252 -67,6177848 -89,7579936 -68,3070192 -62,3875716
level 4 288,072252 -62,0735436 -68,2847712 -90,4073688 -67,3074684
level 6 288,072252 -62,1043956 -68,2042356 -90,2033928 -67,5561888
rng
level 2 288,072252 -57,1022568 -75,9267324 -91,3409856 -63,9414144
level 4 288,072252 -57,2233068 -74,8088496 -91,42992 -64,6110972
level 6 288,072252 -58,1390136 -73,8900432 -91,5631452 -64,4800176
Proudové pole nejlepší varianty
Kontury rychlostí, řez výstupem 2
Odtržení
Pole vektorů rychlostí v traktu topení Proudnice v traktu topení
Kontury rychlostí, řez výstupem 3
2. Navržení tvarových změn pomocí software Sculptor vedoucích k zrovnoměrnění hmotnostních průtoků na
výstupech z traktu
Hmotnostní průtok [kg/h]
vstupvýstup
1výstup
2výstup
3výstup
4
varianta
1288,072 -60,899 -97,049 -71,490 -58,633
varianta 2
288,072 -64,766 -81,512 -82,160 -59,632
varianta 3
288,072 -66,562 -80,532 -75,075 -65,901
Varianty 3 Varianta 2 Varianta 1
h
kgmvstup 018,724
0
20
40
60
80
100
120
Výstup 1 Výstup 2 Výstup 3 Výstup 4
Varianta 1
Vatianta 2
Varianta 3
Průměrná hodnota
průměr
Proudové pole variant po tvarových změnách
Proudnice v traktu topení
Kontury rychlostí, řez výstupem 2
Kontury rychlostí, řez výstupem 2
Proudnice v traktu topení
Kontury rychlostí, řez výstupem 2
Proudnice v traktu topení
Varianta 1 Varianta 3Varianta 2
3. Tvarová optimalizace traktu topení vedoucí k zrovnoměrnění hmotnostních průtoků na výstupech z traktu
• Gradientová optimalizační metoda LSGRG2
• Minimalizujeme cílovou funkci• Užívá gradientu k nalezení směru
nejstrmějšího sestupu• Najde lokální minimum
• Cílová Funkce: rovnoměrnost
Vstup [kg/h]
Výstup1 [kg/h]
Výstup2 [kg/h]
Výstup3 [kg/h]
Výstup4 [kg/h]
Před optimalizací
288,072
-64,009 -93,932 -72,078 -58,051
Po optimalizaci
288,072
-68,538 -80,711 -71,974 -66,847
4
1 4ii
vstup mm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Výstup 1 Výstup 2 Výstup 3 Výstup 4
Před optimalizací
Optimalizovaná varianta
Průměrná hodnota
Isight
Sculptor
Fluent
Průběh optimalizačního procesuCFD Processing•Výpočet proudového pole•Výstupem jsou parametry proudění (hmotnostní průtoky)
Deformace sítě pomocí ASD objemů
Optimalizační nástrojGradientová metoda LSGRG2
Komunikace pomocí textových
souborů ve formátu *.jou
Proces probíhá dokud:
• Není nalezeno minimum
• Nenarazí na hraniční kritéria – - deformace sítě nesmí překročit povolenou mez (dále by byl výpočet zatížen příliš velkou chybou)
ASD objem
Isight
Sculptor
Fluent
Před optimalizací
Po optimalizaci
Proudové pole po tvarové optimalizaci
Kontury rychlostí,
řez výstupem 2 Kontury rychlostí, řez výstupem 3
Kontury tlaků, řez výstupem 2
Kontury tlaků, řez výstupem 3 Pole vektorů rychlostí v traktu topení
hluky,tlaková ztráta !!!
zúžení
Závěr
• Byly otestovány modely turbulence, kvalita sítě a jejich vliv na výpočet proudění v traktu topení.
• Jako nejvhodnější model turbulence pro vnitřní aerodynamiku byl vybrán rke. Nejlépe splnil požadovaná kritéria.
• Bylo zjištěno, že není možné dosáhnout rovnoměrnosti hmotnostních průtoků manuálními tvarovými změnami.
• Byla navržena a vyřešena optimalizační úloha.• Získané výsledky ukazují, že tento postup je v praxi
dobře aplikovatelný.• V praxi by se však neřešila jen tato část traktu, ale celé
rozvody v automobilu najednou.• V oboru aerodynamiky se optimalizace stává účinným
nástrojem k řešení technických problémů.
