车门关闭过程中的人耳压力舒适性研究,毕业范文论文

发布时间：2015-02-02 17:10

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
目前国内的汽车市场对任何一家汽车公司来说都是很有吸引力的，能否打入中国的汽车市场成为了国内外一些汽车厂家的成败关键。在中国具有巨大汽车市场的情况下，各汽车厂家纷纷推车了自己的各种车型以抢占中国的汽车市场。而想要在国内车市中获得自己的一席之地，能否满足购车者的各种要求变得尤为关键。大部分人在购买车辆时会着重考虑轿车的乘坐舒适性，因此，各汽车厂家生产制造能带给购车者良好的乘坐体验的车型对抢占自己的市场份额是尤为重要的。
目前，国内某企业的部分车型中即存在车门关闭时车内压力增加较大，而使乘员感到不适的情况。乘员乘坐此类轿车关门时会有耳闷的感觉，严重者甚至会感到头晕，为提高乘员的乘坐舒适性，对该现象进行具体研究并提供解决相应的解决策略变得尤为重要。
正常情况下，关闭车门时，车门会在极短的时间内将大量空气卷入驾驶室，由于车身的密封性能，卷入的气体无法及时从车内泄漏到车身外，大量气体在驾驶室内压缩从而导致了驾驶舱内的压力陡增。压力的突然变化会作用于人耳鼓膜处，使鼓膜产生变形从而使乘员感到不适。国外的 Didyk 等人的研究表明，较小数值的气压脉冲就有可能使鼓膜松弛部的形态发生改变，导致人耳产生不适感[1]。当气压变化进一步增大，使鼓膜内外压差超过8kPa时,就有发生中耳气压伤的可能[2]，这将使人产生耳鸣、头痛、头晕等症状。特别地，当气压达到一定强度（>23kpa）并瞬间作用于人耳时，鼓膜将出现破裂，严重时将引起内耳损伤[3,4]。
国内外有关车门关闭的研究大都着重于对振动与噪声对乘客乘坐舒适性的影响进行研究，针对车门关闭时驾驶室内压力及速度分布的研究较少。Fish and Franco-Jorge等人的研究表明声音的响度是影响乘员舒适性的主要参数[5-9]。也有学者认为声音的频率是影响舒适性的主要因素，Petniunas 等对声音的尖锐度进行研究[10]，MalenandScott对频带在 1-3khz 与频带在 20-100hz 的声能量比进行研究[11]。Sellerbeck and Nettelbeck等人还对声音的低频项进行测试[12]。鉴于车门关闭时产生的压力突增会对乘员乘坐舒适性产生影响，且车门关闭时驾驶室内的压缩气体会对车门关闭产生抵抗力[13]，因此，对车门关闭过程中驾驶室的流场进行分析具有重要意义。有关研究初步表明，车门关闭过程中，驾驶室内的压力变化与车门关闭速度及车身气体泄漏量有关。鉴于此，可通过控制车门关闭速度及改善车身气体泄漏量来减小车门关闭时乘员人耳处的压力峰值，从而尽可能避免人耳不适的情况出现。因此，对车门关闭过程中的流场结构进行分析，研究车内压力变化与车门关闭速度、车身气体泄漏量间的关系，可有效的指导工程中降压手段的提出，具有非常重要的研究意义。

1.2 国内外研究现状
目前国内外关于车门关闭过程中驾驶室内压力变化及流场的研究较少。仅有韩国学者 Y L Lee 和 S H Hwang 在 2011 年对其进行了研究[14]。韩国学者首先测试了 43 辆车的气体泄漏量，而后采用动网格对车门关闭的过程进行了仿真，其在仿真中研究了驾驶室内的最大压力与车门关闭角速度及气体泄漏量之间的关系，同时做了部分实验，以通过实验验证仿真的可行性。其研究旨在为车门关闭的最优机制提供参考信息（防止车门关闭时出现过高压力）并验证利用气体泄漏装置减小车门关闭时驾驶舱内压力过大的可行性。
Y L Lee 和 S H Hwang 的研究表明，压力升高与车门关闭角速度间有较大关系，轿车内的压力峰值随着车门关闭速度的增加而增加，二者之间几乎呈线性关系。同时，除车身气体泄漏量较大的情况外，车身气体泄漏量对压力峰值的影响较小。车门关闭时导致的压力突增可通过减小车门关闭角速度及利用可暂时导致大量气体泄漏的装置得到改善。
Y L Lee 和 S H Hwang 的研究中首次表明车门关闭过程中的压力瞬变会对人耳舒适性产生影响，并首次采用动网格技术对车门关闭过程中的流场进行仿真，但其仅在车门旋转区域建立了计算域（图 1.1），仿真过程中车门未完全处于大气环境中，与车门关闭的真实情况有一定差异，同时在 YLLee 和 S H Hwang 的研究过程中，其主要关注的是驾驶室内的最大压力值，并未关注乘员乘坐位置处的具体压力值。
关于压力对人耳舒适性的影响，具体针对车门关闭时乘员人耳处的压力舒适性的评价指标目前暂无。由于压力变化导致人耳不舒适的情况频繁发生于列车通过隧道的情况中[15-18]。压力变化对人耳舒适性的影响在铁路部门得到了较大的重视[19-22]。国内外大部分铁路系统较为发达的国家都对此进行了大量研究，并制定了符合自己国家国情的人体舒适度评价标准[23-31]。

日本于1966年在笠原工厂的气密实验室进行了大量关于压力变动与耳鸣关系的实验，并从中得到了耳感舒适度极限图（图 1.2）。在此基础上，日本提出了自己国家的铁路系统关于压力的人体舒适度评价标准。在该标准中，压力变化的最大幅值不得超过1000Pa,同时压力变化率不得超过 300Pa/s[32]。

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第 2 章 流体数值模拟方法基础

本章主要对本文研究中所用到的相关理论知识进行论述，内容包括计算流体力学知识以及重叠网格的相关理论。其中计算流体力学知识偏重于阐述本文数值计算时用到的控制方程相关理论；重叠网格策略方面主要结合软件（ST/Tetra）论述了本研究所采用的相关技术和方法。

2.1 流体流动的控制方程
任何流动问题都需满足三大守恒方程，即质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程以及能量守恒方程[39]。如流动中包含有不同组分的混合和相互作用时，系统还需遵守组分守恒定律。此外，如流体的流动为湍流，为保证求解时控制方程的封闭，系统需遵守附加的湍流输运方程。求解可压流动时系统还会用到气体状态方程[40]。
各方程的表达式如下所示：
（1）质量守恒方程
不可压流动：

可压流动：

（2）动量守恒方程（i=1~3）
不可压流动

可压流动：

（3）能量守恒方程
不可压流动：

可压流动：

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2.2 雷诺时均化方程
在日常生活中，大部分流体的流动均为湍流流动。湍流流动是由一系列涡组成的，通常在湍流流动中一旦形成一个相对较大的涡，这个涡将会分裂成各种不同尺度的涡并最终由于粘性的影响耗散为热能。涡会影响到流体内部的动量交换和速度分布，在湍流流动中会形成各种各样的涡，要直接对湍流进行模拟，需捕捉到所有的涡，而在二维计算中一个涡至少需要用九个网格单元来描述。这意味想要直接求解湍流需要占用巨大的计算资源并花费大量的计算时间。
在大部分工程运用中，，湍流所引起的平均流场变化是关注的重点，湍流的微型流场结构对解决实际问题没有太大的意义。因此，工程上常采用湍流模型来近似求解湍流流动。湍流模型求解流场时忽略了流场内的小涡，求解时需要的网格数目相对直接求解而言得到了大量的减少。
在进行湍流流动求解时，流场的平均速度、温度等物理量的具体数值是希望通过求解得到的，因此，计算中将瞬态的速度ui，压力 P、温度 T、焓 H、密度 C 分别用平均值(ui ,P, T, H ,C )和脉动值之和(ui′,P′,T′,H′,C′)代替。具体如下所示：

上划线“ ” 表示时间平均值。将上述式子代入到动量守恒方程、能量守恒方程以及组分守恒方程中可分别得到下述方程：

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第 3 章 基于重叠网格的车门关闭瞬态数值模拟...................................17
3.1 几何模型的确定·······································17
3.2 计算域的确定·········································18
3.3 网格方案的确定·····································19
3.4 物理模型的确定·················································21
3.5 边界条件及时间步长的确定····································21
3.6 监测点的确定···········································23
3.7 仿真方法可行性验证·······································24
3.8 本章小结·················································26
第 4 章 车门以不同角速度关闭时的瞬态数值模拟..........................................27
4.1 车门关闭速度的选取··································27
4.2 瞬态仿真结果分析 ······································27
4.2.1 车门以不同角速度关闭时乘员人耳处压力变化规律 ···························27
4.2.2 车门以不同角速度关闭时驾驶室内的气体流动特性 ···························32
4.3 车门关闭角速度对乘员人耳压力舒适性的影响·······································41
4.4 本章小结 ···································43
第 5 章 不同气体泄漏面积下车门关闭的瞬态数值模拟....................................... 45
5.1 仿真中驾驶室气体泄漏面积的确定····································45
5.2 瞬态仿真结果分析 ············································47
5.2.1 气体泄漏面积不同时乘员人耳处压力变化规律 ·································47
5.2.2 气体泄漏面积不同时驾驶室内的气体流动特性 ·································53
5.3 气体泄漏面积面积对乘员人耳压力舒适性的影响····································56
5.4 本章小结 ·······································58

第 6 章 不同泄压孔位置下车门关闭的瞬态数值模拟

本章中通过对前文的仿真结果进行分析，根据分析结果在驾驶室内的不同位置设置泄压孔，以期从中找到合适的降压方法，以使得车门关闭时驾驶室内的压力得到降低。考虑到 2rad/s 为常见的车门关闭速度，因此本章在仿真时采用的车门关闭速度为2rad/s。此外，由于在工程运用中，车身气体泄漏量会影响到车身的密封性能（防尘、防水、防噪功能），因此在保证气体泄漏量不能过大的前提下，寻求不改变轿车密封性能的降压方法变得很有意义，故本章中主要研究驾驶室内气体泄漏量不变时泄压孔位置不同时的降压效果。本章中对气体泄漏面积为 140cm2的情况进行仿真。

6.1 泄压孔位置的确定
对上文的结果进行分析可知，车门关闭速度为 2rad/s 时，无论车身有无气体泄压孔，大部分监测点的压力最大值均出现在车门关闭瞬间及其附件的极短时间内。因此，此处主要根据车门关闭瞬间的流场情况来设置泄压孔的位置。从图 4.5 中可看出，车门以 2rad/s 关闭，车门关闭一瞬间驾驶室内的压力最大值出现在驾驶室右后角，同时，此时的气流分为两部分，一部分气体流向驾驶室前部远离车门一侧的角落，另外一部分流向驾驶室的右后角。根据上述分析结果，本章中提出了 4 种不同方案的泄压孔位置。各方案泄压孔的位置及形状如图 6.1 所示。其中，方案一中，将泄压孔开在驾驶室的右后角，泄压孔的面积为 140cm2；方案二中将泄压孔的位置开在驾驶室前部远离车门一侧的角落里，泄压孔面积为 140cm2；方案三中分别在驾驶室前部角落及右后角开设泄压孔，泄压孔的面积分别为 70cm2，面积之和为 140cm2；方案四中在前文中泄压孔面积为 80cm2的基础上在驾驶室的右后角额外开设面积为 60cm2的泄压孔，总面积为140cm2。文中在驾驶室前后角落的原有的几何外形上开设泄压孔。

6.2 瞬态数值模拟的结果分析
6.2.1 车门关闭过程中监测点处压力的变化情况
表 6.1 描述了上一章研究中车门关闭速度为 2rad/s，气体泄漏量为 140cm2时各监测点处的压力最大值以及本章研究中方案一至方案四各监测点处压力的最大值。从表6.1 中可以看出方案一及方案二起到了一定的降压效果，方案三及方案四没有起到降压效果，反而对各监测点处的压力最大值起到了增加的作用。在方案一及方案二中，方案二起到的降压效果更为明显，其能使各监测点处的压力最大值降低 30Pa 左右，方案一可使各监测点处的压力最大值降低 10Pa 左右，方案二的降压效果是方案一的降压效果的 3 倍左右。方案三使得各监测点处的最大压力值增大了 10Pa 左右，方案四使得监测点的最大压力值增加了 20Pa 左右，方案四的增压效果为方案三的 2 倍左右。具有降压效果的两个方案的共同特点是其只有一个泄压孔，这说明泄压孔的位置越集中越有利于降低压力。
图 6.2 为不同方案中各监测点处压力随时间变化曲线，从图中可看出各方案的压力随时间变化曲线基本完全一致，仅压力峰值大小有所区别。各监测点处的压力均是在车门接近关闭的时刻突然增加，而后快速降低，压力降低至一个较小的负压值，而后再回复到正常数值，这与上文中的研究结果是相吻合的。从图 6.2 中还可看出点 5、点 6、点 7、点 8 的压力变化曲线仍与其余点的压力变化曲线不一致，其压力先于其他点达到最大值，当其他点的压力达到最大值时其压力已降低达到了极小值，当压力达到极小值之后其压力会再次增大而后随其他点的压力一同降低。该变化规律与上文中气体泄漏面积为 140cm2的变化规律一致。这说明不同的气体泄压孔位置对驾驶室内监测点处的压力变化规律影响较小，其主要影响的是各监测点的压力值。
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第 7 章 全文总结与展望

7.1 本文总结
本文中采用重叠网格的方法实现了对车门关闭过程的数值仿真，而后在此基础上研究车门关闭过程中车门关闭速度、气体泄漏量以及泄压孔位置对乘员人耳处压力舒适性的影响，并从中得到车门关闭过程中的驾驶室内气体流动的机理。本文的仿真共分为三个部分：第一部分为对驾驶室无泄压孔，车门分别以 2rad/s、4rad/s、6rad/s、8rad/s及 10rad/s 的速度关闭时的情况进行仿真；第二部分对车门以 2rad/s、4rad/s 关闭，驾驶室内的气体泄漏量分别为 80cm2、100cm2、120cm2、140cm2及 160cm2的情况进行仿真；第三部分为对车门关闭速度为 2rad/s，总气体泄漏量为 140cm2，泄压孔分布位置不同的情况进行仿真，其中泄压孔的位置通过对车门以 2rad/s 的速度关闭（无气体泄压孔）时的流场结构进行分析以得到。本文中通过对上述三个方面进行仿真研究得到了以下结论：
1. 车门以不同角速度关闭时，随着车门关闭速度的增加，乘员人耳处的压力值几乎呈线性增加。车门关闭角速度对驾驶室内的压力变化影响很大，车门关闭角速度每增加 2rad/s 乘员人耳处的压力至少增加 175Pa。对车门以不同角速度关闭时的流场进行分析可发现除车门以 2rad/s 关闭的情况外，车门关闭瞬间驾驶室内的气流均向驾驶室的右后角流动。车门以 2rad/s 关闭时，车门关闭瞬间，驾驶室内的气体分为了两部分，两部分气体分别流向驾驶室的前部远离车门一侧的角落及驾驶室的右后角。
2. 车门关闭角速度一定时，随着驾驶室内气体泄漏量的增加，乘员人耳处的压力值几乎呈线性减小（减小的趋势与车门关闭的角速度无关），但减小的幅度较小。本文研究中气体泄漏量每增加 20cm2乘员人耳处的压力最多能减小 58Pa,该值远小于降低角速度时减小的压力值。本文对车门关闭角速度一定时，气体泄漏面积不同时的流场进行分析后发现，在泄压孔的位置保持不变，仅改变驾驶室的气体泄漏面积时，驾驶室内的气体流动规律基本一致，气体泄漏面积对流场的流动无太大影响。
3. 车门关闭角速度一定，且气体泄漏总面积保持一致时，不同的泄压孔位置对乘员人耳处的压力有一定的影响，设置合适的泄压孔位置可降低乘员人耳处的压力值，但降低的数值较小。本文中通过改变气体泄压孔的位置使乘员人耳处的压力值降低30Pa 左右。文中对泄压孔位置不同时，驾驶室内气体的流动进行分析发现泄压孔的位置对驾驶室内气体的流动有较大的影响，其直接影响到驾驶室内气体的流动方向。
通过上述结论可发现，车门关闭速度对乘员人耳处的压力舒适性影响最大。日常生活中如果乘坐轿车，在关闭车门时耳朵感到不适，可通过轻关车门来使这一现象得到改善；同时，如车门以正常范围内的角速度关闭时，乘员人耳处的压力仍然较大，可通过开发限制车门关闭速度的装置来改善车门关闭时压力过大的现象，以使乘员有较高的乘坐舒适性；此外，可通过合理设置泄压孔位置以及增加泄压孔的气体泄漏面积以达到降压效果，从而减轻乘员乘坐时的不适感。
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参考文献（略）

本文编号：11978