Πακέτο λογισμικού για υπολογιστική αεροδυναμική και υδροδυναμική FlowVisionσχεδιασμένο για εικονική αεροδυναμική εμφύσηση διαφόρων τεχνικών ή φυσικών αντικειμένων. Τα αντικείμενα μπορεί να είναι προϊόντα μεταφοράς, ενεργειακές εγκαταστάσεις, στρατιωτικά-βιομηχανικά προϊόντα και άλλα. FlowVisionσας επιτρέπει να προσομοιώνετε τη ροή σε διαφορετικές ταχύτητες της επερχόμενης ροής και σε διαφορετικούς βαθμούς διαταραχής (βαθμός αναταράξεων).
Η διαδικασία μοντελοποίησης πραγματοποιείται αυστηρά σε μια τρισδιάστατη χωρική διατύπωση του προβλήματος και συμβαίνει με την αρχή «ως έχει», η οποία συνεπάγεται τη δυνατότητα μελέτης ενός πλήρους γεωμετρικού μοντέλου του αντικειμένου του χρήστη χωρίς απλοποιήσεις. Το σύστημα που δημιουργήθηκε για την επεξεργασία εισαγόμενης τρισδιάστατης γεωμετρίας σάς επιτρέπει να εργάζεστε ανώδυνα με μοντέλα οποιουδήποτε βαθμού πολυπλοκότητας, όπου ο χρήστης, στην πραγματικότητα, επιλέγει το επίπεδο λεπτομέρειας του αντικειμένου του - είτε θέλει να δημιουργήσει ένα απλοποιημένο εξομαλυνόμενο μοντέλο εξωτερικού περιγράμματα ή ένα πλήρες μοντέλο με όλα τα δομικά στοιχεία, μέχρι τις κεφαλές των μπουλονιών στις ζάντες των τροχών και το λογότυπο του κατασκευαστή σε μορφή φιγούρας στη μύτη του αυτοκινήτου.
Κατανομή ταχύτητας κοντά σε αμάξωμα αγωνιστικού αυτοκινήτου.
Λαμβάνονται υπόψη όλες οι λεπτομέρειες - οι ακτίνες του τροχού, η επίδραση της ασυμμετρίας των ακτίνων του τιμονιού στο σχέδιο ροής.
FlowVisionδημιουργήθηκε Ρωσική ομάδαπρογραμματιστές (εταιρεία TESIS, Ρωσία) πριν από περισσότερα από 10 χρόνια και βασίζεται στις εξελίξεις της εγχώριας βασικής και μαθηματικής σχολής. Το σύστημα δημιουργήθηκε με την προσδοκία ότι θα συνεργαστούν χρήστες με πολύ διαφορετικά προσόντα - μαθητές, δάσκαλοι, σχεδιαστές και επιστήμονες. Μπορείτε να λύσετε τόσο απλά όσο και σύνθετα προβλήματα εξίσου αποτελεσματικά.
Το προϊόν χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανίες, επιστήμη και εκπαίδευση - αεροπορία, αστροναυτική, ενέργεια, ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, οικολογία, μηχανολογία, μεταποίηση και χημική βιομηχανία, ιατρική, πυρηνική βιομηχανία και αμυντικό τομέα και έχει τη μεγαλύτερη βάση εγκατάστασης στη Ρωσία.
Το 2001 με απόφαση του Κεντρικού Συμβουλίου του Υπ Ρωσική Ομοσπονδία, το FlowVision προτάθηκε για ένταξη στο πρόγραμμα διδασκαλίας της μηχανικής ρευστών και αερίων στα ρωσικά πανεπιστήμια. Επί του παρόντος, το FlowVision χρησιμοποιείται ως αναπόσπαστο μέρος της εκπαιδευτικής διαδικασίας κορυφαίων ρωσικών πανεπιστημίων - MIPT, MPEI, Κρατικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης, Πανεπιστήμιο Vladimir, UNN και άλλα.
Το 2005, το FlowVision δοκιμάστηκε και έλαβε πιστοποιητικό συμμόρφωσης από το Κρατικό Πρότυπο της Ρωσικής Ομοσπονδίας.
Βασικά χαρακτηριστικά
Στον πυρήνα FlowVisionβρίσκεται η αρχή του νόμου της διατήρησης της μάζας - η ποσότητα της ουσίας που εισέρχεται σε έναν γεμάτο κλειστό υπολογισμένο όγκο είναι ίση με την ποσότητα της ουσίας που εξέρχεται από αυτόν (βλ. Εικ. 1).
Ρύζι. 1 Αρχή του νόμου της διατήρησης της μάζας
Η λύση σε ένα τέτοιο πρόβλημα προκύπτει με την εύρεση της μέσης τιμής μιας ποσότητας σε έναν δεδομένο όγκο με βάση τα δεδομένα στα όρια (θεώρημα Ostrogradsky-Gauss).
Ρύζι. 2 Ολοκλήρωση όγκου με βάση οριακές τιμές
Για να ληφθεί μια πιο ακριβής λύση, ο αρχικός υπολογιζόμενος όγκος χωρίζεται σε μικρότερους όγκους.
Ρύζι. 3 Βελτίωση του υπολογιστικού πλέγματος
Η διαδικασία διαίρεσης του αρχικού όγκου σε μικρότερους όγκους ονομάζεται ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ , και ο πίνακας των τόμων που προκύπτουν είναι ΠΛΕΓΜΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ . Κάθε τόμος που οδηγεί στη διαδικασία κατασκευής ενός υπολογιστικού πλέγματος ονομάζεται ΚΕΤΛΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ , σε καθένα από τα οποία διατηρείται και η ισορροπία της εισερχόμενης και εξερχόμενης μάζας. Ο κλειστός όγκος στον οποίο κατασκευάζεται το υπολογιστικό πλέγμα ονομάζεται ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ .
Αρχιτεκτονική
Ιδεολογία FlowVisionείναι χτισμένο με βάση μια κατανεμημένη αρχιτεκτονική, όπου η μονάδα λογισμικού που εκτελεί αριθμητικούς υπολογισμούς μπορεί να βρίσκεται σε οποιονδήποτε υπολογιστή του δικτύου - σε ένα σύμπλεγμα ή φορητό υπολογιστή υψηλής απόδοσης. Η αρχιτεκτονική του πακέτου λογισμικού είναι αρθρωτή, η οποία σας επιτρέπει να εισάγετε ανώδυνα βελτιώσεις και νέες σε αυτό. λειτουργικότητα. Οι κύριες μονάδες είναι το μπλοκ PrePostProcessor και επίλυσης, καθώς και πολλά βοηθητικά μπλοκ που εκτελούν διάφορες λειτουργίες για παρακολούθηση και συντονισμό.
Κατανομή πίεσης σε όλο το αμάξωμα ενός σπορ αυτοκινήτου
Η λειτουργικότητα του Προεπεξεργαστή περιλαμβάνει την εισαγωγή της γεωμετρίας του υπολογιστικού τομέα από συστήματα γεωμετρικής μοντελοποίησης, τον καθορισμό ενός μοντέλου του περιβάλλοντος, τον καθορισμό αρχικών και οριακών συνθηκών, την επεξεργασία ή εισαγωγή του υπολογιστικού πλέγματος και τον καθορισμό κριτηρίων σύγκλισης, μετά την οποία ο έλεγχος μεταφέρεται στον Επίλυση , το οποίο ξεκινά τη διαδικασία κατασκευής του υπολογιστικού πλέγματος και εκτελεί υπολογισμούς σύμφωνα με καθορισμένες παραμέτρους. Κατά τη διαδικασία υπολογισμού, ο χρήστης έχει την ευκαιρία να πραγματοποιήσει οπτική και ποσοτική παρακολούθηση του υπολογισμού χρησιμοποιώντας εργαλεία μεταεπεξεργαστή και να αξιολογήσει τη διαδικασία ανάπτυξης λύσης. Όταν επιτευχθεί η απαιτούμενη τιμή του κριτηρίου σύγκλισης, η διαδικασία υπολογισμού μπορεί να σταματήσει, μετά την οποία το αποτέλεσμα γίνεται πλήρως διαθέσιμο στον χρήστη, ο οποίος, χρησιμοποιώντας τα εργαλεία Postprocessor, μπορεί να επεξεργαστεί τα δεδομένα - να οπτικοποιήσει τα αποτελέσματα και να τα ποσοτικοποιήσει, ακολουθούμενη από αποθήκευση σε εξωτερικές μορφές δεδομένων.
Πλέγμα υπολογισμού
ΣΕ FlowVisionΧρησιμοποιείται ένα ορθογώνιο υπολογιστικό πλέγμα, το οποίο προσαρμόζεται αυτόματα στα όρια του υπολογιστικού τομέα και της λύσης. Η προσέγγιση των καμπυλόγραμμων ορίων με υψηλό βαθμό ακρίβειας εξασφαλίζεται με τη χρήση της μεθόδου ανάλυσης γεωμετρίας υποδικτύου. Αυτή η προσέγγιση σας επιτρέπει να εργάζεστε με γεωμετρικά μοντέλα που αποτελούνται από επιφάνειες οποιουδήποτε βαθμού πολυπλοκότητας.
Αρχικός υπολογιστικός τομέας
Ορθογώνιο πλέγμα που επικαλύπτει μια περιοχή
Κόψιμο του αρχικού πλέγματος με όρια περιοχής
Τελικό υπολογιστικό πλέγμα
Αυτόματη κατασκευή υπολογιστικού πλέγματος λαμβάνοντας υπόψη την καμπυλότητα της επιφάνειας
Εάν είναι απαραίτητο να τελειοποιηθεί η λύση στο όριο ή στην επιθυμητή θέση του υπολογιστικού όγκου, είναι δυνατή η δυναμική προσαρμογή του υπολογιστικού πλέγματος. Η προσαρμογή είναι ο κατακερματισμός των κυττάρων χαμηλότερο επίπεδοσε μικρότερα κύτταρα. Η προσαρμογή μπορεί να γίνει με οριακή συνθήκη, κατά όγκο και ανά διάλυμα. Η προσαρμογή πλέγματος πραγματοποιείται στο καθορισμένο όριο, στο καθορισμένη τοποθεσίαυπολογιστικό τομέα ή ανά λύση λαμβάνοντας υπόψη τις αλλαγές στη μεταβλητή και την κλίση. Η προσαρμογή πραγματοποιείται τόσο προς την κατεύθυνση της βελτίωσης του πλέγματος όσο και προς την κατεύθυνση αντιθετη πλευρα– συγχώνευση μικρών κυψελών σε μεγαλύτερα, μέχρι το πλέγμα εισαγωγικού επιπέδου.
Τεχνολογία υπολογιστικής προσαρμογής πλέγματος
Κινητά σώματα
Η τεχνολογία κινούμενου σώματος σάς επιτρέπει να τοποθετήσετε ένα σώμα αυθαίρετου γεωμετρικού σχήματος μέσα στον υπολογιστικό τομέα και να του δώσετε μεταφορική ή/και περιστροφική κίνηση. Ο νόμος της κίνησης μπορεί να είναι σταθερός ή μεταβλητός σε χρόνο και χώρο. Η κίνηση του σώματος προσδιορίζεται με τρεις κύριους τρόπους:
Ρητά προσδιορίζοντας την ταχύτητα του σώματος.
- μέσω του προσδιορισμού της δύναμης που ασκεί το σώμα και της μετατόπισής του από το σημείο εκκίνησης
Μέσω επιρροής από το περιβάλλον στο οποίο τοποθετείται το σώμα.
Και οι τρεις μέθοδοι μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους.
Ρίχνοντας πύραυλο σε ασταθή ροή υπό την επίδραση της βαρύτητας
Αναπαραγωγή του πειράματος Mach: κίνηση της μπάλας με ταχύτητα 800 m/s
Παράλληλος Υπολογισμός
Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του πακέτου λογισμικού FlowVisionτεχνολογίες παράλληλων υπολογιστών, όταν πολλοί επεξεργαστές ή πυρήνες επεξεργαστών χρησιμοποιούνται για την επίλυση ενός προβλήματος, γεγονός που καθιστά δυνατή την επιτάχυνση των υπολογισμών ανάλογα με τον αριθμό τους.
Επιτάχυνση του υπολογισμού του προβλήματος, ανάλογα με τον αριθμό των εμπλεκόμενων πυρήνων
Η διαδικασία εκκίνησης σε παράλληλη λειτουργία είναι πλήρως αυτοματοποιημένη. Ο χρήστης χρειάζεται μόνο να υποδείξει τον αριθμό των πυρήνων ή των επεξεργαστών στους οποίους θα εκτελεστεί η εργασία. Ο αλγόριθμος θα πραγματοποιήσει όλες τις περαιτέρω ενέργειες για να χωρίσει τον υπολογιστικό τομέα σε μέρη και να ανταλλάξει δεδομένα μεταξύ τους ανεξάρτητα, επιλέγοντας τις καλύτερες παραμέτρους.
Αποσύνθεση κυψελών κοντά στην επιφάνεια σε 16 επεξεργαστές για προβλήματα δύο αυτοκινήτων
Ομάδα FlowVisionδιατηρεί στενούς δεσμούς με εκπροσώπους της εγχώριας και ξένης κοινότητας HPC (High Performance Computing) και συμμετέχει σε κοινά έργα με στόχο την επίτευξη νέων ευκαιριών στον τομέα της αύξησης της απόδοσης στον παράλληλο υπολογισμό.
Το 2007, η FlowVision, μαζί με το Κέντρο Υπολογιστικών Ερευνών του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας, συμμετείχαν στο ομοσπονδιακό πρόγραμμα για τη δημιουργία ενός εθνικού συστήματος παράλληλων υπολογιστών teraflop. Ως μέρος του προγράμματος, η ομάδα ανάπτυξης προσαρμόζει το FlowVision για να εκτελεί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας στο μέγιστο μοντέρνα τεχνολογία. Το σύμπλεγμα SKIF-Chebyshev που εγκαταστάθηκε στο Κέντρο Υπολογιστικών Ερευνών του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας χρησιμοποιείται ως πλατφόρμα υλικού δοκιμής.
Το σύμπλεγμα SKIF-Chebyshev εγκαταστάθηκε στο Ερευνητικό Υπολογιστικό Κέντρο του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας
Σε στενή συνεργασία με ειδικούς από το Κέντρο Υπολογιστικών Ερευνών του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας (υπό την ηγεσία του αντίστοιχου μέλους της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών Vl.V. Voevodin), η βελτιστοποίηση του συγκροτήματος SKIF-hardware διεξήχθη FlowVisionγια τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των παράλληλων υπολογιστών. Τον Ιούνιο του 2008, πραγματοποιήθηκαν οι πρώτοι πρακτικοί υπολογισμοί σε 256 υπολογιστικούς κόμβους σε παράλληλη λειτουργία.
Το 2009, η ομάδα FlowVision, μαζί με το Κέντρο Έρευνας Υπολογιστών του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας, την εταιρεία Sigma Technology και το κρατικό επιστημονικό κέντρο TsAGI, συμμετείχαν στο ομοσπονδιακό πρόγραμμα-στόχο για τη δημιουργία αλγορίθμων για την επίλυση προβλημάτων παράλληλης βελτιστοποίησης σε προβλήματα αεροσκαφών. - και υδροδυναμική.
κείμενο, εικονογραφήσεις: εταιρεία TESIS
Από τότε που ο πρώτος άνθρωπος προσάρτησε μια ακονισμένη πέτρα στην άκρη του δόρατος του, οι άνθρωποι πάντα προσπαθούσαν να βρουν καλύτερο σχήμααντικείμενα που κινούνται στον αέρα. Αλλά το αυτοκίνητο αποδείχθηκε ότι ήταν ένα πολύ περίπλοκο αεροδυναμικό παζλ.
Οι βασικές αρχές των υπολογισμών έλξης για την κίνηση των αυτοκινήτων στους δρόμους μας προσφέρουν τέσσερις κύριες δυνάμεις που δρουν σε ένα αυτοκίνητο κατά την οδήγηση: αντίσταση αέρα, αντίσταση κύλισης, αντίσταση ανύψωσης και δυνάμεις αδράνειας. Σημειώνεται ότι μόνο τα δύο πρώτα είναι βασικά. Δύναμη αντίστασης κύλισης τροχός αυτοκινήτουεξαρτάται κυρίως από την παραμόρφωση του ελαστικού και του δρόμου στην περιοχή επαφής. Αλλά ήδη σε ταχύτητα 50-60 km/h η δύναμη της αντίστασης του αέρα υπερβαίνει οποιαδήποτε άλλη και σε ταχύτητες πάνω από 70-100 km/h ξεπερνά όλες μαζί. Για να αποδειχθεί αυτή η δήλωση, είναι απαραίτητο να δοθεί ο ακόλουθος κατά προσέγγιση τύπος: Px=Cx*F*v2, όπου: Px – δύναμη αντίστασης αέρα; v – ταχύτητα οχήματος (m/sec); F - περιοχή προβολής του αυτοκινήτου σε επίπεδο κάθετο στον διαμήκη άξονα του αυτοκινήτου ή το εμβαδόν της μεγαλύτερης διατομής του αυτοκινήτου, δηλαδή μετωπική περιοχή (m2). Cx – συντελεστής αντίστασης αέρα (συντελεστής εξορθολογισμού). Σημείωση. Η ταχύτητα στον τύπο είναι τετράγωνο, και αυτό σημαίνει ότι όταν αυξάνεται, για παράδειγμα, κατά δύο φορές, η δύναμη της αντίστασης του αέρα αυξάνεται τέσσερις φορές.
Ταυτόχρονα, η δύναμη που απαιτείται για να το ξεπεράσεις οκταπλασιάζεται! Στους αγώνες Nascar, όπου οι ταχύτητες υπερβαίνουν τα 300 km/h, έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι για να αυξηθεί η μέγιστη ταχύτητα κατά μόλις 8 km/h, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ισχύς του κινητήρα κατά 62 kW (83 hp) ή να μειωθεί η Cx κατά 15 % . Υπάρχει ένας άλλος τρόπος - να μειωθεί η μετωπική περιοχή του αυτοκινήτου. Πολλά γρήγορα supercars είναι σημαντικά χαμηλότερα κανονικά αυτοκίνητα. Αυτό είναι ακριβώς ένα σημάδι εργασίας για τη μείωση της μετωπιαίας περιοχής. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί μέχρι ορισμένα όρια, διαφορετικά ένα τέτοιο αυτοκίνητο θα είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί. Για αυτόν και άλλους λόγους, ο εξορθολογισμός είναι ένα από τα κύρια ζητήματα που προκύπτουν κατά το σχεδιασμό ενός αυτοκινήτου. Φυσικά, η δύναμη αντίστασης επηρεάζεται όχι μόνο από την ταχύτητα του αυτοκινήτου και τις γεωμετρικές του παραμέτρους. Για παράδειγμα, όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ροής αέρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση. Με τη σειρά του, η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία και το υψόμετρο πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η πυκνότητα του αέρα (και επομένως το ιξώδες του) αυξάνεται, και ψηλά στα βουνά ο αέρας είναι πιο σπάνιος και η πυκνότητά του είναι χαμηλότερη, κ.ο.κ. Υπάρχουν πάρα πολλές τέτοιες αποχρώσεις.
Ας επιστρέψουμε όμως στο σχήμα του αυτοκινήτου. Ποιο αντικείμενο έχει τον καλύτερο εξορθολογισμό; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι γνωστή σε σχεδόν κάθε μαθητή (που δεν κοιμόταν κατά τη διάρκεια των μαθημάτων φυσικής). Μια σταγόνα νερού που πέφτει παίρνει το πιο κατάλληλο σχήμα από αεροδυναμική άποψη. Δηλαδή, μια στρογγυλεμένη μπροστινή επιφάνεια και ένα ομαλά κωνικό μακρύ πίσω μέρος (η καλύτερη αναλογία είναι το μήκος είναι 6 φορές το πλάτος). Ο συντελεστής αντίστασης είναι μια πειραματική τιμή. Αριθμητικά, είναι ίση με τη δύναμη αντίστασης του αέρα σε newton που δημιουργείται όταν κινείται με ταχύτητα 1 m/s ανά 1 m2 μετωπικής επιφάνειας. Η μονάδα αναφοράς θεωρείται ότι είναι Cx μιας επίπεδης πλάκας = 1. Άρα, μια σταγόνα νερού έχει Cx = 0,04. Τώρα φανταστείτε ένα αυτοκίνητο αυτού του σχήματος. Ανοησίες, έτσι δεν είναι; Όχι μόνο μια τέτοια κατασκευή στους τροχούς θα φαίνεται κάπως καρτουνίστικη, αλλά δεν θα είναι πολύ βολικό να χρησιμοποιήσετε αυτό το αυτοκίνητο για τον προορισμό του. Ως εκ τούτου, οι σχεδιαστές αναγκάζονται να αναζητήσουν έναν συμβιβασμό μεταξύ της αεροδυναμικής του αυτοκινήτου και της ευκολίας χρήσης. Συνεχείς προσπάθειες μείωσης του συντελεστή αντίσταση αέραοδήγησε στο γεγονός ότι ορισμένα σύγχρονα αυτοκίνητα έχουν Cx = 0,28-0,25. Λοιπόν, τα αυτοκίνητα ρεκόρ υψηλής ταχύτητας μπορούν να καυχηθούν Cx = 0,2-0,15.
Δυνάμεις αντίστασης
Τώρα πρέπει να μιλήσουμε λίγο για τις ιδιότητες του αέρα. Όπως γνωρίζετε, οποιοδήποτε αέριο αποτελείται από μόρια. Βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Προκύπτουν οι λεγόμενες δυνάμεις van der Waals - δυνάμεις αμοιβαίας έλξης μορίων που τα εμποδίζουν να κινηθούν μεταξύ τους. Κάποια από αυτά αρχίζουν να κολλάνε πιο έντονα στα άλλα. Και με την αύξηση της χαοτικής κίνησης των μορίων, η αποτελεσματικότητα της δράσης ενός στρώματος αέρα σε ένα άλλο αυξάνεται και το ιξώδες αυξάνεται. Και αυτό συμβαίνει λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας του αέρα, και αυτό μπορεί να προκληθεί είτε από την άμεση θέρμανση από τον ήλιο, είτε έμμεσα από την τριβή του αέρα σε οποιαδήποτε επιφάνεια ή απλά μεταξύ των στρωμάτων του. Εδώ παίζει ρόλο η ταχύτητα κίνησης. Για να καταλάβετε πώς αυτό επηρεάζει το αυτοκίνητο, απλώς προσπαθήστε να κουνήσετε το χέρι σας με μια ανοιχτή παλάμη. Εάν το κάνετε αργά, δεν συμβαίνει τίποτα, αλλά αν κουνήσετε το χέρι σας πιο δυνατά, η παλάμη σας θα αντιληφθεί σαφώς κάποια αντίσταση. Αλλά αυτό είναι μόνο ένα συστατικό.
Όταν ο αέρας κινείται πάνω από κάποια ακίνητη επιφάνεια (για παράδειγμα, ένα αμάξωμα αυτοκινήτου), οι ίδιες δυνάμεις van der Waals συμβάλλουν στο γεγονός ότι το πλησιέστερο στρώμα μορίων αρχίζει να κολλάει σε αυτό. Και αυτό το «κολλώδες» στρώμα επιβραδύνει το επόμενο. Και έτσι στρώμα προς στρώμα, και όσο πιο γρήγορα κινούνται τα μόρια του αέρα, τόσο πιο μακριά βρίσκονται από τη στατική επιφάνεια. Τελικά η ταχύτητά τους εξισώνει την ταχύτητα της κύριας ροής αέρα. Το στρώμα στο οποίο τα σωματίδια κινούνται αργά ονομάζεται οριακό στρώμα και εμφανίζεται σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Όσο υψηλότερη είναι η επιφανειακή ενεργειακή αξία του υλικού επίστρωσης ενός αυτοκινήτου, τόσο ισχυρότερη αλληλεπιδρά η επιφάνειά του σε μοριακό επίπεδο με τον περιβάλλοντα αέρα και τόσο περισσότερη ενέργεια πρέπει να δαπανηθεί για να καταστραφούν αυτές οι δυνάμεις. Τώρα, με βάση τους θεωρητικούς υπολογισμούς που περιγράφηκαν παραπάνω, μπορούμε να πούμε ότι η αντίσταση του αέρα δεν είναι μόνο το χτύπημα του ανέμου Ανεμοθώρακας. Αυτή η διαδικασία έχει περισσότερα στοιχεία.
Αντίσταση σχήματος
Αυτό είναι το πιο σημαντικό μέρος - έως και το 60% όλων των αεροδυναμικών απωλειών. Αυτό ονομάζεται συχνά αντίσταση πίεσης ή οπισθέλκουσα. Όταν κινείται, το αυτοκίνητο συμπιέζει τη ροή του αέρα που ρέει προς αυτό και υπερνικά τη δύναμη να σπρώξει τα μόρια του αέρα μακριά. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται μια ζώνη υψηλή πίεση του αίματος. Στη συνέχεια, ο αέρας ρέει πάνω από την επιφάνεια του αυτοκινήτου. Κατά τη διαδικασία, τα ρεύματα αέρα διαταράσσονται με το σχηματισμό αναταράξεων. Η τελική διάσπαση της ροής αέρα στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου δημιουργεί μια ζώνη χαμηλής πίεσης. Η αντίσταση στο μπροστινό μέρος και το φαινόμενο αναρρόφησης στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου δημιουργούν μια πολύ σοβαρή αντίδραση. Το γεγονός αυτό υποχρεώνει τους σχεδιαστές και τους κατασκευαστές να αναζητήσουν τρόπους να διαμορφώσουν το σώμα. Τοποθετήστε στα ράφια.
Τώρα πρέπει να εξετάσετε το σχήμα του αυτοκινήτου, όπως λένε, "από προφυλακτήρα σε προφυλακτήρα". Ποια μέρη και στοιχεία έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στη συνολική αεροδυναμική του αυτοκινήτου. Μπροστινό μέρος του σώματος. Πειράματα στο αεροδυναμικό τούνελ έδειξαν ότι για καλύτερη αεροδυναμική το μπροστινό μέρος του αμαξώματος θα πρέπει να είναι χαμηλό, φαρδύ και να μην έχει έντονες γωνίες. Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπάρχει διαχωρισμός της ροής του αέρα, κάτι που έχει πολύ ευεργετική επίδραση στον εξορθολογισμό του αυτοκινήτου. Η μάσκα ψυγείου συχνά δεν είναι μόνο λειτουργικό, αλλά και διακοσμητικό. Εξάλλου, το ψυγείο και ο κινητήρας πρέπει να έχουν αποτελεσματική ροή αέρα, επομένως αυτό το στοιχείο είναι πολύ σημαντικό. Ορισμένες αυτοκινητοβιομηχανίες μελετούν την εργονομία και την κατανομή της ροής αέρα στο χώρο του κινητήρα τόσο σοβαρά όσο και τη συνολική αεροδυναμική του αυτοκινήτου. Η κλίση του παρμπρίζ είναι ένα πολύ σαφές παράδειγμα συμβιβασμού μεταξύ εξορθολογισμού, εργονομίας και απόδοσης. Η ανεπαρκής κλίση δημιουργεί υπερβολική αντίσταση και η υπερβολική κλίση αυξάνει τη σκόνη και το βάρος του ίδιου του γυαλιού, η ορατότητα πέφτει απότομα το σούρουπο, είναι απαραίτητο να αυξηθεί το μέγεθος του υαλοκαθαριστήρα κ.λπ. Η μετάβαση από το τζάμι στο πλευρικό τοίχωμα πρέπει να είναι ομαλή .
Αλλά δεν πρέπει να παρασυρθείτε με την υπερβολική καμπυλότητα του γυαλιού - αυτό μπορεί να αυξήσει την παραμόρφωση και να βλάψει την ορατότητα. Η επίδραση της κολόνας του παρμπρίζ στην αεροδυναμική αντίσταση εξαρτάται πολύ από τη θέση και το σχήμα του παρμπρίζ, καθώς και από το σχήμα του μπροστινού άκρου. Αλλά, ενώ εργαζόμαστε στο σχήμα της κολόνας, δεν πρέπει να ξεχνάμε την προστασία των μπροστινών πλαϊνών παραθύρων από το νερό της βροχής και τη βρωμιά που εκτοξεύεται από το παρμπρίζ, τη διατήρηση ενός αποδεκτού επιπέδου εξωτερικού αεροδυναμικού θορύβου κ.λπ. Οροφή. Η αύξηση της κλίσης της οροφής μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του συντελεστή οπισθέλκουσας. Αλλά μια σημαντική αύξηση της διόγκωσης μπορεί να έρχεται σε αντίθεση με τη συνολική σχεδίαση του αυτοκινήτου. Επιπλέον, εάν μια αύξηση της κυρτότητας συνοδεύεται από ταυτόχρονη αύξηση της περιοχής οπισθέλκουσας, τότε η δύναμη της αντίστασης του αέρα αυξάνεται. Από την άλλη πλευρά, εάν προσπαθήσετε να διατηρήσετε το αρχικό ύψος, τότε το παρμπρίζ και τα πίσω παράθυρα θα πρέπει να είναι ενσωματωμένα στις οροφές, καθώς η ορατότητα δεν πρέπει να επηρεάζεται. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του κόστους του γυαλιού, αλλά η μείωση της αντίστασης του αέρα σε αυτή την περίπτωση δεν είναι τόσο σημαντική.
Πλαϊνές επιφάνειες. Από την άποψη της αεροδυναμικής του οχήματος, οι πλευρικές επιφάνειες έχουν μικρή επίδραση στη δημιουργία στροφορμής. Αλλά δεν μπορείτε να τα στρογγυλοποιήσετε πάρα πολύ. Διαφορετικά θα είναι δύσκολο να μπεις σε ένα τέτοιο αυτοκίνητο. Το γυαλί θα πρέπει, εάν είναι δυνατόν, να είναι ενσωματωμένο στην πλαϊνή επιφάνεια και να βρίσκεται σε ευθυγράμμιση με το εξωτερικό περίγραμμα του αυτοκινήτου. Οποιαδήποτε βήματα και άλτες δημιουργούν πρόσθετα εμπόδια για τη διέλευση του αέρα, προκαλώντας ανεπιθύμητες αναταράξεις. Μπορεί να παρατηρήσετε ότι οι υδρορροές, που υπήρχαν προηγουμένως σχεδόν σε κάθε αυτοκίνητο, δεν χρησιμοποιούνται πλέον. Έχουν εμφανιστεί και άλλες σχεδιαστικές λύσεις που δεν έχουν τόσο μεγάλο αντίκτυπο στην αεροδυναμική του αυτοκινήτου.
Το πίσω μέρος του αυτοκινήτου έχει, ίσως, μεγαλύτερη επιρροήστον συντελεστή εξορθολογισμού. Αυτό εξηγείται απλά. Στο πίσω μέρος, η ροή του αέρα διακόπτεται και δημιουργεί αναταράξεις. Είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει το πίσω μέρος ενός αυτοκινήτου τόσο βελτιωμένο όσο ένα αερόπλοιο (το μήκος είναι 6 φορές το πλάτος). Επομένως, εργάζονται πιο προσεκτικά στο σχήμα του. Μία από τις κύριες παραμέτρους είναι η γωνία του πίσω μέρους του αυτοκινήτου. Το παράδειγμα έχει ήδη γίνει σχολικό βιβλίο Ρωσικό αυτοκίνητο«Moskvich-2141», όπου ήταν η ανεπιτυχής λύση του πίσω μέρους που επιδείνωσε σημαντικά τη συνολική αεροδυναμική του αυτοκινήτου. Αλλά με άλλο τρόπο, πίσω παράθυροΟ «Μοσχοβίτης» παρέμενε πάντα καθαρός. Και πάλι συμβιβασμός. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο γίνονται τόσα πολλά πρόσθετα εξαρτήματα ειδικά στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου: φτερά, αεροτομές κ.λπ. Μαζί με τη γωνία του πίσω μέρους, ο αεροδυναμικός συντελεστής οπισθέλκουσας επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σχεδίαση και το σχήμα του πλευρικού άκρου του πίσω μέρους του αυτοκινήτου. Για παράδειγμα, αν κοιτάξετε σχεδόν οποιοδήποτε σύγχρονο αυτοκίνητο από ψηλά, μπορείτε να δείτε αμέσως ότι το αμάξωμα μπροστά είναι φαρδύτερο από το πίσω μέρος. Αυτό είναι και αεροδυναμική. Κάτω μέρος του αυτοκινήτου.
Όπως φαίνεται στην αρχή, αυτό το μέρος του αμαξώματος δεν μπορεί να επηρεάσει την αεροδυναμική. Αλλά εδώ υπάρχει μια τέτοια πτυχή όπως η κάτω δύναμη. Η σταθερότητα του αυτοκινήτου εξαρτάται από αυτό και το πόσο καλά είναι οργανωμένη η ροή αέρα κάτω από το κάτω μέρος του αυτοκινήτου καθορίζει τελικά τη δύναμη της «κόλλησής» του στο δρόμο. Δηλαδή, εάν ο αέρας κάτω από το αυτοκίνητο δεν καθυστερεί, αλλά ρέει γρήγορα, τότε η μειωμένη πίεση που προκύπτει εκεί θα πιέσει το αυτοκίνητο στο οδόστρωμα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα συνηθισμένα αυτοκίνητα. Το γεγονός είναι ότι τα αγωνιστικά αυτοκίνητα που ανταγωνίζονται σε επίπεδες επιφάνειες υψηλής ποιότητας μπορούν να έχουν τόσο χαμηλή απόσταση από το έδαφος που αρχίζει να εμφανίζεται το φαινόμενο «μαξιλαράκι εδάφους», στο οποίο η κάθετη δύναμη αυξάνεται και η αντίσταση μειώνεται. Για κανονικά αυτοκίνηταΗ χαμηλή απόσταση από το έδαφος είναι απαράδεκτη. Ως εκ τούτου, οι σχεδιαστές προσπάθησαν πρόσφατα να εξομαλύνουν το κάτω μέρος του αυτοκινήτου όσο το δυνατόν περισσότερο και να καλύψουν τέτοια ανώμαλα στοιχεία με ασπίδες όπως σωλήνες εξάτμισης, βραχίονες ανάρτησης κλπ. Παρεμπιπτόντως, καμάρες τροχώνέχουν πολύ μεγάλο αντίκτυπο στην αεροδυναμική του αυτοκινήτου. Οι εσφαλμένα σχεδιασμένες εσοχές μπορούν να δημιουργήσουν επιπλέον ανύψωση.
Και πάλι ο άνεμος
Δεν χρειάζεται να πούμε ότι η απαιτούμενη ισχύς κινητήρα, άρα και η κατανάλωση καυσίμου (δηλαδή, το πορτοφόλι), εξαρτάται από την αεροδυναμική του αυτοκινήτου. Ωστόσο, η αεροδυναμική δεν επηρεάζει απλώς την ταχύτητα και την απόδοση. Εξίσου σημαντικά είναι τα καθήκοντα της διασφάλισης του καλού κατευθυντική σταθερότητα, χειρισμός οχήματος και μείωση θορύβου κατά την οδήγηση. Με τον θόρυβο, όλα είναι ξεκάθαρα: όσο καλύτερος είναι ο εξορθολογισμός του αυτοκινήτου, η ποιότητα των επιφανειών, όσο μικρότερα είναι τα κενά και ο αριθμός των στοιχείων που προεξέχουν κ.λπ., τόσο λιγότερος θόρυβος. Οι σχεδιαστές πρέπει επίσης να σκεφτούν μια πτυχή όπως η στιγμή που εκτυλίσσεται. Αυτό το αποτέλεσμα είναι γνωστό στους περισσότερους οδηγούς. Ποιος έχει περάσει ποτέ υψηλή ταχύτηταπέρα από το «φορτηγό» ή απλώς οδήγησε με δυνατό πλευρικό άνεμο, θα έπρεπε να είχε νιώσει την εμφάνιση μιας κύλισης ή ακόμα και μιας ελαφριάς στροφής του αυτοκινήτου. Δεν υπάρχει λόγος να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο, αλλά είναι ακριβώς ένα πρόβλημα αεροδυναμικής.
Αυτός είναι ο λόγος που ο συντελεστής Cx δεν είναι ο μόνος. Σε τελική ανάλυση, ο αέρας μπορεί να επηρεάσει ένα αυτοκίνητο όχι μόνο "μπροστά", αλλά και σε διαφορετικές γωνίες και σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Και όλα αυτά έχουν αντίκτυπο στον έλεγχο και την ασφάλεια. Αυτές είναι μόνο μερικές από τις κύριες πτυχές που επηρεάζουν τη συνολική δύναμη της αντίστασης του αέρα. Είναι αδύνατο να υπολογιστούν όλες οι παράμετροι. Οι υπάρχοντες τύποι δεν δίνουν την πλήρη εικόνα. Ως εκ τούτου, οι σχεδιαστές μελετούν την αεροδυναμική του αυτοκινήτου και προσαρμόζουν το σχήμα του χρησιμοποιώντας τέτοια ακριβά εργαλεία όπως αεροδυναμικός σωλήνας. Οι δυτικές εταιρείες δεν φείδονται εξόδων για την κατασκευή τους. Το κόστος τέτοιων ερευνητικών κέντρων μπορεί να ανέλθει σε εκατομμύρια δολάρια. Για παράδειγμα: η ανησυχία Daimler-Chrysler επένδυσε 37,5 εκατομμύρια δολάρια στη δημιουργία ενός εξειδικευμένου συγκροτήματος για τη βελτίωση της αεροδυναμικής των αυτοκινήτων της. Επί του παρόντος, η αεροδυναμική σήραγγα είναι το πιο σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη των δυνάμεων αντίστασης του αέρα που επηρεάζουν ένα αυτοκίνητο.
Οι ισχύοντες κανονισμοί επιτρέπουν στις ομάδες να δοκιμάζουν μοντέλα αυτοκινήτων που δεν υπερβαίνουν το 60% της κλίμακας στην αεροδυναμική σήραγγα. Σε συνέντευξή του στο F1Racing, ο πρώην τεχνικός διευθυντής της ομάδας της Renault Pat Symonds μίλησε για τα χαρακτηριστικά αυτής της δουλειάς...
Pat Symonds: «Σήμερα όλες οι ομάδες δουλεύουν με μοντέλα σε κλίμακα 50% ή 60%, αλλά αυτό δεν συνέβαινε πάντα. Οι πρώτες αεροδυναμικές δοκιμές στη δεκαετία του '80 πραγματοποιήθηκαν με μοντέλα 25% του πραγματικού μεγέθους - η ισχύς των αεροδυναμικών σηράγγων στο Πανεπιστήμιο του Southampton και στο Imperial College του Λονδίνου δεν επέτρεπε περισσότερα - μόνο εκεί ήταν δυνατή η εγκατάσταση των μοντέλων σε κινητή βάση. Στη συνέχεια εμφανίστηκαν αεροδυναμικές σήραγγες, στις οποίες ήταν δυνατή η εργασία με μοντέλα σε 33% και 50%, και τώρα, λόγω της ανάγκης περιορισμού του κόστους, οι ομάδες συμφώνησαν να δοκιμάσουν μοντέλα που δεν υπερβαίνει το 60% με ταχύτητα ροής αέρα όχι περισσότερο από 50 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Κατά την επιλογή της κλίμακας του μοντέλου, οι ομάδες βασίζονται στις δυνατότητες της υπάρχουσας αεροδυναμικής σήραγγας. Για να ληφθούν ακριβή αποτελέσματα, οι διαστάσεις του μοντέλου δεν πρέπει να υπερβαίνουν το 5% της επιφάνειας εργασίας του σωλήνα. Τα μοντέλα μικρότερης κλίμακας κοστίζουν λιγότερο στην παραγωγή, αλλά όσο μικρότερο είναι το μοντέλο, τόσο πιο δύσκολο είναι να διατηρηθεί η απαιτούμενη ακρίβεια. Όπως συμβαίνει με πολλά άλλα ζητήματα στην εξέλιξη των μονοθεσίων της Formula 1, εδώ πρέπει να αναζητήσετε τον βέλτιστο συμβιβασμό.
Στο παρελθόν, τα μοντέλα κατασκευάζονταν από το ξύλο του δέντρου Dier χαμηλής πυκνότητας που αναπτύσσεται στη Μαλαισία, τώρα χρησιμοποιείται εξοπλισμός για στερεολιθογραφία λέιζερ - μια υπέρυθρη δέσμη λέιζερ πολυμερίζει το σύνθετο υλικό, με αποτέλεσμα ένα τμήμα με τα καθορισμένα χαρακτηριστικά. Αυτή η μέθοδος σάς επιτρέπει να δοκιμάσετε την αποτελεσματικότητα μιας νέας ιδέας μηχανικής σε μια αεροδυναμική σήραγγα μέσα σε λίγες μόνο ώρες.
Όσο πιο ακριβής είναι κατασκευασμένο το μοντέλο, τόσο πιο αξιόπιστες είναι οι πληροφορίες που λαμβάνονται κατά την εκκαθάρισή του. Κάθε μικρή λεπτομέρεια είναι σημαντική εδώ ακόμα και μέσα από τους σωλήνες εξάτμισης, η ροή των αερίων πρέπει να περνά με την ίδια ταχύτητα όπως σε ένα πραγματικό αυτοκίνητο. Οι ομάδες προσπαθούν να επιτύχουν τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια στη μοντελοποίηση με τον διαθέσιμο εξοπλισμό.
Για πολλά χρόνια, αντί για ελαστικά χρησιμοποιήθηκαν αντίγραφα κλίμακας από νάιλον ή ανθρακονήματα, όταν η Michelin παρήγαγε ακριβή αντίγραφα των αγωνιστικών ελαστικών της. Το μοντέλο του μηχανήματος είναι εξοπλισμένο με πολλούς αισθητήρες για τη μέτρηση της πίεσης του αέρα και ένα σύστημα που σας επιτρέπει να αλλάξετε την ισορροπία.
Τα μοντέλα, συμπεριλαμβανομένου του εξοπλισμού μέτρησης που είναι εγκατεστημένο σε αυτά, είναι ελαφρώς κατώτερα σε κόστος από τα πραγματικά αυτοκίνητα - για παράδειγμα, κοστίζουν περισσότερο από τα πραγματικά αυτοκίνητα GP2. Αυτή είναι στην πραγματικότητα μια εξαιρετικά πολύπλοκη λύση. Ένα βασικό πλαίσιο με αισθητήρες κοστίζει περίπου 800.000 δολάρια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αρκετά χρόνια, αλλά οι ομάδες έχουν συνήθως δύο σετ για να συνεχίσουν τη δουλειά τους.
Κάθε αναθεώρηση στοιχεία του σώματοςή ανάρτηση οδηγεί στην ανάγκη κατασκευής μιας νέας έκδοσης του κιτ αμαξώματος, η οποία κοστίζει άλλο ένα τέταρτο του εκατομμυρίου. Παράλληλα, η ίδια η λειτουργία της αεροδυναμικής σήραγγας κοστίζει περίπου χίλια δολάρια την ώρα και απαιτεί την παρουσία 90 εργαζομένων. Σοβαρές ομάδες ξοδεύουν περίπου 18 εκατομμύρια δολάρια ανά σεζόν σε αυτήν την έρευνα.
Το κόστος αξίζει τον κόπο. Μια αύξηση 1% στην κάθετη δύναμη σάς επιτρέπει να κερδίσετε ένα δέκατο του δευτερολέπτου σε μια πραγματική πίστα. Σε συνθήκες σταθερών κανονισμών, οι μηχανικοί κερδίζουν περίπου τόσα χρήματα το μήνα, έτσι ώστε μόνο στο τμήμα μοντέλων, κάθε δέκατο κοστίζει στην ομάδα ενάμισι εκατομμύριο δολάρια».
Ούτε ένα αυτοκίνητο δεν θα περάσει από τοίχο από τούβλα, αλλά κάθε μέρα περνά μέσα από τοίχους από αέρα, ο οποίος έχει επίσης μια πυκνότητα.
Κανείς δεν αντιλαμβάνεται τον αέρα ή τον άνεμο ως τοίχο. Σε χαμηλές ταχύτητες, σε ήρεμο καιρό, είναι δύσκολο να παρατηρήσετε πώς αλληλεπιδρά η ροή του αέρα με το όχημα. Αλλά σε μεγάλη ταχύτητα, με δυνατός άνεμος, η αντίσταση του αέρα (η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο που κινείται μέσω του αέρα - ορίζεται επίσης ως οπισθέλκουσα) επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τον τρόπο με τον οποίο ένα αυτοκίνητο επιταχύνει, πώς χειρίζεται και πώς χρησιμοποιεί το καύσιμο.
Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η επιστήμη της αεροδυναμικής, η οποία μελετά τις δυνάμεις που δημιουργούνται από την κίνηση των αντικειμένων στον αέρα. Τα σύγχρονα αυτοκίνητα έχουν σχεδιαστεί με γνώμονα την αεροδυναμική. Ένα αυτοκίνητο με καλή αεροδυναμική περνά μέσα από έναν τοίχο αέρα σαν ένα μαχαίρι μέσα από το βούτυρο.
Λόγω της χαμηλής αντίστασης στη ροή του αέρα, ένα τέτοιο αυτοκίνητο επιταχύνει καλύτερα και καταναλώνει καλύτερα καύσιμα, καθώς ο κινητήρας δεν χρειάζεται να ξοδέψει επιπλέον δύναμη για να «σπρώξει» το αυτοκίνητο μέσα από τον τοίχο του αέρα.
Για να βελτιωθεί η αεροδυναμική του αυτοκινήτου, το σχήμα του αμαξώματος είναι στρογγυλεμένο έτσι ώστε το κανάλι αέρα να ρέει γύρω από το αυτοκίνητο με τη μικρότερη αντίσταση. Στα σπορ αυτοκίνητα, το σχήμα του αμαξώματος έχει σχεδιαστεί για να κατευθύνει τη ροή του αέρα κυρίως στο κάτω μέρος, θα καταλάβετε το γιατί αργότερα. Βάζουν και φτερό ή αεροτομή στο πορτμπαγκάζ του αυτοκινήτου. Το φτερό πιέζει το πίσω μέρος του αυτοκινήτου για να αποτρέψει την ανύψωση. πίσω τροχούς, λόγω της έντονης ροής αέρα όταν κινείται με μεγάλη ταχύτητα, που κάνει το αυτοκίνητο πιο σταθερό. Δεν είναι όλα τα φτερά τα ίδια και δεν χρησιμοποιούνται όλα για τον προορισμό τους, μερικά χρησιμεύουν μόνο ως στοιχείο της διακόσμησης του αυτοκινήτου και δεν εκτελούν άμεση λειτουργία της αεροδυναμικής.
Επιστήμη της αεροδυναμικής
Πριν μιλήσουμε για την αεροδυναμική της αυτοκινητοβιομηχανίας, ας περάσουμε σε κάποια βασική φυσική.
Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα στην ατμόσφαιρα, μετατοπίζεται περιβάλλων αέρας. Ένα αντικείμενο υπόκειται επίσης στη βαρύτητα και την αντίσταση. Η αντίσταση δημιουργείται όταν ένα στερεό αντικείμενο κινείται σε υγρό μέσο - νερό ή αέρα. Η αντίσταση αυξάνεται με την ταχύτητα ενός αντικειμένου - όσο πιο γρήγορα κινείται στο διάστημα, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση βιώνει.
Μετράμε την κίνηση ενός αντικειμένου με τους παράγοντες που περιγράφονται στους νόμους του Νεύτωνα - μάζα, ταχύτητα, βάρος, εξωτερική δύναμη και επιτάχυνση.
Η αντίσταση επηρεάζει άμεσα την επιτάχυνση. Επιτάχυνση (α) ενός αντικειμένου = το βάρος του (W) μείον την αντίσταση (D) διαιρούμενο με τη μάζα (m). Θυμηθείτε ότι το βάρος είναι το προϊόν της μάζας του σώματος και της επιτάχυνσης της βαρύτητας. Για παράδειγμα, στη Σελήνη, το βάρος ενός ατόμου θα αλλάξει λόγω της έλλειψης βαρύτητας, αλλά η μάζα θα παραμείνει ίδια. Με απλά λόγια:
Καθώς ένα αντικείμενο επιταχύνεται, η ταχύτητα και η έλξη αυξάνονται μέχρι ένα τελικό σημείο όπου η έλξη ισούται με βάρος—το αντικείμενο δεν μπορεί να επιταχυνθεί περαιτέρω. Ας φανταστούμε ότι το αντικείμενο μας στην εξίσωση είναι ένα αυτοκίνητο. Καθώς ένα αυτοκίνητο πηγαίνει όλο και πιο γρήγορα, όλο και περισσότερος αέρας αντιστέκεται στην κίνησή του, περιορίζοντας το αυτοκίνητο στη μέγιστη επιτάχυνση σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα.
Φτάνουμε στον πιο σημαντικό αριθμό - τον αεροδυναμικό συντελεστή οπισθέλκουσας. Αυτός είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που καθορίζει πόσο εύκολα ένα αντικείμενο κινείται στον αέρα. Ο συντελεστής οπισθέλκουσας (Cd) υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Cd = D / (A * r * V/2)
Όπου D είναι αντίσταση, A είναι εμβαδόν, r είναι πυκνότητα, V είναι ταχύτητα.
Αεροδυναμικός συντελεστής οπισθέλκουσας σε αυτοκίνητο
Ας καταλάβουμε ότι ο συντελεστής οπισθέλκουσας (Cd) είναι μια ποσότητα που μετρά τη δύναμη της αντίστασης του αέρα που εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο, όπως ένα αυτοκίνητο. Τώρα φανταστείτε τη δύναμη του αέρα που πιέζει προς τα κάτω το αυτοκίνητο καθώς κινείται στο δρόμο. Με ταχύτητα 110 km/h δέχεται μια δύναμη τέσσερις φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα των 55 km/h.
Οι αεροδυναμικές δυνατότητες ενός αυτοκινήτου μετρώνται από τον συντελεστή οπισθέλκουσας του. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή του Cd, τόσο καλύτερη είναι η αεροδυναμική του αυτοκινήτου και τόσο πιο εύκολα θα περάσει από το τοίχωμα του αέρα που το πιέζει από διαφορετικές πλευρές.
Ας δούμε τους δείκτες Cd. Θυμάστε αυτά τα γωνιακά, κουτιά Volvo από τις δεκαετίες του 1970 και του 80; Στο παλιό Volvo sedan 960 συντελεστής οπισθέλκουσας 0,36. Τα νέα Volvo έχουν λεία και λεία σώματα, χάρη στα οποία ο συντελεστής φτάνει το 0,28. Τα πιο ομαλά και πιο βελτιωμένα σχήματα δείχνουν καλύτερη αεροδυναμική από τα γωνιακά και τετράγωνα.
Λόγοι για τους οποίους η αεροδυναμική αγαπά τα κομψά σχήματα
Ας θυμηθούμε το πιο αεροδυναμικό πράγμα στη φύση - ένα δάκρυ. Το σκίσιμο είναι στρογγυλό και λείο από όλες τις πλευρές και λεπταίνει στην κορυφή. Όταν ένα δάκρυ στάζει κάτω, ο αέρας ρέει εύκολα και ομαλά γύρω του. Επίσης με αυτοκίνητα - ο αέρας ρέει ελεύθερα σε λεία, στρογγυλεμένη επιφάνεια, μειώνοντας την αντίσταση του αέρα στην κίνηση του αντικειμένου.
Σήμερα, τα περισσότερα μοντέλα έχουν μέσο συντελεστή οπισθέλκουσας 0,30. Τα SUV έχουν συντελεστή οπισθέλκουσας από 0,30 έως 0,40 ή περισσότερο. Ο λόγος για τον υψηλό συντελεστή είναι οι διαστάσεις. Τα Land Cruisers και τα Gelendwagens χωρούν περισσότερους επιβάτες, έχουν περισσότερο χώρο φόρτωσης και μεγαλύτερες γρίλιες για την ψύξη του κινητήρα, εξ ου και η σχεδίαση που μοιάζει με κουτί. Τα φορτηγά που έχουν σχεδιαστεί με σκόπιμα τετράγωνο σχέδιο έχουν Cd μεγαλύτερο από 0,40.
Η σχεδίαση του αμαξώματος είναι αμφιλεγόμενη, αλλά το αυτοκίνητο έχει ένα αποκαλυπτικό αεροδυναμικό σχήμα. Ο συντελεστής οπισθέλκουσας του Toyota Prius είναι 0,24, επομένως η κατανάλωση καυσίμου του αυτοκινήτου είναι χαμηλή όχι μόνο λόγω του υβριδικού σταθμού παραγωγής ενέργειας. Θυμηθείτε, κάθε μείον 0,01 στον συντελεστή μειώνει την κατανάλωση καυσίμου κατά 0,1 λίτρα ανά 100 km.
Μοντέλα με κακή αεροδυναμική αντίσταση:
Μοντέλα με καλή αεροδυναμική αντίσταση:
Τεχνικές για τη βελτίωση της αεροδυναμικής υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό, αλλά χρειάστηκε πολύς χρόνος για να αρχίσουν οι αυτοκινητοβιομηχανίες να τις χρησιμοποιούν στη δημιουργία νέων οχημάτων.
Τα μοντέλα των πρώτων αυτοκινήτων που εμφανίστηκαν δεν είχαν τίποτα κοινό με την έννοια της αεροδυναμικής. Ρίξτε μια ματιά στο Model T εταιρεία Ford- το αυτοκίνητο μοιάζει περισσότερο με άμαξα χωρίς το άλογο - νικητής του διαγωνισμού τετράγωνου σχεδιασμού. Για να πούμε την αλήθεια, τα περισσότερα μοντέλα ήταν πρωτοπόρα και δεν χρειάζονταν αεροδυναμική σχεδίαση, αφού οδηγούσαν αργά, δεν υπήρχε τίποτα να αντισταθεί σε τέτοια ταχύτητα. Ωστόσο αυτοκίνητα αγώνωνστις αρχές του 1900, άρχισαν σταδιακά να στενεύουν για να κερδίσουν αγώνες λόγω αεροδυναμικής.
Το 1921, ο Γερμανός εφευρέτης Έντμουντ Ράμπλερ δημιούργησε το Rumpler-Tropfenauto, που σημαίνει «αυτοκίνητο που σταγόνα» στα γερμανικά. Σχεδιασμένο σύμφωνα με το πιο αεροδυναμικό σχήμα της φύσης, το σχήμα σταγόνας, αυτό το μοντέλο είχε συντελεστή οπισθέλκουσας 0,27. Το σχέδιο Rumpler-Tropfenauto δεν βρήκε ποτέ αναγνώριση. Ο Rumpler κατάφερε να δημιουργήσει μόνο 100 μονάδες Rumpler-Tropfenauto.
Στην Αμερική, ένα άλμα στον αεροδυναμικό σχεδιασμό έγινε το 1930, όταν κυκλοφόρησε το Chrysler Airflow. Εμπνευσμένοι από την πτήση των πουλιών, οι μηχανικοί σχεδίασαν το Airflow έχοντας κατά νου την αεροδυναμική. Για να βελτιωθεί ο χειρισμός, το βάρος του αυτοκινήτου κατανεμήθηκε ομοιόμορφα μεταξύ του μπροστινού και του πίσω άξονα - 50/50. Η κοινωνία, κουρασμένη από τη Μεγάλη Ύφεση, δεν αποδέχτηκε ποτέ την αντισυμβατική εμφάνιση του Chrysler Airflow. Το μοντέλο θεωρήθηκε αποτυχημένο, αν και ο βελτιωμένος σχεδιασμός του Chrysler Airflow ήταν πολύ μπροστά από την εποχή του.
Οι δεκαετίες του 1950 και του 60 είδαν μερικές από τις μεγαλύτερες προόδους στην αεροδυναμική της αυτοκινητοβιομηχανίας που προήλθαν από τον κόσμο των αγώνων. Οι μηχανικοί άρχισαν να πειραματίζονται με διαφορετικά σχήματα αμαξώματος, γνωρίζοντας ότι ένα βελτιωμένο σχήμα θα έκανε τα αυτοκίνητα πιο γρήγορα. Έτσι γεννήθηκε η μορφή του αγωνιστικού αυτοκινήτου που έχει επιβιώσει μέχρι σήμερα. Οι μπροστινές και πίσω αεροτομές, οι μύτες του φτυαριού και τα κιτ αεροσκαφών εξυπηρετούσαν τον ίδιο σκοπό, να κατευθύνουν τη ροή του αέρα μέσω της οροφής και να δημιουργήσουν την απαραίτητη πίεση προς τα κάτω στους μπροστινούς και πίσω τροχούς.
Η αεροδυναμική σήραγγα συνέβαλε στην επιτυχία των πειραμάτων. Στο επόμενο μέρος του άρθρου μας θα σας πούμε γιατί χρειάζεται και γιατί είναι σημαντικό στο σχεδιασμό του αυτοκινήτου.
Μέτρηση αντίστασης αεροσήραγγας
Για να μετρήσουν την αεροδυναμική απόδοση ενός αυτοκινήτου, οι μηχανικοί δανείστηκαν ένα εργαλείο από την αεροπορική βιομηχανία: την αεροδυναμική σήραγγα.
Μια αεροσήραγγα είναι μια σήραγγα με ισχυρούς ανεμιστήρες που δημιουργούν ροή αέρα πάνω από το αντικείμενο μέσα. Ένα αυτοκίνητο, αεροπλάνο ή οτιδήποτε άλλο του οποίου η αντίσταση του αέρα μετριέται από μηχανικούς. Από ένα δωμάτιο πίσω από τη σήραγγα, οι επιστήμονες παρατηρούν πώς ο αέρας αλληλεπιδρά με ένα αντικείμενο και πώς συμπεριφέρονται οι ροές του αέρα σε διαφορετικές επιφάνειες.
Το αυτοκίνητο ή το αεροπλάνο μέσα στην αεροδυναμική σήραγγα δεν κινείται, αλλά για να προσομοιώσουν τις πραγματικές συνθήκες, οι ανεμιστήρες παρέχουν ροή αέρα με σε διαφορετικές ταχύτητες. Μερικές φορές τα πραγματικά αυτοκίνητα δεν οδηγούνται καν στον σωλήνα - οι σχεδιαστές συχνά βασίζονται σε ακριβή μοντέλα που δημιουργούνται από πηλό ή άλλες πρώτες ύλες. Ο άνεμος φυσά πάνω από το αυτοκίνητο σε μια αεροδυναμική σήραγγα και οι υπολογιστές υπολογίζουν τον συντελεστή οπισθέλκουσας.
Οι αεροσήραγγα χρησιμοποιούνται από τα τέλη του 1800, όταν προσπαθούσαν να δημιουργήσουν ένα αεροπλάνο και μετρούσαν την επίδραση της ροής αέρα στους σωλήνες. Ακόμη και οι αδερφοί Ράιτ είχαν τέτοια τρομπέτα. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, οι μηχανικοί αγώνων αυτοκινήτων, αναζητώντας πλεονέκτημα έναντι των ανταγωνιστών τους, άρχισαν να χρησιμοποιούν αεροσήραγγα για να αξιολογήσουν την αποτελεσματικότητα των αεροδυναμικών στοιχείων των μοντέλων τους. Αργότερα, αυτή η τεχνολογία έφτασε στον κόσμο των επιβατικών και φορτηγών.
Τα τελευταία 10 χρόνια, μεγάλες αεροδυναμικές σήραγγες που κοστίζουν αρκετά εκατομμύρια δολάρια έχουν γίνει όλο και λιγότερο συνηθισμένες. Η υπολογιστική μοντελοποίηση αντικαθιστά σταδιακά αυτή τη μέθοδο δοκιμής αεροδυναμικής αυτοκινήτων (περισσότερες λεπτομέρειες). Οι αεροσήραγγα λειτουργούν μόνο για να διασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν λάθη στην προσομοίωση υπολογιστή.
Υπάρχουν περισσότερα στην αεροδυναμική από την αντίσταση του αέρα - υπάρχουν επίσης οι παράγοντες ανύψωσης και κάθετης δύναμης. Ανύψωση (ή ανύψωση) είναι η δύναμη που δρα ενάντια στο βάρος ενός αντικειμένου, σηκώνοντας και κρατώντας το αντικείμενο στον αέρα. Downforce, το αντίθετο της ανύψωσης, είναι η δύναμη που σπρώχνει ένα αντικείμενο προς το έδαφος.
Όποιος πιστεύει ότι ο συντελεστής οπισθέλκουσας των αγωνιστικών αυτοκινήτων της Formula 1, που φτάνουν τα 320 km/h, είναι χαμηλός, κάνει λάθος. Ένα τυπικό αγωνιστικό αυτοκίνητο της Formula 1 έχει συντελεστή οπισθέλκουσας περίπου 0,70.
Ο λόγος για τον υψηλό συντελεστή οπισθέλκουσας των αγωνιστικών αυτοκινήτων της Formula 1 είναι ότι αυτά τα αυτοκίνητα έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν όσο το δυνατόν περισσότερη κάθετη δύναμη. Με την ταχύτητα με την οποία κινούνται τα αυτοκίνητα, με το εξαιρετικά μικρό βάρος τους, αρχίζουν να βιώνουν την ανύψωση υψηλές ταχύτητες- η φυσική τους αναγκάζει να ανέβουν στον αέρα σαν αεροπλάνο. Τα αυτοκίνητα δεν είναι σχεδιασμένα να πετούν (αν και το άρθρο - ένα μετασχηματιζόμενο ιπτάμενο αυτοκίνητο αναφέρει διαφορετικά), και εάν το όχημα αρχίσει να απογειώνεται, τότε μόνο ένα πράγμα μπορεί να αναμένεται - ένα καταστροφικό ατύχημα. Επομένως, η κάθετη δύναμη πρέπει να είναι μέγιστη για να διατηρείται το αυτοκίνητο στο έδαφος σε υψηλές ταχύτητες, πράγμα που σημαίνει ότι ο συντελεστής οπισθέλκουσας πρέπει να είναι μεγάλος.
Τα μονοθέσια της Formula 1 επιτυγχάνουν υψηλή κάθετη δύναμη χρησιμοποιώντας το μπροστινό και πίσω μέρη όχημα. Αυτά τα φτερά κατευθύνουν τις ροές αέρα έτσι ώστε να πιέζουν το αυτοκίνητο στο έδαφος - την ίδια δύναμη προς τα κάτω. Τώρα μπορείτε να αυξήσετε με ασφάλεια την ταχύτητά σας και να μην τη χάσετε όταν στρίβετε. Ταυτόχρονα, η κάθετη δύναμη πρέπει να εξισορροπηθεί προσεκτικά με την ανύψωση, προκειμένου το αυτοκίνητο να αποκτήσει την επιθυμητή ταχύτητα στην ευθεία γραμμή.
Πολλά αυτοκίνητα παραγωγής έχουν αεροδυναμικές προσθήκες για να δημιουργήσουν κάθετη δύναμη. ο Τύπος τον επέκρινε για την εμφάνισή του. Αμφιλεγόμενο σχέδιο. Και όλα γιατί όλα Σώμα GT-Rέχει σχεδιαστεί για να κατευθύνει τη ροή του αέρα πάνω από το αυτοκίνητο και πίσω μέσω της οβάλ πίσω αεροτομής, δημιουργώντας περισσότερη πίεση προς τα κάτω. Κανείς δεν σκέφτηκε την ομορφιά του αυτοκινήτου.
Έξω από το σιρκουί της Formula 1, βρίσκονται συχνά φτερά αυτοκίνητα παραγωγής, για παράδειγμα, σε σεντάν εταιρείες Toyotaκαι η Honda. Μερικές φορές αυτά τα σχεδιαστικά στοιχεία προσθέτουν λίγη σταθερότητα στις υψηλές ταχύτητες. Για παράδειγμα, το πρώτο Audi TT δεν είχε αρχικά αεροτομή, αλλά η Audi έπρεπε να προσθέσει ένα όταν ανακαλύφθηκε ότι το στρογγυλεμένο σχήμα και το μικρό βάρος του TT δημιούργησαν υπερβολική ανύψωση, καθιστώντας το αυτοκίνητο ασταθές σε ταχύτητες άνω των 150 km/h.
Αλλά αν το αυτοκίνητο δεν είναι Audi TT, δεν είναι ένα σπορ, όχι ένα σπορ αυτοκίνητο, αλλά ένα συνηθισμένο οικογενειακό σεντάνή χάτσμπακ, δεν χρειάζεται να τοποθετήσετε σπόιλερ. Μια αεροτομή δεν θα βελτιώσει τον χειρισμό ενός τέτοιου αυτοκινήτου, καθώς το "οικογενειακό αυτοκίνητο" έχει ήδη υψηλή κάθετη δύναμη λόγω του υψηλού Cx και δεν μπορείτε να επιτύχετε ταχύτητες πάνω από 180 σε αυτό. Ένα σπόιλερ σε ένα κανονικό αυτοκίνητο μπορεί να προκαλέσει υπερστροφή ή, αντίθετα, απροθυμία να εναλλάσσονται. Ωστόσο, αν πιστεύετε επίσης ότι πρόκειται για ένα γιγάντιο σπόιλερ Honda Civicστέκεται στη θέση του, μην αφήσετε κανέναν να σας πείσει για το αντίθετο.
Σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας που περιλαμβάνουν ταχύτητα, υπάρχει συχνά ανάγκη να υπολογιστούν οι δυνάμεις που δρουν σε ένα αντικείμενο. Ένα σύγχρονο αυτοκίνητο, μαχητικό αεροσκάφος, υποβρύχιο ή ηλεκτρικό τρένο υψηλής ταχύτητας - όλα βιώνουν την επιρροή των αεροδυναμικών δυνάμεων. Η ακρίβεια του προσδιορισμού του μεγέθους αυτών των δυνάμεων επηρεάζει άμεσα Προδιαγραφέςκαθορισμένα αντικείμενα και την ικανότητά τους να εκτελούν ορισμένες εργασίες. ΣΕ γενική περίπτωσηΟι δυνάμεις τριβής καθορίζουν το επίπεδο ισχύος του συστήματος πρόωσης και οι πλευρικές δυνάμεις επηρεάζουν τη δυνατότητα ελέγχου του αντικειμένου.
Ο παραδοσιακός σχεδιασμός χρησιμοποιεί αεροσήραγγα (συνήθως μειωμένα μοντέλα), δοκιμές πισίνας και δοκιμές πεδίου για τον προσδιορισμό των δυνάμεων. Ωστόσο, όλη η πειραματική έρευνα είναι ένας μάλλον δαπανηρός τρόπος απόκτησης αυτής της γνώσης. Για να δοκιμάσετε μια συσκευή μοντέλου, είναι απαραίτητο πρώτα να την κατασκευάσετε, στη συνέχεια να συντάξετε ένα πρόγραμμα δοκιμής, να προετοιμάσετε μια βάση και, τέλος, να πραγματοποιήσετε μια σειρά μετρήσεων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων των δοκιμών θα επηρεαστεί από υποθέσεις που προκαλούνται από αποκλίσεις από τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας της εγκατάστασης.
Πείραμα ή υπολογισμός;
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τους λόγους της ασυμφωνίας μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και της πραγματικής συμπεριφοράς του αντικειμένου.
Κατά τη μελέτη μοντέλων υπό συνθήκες ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ χωρος, για παράδειγμα σε αεροσήραγγα, οι οριακές επιφάνειες έχουν σημαντική επίδραση στη δομή της ροής γύρω από το αντικείμενο. Η μείωση της κλίμακας του μοντέλου μας επιτρέπει να λύσουμε αυτό το πρόβλημα, αλλά είναι απαραίτητο να λάβουμε υπόψη την αλλαγή στον αριθμό Reynolds (το λεγόμενο εφέ κλίμακας).
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι παραμορφώσεις μπορεί να προκληθούν από μια θεμελιώδη ασυμφωνία μεταξύ των πραγματικών συνθηκών ροής γύρω από το σώμα και εκείνων που προσομοιώνονται στον σωλήνα. Για παράδειγμα, όταν φυσάτε γρήγορα αυτοκίνηταή αμαξοστοιχιών, η απουσία κινούμενης οριζόντιας επιφάνειας σε μια αεροσήραγγα αλλάζει σοβαρά το συνολικό σχέδιο ροής και επηρεάζει επίσης την ισορροπία των αεροδυναμικών δυνάμεων. Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται με την ανάπτυξη του οριακού στρώματος.
Οι μέθοδοι μέτρησης εισάγουν επίσης σφάλματα στις μετρούμενες τιμές. Η εσφαλμένη τοποθέτηση αισθητήρων σε ένα αντικείμενο ή ο λάθος προσανατολισμός των τμημάτων εργασίας τους μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένα αποτελέσματα.
Επιτάχυνση σχεδίασης
Επί του παρόντος, οι κορυφαίες εταιρείες του κλάδου χρησιμοποιούν ευρέως τεχνολογίες μοντελοποίησης υπολογιστών CAE στο στάδιο του προκαταρκτικού σχεδιασμού. Αυτό σας επιτρέπει να εξετάζετε περισσότερες επιλογές κατά την αναζήτηση του βέλτιστου σχεδίου.
Το τρέχον επίπεδο ανάπτυξης του πακέτου λογισμικού ANSYS CFX διευρύνει σημαντικά το πεδίο εφαρμογής του: από τη μοντελοποίηση στρωτών ροών έως τυρβώδεις ροές με ισχυρή ανισοτροπία παραμέτρων.
Η ευρεία γκάμα μοντέλων στροβιλισμού που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνει τα παραδοσιακά μοντέλα RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), τα οποία έχουν την καλύτερη αναλογία ταχύτητας-ακρίβειας, το μοντέλο στροβιλισμού SST (Shear Stress Transport) (μοντέλο Menter δύο επιπέδων), το οποίο συνδυάζει με επιτυχία το πλεονεκτήματα των μοντέλων στροβιλισμού «k-e» και «k-w». Για ροές με ανεπτυγμένη ανισοτροπία, τα μοντέλα τύπου RSM (Reynolds Stress Model) είναι πιο κατάλληλα. Ο άμεσος υπολογισμός των παραμέτρων στροβιλισμού σε κατευθύνσεις καθιστά δυνατό τον ακριβέστερο προσδιορισμό των χαρακτηριστικών της κίνησης στροβιλισμού της ροής.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, συνιστάται η χρήση μοντέλων που βασίζονται σε θεωρίες στροβιλισμού: DES (Detachable Eddy Simulation) και LES (Large Eddy Simulation). Ειδικά για περιπτώσεις όπου η συνεκτίμηση των διεργασιών στρωτή-τυρβώδης μετάβασης είναι ιδιαίτερα σημαντική, έχει αναπτυχθεί ένα Μοντέλο Τυρβωδών Μετάβασης, βασισμένο στην καλά αποδεδειγμένη τεχνολογία SST. Το μοντέλο έχει υποβληθεί σε ένα εκτεταμένο πρόγραμμα δοκιμών σε διάφορα αντικείμενα (από μηχανές με λεπίδες μέχρι επιβατικά αεροσκάφη) και έχει δείξει εξαιρετική συσχέτιση με πειραματικά δεδομένα.
Αεροπορία
Η δημιουργία σύγχρονων πολεμικών και πολιτικών αεροσκαφών είναι αδύνατη χωρίς μια εις βάθος ανάλυση όλων των χαρακτηριστικών του στο αρχικό στάδιο του σχεδιασμού. Η αποτελεσματικότητα του αεροσκάφους, η ταχύτητα και η ικανότητα ελιγμών του εξαρτώνται άμεσα από τον προσεκτικό σχεδιασμό του σχήματος των φέρων επιφανειών και των περιγραμμάτων.
Σήμερα, όλες οι μεγάλες εταιρείες κατασκευής αεροσκαφών χρησιμοποιούν ανάλυση υπολογιστή σε έναν ή τον άλλο βαθμό κατά την ανάπτυξη νέων προϊόντων.
Το μεταβατικό μοντέλο αναταράξεων, το οποίο αναλύει σωστά καθεστώτα ροής κοντά σε στρωτές, ροές με ανεπτυγμένες ζώνες διαχωρισμού και επανασύνδεσης ροής, ανοίγει μεγάλες ευκαιρίες για την ανάλυση πολύπλοκων ροών για τους ερευνητές. Αυτό μειώνει περαιτέρω τη διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων των αριθμητικών υπολογισμών και της πραγματικής εικόνας ροής.
Αυτοκινητοβιομηχανία
Ένα σύγχρονο αυτοκίνητο πρέπει να έχει αυξημένη απόδοση με υψηλή απόδοση ισχύος. Και φυσικά, τα κύρια καθοριστικά στοιχεία είναι ο κινητήρας και το αμάξωμα.
Για τη διασφάλιση της αποδοτικότητας όλων των συστημάτων κινητήρα, που οδηγεί Δυτικές εταιρείεςΟι τεχνολογίες μοντελοποίησης υπολογιστών έχουν χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, η εταιρεία Robert Bosch Gmbh (Γερμανία), κατασκευαστής μιας μεγάλης σειράς εξαρτημάτων για σύγχρονα αυτοκίνητα ντίζελ, κατά την ανάπτυξη ενός συστήματος παροχής καυσίμου Common Railχρησιμοποίησε ANSYS CFX (για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της ένεσης).
BMW Company, των οποίων οι κινητήρες κέρδισαν τον τίτλο " Ο καλύτερος κινητήραςτης Χρονιάς» (International Engine of the Year), χρησιμοποιεί το ANSYS CFX για την προσομοίωση διεργασιών σε θαλάμους καύσης κινητήρων εσωτερικής καύσης.
Η εξωτερική αεροδυναμική είναι επίσης ένα μέσο για τη βελτίωση της απόδοσης της ισχύος του κινητήρα. Συνήθως δεν πρόκειται μόνο για τη μείωση του συντελεστή οπισθέλκουσας, αλλά και για την εξισορρόπηση της κάθετης δύναμης, η οποία είναι απαραίτητη για κάθε αυτοκίνητο υψηλής ταχύτητας.
Η απόλυτη έκφραση αυτών των χαρακτηριστικών είναι τα αγωνιστικά αυτοκίνητα διαφόρων κατηγοριών. Χωρίς εξαίρεση, όλοι οι συμμετέχοντες στο πρωτάθλημα F1 χρησιμοποιούν υπολογιστική ανάλυση της αεροδυναμικής των μονοθεσίων τους. Τα αθλητικά επιτεύγματα καταδεικνύουν ξεκάθαρα τα πλεονεκτήματα αυτών των τεχνολογιών, πολλές από τις οποίες χρησιμοποιούνται ήδη στη δημιουργία αυτοκινήτων παραγωγής.
Στη Ρωσία, ο πρωτοπόρος σε αυτόν τον τομέα είναι η ομάδα Active-Pro Racing: ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο Formula 1600 έχει ταχύτητες πάνω από 250 km/h και είναι η κορυφή του ρωσικού μηχανοκίνητου αθλητισμού. Η χρήση του συμπλέγματος ANSYS CFX (Εικ. 4) για τη σχεδίαση μιας νέας αεροδυναμικής ουράς του αυτοκινήτου κατέστησε δυνατή τη σημαντική μείωση του αριθμού των επιλογών σχεδίασης κατά την αναζήτηση της βέλτιστης λύσης.
Η σύγκριση των υπολογισμένων δεδομένων και των αποτελεσμάτων της φύσης σε αεροσήραγγα έδειξε την αναμενόμενη διαφορά. Εξηγείται από το σταθερό δάπεδο στον σωλήνα, το οποίο προκάλεσε αύξηση στο πάχος του οριακού στρώματος. Να γιατί αεροδυναμικά στοιχείαπου βρίσκονται αρκετά χαμηλά, εργάζονταν σε ασυνήθιστες συνθήκες.
Ωστόσο, το μοντέλο υπολογιστή αντιστοιχούσε πλήρως στις πραγματικές συνθήκες οδήγησης, γεγονός που επέτρεψε τη σημαντική βελτίωση της απόδοσης της ουράς του αυτοκινήτου.
Κατασκευή
Σήμερα, οι αρχιτέκτονες είναι πιο ελεύθεροι στην προσέγγισή τους στην εμφάνιση των κτιρίων που σχεδιάζουν από ό,τι πριν από 20 ή 30 χρόνια. Οι φουτουριστικές δημιουργίες των σύγχρονων αρχιτεκτόνων, κατά κανόνα, έχουν πολύπλοκα γεωμετρικά σχήματα για τα οποία είναι άγνωστες οι τιμές των αεροδυναμικών συντελεστών (απαραίτητες για την αντιστοίχιση των σχεδιαστικών φορτίων ανέμου σε φέρουσες κατασκευές).
Σε αυτή την περίπτωση, τα εργαλεία CAE χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την απόκτηση των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών του κτιρίου (και των συντελεστών δύναμης), εκτός από τις παραδοσιακές δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας. Ένα παράδειγμα τέτοιου υπολογισμού στο ANSYS CFX φαίνεται στο Σχ. 5.
Επιπλέον, το ANSYS CFX χρησιμοποιείται παραδοσιακά για τη μοντελοποίηση συστημάτων εξαερισμού και θέρμανσης για βιομηχανικούς χώρους, διοικητικά κτίρια, γραφεία και συγκροτήματα αθλημάτων και ψυχαγωγίας.
Για ανάλυση καθεστώς θερμοκρασίαςκαι τη φύση των ροών αέρα στην αρένα πάγου του αθλητικού συγκροτήματος Krylatskoye (Μόσχα), μηχανικοί από το Olof Granlund Oy (Φινλανδία) χρησιμοποίησαν το πακέτο λογισμικού ANSYS CFX. Οι εξέδρες του σταδίου μπορούν να φιλοξενήσουν περίπου 10 χιλιάδες θεατές και το θερμικό φορτίο από αυτές μπορεί να είναι περισσότερο από 1 MW (με ρυθμό 100-120 W/άτομο). Για σύγκριση: για τη θέρμανση 1 λίτρου νερού από 0 έως 100 °C, απαιτείται λίγο περισσότερο από 4 kW ενέργειας.
Ρύζι. 5. Κατανομή πίεσης στην επιφάνεια των κατασκευών
Ανακεφαλαίωση
Όπως μπορείτε να δείτε, η υπολογιστική τεχνολογία στην αεροδυναμική έχει φτάσει σε επίπεδα που θα μπορούσαμε να ονειρευόμαστε μόνο πριν από 10 χρόνια. Ταυτόχρονα, η μοντελοποίηση υπολογιστή δεν πρέπει να αντιτίθεται στην πειραματική έρευνα - είναι πολύ καλύτερο εάν αυτές οι μέθοδοι αλληλοσυμπληρώνονται.
Το σύμπλεγμα ANSYS CFX επιτρέπει στους μηχανικούς να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα όπως, για παράδειγμα, τον προσδιορισμό της παραμόρφωσης μιας κατασκευής όταν εκτίθεται σε αεροδυναμικά φορτία. Αυτό συμβάλλει σε μια πιο σωστή διατύπωση πολλών προβλημάτων τόσο της εσωτερικής όσο και της εξωτερικής αεροδυναμικής: από προβλήματα πτερυγισμού μηχανών πτερυγίων έως επιδράσεις ανέμου και κυμάτων σε υπεράκτιες κατασκευές.
Όλες οι δυνατότητες υπολογισμού του συμπλέγματος ANSYS CFX είναι επίσης διαθέσιμες στο περιβάλλον ANSYS Workbench.
