调查的影响在轮胎Antihydroplaning酒窝仿生非光滑表面

文摘

灵感来自于想法,仿生非光滑表面(BNSS)减少流体粘附和阻力,酒窝仿生非光滑结构安排的影响轮胎周向凹槽表面antihydroplaning性能研究利用计算流体动力学(CFD)。对象的物理模型(模型的酒窝仿生非光滑表面分布,湿路滑胎模型)和不锈钢湍流模型建立了轮胎滑水现象的数值分析。通过正交表的L₁₆(4⁵),酒窝仿生非光滑结构设计的参数相对于光滑的结构进行了分析,并实验因素的优先级以及实验范围内的最佳组合。仿真结果表明,酒窝仿生非光滑结构可以减少水流阻力的令人不安的涡流运动边界层。然后,最佳类型的酒窝仿生非光滑结构安排对轮胎周向凹槽的底部湿路滑胎性能分析。结果表明,酒窝仿生非光滑结构有效地降低了行驶时胎面流体压力水膜,增加轮胎滑水的速度,从而提高轮胎antihydroplaning性能。

1。介绍

在潮湿的路面上安全运行是一个重大关切的路面工程师和研究人员。据报道,约有20%的道路交通事故发生在潮湿的天气条件和大部分的交通事故都与轮胎性能(1]。轮胎湿路滑胎的五大激励交通事故。当车辆机动在湿路上一定的速度,一旦产生的垂直的努力产生的流体压力接触面积超过轮胎的重量时,轮胎和道路之间的联系被流体膜,形成湿路滑胎2,3]。在这种情况下是危险驾驶。作为唯一的一部分车辆与路面相互作用,车轮踏面决定了轮胎的综合性能,如噪音、磨损和湿路滑胎。所以它是非常重要的改善轮胎antihydroplaning性能。实验研究和理论分析带来了一些创新,比如人行道上开槽,允许至少部分消除湿路滑胎。根据实验调查和成像技术,研究人员用玻璃板在水中呈现视觉图像的轮胎接触形状(4]。不幸的是,这种实验方法需要轮胎制造和测试设置,哪个更耗时和昂贵的。分析理论,仍有一些复杂问题的分析湿路滑胎现象。例如,流体系统是非线性的,没有精确数学模型对轮胎表面变形。因此,它是不可能制定轮胎滑水现象的描述。

计算机和数值模拟技术的快速发展为分析轮胎antihydroplaning提供必要的技术支持。Aksenov et al。5]提供了一个相互作用的三维模拟轮胎和自由表面流的计算流体动力学(CFD)技术,但轮胎表面的变形被忽视和计算域仍然固定在他的工作时间。熟料和维斯6)指出,对流体压力变形轮胎有重要影响车辆速度更高。相比模拟几种花纹轮胎和轮胎接触力曹et al。(7)显示,胎面花纹结构参数确定anti-hydroplaning性能。澳洲公平工作委员会等。8,9]研究了垂直和水平圆周槽尺寸对滑水现象的影响,表明单位胎面花纹面积可作为评价湿路滑胎的性能。通常,在胎面花纹增加无效环形凹槽可以提供额外的空间来吸收雨水减少水膜,增加力量。这个方法确实提高了轮胎antihydroplaning性能,但这是有代价的其他性能的因素,为提高会降低其他性能的因素。葡萄酒等。10)发现,1%的改善湿路滑胎增加环形凹槽空隙会导致车辆稳定性,减少0.6%,滚动阻力会增加0.4%,扣除2.3%滚动噪声,等等。显然,提高轮胎antihydroplaning性能的传统方法将导致减少其他轮胎的表现。因此,它是重要的去寻找其他的方法来改善轮胎anti-hydroplaning与环形凹槽体积不变的模式。

从研究自然动物的表面特征,生物学家发现仿生非光滑表面(BNSS)可以减少液体粘附和阻力。NASA研究中心牵头鲨鱼的皮肤的表面结构的研究在1970年代,发现鲨鱼的皮肤表面microcircumferential槽结构分布在鲨鱼的身体可以减少阻力的高速水下游泳。然后,仿生原则提出和应用在工程领域11,12]。伟大的成就为仿生应用出来;田et al。13)实验研究了离心泵与凹酒窝面称为仿生耦合离心泵(BCCP),结果表明,BCCPs明显改善的效率和效率曲线变得更加压缩比传统的离心泵的有效工作范围。歌等。14)设计了一个酒窝仿生非光滑表面机动车车身壁板;结果表明,与表面光滑,妥善设计的非光滑减阻表面可以有更大的影响。灵感来自于仿生设计,提出了一种新方法对提高轮胎antihydroplaning本文这酒窝仿生非光滑表面适用于减少轮胎模式圆周槽水流阻力的足迹和增加流量提高水上滑行速度。

首先,水上滑行的速度环形沟槽轮胎与流利的模拟软件。然后,轮胎滑水的速度与NASA从冈和Koishi滑水的方程和实验数据15)为了说明湿路滑胎模型计算效率和有效性。其次,在正交表的帮助下L₁₆(4⁵),酒窝仿生结构设计的参数相对于光滑的结构进行了分析,并实验因素的优先级以及实验范围内的最佳组合。最后,安排优化酒窝仿生非光滑结构在环形凹槽的底部,CFD技术是用来预测轮胎antihydroplaning性能。目前的研究表明,轮胎圆周槽仿生非光滑结构设计模式是一种提高antihydroplaning最可行的方法。

2。计算的细节

传统模拟轮胎滑水现象集中在拉格朗日(移动电话)耦合方法可以获得正确轮胎变形和升力。然而,水运动不能详细调查由于算术不足。与此同时,计算耗时。然而,CFD技术可以顺利解决耦合问题并成功处理流问题,和自由空气和水之间的界面可以追踪的流体的体积(受到)模型。

2.1。轮胎模型

轮胎周向槽的结构决定了轮胎的排水能力。负荷下的变形车轮踏面影响排水空间。分析水在环形沟槽流场tire-ground接触,变形轮胎的形状和接触压力在正常负载和压力必须已知。轮胎的有限元模型(FEM) (205/50R16)成立,和轮胎与轮载荷变形收购4000 N和200 kPa的通胀压力。轮胎是不应该旋转;因此没有应用离心荷载。在这种假设下,轮胎静态接触压力是模拟的。仿真和实验结果的比较图1,轮胎印刷提供了实验的方法(16]。环形凹槽的设计是按照测试轮胎的广度和深度是8毫米和9毫米,分别。

2.2。滑水的计算域定义

滑水现象发生时,水和空气流tire-pavement接触面积。首先,流体模型,该模型包含水膜和气流,然后轮胎的外轮廓几何创建轧制形变后,删除和滚动轮胎模型在计算流体。仿真结果可能不同与计算域的大小约5% - -10%。域大小随高度50毫米,长度的轮胎300毫米600毫米的背后,和宽度350毫米从先前的研究被认为是17]。图2显示了计算域,通过多次拉丝编织网格技术。计算域是名誉扫地为五方结构网格氢化物与非结构化四面体网格。网格的前面接触面积和胎面周向槽内精炼,以确保至少有八个离散单元在一个环形槽。整个网格由1358587个细胞和1272427个节点。模拟使用一半轮胎模型,水和空气流动方向方向。

2.3。受到模型

在多相流,识别类的材料是一个阶段,一个特定的惯性响应和交互流和潜在的沉浸举行。该模型本质上是一个自由表面流和移动边界。一般来说,有三种方法来解决这个困难和计算自由表面流动,即(i)表面拟合方法,(2)表面捕获方法,和(3)表面跟踪方法。三种方法的示意图表示在图3。这三种方法的主要优点和缺点进行了讨论,赵et al。18]。

受到方法,保持和更新一个流体的体积分数的每一个细胞,而不是表面的高度,可以用来解决平流方程的体积分数和准确预测流体界面。在受到模型中,液体是不认为是穿透。对于每个额外的阶段模型中,一个变量(相的体积分数)介绍了计算单元。在每一个控制体积,体积的所有阶段必须统一。另外,变量和属性的一个给定的细胞纯粹是代表一个阶段或阶段,根据体积分数值。

细胞的体积分数方程用;在哪里 :细胞是空的th液); 的细胞充满th阶段); 细胞之间包含一个接口th液体和一个或多个其它液体;基于当地的价值,适当的属性和变量将分配到每个控制体积内的域。

连续性方程,对于特定的流体的体积分数,然后解决,其次是动量方程。主相体积分数计算基于约束所示(1)- (3)。动量方程的整个域后,得到的速度场和其他数量之间共享的阶段,因此跟踪接口的(每个流体的体积分数)之间的阶段。考虑 在哪里是速度;重力力矢量;是时间;和是由于外部源力矢量。等附加标量湍流量,一套运输方程解决和共享大量的阶段在整个领域。

密度和分子粘度方程中依赖于所有阶段的体积分数:

2.4。控制方程和湍流模型

湍流模拟分析,目前主要有三种湍流控制方程:直接数值模拟(DNS),大涡模拟(LES), Reynolds-averaged数值模拟(跑)。的三个湍流数值模拟算法,Reynolds-averaged数值模拟方法完美地反映了边界层内的涡流分布和其他微流信息,包括计算需求低、效率高的优点;因此采用Reynolds-averaged数值模拟(跑)。方程(5)是连续性方程和(6)是Reynolds-averaged n - s方程。因此, 在哪里,是流体密度和分子的粘度系数,分别。平均速度是组件。笛卡尔坐标。静压。克罗内克符号。

模型(19)是为巩固的优势的原因选择高雷诺数模型和低雷诺数模型,利用混合函数实现逐步从标准模型内边界层过渡到高雷诺数模型在边界层外,并使从壁面区域过渡到全面发展地区更加完美和较高的计算精度。方程(7)是湍流动能方程,(8)是湍流耗散率方程。他们有如下: 在哪里湍流动能的产生是由于平均速度梯度;的一代;和的有效扩散系数吗和分别;和的耗散值吗和;是交叉扩散项;和和源项。

压力隐式与分裂的运营商(庇索)是基于更高程度的近似修正的压力和速度之间的关系。本研究结合庇索算法,可以大大减少迭代收敛所需数量,隐式和二阶精确计划time-advanced解决方案。

2.5。边界条件

湿路滑胎现象在一个锁着的轮胎被淹没的光滑的路面上滑建模。一个观察者在静止的参照系,水漂现象可以看作是轮胎速度m / s滑动沿着光滑的路面水淹了。或者,在一个移动的轮子的参照系,湿路滑胎的现象可以被视为一个喷射一层空气和一层水,进入轮胎表面和路面表面上移动的速度m / s对轮胎表面。湿路滑胎模型已经在一个运动的参照系中建模。

图2演示了计算域的边界条件。对于两相流,入口有两个相似类型的边界条件对水和空气。下部的10毫米高度代表水和其他代表空气,和水和空气入口速度是80公里/小时。出口条件定义为一个大气压。摩擦产生的固定墙和胎面花纹的偏转所产生的周向凹槽流水力是被忽视的。轮胎的纵向平面的中心形成了对称平面。

3所示。湿路滑胎的结果和讨论

图4显示界面的速度和空隙分数在地上,灰色代表一部分深层水的流向。可以看出,流动分离和波形在前面的轮胎和车轮踏面圆周槽的水,这是符合现实。

冈和Koishi15]对轮胎滑水现象做了一个实验,如图5。在实验中,用不同的胎面花纹轮胎被组装到相同的车,然后车子跑在某些试验场加速度。利用高速摄影拍摄整个过程。他们的一个轮胎(中间的轮胎)中使用的轮胎是一样的。从实验结果,指出轮胎滑水现象发生在车辆移动约为82公里/小时。对比实验和仿真结果表明,滑水的临界速度获得这项工作与实验结果在合理的协议。

4所示。调查轮胎滑水的酒窝的仿生非光滑表面

物理模型控制方程,计算域和边界条件上面提到的滑水的模型是一样的,除了酒窝仿生非光滑表面排列在轮胎周向凹槽表面模式。

4.1。酒窝仿生非光滑结构模型

根据流体边界层理论,估算边界层厚度的公式 在哪里流位移和吗雷诺数是对应的吗位移。根据胎面花纹圆周槽的结构参数,它可以估计,边界层厚度是0.9毫米。确保非光滑结构影响边界层的内部结构,它的大小不应太靠近边界层的厚度(17),所以酒窝的深度必须在这个范围内。

假设是一个球体,酒窝仿生非光滑表面相交平面和深度。图6显示了一个截面,圆的直径平面相交的酒窝的顶部表面形成。rectangle-profile酒窝结构安排下模式沟的底部,如图7。为了避免入口效果和分析对下游流场的影响,酒窝结构安排在周向槽的中心区域,如图8。

中心沿之间的距离吗方向,中心沿之间的距离吗模型的方向,长度方向,模型的长度吗方向,模型的宽度在吗方向。的定义,,,如图7。假设酒窝仿生非光滑结构对称分布的方向;因此。

4.2。模型网格和求解器设置

根据环形槽的结构参数,仿真模型是30毫米×7.5毫米方向和方向,分别。一旦选择仿真模型的大小和酒窝,使用结合四面体和六面体网格离散网格模型以满足需要,和局部网格加密附近的墙上。

粘性边界层,因此第一网必须在靠近墙,第一层网格的厚度可以通过,在那里是无量纲距离墙,是液体的动力粘度,是经验常数(0.09),然后呢是第一个节点的湍流动能。此外,对于模型,最小数量的边界层网格是15。经过反复尝试,模拟使用0.01毫米的网格大小,增加1.2;最大网格大小的计算域是0.2毫米。图8的放大图显示了网格和酒窝仿生非光滑表面网格,分别。

4.3。正交试验分析

为了探索酒窝仿生非光滑结构和分布形式的影响减阻,正交设计方法用于模拟安排。减阻率表示如下: 在哪里和是顺利的阻力系数模型和酒窝仿生非光滑表面模型,分别和是原始模型的流阻和酒窝仿生非光滑表面模型,流密度,是速度,是垂直于流动方向的投影面积。表明,酒窝仿生非光滑表面模型具有减阻效果;否则,,表明模型没有减阻,绝对值越大,越明显的减阻或阻力增加。

l₁₆(4⁵)正交实验安排被选中。表1显示了正交试验的因素,,,,,分别表示圆直径的顶部酒窝(/毫米),酒窝深度(/毫米),酒窝下游间距(/毫米),酒窝横向间距(/毫米),流速(/(公里/小时)。每个因素的水平等于四。正交试验结果如表所示2。

根据测试结果表2,范围分析的结果如表所示3,在那里,,,分别是对应的平均结果th列和的范围,不同的影响因素对阻力的影响可以被估计。如表所示3,;即上的五个因素的影响顺序酒窝仿生非光滑表面减阻。此外,每个因素的水平可以通过比较确定。从表可以看出3那,,,,每个因素的优先级。当酒窝的齿顶圆直径是0.3毫米,深度的1/8,流间距是3横向间距是2毫米,每个流速度的减阻是最佳酒窝表面。

4.4。减少阻力的分析

4.1.1。壁剪切应力分析

由于流体之间的相互作用和墙,墙剪切应力反映粘性阻力的值。图9之间的剪切应力是比较原始和优化酒窝非光滑表面模型与水流速度90公里/小时。从图可以看出,正门入口的压力几乎是相同的两个模型。在中心的模型中,由于存在酒窝的非光滑结构表面,墙上的剪切应力明显小于表面光滑。最终模型,墙上酒窝仿生非光滑表面剪切应力仍小于在光滑的表面上。因此,酒窝仿生非光滑表面不仅降低了壁面切应力,而且还减少了下游壁面切应力的酒窝仿生非光滑表面。

图10显示了酒窝仿生非光滑模型的剪切应力毫米截面。如图10剪切应力在表面光滑的底部保持1500 Pa;墙的距离越远,剪切应力越小,最终稳定在100 Pa。然而,酒窝仿生非光滑表面,可以看出酒窝仿生非光滑的墙壁附近的剪切应力明显小于表面光滑,尤其是在酒窝仿生非光滑区域,在剪切应力显著降低,而且越接近底部的酒窝仿生非光滑表面,壁面切应力越小。因此,由于存在酒窝仿生非光滑结构、壁面切应力显著降低,阻力当流过的水车轮踏面圆周槽较小;因此,水可以通过圆周槽流动更加顺畅。

10/24/11。速度场分析

图11显示速度的对比图特征平面的横截面,毫米高度光滑表面和酒窝之间的表面。如图11在0.3毫米,平滑模型高度达到主流速度,和最优酒窝模型达到了主流速度在0.5毫米高度,所以速度梯度变化平滑模型比在酒窝仿生非光滑模型。根据(11),粘滞阻力正比于速度梯度之间的关系,所以酒窝仿生非光滑表面的粘性阻力小于表面光滑。换句话说,酒窝相当于增加边界层的厚度。因此,减少了摩擦阻力和水可以流动更容易通过轮胎沟槽。考虑

4.4.3。速度矢量分析

图12是最优的表面速度矢量图酒窝仿生非光滑模型在90 km / h。图13显示速度矢量在酒窝。从图可以看出13内,有一个低速旋转酒窝,和内部的水流表面而不是在顶部;因此水摩擦阻力降低了。流向底部的酒窝是上层流动方向相反,而流向顶部是水在同一方向,形成“滚动轴承”效应,使滑动接触的流体与流体流入滚动接触,从而减少摩擦阻力。此外,底部的低速流动的摩擦方向与流动方向,产生额外的推动流体效果并最终减少了粘滞摩擦。

5。轮胎滑水现象分析

通过正交试验优化的酒窝结构安排在周向槽的底部,并比较了与原来的光滑结构后的CFD分析轮胎滑水现象。考虑到模型的对称性,一半的轮胎足迹地区用于分析。图14显示了轮胎滑水的一半模型和酒窝仿生非光滑结构安排。的网格方法结合采用结构化网格和非结构化网格,和湍流模型、边界条件以及其他设置相同的单槽分析。

轮胎槽排水能力对轮胎性能有显著影响。一般来说,越强排水环形凹槽,antihydroplaning轮胎的性能就越好。表4显示了原始模型的单位面积上的质量流量和酒窝仿生非光滑模型。从表中可以看出,酒窝仿生非光滑结构降低流动阻力;出口在每个流速流相比原模型已得到改进。表5介绍了流体压力作用于车轮踏面为原始模型和酒窝仿生非光滑模型,在70公里/小时,80公里/小时,90公里/小时,100公里/小时。

流体压力可以用作轮胎滑水的性能的评估。霍恩提议,当流体压力作用于车轮踏面大于轮胎通货膨胀压力,轮胎滑水现象发生(2]。结合预测的值在表5曲线拟合、流体压力和速度之间的关系为原始模型()和酒窝仿生非光滑模型()方法如下:

并且可以看到和,流体压力正比于轮胎速度的平方,因此CFD模型的流体压力之间的关系和流动速度满足了基本理论,因此本文建立的模型进行了验证。鉴于通胀压力240 kPa,临界湿路滑胎速度为89.58公里/小时和90.8 km / h,分别为原始模型和酒窝仿生非光滑表面模型。显然,酒窝仿生非光滑表面排列槽的底部,从而提高轮胎antihydroplaning性能提高的关键水上滑行速度1.22公里/小时。

6。结论

(1)里面有“滚动轴承”效应的酒窝。内的水流表面而不是在顶部;因此水摩擦阻力降低,沟水排水能力提高。(2)酒窝仿生非光滑表面的排列在底部的轮胎圆周槽模式影响流经环形凹槽的减少水的阻力以及提高环形槽排水能力。酒窝的深度,酒窝,齿顶圆直径和间距邻酒窝对减阻效果都有影响。然而,酒窝的深度对减阻的影响最大。(3)酒窝仿生非光滑表面可以减少壁剪切应力,降低速度梯度垂直于流动方向和表面的摩擦阻力。胎面动态压力可以减少开车时在水面的方法安排的酒窝仿生非光滑结构底部轮胎周向槽模式。因此,它可以提高轮胎antihydroplaning性能。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51208232),中国博士后科学基金会(项目号2015 m571681),汽车工程重点实验室开放基金的江苏省,中国(项目没有。QC201303),江苏大学高级人才初始资金项目(1291120046)。

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