挡风玻璃的流场有限元分析

挡风玻璃的流场有限元分析

赵亮亮

（长安大学陕西省西安市710064）

摘要：电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具逐渐成为越多人的选择，其适合中短距离交通，经济适用。挡风玻璃是电动车行驶过程中遮挡正面来风的装置，本文使用fluent单参考系模型，选择标准k-epsilon湍流模型，模拟不同形状、尺寸、安装角度对挡风玻璃挡风效果的影响，模拟发现不同形状的挡风玻璃对挡风效果影响不大，弧形挡风玻璃会在无风空间中引起微弱的涡流，高速时涡流会增强。市面上的挡风玻璃在车辆低速行驶时具有不错的挡风效果，安装角度对其无明显影响。

关键词：挡风玻璃；fluent；k-epsilon

引言

摩托车作为个体交通的一种出行方式，它适合中短距离的出行,经济实用,在我国中小城市占有很大比重[1]。化石燃料的摩托车存在污染环境，燃料危机等弊端。电动车作为新能源交通工具，受到国家的大力发展，被提升到国家战略的层次。同时，保护环境的意识越来越深入人心，电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具越来越受到人们的关注。中国电动车新车量与保有量逐年递增[2，3，4]，且中国电动车产量居世界第一。

挡风玻璃作为电动车行驶过程中为驾驶员遮挡正面来风的装置。现在市面上存在多种挡风玻璃，各个产品挡风效果未知，个人安装也不同。本文使用fluent对电动车行驶中挡风玻璃周围流场进行分析，讨论挡风玻璃形状、安装角度、大小对挡风效果的影响。

流场分析

人体头部受到高速风吹拂，挡风玻璃对此影响重大，所以本文关注挡风玻璃，忽略电动车其余部件对车辆运行期间周围空气的影响，简化行车环境，建立挡风玻璃及其周围流场有限元模型。

采用fluent对车辆行径过程中流过车辆周边的空气进行有限元仿真，采用单参考系模型（SRF），把车辆运动问题化解为运动参空系的稳态问题，坐标系固定在车辆上，车辆是静止的，相对运动的是大气。湍流模型选择标准k-epsilon模型[5]。

1分析挡风玻璃形状对挡风效果的影响。

分别模拟平面挡风玻璃和弧形挡风玻璃的流场运动。发现相同有效面积的挡风玻璃，弧形挡风玻璃形成的无风空间比平面挡风玻璃形成的无风空间大，弧形挡风玻璃会在无风空间中形成微弱的涡流，而平面挡风玻璃则没有。良好的流线设计会降低车辆风阻，但对于低速运动的电动车而言，作用很微弱，如图（1）。

2（42+32）*42*3弧形挡风玻璃进行流体有限元分析。

假设：1行车环境良好，无其他车辆影响；2车辆行径左右无风，只有正面来凤；3车辆与正面来风相对速度40km/h。

1）分析其在不同安装角度的挡风效果。

发现在挡风玻璃后形成无风空间，安装形成的小角度变化对挡风玻璃后形成的无风空间基本不发生变化，加大角度会减小风阻，但对电动车来说，作用很小，如图（4）。

2）分析不同车速对其挡风效果的影响。

分别计算了速度为30、40、45、50km/h下，车辆周边的气流运动情况，发现车速是挡风玻璃挡风效果很主要的影响因素，速度50km/h时无风空间明显减小，且形成较强涡流回流。当速度为30km/h时，无风空间无明显差别，但是形成了较弱的物流。当车辆速度变化时，会在挡风玻璃后行车涡流，这会降低挡风玻璃的效果。

图330、40、45、50km/h时流场流线图（顺时针）

结论

挡风玻璃能够在其后形成一定的无风空间，但是无风空间收到挡风玻璃形状、大小以及行测速度有关。挡风玻璃的形状会影响无风空间涡流的形成，涡流较为微弱，可以忽略（涡流中心最高风速0.2m/s左右，对应风级为静稳）；（32+42）*42*0.3的挡风玻璃具有良好的挡风效果，其安装的角度对挡风效果没有明显的差别。较大的挡风玻璃能够形成更大的无风空间，对于高速车辆使用较大挡风玻璃效果更好，但是高速运动时，较大的挡风玻璃会产生较大的风阻；车辆行驶时，保持恒定的速度，会使挡风玻璃发挥更好的效果。

参考文献

[1]赵丽萍,靳文舟,杨亚璪.城市摩托车交通出行特征分析[J].交通运输系统工程与信息,2007(04):143-147.

[2]李志.电动车的大规模发展依然任重道远[J].当代石油石化,2018,26(01):30-35.

[3]雷惊雷,张占军,吴立人,潘国宏,黄少卿,杨迈之,蔡生民.电动车,电动车用电源及其发展战略[J].电源技术,2001(01):40-46+59.

[4]孟良荣,王金良.电动车电池现状与发展趋势[J].电池工业,2006(03):202-206.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社,2004:113-126.

[6]韩占忠.FLUENT-流体工程仿真实例与分析[M].北京：北京理工大学出版社,2009.

作者简介：赵亮亮（1993-），男，甘肃，硕士研究生，研究方向：流体有限元分析