Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0195

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0195
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Название доклада
Разработка перспективной климатической системы кабины грузового автомобиля с высокими эргономическими и технико-экономическими характеристиками на основе исследований процессов теплообмена и гидрогазодинамики в ее элементах
Докладчик
Гуреев Михаил Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
1.Выбор рациональной схемы подключения автономного жидкостного подогревателя двигателя и кабины грузового автомобиля.
2.Выбор рациональной геометрии 3D моделей каналов распределения воздушных потоков автономного отопителя и климатической системы по результатам численного моделирования с учетом эргономических, технико-экономических и технологических требований.
3.Разработка алгоритма управления заслонками климатической системы.
4.Разработка экспериментальных стендов по исследованию процессов гидрогазодинамики и теплообмена в каналах распределения воздушных потоков от автономного отопителя и климатической системы для верификации расчетных моделей.
Задачи:
1.Разработка расчетных моделей каналов распределения воздушных потоков автономного отопителя, каналов распределения воздушных потоков климатической системы, кабины и климатической установки для различных вариантов конструкций.
2.Разработка расчетных моделей циркуляции рабочих тел в контурах климатической системы.
3.Разработка расчетной функциональной модели климатической системы.
5.Проведение расчетных исследований газодинамики в каналах распределения воздушных потоков автономного отопителя, в каналах распределения воздушных потоков климатической системы, и процессов гидродинамики и теплообмена в климатической установке и кабине грузового автомобиля.
6.Разработка эскизной конструкторской документации и изготовление экспериментальных стендов по исследованию гидрогазодинамики в каналах распределения воздушных потоков от автономного отопителя и климатической системы.
Актуальность и новизна исследования
Результаты численных исследований характеристик каналов распределения воздушных потоков необходимы для проектирования реальной климатической системы кабины грузового автомобиля и получения достоверных данных по характеристикам элементов климатической системы. Полученные результаты актуальны и обладают необходимой новизной.
Описание исследования

1.На основе принципиальной схемы системы охлаждения двигателя с вентилятором и теплообменником отопителем климатической установки в отечественном программном комплексе «ПОТОК» разработана расчетная функциональная 1D модель с различными способоми подключения автономного жидкостного отопителя. Расчетная модель включает в себя такие узлы, как помпа двигателя, двигатель, теплообменник отопитель климатической установки, вентилятор, помпа отопителя, теплообменник отопителя. Характеристики узлов частично предоставлены Индустриальным партнером, частично непосредственно производителями узлов и агрегатов. Далее характеристики аппроксимировались и интегрировались в расчетную модель. По тепловой мощности теплообменника и температуре воздуха на выходе из него оценивалась эффективность работы системы.

2.При использовании геометрии 3D моделей каналов распределения воздушных потоков автономного отопителя, климатической системы и кабины в системе автоматического проектирования NX разрабатывались расчетные области, на основе которых в программном пакете ANSYS ICEM CFD генерировались расчетные сетки. В качестве решателя использован программный пакет ANSYS CFX, в котором формировались расчетные модели, включающие в себя, помимо расчетных сеток, настройки решателя, граничные условия и т. д. Аналогичным образом на основе 3D модели кабины разрабатывалась ее расчетная область. Далее в расчетную область кабины, в зависимости от режима работы климатической установки и воздушного автономного отопителя, интегрировались расчетные области каналов, генерировалась общая расчетная сетка, формировалась общая расчетная модель.

3.В рамках расчетного исследования климатической системы в отечественном программном комплексе «ПОТОК» разрабатывалась функциональная расчетная модель, моделирующая процессы газодинамики в воздушном контуре и включающая в себя такие узлы, как теплообменник отопитель климатической установки, теплообменник конденсатор климатической установки, заслонки каналов распределения воздушных потоков, каналы распределения воздушных потоков. Газодинамические характеристики конденсатора и отопителя получены экспериментально и предоставлены Индустриальным партнером. Газодинамические характеристики каналов распределения воздушных потоков получены путем расчета в программном комплексе ANSYS CFX. По заданному режиму работы климатической системы, а именно распределению расхода по каналам, определялись углы раскрытия заслонок при различных режимах работы климатической установки.

4. При использовании геометрии 3D модели прототипа климатической установки в системе автоматического проектирования NX разрабатывались расчетные области, на основе которых в программном пакете ANSYS ICEM CFD генерировались расчетные сетки для контура воздуха и для контура охлаждающей жидкости. В качестве решателя использован программный пакет ANSYS FLUENT, в котором формировались расчетные модели, включающие в себя, помимо расчетных сеток, настройки решателя, граничные условия и т. д. Передача тепла в ядре теплообменника отопителя между контурами воздуха и охлаждающей жидкости моделировалась на основе модели двойной ячейки. По заданной температуре на выходе из климатической установки определялись углы раскрытия заслонок управления температурой при различных режимах работы климатической установки.

5.В рамках данного этапа проекта разработан экспериментальный стенд по исследованию процессов гидродинамики в каналах распределения воздушных потоков и верификации результатов численных исследований. Особенностью данного стенда является его универсальность, т.е. рабочий участок может быть произвольного размера, а измерительные участки стыкуются с ним по месту, что позволяет исследовать воздуховоды различной формы и конфигурации.

6.Разработан экспериментальный стенд по исследованию процессов теплообмена и гидрогазодинамики в экспериментальном образце климатической системы грузового автомобиля и верификации результатов численных исследований.  Особенностью данного стенда является то, что одновременно на выходе из каждого из воздуховодов измеряется скорость воздуха и температура воздуха, а на входе в вентилятор, испаритель и отопитель дополнительно расположены датчики статического давления.

Результаты исследования

1. По результатам исследования расчетной модели циркуляции рабочего тела в климатической системе при стандартном подключении автономного жидкостного отопителя и работающем двигателе, теплообменник отопитель климатической установки работает на заявленной тепловой мощности, что свидетельствует о корректности расчетной модели.

При расчете схемы при стандартном подключении автономного жидкостного отопителя установлено, что автономный жидкостный отопитель работает только на нагрев двигателя, в теплообменнике отопителя климатической системы расход охлаждающей жидкости отсутствует.  

Рассмотрен вариант подключения автономного жидкостного отопителя при использовании трехходовых клапанов, при котором магистраль охлаждающей жидкости через двигатель перекрывается и в контуре остается только теплообменник отопитель климатической установки. При этом в результате расчета помпа автономного жидкостного отопителя не преодолевает гидравлическое сопротивление магистрали охлаждающей жидкости. Предложена и просчитана схема с использованием обратных клапанов, теплообменник отопитель климатической установки при этом работает на заявленной тепловой мощности.

2. В результате решения уравнения газодинамики и турбулентности получены детальные поля скоростей, давлений и температур в каналах распределения воздушных потоков автономного отопителя, в каналах распределения воздушных потоков климатической системы, кабине при различных режимах работы климатической системы и автономного отопителя. Из анализа результатов численных исследований осуществлялась корректировка геометрии воздушных каналов с целью обеспечения выполнения эргономических требований по скорости воздуха в зоне груди и головы водителя и пассажира, а также по площади и равномерности обдува ветрового стекла. Кроме того оценивалась скорость воздушного потока на выходе из дефлекторов каналов, которая ограничивалась 12м/с,  а также минимизировались технико-экономические характеристики системы (суммарные гидравлические потери каналов распределения воздушных потоков на основных режимах работы климатической системы и автономного отопителя).  Мировой уровень полученных результатов обеспечивался сравнением с методиками и результатами представленными ведущими мировыми разработчиками грузовых автомобилей и их систем.

3. По результатам исследования характеристик климатической системы с использованием функциональной модели получен алгоритм управления заслонками каналов распределения воздушных потоков климатической системы,  обеспечивающий выполнение эргономических требований

4. По результатам численных исследований газодинамических и тепловых характеристик климатической установки получен закон управления заслонками, обеспечивающий выполнение эргономических требований.

Практическая значимость исследования
1.Предложено схемное решение, позволяющее автономному жидкостному отопителю подогревать двигатель, и также обеспечивать обогрев кабины, что делает климатическую систему универсальной.
2. По результатам численных исследований и полученных рекомендаций на проектирование каналов климатической системы разработана конструкция прототипа реальной климатической системы.
3.Вентилятор экспериментального стенда по исследованию процессов гидродинамики в каналах распределения воздушных потоков на входе может изменять частоту вращения, что позволяет получать гидравлическую характеристику канала, которую в дальнейшем можно интегрировать в 1D функциональной модели климатической системы для оценки ее эффективности и применимости в условиях работы всей системы.
4.На экспериментальном стенде по исследованию процессов теплообмена и гидрогазодинамики в экспериментальном образце климатической системы грузового автомобиля возможно оперативно определять алгоритм управления заслонками каналов с каналами различной конфигурации при использовании прототипа климатической установки в конструкции другого автомобиля. По статическому давлению на выходе вентилятора определяется сопротивление всей климатической системы, что также позволяет оценивать возможность применения вентилятора другого производителя.