Paquete de software para aerodinámica e hidrodinámica computacional Visión de flujo diseñado para purgas aerodinámicas virtuales de varios objetos técnicos o naturales. Los productos de transporte, las instalaciones de energía, los productos industriales militares y otros pueden servir como objetos. Visión de flujo hace posible simular el flujo alrededor a diferentes velocidades del flujo que se aproxima y en diferentes grados de su perturbación (grado de turbulencia).

El proceso de modelado se lleva a cabo estrictamente en una formulación espacial tridimensional del problema y procede de acuerdo con el principio "tal cual", lo que implica la posibilidad de estudiar un modelo geométrico completo del objeto del usuario sin simplificaciones. El sistema creado para procesar geometría tridimensional importada le permite trabajar sin problemas con modelos de cualquier grado de complejidad, donde el usuario, de hecho, elige el nivel de detalle de su objeto, ya sea que quiera pasar por un modelo suavizado simplificado de contornos externos o un modelo completo con la presencia de todos los elementos estructurales, hasta las cabezas de los pernos en las llantas y el logotipo del fabricante en forma de figura en la parte delantera del automóvil.

Distribución de velocidades en las proximidades de la carrocería de un coche de carreras.

Se tienen en cuenta todos los detalles: los radios de las ruedas, el efecto de la asimetría de los radios del volante en el patrón de flujo.

Visión de flujo creado equipo ruso desarrolladores (TESIS, Rusia) hace más de 10 años y se basa en los desarrollos de la escuela matemática y fundamental nacional. El sistema se creó con la expectativa de que usuarios de muy diferentes calificaciones trabajaran con él: estudiantes, profesores, diseñadores y científicos. Puede resolver problemas simples y complejos con la misma eficacia.

El producto se utiliza en diversas industrias, ciencia y educación: aviación, cosmonáutica, energía, construcción naval, automotriz, ecología, ingeniería mecánica, industria química y de procesamiento, medicina, industria nuclear y el sector de defensa y tiene la base de instalación más grande de Rusia.

En 2001, por decisión del Consejo Principal del Ministerio de la Federación Rusa, se recomendó la inclusión de FlowVision en el plan de estudios de enseñanza de mecánica de fluidos y gases en las universidades rusas. Actualmente, FlowVision se utiliza como parte integral del proceso educativo de las principales universidades rusas: el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, MPEI, la Universidad Técnica Estatal de San Petersburgo, la Universidad Vladimir, la UNN y otras.

En 2005, FlowVision fue probado y recibió un certificado de conformidad de la Norma Estatal de la Federación Rusa.

Características clave

En el núcleo Visión de flujo se encuentra el principio de la ley de conservación de la masa: la cantidad de sustancia que ingresa al volumen calculado cerrado lleno es igual a la cantidad de sustancia que disminuye (ver Fig. 1).

Arroz. 1 Principio de la ley de conservación de la masa

La solución para tal problema ocurre al encontrar el valor promedio de una cantidad en un volumen dado basado en datos en los límites (el teorema de Ostrogradsky-Gauss).

Arroz. 2 Integración de volumen basada en valores límite

Para obtener una solución más precisa, el volumen original calculado se divide en volúmenes más pequeños.

Arroz. 3 Engrosamiento de la grilla computacional

El procedimiento para dividir el volumen original en volúmenes más pequeños se llama CONSTRUCCIÓN DE LA RED COMPUTACIONAL , y la matriz de volúmenes resultantes es CUADRO DE CÁLCULO . Cada volumen obtenido en el proceso de construcción de la grilla computacional se llama CELDA CALCULADA , en cada uno de los cuales también se observa el equilibrio de la masa entrante y saliente. El volumen cerrado en el que se construye la cuadrícula de cálculo se denomina ÁREA DE CÁLCULO .

Arquitectura

Ideología Visión de flujo está construido sobre la base de una arquitectura distribuida, donde la unidad de software que realiza los cálculos aritméticos se puede ubicar en cualquier computadora en la red, en un clúster o computadora portátil de alto rendimiento. La arquitectura del paquete de software es modular, lo que le permite realizar mejoras y nuevos sin problemas. funcionalidad. Los módulos principales son el PrePostProcessor y el bloque solver, además de varios bloques auxiliares que realizan diversas operaciones de monitorización y tuning.

Distribución de la presión sobre la carrocería de un automóvil deportivo

El propósito funcional del preprocesador incluye importar la geometría del dominio computacional de los sistemas de modelado geométrico, establecer el modelo de entorno, establecer las condiciones iniciales y de contorno, editar o importar la cuadrícula computacional y establecer los criterios de convergencia, después de lo cual el control se transfiere al Solver, que inicia el proceso de construcción de la cuadrícula computacional y realiza el cálculo de acuerdo con los parámetros dados. Durante el proceso de cálculo, el usuario tiene la oportunidad de realizar un seguimiento visual y cuantitativo del cálculo y evaluar el proceso de desarrollo de la solución utilizando las herramientas del posprocesador. Cuando se alcanza el valor requerido del criterio de convergencia, se puede detener el proceso de conteo, después de lo cual el resultado queda totalmente disponible para el usuario, quien, utilizando las herramientas del posprocesador, puede procesar los datos: visualizar los resultados y cuantificar con el posterior guardado en formatos de datos externos.

Cuadrícula de cálculo

A Visión de flujo se utiliza una cuadrícula computacional rectangular, que se adapta automáticamente a los límites del dominio computacional y la solución. Se proporciona una aproximación de los límites curvilíneos con un alto grado de precisión utilizando el método de resolución de geometría de subcuadrícula. Este enfoque le permite trabajar con modelos geométricos que consisten en superficies de cualquier grado de complejidad.

Dominio computacional inicial

Cuadrícula ortogonal superpuesta en el área

Recortar la cuadrícula inicial por los bordes de la región

Cuadrícula computacional final

Construcción automática de la grilla computacional, teniendo en cuenta la curvatura de la superficie

Si es necesario refinar la solución en el límite o en el lugar correcto del volumen computacional, es posible adaptar dinámicamente la cuadrícula computacional. La adaptación es la fragmentación de las células. nivel inferior en celdas más pequeñas. La adaptación puede ser por condición de contorno, por volumen y por solución. La adaptación de la red se realiza en el límite especificado, en lugar especificado dominio computacional o por solución, teniendo en cuenta el cambio en la variable y el gradiente. La adaptación se lleva a cabo tanto en la dirección del refinamiento de la malla como en la dirección opuesta: la fusión de celdas pequeñas en otras más grandes, hasta la malla de nivel de entrada.

Tecnología de adaptación a la red

Cuerpos móviles

La tecnología de cuerpo móvil hace posible colocar un cuerpo de forma geométrica arbitraria dentro del dominio computacional y darle movimiento de traslación y/o rotación. La ley del movimiento puede ser constante o variable en el tiempo y el espacio. El movimiento del cuerpo se define de tres maneras principales:

Explícitamente al establecer la velocidad del cuerpo;
- ajustando la fuerza que actúa sobre el cuerpo y desplazándola desde el punto de partida

A través de la influencia del entorno en el que se coloca el cuerpo.

Los tres métodos se pueden combinar entre sí.

Dejar caer un cohete en un flujo inestable bajo la acción de la gravedad

Reproducción de la experiencia Mach: el movimiento de la pelota a una velocidad de 800 m/s

Computación paralela

Una de las características clave del paquete de software Visión de flujo tecnologías de computación paralela, cuando se utilizan varios procesadores o núcleos de procesador para resolver un problema, lo que permite acelerar el cálculo en proporción a su número.

Aceleración del cálculo de tareas, según el número de núcleos involucrados

El procedimiento de lanzamiento en modo paralelo está completamente automatizado. El usuario solo necesita especificar la cantidad de núcleos o procesadores en los que se ejecutará la tarea. Todas las acciones posteriores para dividir el dominio computacional en partes e intercambiar datos entre ellas serán realizadas por el algoritmo de forma independiente, eligiendo los mejores parámetros.

Descomposición de celdas cercanas a la superficie en 16 procesadores para problemas de dos autos

Equipo Visión de flujo mantiene estrechos vínculos con representantes de la comunidad HPC (High Performance Computing) nacional y extranjera y participa en proyectos conjuntos destinados a lograr nuevas oportunidades en el campo de la mejora del rendimiento en la computación paralela.

En 2007, FlowVision, junto con el Centro de Investigación y Desarrollo de la Universidad Estatal de Moscú, se convirtió en participante del programa federal para crear un sistema nacional de liquidación paralela de teraflops. Como parte del programa, el equipo de desarrollo está adaptando FlowVision para realizar computación a gran escala en el mismo tecnología moderna. El clúster SKIF-Chebyshev instalado en el Centro de Investigación y Desarrollo de la Universidad Estatal de Moscú se utiliza como plataforma de hardware de prueba.

Cluster SKIF-Chebyshev instalado en el Centro de Investigación y Desarrollo de la Universidad Estatal de Moscú

En estrecha colaboración con especialistas del Centro de Investigación y Desarrollo de la Universidad Estatal de Moscú (bajo la dirección del Miembro Correspondiente de la Academia Rusa de Ciencias, Doctor en Matemáticas Físicas Vl.V.Voevodin), el complejo de software y hardware SKIF- Visión de flujo para mejorar la eficiencia de la computación paralela. En junio de 2008 se realizaron los primeros cálculos prácticos en 256 nodos de liquidación en modo paralelo.

En 2009, el equipo de FlowVision, junto con el Centro de Investigación y Desarrollo de la Universidad Estatal de Moscú, Sigma Technology y el estado centro cientifico TsAGI se convirtió en participante del programa federal específico para crear algoritmos para resolver problemas de optimización paralela en problemas de aerodinámica e hidrodinámica.

texto, ilustraciones: empresa TESIS

¿Por qué necesitas aerodinámica para un automóvil? Todo el mundo lo sabe. Cuanto más aerodinámica sea su carrocería, menor resistencia al movimiento y consumo de combustible. Dicho automóvil no solo le ahorrará dinero, sino que también emitirá menos basura al medio ambiente. La respuesta es simple, pero lejos de ser completa. Los especialistas en aerodinámica, terminando la carrocería del nuevo modelo, también:

• calcular la distribución a lo largo de los ejes de la fuerza de elevación, que es muy importante dadas las considerables velocidades de los automóviles modernos,
• proporcionar acceso de aire para enfriar el motor y los mecanismos de freno,
• piense en los lugares de entrada y salida de aire para el sistema de ventilación interior,
• buscan reducir el nivel de ruido en la cabina,
• optimizar la forma de las partes del cuerpo para reducir la contaminación de vidrios, espejos y equipos de iluminación.

Además, la solución de una tarea a menudo contradice la implementación de otra. Por ejemplo, la reducción del coeficiente de arrastre mejora la aerodinámica, pero al mismo tiempo empeora la resistencia del automóvil a las ráfagas de viento cruzado. Por lo tanto, los expertos deben buscar un compromiso razonable.

reducción de arrastre

¿Qué determina la fuerza de arrastre? Dos parámetros tienen una influencia decisiva: el coeficiente de resistencia aerodinámica Cx y el área de la sección transversal del automóvil (en el centro). Puede reducir la sección media haciendo que la carrocería sea más baja y estrecha, pero es poco probable que haya muchos compradores para un automóvil de este tipo. Por lo tanto, la dirección principal para mejorar la aerodinámica del automóvil es optimizar el flujo alrededor del cuerpo, en otras palabras, reducir el Cx. El coeficiente de resistencia aerodinámica Cx es una cantidad adimensional, que se determina experimentalmente. Para los automóviles modernos, se encuentra en el rango de 0,26 a 0,38. En fuentes extranjeras, el coeficiente de arrastre a veces se denomina Cd (coeficiente de arrastre). Un cuerpo en forma de gota tiene una aerodinámica ideal, cuyo Cx es igual a 0,04. Al moverse, corta suavemente las corrientes de aire, que luego se cierran sin interrupciones, sin interrupciones, en su "cola".

Las masas de aire se comportan de manera diferente cuando el automóvil está en movimiento. Aquí, la resistencia del aire consta de tres componentes:

• resistencia interna durante el paso del aire a través del compartimiento del motor y el interior,
• resistencia por fricción de los flujos de aire en las superficies exteriores del cuerpo y
• formar resistencia.

El tercer componente tiene el mayor impacto en la aerodinámica del automóvil. Al moverse, el automóvil comprime las masas de aire frente a él, creando un área Alta presión sanguínea. Las corrientes de aire fluyen alrededor del cuerpo, y donde termina, el flujo de aire se separa, se crean turbulencias y un área de baja presión. Así, la zona de alta presión de delante impide que el coche avance, y la zona de baja presión de atrás lo "succiona" hacia atrás. La fuerza de la turbulencia y el tamaño del área de baja presión están determinados por la forma de la parte trasera del cuerpo.

El mejor rendimiento aerodinámico lo demuestran los automóviles con una parte trasera escalonada: sedanes y cupés. La explicación es simple: el flujo de aire que se ha escapado del techo golpea inmediatamente la tapa del maletero, donde se normaliza y finalmente se rompe por el borde. Las corrientes laterales también caen sobre el maletero, lo que evita que surjan remolinos dañinos detrás del automóvil. Por lo tanto, cuanto más alta y larga sea la tapa del maletero, mejor será el rendimiento aerodinámico. Sobre el grandes sedanes y el cupé a veces incluso logra lograr un flujo uniforme alrededor del cuerpo. Un ligero estrechamiento de la parte trasera también ayuda a reducir el Cx. El borde del tronco está afilado o en forma de una pequeña protuberancia, lo que garantiza la separación del flujo de aire sin turbulencias. Como resultado, el área de descarga detrás del vehículo es pequeña.

La parte inferior del automóvil también tiene un impacto en su aerodinámica. Las partes sobresalientes de la suspensión y el sistema de escape aumentan la resistencia. Para reducirlo, intentan alisar al máximo la parte inferior o tapar con escudos todo lo que “sobresale” por debajo del paragolpes. A veces se instala un pequeño alerón delantero. El alerón reduce el flujo de aire debajo del vehículo. Pero aquí es importante saber la medida. Un spoiler grande aumentará significativamente la resistencia, pero el automóvil se "acurrucará" mejor en la carretera. Pero más sobre eso en la siguiente sección.

carga aerodinámica

Cuando el automóvil está en movimiento, el flujo de aire debajo de la parte inferior va en línea recta y la parte superior del flujo rodea la carrocería, es decir, recorre una distancia más larga. Por lo tanto, la velocidad de la corriente superior es mayor que la de la inferior. Y de acuerdo con las leyes de la física, cuanto mayor sea la velocidad del aire, menor será la presión. En consecuencia, se crea un área de mayor presión debajo del fondo y una más baja arriba. Esto crea una fuerza de elevación. Y aunque su valor es pequeño, el problema es que está desigualmente distribuido a lo largo de los ejes. Si el eje delantero está cargado por una corriente que presiona el capó y parabrisas, entonces la parte trasera se descarga adicionalmente por la zona de descarga formada detrás del automóvil. Por lo tanto, a medida que aumenta la velocidad, la estabilidad disminuye y el automóvil se vuelve propenso a derrapar.

No hay necesidad de inventar ninguna medida especial para combatir este fenómeno, ya que lo que se hace para mejorar la aerodinámica al mismo tiempo aumenta la carga aerodinámica. Por ejemplo, optimizar la parte trasera reduce la zona de vacío detrás del automóvil y, por lo tanto, reduce la sustentación. La nivelación del fondo no solo reduce la resistencia del aire, sino que también aumenta el caudal y, por lo tanto, reduce la presión debajo del vehículo. Y esto, a su vez, conduce a una disminución de la sustentación. De la misma manera, el alerón trasero cumple dos funciones. No solo reduce la formación de vórtices, mejorando el Cx, sino que también presiona simultáneamente el automóvil contra la carretera debido al flujo de aire que expulsa. A veces, un alerón trasero está diseñado únicamente para aumentar la carga aerodinámica. En este caso, tiene tallas grandes y basculante o se hace retráctil, entrando en funcionamiento sólo a altas velocidades.

Para deportes y modelos de carreras las medidas descritas serán, por supuesto, ineficaces. Para mantenerlos en el camino, necesitas crear mucha carga aerodinámica. Para ello, se utilizan un gran alerón delantero, faldones laterales y alerones traseros. Pero instalados en autos de producción, estos elementos jugarán solo un papel decorativo, divirtiendo el orgullo del propietario. No darán ningún beneficio práctico, sino por el contrario, aumentarán la resistencia al movimiento. Muchos automovilistas, por cierto, confunden un alerón con un alerón, aunque es bastante fácil distinguirlos. El alerón está siempre pegado a la carrocería, formando con ella un único todo. El ala se instala a cierta distancia del cuerpo.

Aerodinámica práctica

Seguir algunas reglas simples le permitirá obtener ahorros del aire al reducir el consumo de combustible. Sin embargo, estos consejos serán útiles solo para aquellos que conducen a menudo y mucho en la pista.

Al conducir, una parte significativa de la potencia del motor se gasta en vencer la resistencia del aire. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la resistencia (y por lo tanto el consumo de combustible). Entonces, si reduce la velocidad incluso 10 km/h, ahorra hasta 1 litro cada 100 km. En este caso, la pérdida de tiempo será insignificante. Sin embargo, esta verdad es conocida por la mayoría de los conductores. Pero otras sutilezas "aerodinámicas" no son conocidas por todos.

El consumo de combustible depende del coeficiente de arrastre y del área de la sección transversal del vehículo. Si cree que estos parámetros están configurados de fábrica y el propietario del automóvil no puede cambiarlos, ¡está equivocado! Cambiarlos no es nada difícil, y puedes lograr efectos tanto positivos como negativos.

¿Qué aumenta el consumo? Irrazonablemente "come" la carga de combustible en el techo. E incluso una caja aerodinámica tomará al menos un litro por cien. Es irracional quemar combustible cuando las ventanas y los techos corredizos están abiertos mientras se conduce. Si transporta una carga larga con la cajuela entreabierta, también obtendrá un exceso de velocidad. Varios elementos decorativos, como un carenado en el capó ("matamoscas"), "kenguryatnik", un ala y otros elementos de tuning de cosecha propia, aunque traerán placer estético, te harán desembolsar más. Mire debajo de la parte inferior: para todo lo que se hunde y se ve debajo de la línea del umbral, tendrá que pagar más. Incluso algo tan pequeño como la ausencia Tapas de plástico sobre el discos de acero, aumenta el consumo. Cada factor o detalle enumerado aumenta individualmente el consumo en una pequeña cantidad, de 50 a 500 g cada 100 km. Pero si resume todo, volverá a "correr", alrededor de un litro por cien. Estos cálculos son válidos para coches pequeños a una velocidad de 90 km/h. Dueños de autos grandes y amantes de las altas velocidades, hagan un ajuste hacia el aumento del consumo.

Si se cumplen todas las condiciones anteriores, podemos evitar gastos innecesarios. ¿Es posible reducir aún más las pérdidas? ¡Pueden! Pero esto requerirá un poco sintonización externa(Estamos hablando, por supuesto, de elementos ejecutados profesionalmente). Frente equipo aerodinámico no permite que el flujo de aire "irrumpa" debajo de la parte inferior del automóvil, el alféizar cubre la parte sobresaliente de las ruedas, el alerón evita la formación de turbulencias detrás de la "popa" del automóvil. Aunque el alerón, por regla general, ya está incluido en la estructura de la carrocería de un automóvil moderno.

Por lo tanto, obtener ahorros de la nada es bastante realista.

Desde que el primer hombre colocó una piedra afilada en el extremo de una lanza, la gente siempre ha estado tratando de encontrar mejor forma objetos que se mueven en el aire. Pero el auto resultó ser un rompecabezas aerodinámico muy difícil.

Los fundamentos de los cálculos de tracción en carretera nos proporcionan cuatro fuerzas básicas que actúan sobre un vehículo mientras está en movimiento: resistencia del aire, resistencia a la rodadura, resistencia a la ascensión y fuerzas de inercia. Cabe señalar que sólo los dos primeros son los principales. Fuerza de resistencia a la rodadura Llanta de carro depende principalmente de la deformación del neumático y del camino en la zona de contacto. Pero ya a una velocidad de 50-60 km/h, la fuerza de resistencia del aire supera a cualquier otra, ya velocidades superiores a 70-100 km/h las supera a todas juntas. Para probar esta afirmación, es necesario dar la siguiente fórmula aproximada: Px=Cx*F*v2, donde: Px – fuerza de resistencia del aire; v – velocidad del vehículo (m/s); F es el área de proyección del automóvil sobre un plano perpendicular al eje longitudinal del automóvil, o el área de la sección transversal más grande del automóvil, es decir, el área frontal (m2); Cx es el coeficiente de resistencia del aire (coeficiente aerodinámico). Nota. La velocidad en la fórmula está al cuadrado, y esto significa que si se duplica, por ejemplo, la fuerza de resistencia del aire se cuadruplica.

¡Al mismo tiempo, los costos de energía requeridos para superarlo crecen ocho veces! En las carreras de Nascar, donde las velocidades superan los 300 km/h, se ha comprobado experimentalmente que para aumentar velocidad máxima para solo 8 km/h, debe aumentar la potencia del motor en 62 kW (83 hp) o reducir el Cx en un 15 %. Hay otra forma: reducir el área frontal del automóvil. Muchos superdeportivos de alta velocidad son significativamente más bajos que los automóviles convencionales. Esto es solo una señal de trabajo para reducir el área frontal. Sin embargo, este procedimiento se puede realizar hasta ciertos límites, de lo contrario será imposible utilizar dicho automóvil. Por esta y otras razones, la racionalización es uno de los principales problemas que surgen a la hora de diseñar un coche. Por supuesto, la fuerza de resistencia está influenciada no solo por la velocidad del automóvil y sus parámetros geométricos. Por ejemplo, cuanto mayor sea la densidad del flujo de aire, mayor será la resistencia. A su vez, la densidad del aire depende directamente de su temperatura y altura sobre el nivel del mar. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la densidad del aire (y por lo tanto su viscosidad), mientras que en las alturas de las montañas el aire es más delgado y su densidad es menor, y así sucesivamente. Hay muchos de esos matices.

Pero volvamos a la forma del coche. ¿Qué elemento tiene el mejor flujo? La respuesta a esta pregunta la conoce casi cualquier estudiante (que no durmió en las lecciones de física). Una gota de agua que cae toma la forma más aceptable desde el punto de vista de la aerodinámica. Es decir, una superficie frontal redondeada y una espalda larga que se estrecha suavemente (la mejor proporción es 6 veces la longitud del ancho). El coeficiente de arrastre es un valor experimental. Numéricamente, es igual a la fuerza de resistencia del aire en Newtons creada cuando se mueve a una velocidad de 1 m/s por 1 m2 de área frontal. Es costumbre considerar como unidad de referencia Cx de una placa plana = 1. Entonces, para una gota de agua, Cx = 0.04. Ahora imagina un coche como este. Tonterías, ¿no? Este artilugio sobre ruedas no solo se verá algo caricaturesco, sino que no será muy conveniente usar este automóvil para el propósito previsto. Por lo tanto, los diseñadores se ven obligados a encontrar un compromiso entre la aerodinámica del automóvil y la comodidad de su uso. Los constantes intentos de reducir el coeficiente de resistencia del aire han llevado al hecho de que algunos automóviles modernos tienen Cx = 0,28-0,25. bueno, rapido coches de registro presumir Cx = 0.2-0.15.

fuerzas de resistencia

Ahora necesitamos hablar un poco sobre las propiedades del aire. Como saben, cualquier gas consta de moléculas. Están en constante movimiento e interacción entre sí. Existen las llamadas fuerzas de van der Waals, fuerzas de atracción mutua de moléculas que impiden su movimiento relativo entre sí. Algunos de ellos comienzan a adherirse con más fuerza a los demás. Y con un aumento en el movimiento caótico de las moléculas, aumenta la efectividad del impacto de una capa de aire sobre otra y aumenta la viscosidad. Y esto sucede debido a un aumento en la temperatura del aire, y esto puede ser causado tanto por el calentamiento directo del sol, como indirectamente por la fricción del aire en cualquier superficie o simplemente sus capas entre sí. Aquí es donde entra en juego la velocidad. Para comprender cómo afecta esto al automóvil, solo intente agitar la mano con la palma abierta. Si lo haces despacio, no pasa nada, pero si mueves la mano con más fuerza, la palma ya percibe claramente cierta resistencia. Pero esto es sólo un componente.

Cuando el aire se mueve sobre alguna superficie fija (por ejemplo, la carrocería de un automóvil), las mismas fuerzas de van der Waals hacen que la capa de moléculas más cercana comience a adherirse a él. Y esta capa "atascada" ralentiza la siguiente. Y así, capa por capa, y cuanto más rápido se mueven las moléculas de aire, más lejos están de una superficie estacionaria. Al final, su velocidad se iguala con la velocidad del flujo de aire principal. Una capa en la que las partículas se mueven lentamente se llama capa límite y aparece en cualquier superficie. Cuanto mayor sea el valor de la energía superficial del material de revestimiento del vehículo, más fuerte interactúa su superficie a nivel molecular con el aire circundante, y más energía debe gastarse para destruir estas fuerzas. Ahora, con base en los cálculos teóricos anteriores, podemos decir que la resistencia del aire no es solo el viento golpeando el parabrisas. Este proceso tiene más componentes.

Resistencia a la forma

Esta es la parte más significativa: hasta el 60% de todas las pérdidas aerodinámicas. A menudo se lo denomina arrastre de presión o arrastre. Al conducir, el automóvil comprime el flujo de aire y supera el esfuerzo de separar las moléculas de aire. El resultado es una zona de alta presión. Luego, el aire fluye alrededor de la superficie del automóvil. En el proceso, los chorros de aire se rompen con la formación de turbulencias. La separación final del flujo de aire en la parte trasera del vehículo crea una zona de baja presión. El arrastre en la parte delantera y el efecto de succión en la parte trasera del automóvil crean una reacción muy fuerte. Este hecho obliga a los diseñadores y diseñadoras a buscar formas de dar cuerpo. Organizar en estantes.

Ahora debe considerar la forma del automóvil, como dicen, "de parachoques a parachoques". Cuál de las partes y elementos tienen un mayor impacto en la aerodinámica general de la máquina. El frente del cuerpo. Los experimentos en un túnel de viento han establecido que para la mejor aerodinámica, la parte delantera del cuerpo debe ser baja, ancha y no tener esquinas afiladas. En este caso, no hay separación del flujo de aire, lo que tiene un efecto muy beneficioso en la aerodinámica del automóvil. La parrilla del radiador es a menudo no solo un elemento funcional, sino también decorativo. Después de todo, el radiador y el motor deben tener un flujo de aire efectivo, por lo que este elemento es muy importante. Algunos fabricantes de automóviles están estudiando la ergonomía y la distribución del flujo de aire en el compartimiento del motor tan seriamente como la aerodinámica general del automóvil. La inclinación del parabrisas es un ejemplo muy claro del compromiso entre aerodinámica, ergonomía y rendimiento. Su pendiente insuficiente crea una resistencia excesiva, y su pendiente excesiva aumenta la formación de polvo y la masa del propio vidrio, la visibilidad cae bruscamente al anochecer, es necesario aumentar el tamaño del limpiaparabrisas, etc. Se debe realizar la transición del vidrio a la pared lateral. suavemente.

Pero no debe dejarse llevar por la curvatura excesiva del vidrio, ya que esto puede aumentar la distorsión y empeorar la visibilidad. La influencia del pilar del parabrisas en la resistencia aerodinámica depende en gran medida de la posición y la forma del parabrisas, así como de la forma de la parte delantera. Pero, trabajando en la forma de la baca, no debemos olvidarnos de proteger las lunas laterales delanteras del agua de lluvia y la suciedad del parabrisas, mantener un nivel aceptable de ruido aerodinámico exterior, etc. Techo. El aumento de la inclinación del techo puede conducir a una disminución del coeficiente de arrastre. Pero un aumento significativo de la protuberancia puede entrar en conflicto con el diseño general del automóvil. Además, si el aumento de la protuberancia va acompañado de un aumento simultáneo del área de arrastre, entonces aumenta la fuerza de la resistencia del aire. Y por otro lado, si se intenta mantener la altura original, entonces habrá que introducir el parabrisas y las lunetas traseras en los techos, ya que la visibilidad no debería deteriorarse. Esto conducirá a un aumento en el costo de las gafas, mientras que la disminución de la fuerza de resistencia del aire en este caso no es tan significativa.

superficies laterales. Desde el punto de vista de la aerodinámica del coche, las superficies laterales no gran influencia para crear un flujo irrotacional. Pero no puedes redondearlos demasiado. De lo contrario, será difícil subirse a un automóvil así. El vidrio debe, si es posible, formar un todo único con la superficie lateral y estar ubicado en línea con el contorno exterior del automóvil. Los escalones y dinteles crean obstáculos adicionales para el paso del aire, aparecen turbulencias no deseadas. Puede notar que las canaletas, que anteriormente estaban presentes en casi todos los automóviles, ya no se usan. Han aparecido otras soluciones de diseño que no tienen un impacto tan grande en la aerodinámica del coche.

La parte trasera del automóvil tiene quizás la mayor influencia en el coeficiente de aerodinámica. Se explica de forma sencilla. En la parte trasera, el flujo de aire se interrumpe y forma remolinos. Es casi imposible hacer que la parte trasera de un automóvil sea tan aerodinámica como un dirigible (la longitud es 6 veces la anchura). Por lo tanto, trabajan más cuidadosamente en su forma. Uno de los principales parámetros es el ángulo de inclinación de la parte trasera del coche. El ejemplo ya se ha convertido en un libro de texto. coche ruso"Moskvich-2141", donde fue la desafortunada solución de la parte trasera la que empeoró significativamente la aerodinámica general del automóvil. Pero, por otro lado, la ventana trasera del "moscovita" siempre permaneció limpia. De nuevo un compromiso. Es por eso que se fabrican tantos accesorios adicionales específicamente para la parte trasera del automóvil: aletas traseras, alerones, etc. Junto con el ángulo de inclinación de la parte trasera, el diseño y la forma del borde lateral de la parte trasera del automóvil afectan en gran medida. el coeficiente de arrastre. Por ejemplo, si observa casi cualquier automóvil moderno desde arriba, puede ver de inmediato que la carrocería delantera es más ancha que la trasera. Esto también es aerodinámica. La parte inferior del coche.

Como puede parecer al principio, esta parte del cuerpo no puede afectar la aerodinámica. Pero luego está un aspecto como la carga aerodinámica. La estabilidad del automóvil depende de ello y de cuán correctamente se organiza el flujo de aire debajo de la parte inferior del automóvil, como resultado, depende la fuerza de su "adherencia" a la carretera. Es decir, si el aire debajo del automóvil no se detiene, sino que fluye rápidamente, entonces la presión reducida que se produce empujará el automóvil contra la calzada. Esto es especialmente importante para los automóviles ordinarios. El hecho es que para los autos de carreras que compiten en superficies uniformes de alta calidad, puede establecer el espacio libre tan bajo que comience a aparecer el efecto del "cojín de tierra", en el que aumenta la carga aerodinámica y disminuye la resistencia. Para coches normales corto claridad del piso inaceptable. Por lo tanto, los diseñadores han estado tratando recientemente de alisar la parte inferior del automóvil tanto como sea posible, para cubrir elementos tan irregulares como escudos con escudos, como tubos de escape, brazos de suspensión, etc. Por cierto, los pasos de rueda tienen un impacto muy grande en la aerodinámica del automóvil. Los nichos diseñados incorrectamente pueden crear elevación adicional.

Y otra vez el viento

No hace falta decir que la potencia del motor requerida depende de la aerodinámica del automóvil y, por lo tanto, del consumo de combustible (es decir, la billetera). Sin embargo, la aerodinámica no solo afecta la velocidad y la economía. No el último lugar lo ocupan las tareas de velar por el buen estabilidad del tipo de cambio, maniobrabilidad del vehículo y reducción del ruido durante la conducción. Con el ruido, todo está claro: cuanto mejor es la aerodinámica del automóvil, la calidad de las superficies, menor el tamaño de los huecos y la cantidad de elementos sobresalientes, etc., menos ruido. Los diseñadores tienen que pensar en un aspecto como el momento decisivo. Este efecto es bien conocido por la mayoría de los conductores. ¿Quién ha viajado alguna vez? alta velocidad pasado el "camión" o simplemente conduciendo con un fuerte viento lateral, debería haber sentido la apariencia de un balanceo o incluso un ligero giro del automóvil. No tiene sentido explicar este efecto, pero este es precisamente el problema de la aerodinámica.

Por eso el coeficiente Cx no es único. Después de todo, el aire puede afectar al automóvil no solo "en la frente", sino también en diferentes ángulos y en diferentes direcciones. Y todo esto repercute en el manejo y la seguridad. Estos son solo algunos de los principales aspectos que afectan la fuerza general de la resistencia del aire. Es imposible calcular todos los parámetros. Las fórmulas existentes no dan imagen completa. Por lo tanto, los diseñadores estudian la aerodinámica del automóvil y corrigen su forma con la ayuda de una herramienta tan costosa como un túnel de viento. Las empresas occidentales no ahorran dinero para su construcción. El costo de tales centros de investigación puede ascender a millones de dólares. Por ejemplo: la empresa Daimler-Chrysler invirtió $37,5 millones en la creación de un complejo especializado para mejorar la aerodinámica de sus automóviles. Actualmente, el túnel de viento es la herramienta más importante para estudiar las fuerzas de resistencia del aire que afectan al automóvil.

Ni un solo automóvil atravesará una pared de ladrillos, pero todos los días atraviesa paredes desde el aire, que también tiene densidad.

Nadie percibe el aire o el viento como una pared. Sobre el bajas velocidades, en clima tranquilo, es difícil ver cómo el flujo de aire interactúa con el vehículo. Pero a gran velocidad, viento fuerte, la resistencia del aire (la fuerza que actúa sobre un objeto que se mueve a través del aire, también conocida como arrastre) afecta en gran medida la forma en que el automóvil acelera, cuánto gira y cómo usa el combustible.

Aquí es donde entra en juego la ciencia de la aerodinámica, que estudia las fuerzas que se generan como resultado del movimiento de los objetos en el aire. Los automóviles modernos están diseñados teniendo en cuenta la aerodinámica. Un automóvil bien aerodinámico atraviesa una pared de aire como un cuchillo a través de la mantequilla.

Debido a la baja resistencia al flujo de aire, dicho automóvil acelera mejor y consume mejor combustible, ya que el motor no tiene que gastar energía adicional para "empujar" el automóvil a través de la pared de aire.

Para mejorar la aerodinámica del coche, la forma de la carrocería se redondea para que el canal de aire fluya alrededor del coche con la menor resistencia. En los autos deportivos, la forma de la carrocería está diseñada para dirigir el flujo de aire predominantemente a lo largo de la parte inferior, verá por qué a continuación. También ponen un alerón o alerón en la cajuela del auto. El alerón trasero presiona la parte trasera del automóvil, evitando que las ruedas traseras se levanten debido al fuerte flujo de aire cuando se mueve a alta velocidad, lo que hace que el automóvil sea más estable. No todos los alerones traseros son iguales y no todos se utilizan para el propósito previsto, algunos sirven solo como un elemento de decoración automotriz que no realiza una función aerodinámica directa.

La ciencia de la aerodinámica.

Antes de hablar sobre la aerodinámica automotriz, repasemos los conceptos básicos de la física.

A medida que un objeto se mueve a través de la atmósfera, desplaza el aire circundante. El objeto también está sujeto a la gravedad y la resistencia. La resistencia se genera cuando un objeto sólido se mueve en un medio líquido, agua o aire. La resistencia aumenta con la velocidad de un objeto: cuanto más rápido se mueve por el espacio, más resistencia experimenta.

Medimos el movimiento de un objeto por los factores descritos en las leyes de Newton: masa, velocidad, peso, fuerza externa y aceleración.

La resistencia afecta directamente a la aceleración. La aceleración (a) de un objeto = su peso (W) menos su arrastre (D) dividido por su masa (m). Recuerda que el peso es el producto de la masa del cuerpo y la aceleración de la caída libre. Por ejemplo, en la Luna, el peso de una persona cambiará debido a la falta de gravedad, pero la masa seguirá siendo la misma. Simplemente pon:

A medida que un objeto acelera, la velocidad y la resistencia aumentan hasta el punto final donde la resistencia se vuelve igual al peso: el objeto no acelerará más. Imaginemos que nuestro objeto en la ecuación es un automóvil. A medida que el automóvil se mueve cada vez más rápido, más y más aire resiste su movimiento, lo que limita el automóvil a la aceleración máxima a una cierta velocidad.

Nos acercamos al número más importante: el coeficiente de resistencia aerodinámica. Este es uno de los principales factores que determina la facilidad con la que un objeto se mueve por el aire. El coeficiente de arrastre (Cd) se calcula mediante la siguiente fórmula:

Cd = D / (A * r * V/2)

Donde D es resistencia, A es área, r es densidad, V es velocidad.

Coeficiente de arrastre en un coche

Descubrimos que el coeficiente de arrastre (Cd) es un valor que mide la fuerza de la resistencia del aire aplicada a un objeto, como un automóvil. Ahora imagine que la fuerza del aire está empujando contra el automóvil mientras viaja por la carretera. A una velocidad de 110 km/h, actúa sobre él una fuerza cuatro veces mayor que a una velocidad de 55 km/h.

Las capacidades aerodinámicas de un automóvil se miden por el coeficiente de arrastre. Cuanto menor sea el valor de Cd, mejor será la aerodinámica del automóvil y más fácilmente atravesará la pared de aire que lo presiona desde diferentes lados.

Consideremos los indicadores Cd. ¿Recuerdas los Volvo angulares y cuadrados de las décadas de 1970 y 1980? en el viejo sedán volvo 960 coeficiente de arrastre 0,36. A volvo nuevo los cuerpos son lisos y lisos, gracias a lo cual el coeficiente alcanza 0,28. Las formas más suaves y aerodinámicas muestran una mejor aerodinámica que las angulares y cuadradas.

Razones por las que la aerodinámica ama las formas elegantes

Recordemos lo más aerodinámico de la naturaleza: una lágrima. La lágrima es redonda y lisa por todos lados, y se estrecha en la parte superior. Cuando la lágrima cae, el aire fluye a su alrededor con facilidad y suavidad. También en los automóviles, sobre una superficie lisa y redondeada, el aire fluye libremente, lo que reduce la resistencia del aire al movimiento de un objeto.

Hoy en día, la mayoría de los modelos tienen un coeficiente de arrastre promedio de 0,30. Los SUV tienen un coeficiente de arrastre de 0,30 a 0,40 o más. La razón del alto coeficiente en las dimensiones. Land Cruisers y Gelendvagens acomodan a más pasajeros, tienen más espacio de carga, grandes rejillas para enfriar el motor, de ahí el diseño cuadrado. Camionetas diseñadas con un Cd cuadrado deliberadamente superior a 0,40.

El diseño de la carrocería es discutible, pero el auto tiene una forma aerodinámica reveladora. El coeficiente de arrastre del Toyota Prius es de 0,24, por lo que el consumo de combustible del automóvil es bajo no solo por la planta de energía híbrida. Recuerda, cada menos 0,01 en el coeficiente reduce el consumo de combustible en 0,1 litros cada 100 kilómetros.

Modelos con poca resistencia aerodinámica:

Modelos con buena resistencia aerodinámica:

Los métodos para mejorar la aerodinámica se conocen desde hace mucho tiempo, pero los fabricantes de automóviles tardaron mucho en empezar a utilizarlos al crear nuevos vehículos.

Los modelos de los primeros coches que aparecieron nada tienen que ver con el concepto de aerodinámica. Eche un vistazo al Modelo T de Ford: el automóvil se parece más a un carruaje tirado por caballos sin un caballo, el ganador de un concurso de diseño cuadrado. A decir verdad, la mayoría de los modelos fueron pioneros y no necesitaban diseño aerodinámico, como se conducía despacio, no había nada que resistir a esa velocidad. Sin embargo, los autos de carreras de principios de 1900 comenzaron a reducirse un poco para ganar competencias a expensas de la aerodinámica.

En 1921, el inventor alemán Edmund Rumpler creó el Rumpler-Tropfenauto, que significa "coche desgarrador" en alemán. Siguiendo el modelo de la forma más aerodinámica de la naturaleza, la forma de lágrima, este modelo tenía un coeficiente de arrastre de 0,27. El diseño de Rumpler-Tropfenauto nunca encontró aceptación. Rumpler logró crear solo 100 unidades Rumpler-Tropfenauto.

En América, se dio un salto en el diseño aerodinámico en 1930, cuando el modelo chrysler flujo de aire. Inspirados en el vuelo de los pájaros, los ingenieros crearon Airflow pensando en la aerodinámica. Para mejorar el manejo, el peso del automóvil se distribuyó uniformemente entre los ejes delantero y trasero: 50/50. La sociedad, cansada de la Gran Depresión, no aceptó la apariencia poco convencional del Chrysler Airflow. El modelo fue considerado un fracaso, aunque el diseño aerodinámico del Chrysler Airflow estaba muy adelantado a su tiempo.

Las décadas de 1950 y 1960 vieron los mayores avances en la aerodinámica automotriz que provinieron del mundo de las carreras. Los ingenieros comenzaron a experimentar con diferentes formas de carrocería, sabiendo que una forma aerodinámica aceleraría los autos. Así nació la forma del coche de carreras, que ha sobrevivido hasta nuestros días. Los spoilers delanteros y traseros, las narices de pala y los kits aerodinámicos cumplieron el mismo propósito, dirigiendo el flujo de aire sobre el techo y generando la fuerza aerodinámica necesaria para las ruedas delanteras y traseras.

El túnel de viento contribuyó al éxito de los experimentos. En la siguiente parte de nuestro artículo, le diremos por qué es necesario y por qué es importante en el diseño de automóviles.

Medición de la resistencia en un túnel de viento

Para medir la eficiencia aerodinámica de un automóvil, los ingenieros tomaron prestada una herramienta de la industria de la aviación: el túnel de viento.

Un túnel de viento es un túnel con potentes ventiladores que crean un flujo de aire sobre un objeto en el interior. Un automóvil, avión u otra cosa cuya resistencia del aire es medida por ingenieros. Desde una habitación detrás del túnel, los científicos observan cómo el aire interactúa con el objeto y cómo se comportan las corrientes de aire en diferentes superficies.

El automóvil o avión dentro del túnel de viento no se mueve, pero para simular condiciones reales, los ventiladores suministran flujo de aire con velocidad diferente. A veces, los autos reales ni siquiera se conducen por la tubería: los diseñadores a menudo confían en modelos precisos creados a partir de arcilla u otras materias primas. El viento sopla sobre el automóvil en el túnel de viento y las computadoras calculan el coeficiente de arrastre.

Los túneles de viento se han utilizado desde finales de 1800, cuando intentaban crear un avión y midieron el efecto del flujo de aire en los túneles de viento. Incluso los hermanos Wright tenían una trompeta así. Después de la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros de autos de carreras, buscando una ventaja sobre la competencia, comenzaron a usar túneles de viento para evaluar la efectividad de los elementos aerodinámicos de sus diseños. Más tarde, esta tecnología se abrió paso en el mundo de los turismos y camiones.

Durante los últimos 10 años, los grandes túneles de viento que cuestan varios millones de dólares estadounidenses se han utilizado cada vez menos. El modelado por computadora está reemplazando gradualmente esta forma de probar la aerodinámica de un automóvil (más). Los túneles de viento solo se ejecutan para asegurarse de que no haya errores de cálculo en las simulaciones por computadora.

Hay más conceptos en aerodinámica que solo la resistencia del aire; también hay factores de sustentación y carga aerodinámica. Levantar (o levantar) es la fuerza que trabaja contra el peso de un objeto, levantando y sosteniendo el objeto en el aire. Downforce, lo opuesto a un ascensor, es la fuerza que empuja un objeto al suelo.

Cualquiera que piense que el coeficiente aerodinámico de los coches de carreras de Fórmula 1 de 320 km/h es bajo, se equivoca. Un coche de carreras de Fórmula 1 típico tiene un coeficiente de arrastre de alrededor de 0,70.

La razón por la cual los autos de carreras de Fórmula 1 tienen un alto coeficiente de resistencia es que estos autos están diseñados para generar la mayor carga aerodinámica posible. Con la velocidad a la que se mueven las bolas de fuego, con su peso extremadamente ligero, comienzan a experimentar elevación por altas velocidades- la física los hace elevarse en el aire como un avión. Los automóviles no están diseñados para volar (aunque el artículo: un automóvil transformador volador afirma lo contrario), y si el vehículo comienza a elevarse en el aire, solo puede esperar una cosa: un accidente devastador. Por lo tanto, la carga aerodinámica debe ser máxima para mantener el automóvil sobre el suelo a altas velocidades, lo que significa que el coeficiente de arrastre debe ser grande.

Los autos de Fórmula 1 logran una alta carga aerodinámica con la ayuda de la parte delantera y trasera. partes traseras vehículo. Estas alas dirigen el flujo de aire para que presionen el automóvil contra el suelo, la misma carga aerodinámica. Ahora puedes aumentar la velocidad de forma segura y no perderla en las curvas. Al mismo tiempo, la carga aerodinámica debe equilibrarse cuidadosamente con la elevación para que el automóvil obtenga la velocidad deseada en línea recta.

Muchos autos de producción tienen adiciones aerodinámicas para crear carga aerodinámica. la prensa criticó la aparición. Diseño polémico. Y todo porque todo Carrocería GT-R diseñado para dirigir el flujo de aire sobre el auto y regresar a través del alerón trasero ovalado, creando más carga aerodinámica. Nadie pensó en la belleza del coche.

Fuera del circuito de Fórmula 1, los alerones traseros se encuentran a menudo en autos de serie, como los sedanes. Toyota empresas y honda. A veces, estos elementos de diseño agregan un poco de estabilidad a altas velocidades. por ejemplo, en primer audi TT originalmente no tenía un spoiler, pero Audi Tuve que añadirlo cuando resultó que la forma redondeada y el peso ligero del TT creaban demasiada sustentación, lo que hacía que el coche fuera inestable a velocidades superiores a 150 km/h.

Pero si el automóvil no es un Audi TT, ni un automóvil deportivo, ni un automóvil deportivo, sino un sedán familiar común o un hatchback, no es necesario instalar un alerón. Un spoiler no mejorará el manejo de un automóvil de este tipo, ya que el "automóvil familiar" ya tiene una alta carga aerodinámica debido al alto Cx, y no puede exprimir velocidades superiores a 180 en él. spoiler en coche normal puede causar sobreviraje o, por el contrario, renuencia a entrar en las curvas. Sin embargo, si también piensas que un spoiler gigante Honda Civic está en su lugar, no dejes que nadie te convenza de esto.

En muchas áreas de la ciencia y la tecnología relacionadas con la velocidad, a menudo se vuelve necesario calcular las fuerzas que actúan sobre un objeto. coche moderno, un caza, un submarino o un tren eléctrico de alta velocidad, todos se ven afectados por las fuerzas aerodinámicas. La precisión de determinar la magnitud de estas fuerzas afecta directamente especificaciones objetos especificados y su capacidad para realizar ciertas tareas. En general, las fuerzas de fricción determinan el nivel de potencia sistema de propulsión, y las fuerzas laterales afectan la capacidad de control del objeto.

En el esquema de diseño tradicional, se utilizan purgas en túneles de viento (generalmente modelos más pequeños), pruebas en piscinas y pruebas a gran escala para determinar las fuerzas. Sin embargo, toda investigación experimental es una forma bastante costosa de obtener dicho conocimiento. Para probar un dispositivo modelo, primero debe hacerlo, luego elaborar un programa de prueba, preparar un soporte y, finalmente, realizar una serie de mediciones. Al mismo tiempo, en la mayoría de los casos, la confiabilidad de los resultados de la prueba se verá afectada por suposiciones causadas por desviaciones de las condiciones operativas reales del objeto.

¿Experimento o cálculo?

Consideremos con más detalle las razones de la discrepancia entre los resultados de los experimentos y el comportamiento real del objeto.

Cuando se estudian modelos en condiciones de espacio limitado, por ejemplo, en túneles de viento, las superficies límite tienen un efecto significativo en la estructura del flujo alrededor del objeto. Reducir la escala del modelo resuelve este problema, pero se debe tener en cuenta el cambio en el número de Reynolds (el llamado efecto de escala).

En algunos casos, las distorsiones pueden deberse a una discrepancia fundamental entre las condiciones reales del flujo alrededor del cuerpo y las simuladas en la tubería. Por ejemplo, cuando soplan automóviles o trenes a alta velocidad, la ausencia de una superficie horizontal en movimiento en un túnel de viento cambia seriamente el patrón de flujo general y también afecta el equilibrio de las fuerzas aerodinámicas. Este efecto está asociado con el crecimiento de la capa límite.

Los métodos de medición también introducen errores en las cantidades medidas. La colocación incorrecta de los sensores en el objeto o la orientación incorrecta de sus piezas de trabajo pueden generar resultados incorrectos.

Aceleración del diseño

Actualmente, las empresas líderes de la industria en la etapa de diseño preliminar utilizan ampliamente las tecnologías de modelado por computadora CAE. Esto le permite considerar más opciones al buscar el diseño óptimo.

El nivel actual de desarrollo del paquete de software ANSYS CFX amplía significativamente el alcance de su aplicación: desde el modelado de flujos laminares hasta flujos turbulentos con una fuerte anisotropía de parámetros.

Conjunto amplio Los modelos de turbulencia utilizados incluyen modelos RANS tradicionales (Reynolds Averaged Navie-Stoks), que tienen la mejor proporción"velocidad-precisión", el modelo de turbulencia SST (Shear Stress Transport) (modelo Menter de dos capas), que combina con éxito las ventajas de los modelos de turbulencia "k-e" y "k-w". Para flujos con anisotropía desarrollada, los modelos RSM (Reynolds Stress Model) son más adecuados. Un cálculo directo de los parámetros de turbulencia en las direcciones permite determinar con mayor precisión las características del movimiento de vórtice del flujo.

En algunos casos, se recomienda utilizar modelos basados ​​en teorías de vórtice: DES (Detachable Eddy Simulation) y LES (Large Eddy Simulation). Especialmente para los casos en los que es especialmente importante tener en cuenta los procesos de transición laminar-turbulenta, se ha desarrollado el Modelo de Turbulencia de Transición, basado en la probada tecnología SST. El modelo pasó por un extenso programa de prueba en varios objetos (desde máquinas de paletas hasta aviones de pasajeros) y mostró una excelente correlación con los datos experimentales.

Aviación

La creación de aviones civiles y de combate modernos es imposible sin un análisis profundo de todas sus características en la etapa inicial de diseño. La eficiencia de la aeronave, su velocidad y maniobrabilidad dependen directamente del estudio cuidadoso de la forma de las superficies de apoyo y los contornos.

Hoy en día, todas las principales empresas de fabricación de aeronaves utilizan el análisis informático hasta cierto punto en el desarrollo de nuevos productos.

Grandes oportunidades para el análisis de flujos complejos se abren para los investigadores por el modelo de transición de turbulencia, que analiza correctamente los regímenes de flujo cerca de laminar, flujos con zonas desarrolladas de separación y reinserción de flujo. Esto reduce aún más la diferencia entre los resultados de los cálculos numéricos y la imagen real del flujo.

Automotor

Un automóvil moderno debe tener una mayor eficiencia con una alta eficiencia energética. Y, por supuesto, los principales componentes definitorios son el motor y la carrocería.

Para asegurar la eficiencia de todos los sistemas del motor, el líder empresas occidentales han estado utilizando técnicas de modelado por computadora durante mucho tiempo. Por ejemplo, Robert Bosch Gmbh (Alemania), un fabricante de una amplia gama de componentes para modernos vehículos diésel, al desarrollar un sistema de suministro de combustible Carril común usó ANSYS CFX (para mejorar el rendimiento de la inyección).

BMW, cuyos motores han sido nombrados Motor Internacional del Año durante varios años seguidos, utiliza ANSYS CFX para simular procesos en cámaras de combustión de motores de combustión interna.

La aerodinámica externa también es un medio para aumentar la eficiencia del uso de la potencia del motor. Por lo general, no se trata solo de reducir el coeficiente de arrastre, sino también del equilibrio de la carga aerodinámica necesaria para cualquier automóvil de alta velocidad.

Los coches de carreras sirven como la máxima expresión de estas características. varias clases. Sin excepción, todos los participantes en el campeonato de F1 utilizan el análisis informático de la aerodinámica de sus coches. Los logros deportivos demuestran claramente los beneficios de estas tecnologías, muchas de las cuales ya se están utilizando en la creación de automóviles de producción.

En Rusia, el equipo Active-Pro Racing es pionero en esta área: coche de carreras La clase "Formula-1600" desarrolla una velocidad de más de 250 km/h y es la cúspide del automovilismo de circuito ruso. El uso del complejo ANSYS CFX (Fig. 4) para el diseño de una nueva cola aerodinámica del automóvil permitió reducir significativamente la cantidad de opciones de diseño al buscar la solución óptima.

La comparación de los datos calculados y los resultados de las purgas en un túnel de viento mostró la diferencia esperada. Se explica por el piso fijo en la tubería, lo que provocó un aumento en el espesor de la capa límite. Por lo tanto, los elementos aerodinámicos, ubicados bastante bajos, trabajaron en condiciones inusuales por sí mismos.

Sin embargo, el modelo de computadora se correspondía completamente con las condiciones reales de conducción, lo que permitió mejorar significativamente la eficiencia del plumaje del automóvil.

Construcción

Los arquitectos de hoy son más libres para acercarse apariencia edificios en construcción que hace 20 o 30 años. Las creaciones futuristas de los arquitectos modernos, por regla general, tienen formas geométricas complejas, para las cuales se desconocen los valores de los coeficientes aerodinámicos (necesarios para asignar cargas de viento de diseño a estructuras de carga).

En este caso, además de las pruebas tradicionales en túnel de viento, las herramientas CAE se utilizan cada vez más para obtener las características aerodinámicas del edificio (y los factores de fuerza). Un ejemplo de dicho cálculo en ANSYS CFX se muestra en la fig. 5.

Además, ANSYS CFX se usa tradicionalmente para modelar sistemas de ventilación y calefacción para instalaciones industriales, edificios administrativos, oficinas y complejos deportivos y de entretenimiento.

Los ingenieros de Olof Granlund Oy (Finlandia) utilizaron el paquete de software ANSYS CFX para analizar el régimen de temperatura y la naturaleza de los flujos de aire en la pista de hielo del complejo deportivo Krylatskoye (Moscú). Las gradas del estadio pueden acomodar a unos 10 mil espectadores, y la carga de calor de ellos puede ser de más de 1 MW (a razón de 100-120 W/persona). A modo de comparación: se necesita un poco más de 4 kW de energía para calentar 1 litro de agua de 0 a 100 ° C.

Arroz. 5. Distribución de la presión en la superficie de las estructuras

Resumiendo

Como puede ver, la tecnología computacional en aerodinámica ha alcanzado un nivel con el que solo podíamos soñar hace 10 años. Al mismo tiempo, no se debe oponer la simulación por computadora a la investigación experimental; es mucho mejor si estos métodos se complementan entre sí.

ANSYS CFX también permite a los ingenieros resolver problemas complejos, como determinar la deformación de una estructura cuando se le aplican cargas aerodinámicas. Esto contribuye a una declaración más correcta de muchos problemas de aerodinámica tanto interna como externa: desde problemas de aleteo de máquinas con palas hasta la acción del viento y las olas en estructuras en alta mar.

Todas las capacidades de cálculo del complejo ANSYS CFX también están disponibles en el entorno ANSYS Workbench.