نرم افزار محاسباتی آیرودینامیک و هیدرودینامیک FlowVisionطراحی شده برای دمیدن آیرودینامیکی مجازی اجسام مختلف فنی یا طبیعی. این اشیاء می تواند محصولات حمل و نقل، تاسیسات انرژی، محصولات نظامی-صنعتی و غیره باشد. FlowVisionاجازه می دهد تا جریان را در سرعت های مختلف جریان ورودی و درجات مختلف اختلال آن (درجه آشفتگی) شبیه سازی کنید.

فرآیند مدل‌سازی به‌طور دقیق در فرمول‌بندی فضایی سه‌بعدی مسئله انجام می‌شود و طبق اصل "همانطور که هست" پیش می‌رود، که حاکی از امکان مطالعه یک مدل هندسی کامل از شی کاربر بدون هیچ گونه ساده‌سازی است. سیستم ایجاد شده برای پردازش هندسه سه بعدی وارداتی به شما امکان می دهد بدون دردسر با مدل هایی با هر پیچیدگی کار کنید، جایی که کاربر در واقع سطح جزئیات شی خود را انتخاب می کند - آیا می خواهد از طریق یک مدل صاف ساده شده خارجی ضربه بزند. خطوط یا یک مدل تمام عیار با تمام عناصر ساختاری، درست تا سر پیچ روی رینگ چرخ ها و آرم سازنده به شکل یک مجسمه روی دماغه ماشین.

توزیع سرعت در مجاورت بدنه ماشین مسابقه.

تمام جزئیات در نظر گرفته شده است - پره های چرخ، تأثیر عدم تقارن پره های فرمان بر روی الگوی جریان.

FlowVisionایجاد تیم روسیهتوسعه دهندگان (شرکت TESIS، روسیه) بیش از 10 سال پیش و بر اساس تحولات مدرسه بنیادی و ریاضی داخلی است. این سیستم با این توقع ایجاد شد که کاربران دارای مدارک مختلف - دانش آموزان، معلمان، طراحان و دانشمندان - با آن کار کنند. شما می توانید هر دو مسائل ساده و پیچیده را به یک اندازه موثر حل کنید.

این محصول در صنایع مختلف، علم و آموزش - هوانوردی، فضانوردی، انرژی، کشتی سازی، خودروسازی، محیط زیست، مهندسی مکانیک، صنایع پردازش و شیمیایی، پزشکی، صنایع هسته ای و بخش دفاعی استفاده می شود و دارای بزرگترین پایگاه نصب در روسیه است.

در سال 1380 با تصمیم شورای اصلی وزارت فدراسیون روسیه FlowVision برای گنجاندن در برنامه تدریس مکانیک سیالات و مکانیک گاز در دانشگاه های روسیه توصیه شده است. در حال حاضر، FlowVision به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند آموزشی دانشگاه های پیشرو در روسیه - MIPT، MPEI، دانشگاه فنی دولتی سن پترزبورگ، دانشگاه ولادیمیر، UNN و دیگران استفاده می شود.

در سال 2005، FlowVision آزمایشات را گذراند و گواهی انطباق را از استاندارد دولتی فدراسیون روسیه دریافت کرد.

ویژگی های کلیدی

در قلب FlowVisionاصل قانون بقای جرم نهفته است - مقدار ماده وارد شده به حجم محاسبه شده بسته پر شده برابر با مقدار ماده ای است که از آن کاهش می یابد (شکل 1 را ببینید).

برنج. 1 اصل قانون بقای جرم

راه حل چنین مسئله ای با یافتن مقدار متوسط ​​یک کمیت در حجم معین بر اساس داده ها در مرزها (قضیه اوستروگرادسکی-گاوس) رخ می دهد.

برنج. 2 ادغام بر حجم بر اساس مقادیر حد

برای به دست آوردن یک راه حل دقیق تر، حجم محاسبه شده اصلی به حجم های کوچکتر تقسیم می شود.

برنج. 3 ضخیم شدن شبکه محاسباتی

روش تقسیم حجم اصلی به حجم های کوچکتر نامیده می شود ساخت شبکه محاسبه ، و آرایه حجم های به دست آمده است شبکه محاسبه ... هر حجم به دست آمده در فرآیند ساخت شبکه محاسباتی نامیده می شود سلول محاسبه ، که در هر کدام تعادل توده های ورودی و خروجی نیز رعایت می شود. حجم بسته ای که شبکه محاسباتی در آن ساخته شده است نامیده می شود منطقه محاسبه .

معماری

ایدئولوژی FlowVisionبر اساس یک معماری توزیع شده ساخته شده است، جایی که یک واحد برنامه که محاسبات حسابی را انجام می دهد می تواند بر روی هر رایانه ای در شبکه - روی یک خوشه یا لپ تاپ با عملکرد بالا قرار گیرد. معماری بسته نرم افزاری ماژولار است که به شما امکان می دهد بدون دردسر پیشرفت ها و موارد جدید را معرفی کنید عملکرد... ماژول های اصلی PrePostProcessor و یک بلوک حل کننده و همچنین چندین بلوک کمکی هستند که عملیات مختلفی را برای نظارت و تنظیم انجام می دهند.

توزیع فشار روی بدنه یک خودروی اسپرت

هدف عملکردی پیش پردازنده شامل وارد کردن هندسه حوزه محاسباتی از سیستم های مدل سازی هندسی، تنظیم مدل محیط، قرار دادن شرایط اولیه و مرزی، ویرایش یا وارد کردن مش محاسباتی و تنظیم معیارهای همگرایی است که پس از آن کنترل به حل کننده منتقل می شود. ، که فرآیند ساخت مش محاسباتی را شروع کرده و با پارامترهای مشخص شده محاسبات را انجام می دهد. در فرآیند محاسبه، کاربر این فرصت را دارد که با ابزارهای Postprocessor، نظارت بصری و کمی محاسبه را انجام دهد و روند توسعه راه حل را ارزیابی کند. هنگامی که به مقدار مورد نیاز معیار همگرایی رسید، فرآیند شمارش را می توان متوقف کرد، پس از آن، نتیجه به طور کامل در دسترس کاربر قرار می گیرد، که با استفاده از ابزارهای پس پردازشگر، می تواند داده ها را پردازش کند - نتایج را تجسم کند و نتایج را کمی سازی کند. ذخیره در فرمت های داده خارجی

شبکه محاسباتی

V FlowVisionیک شبکه محاسباتی مستطیلی استفاده می شود که به طور خودکار با مرزهای حوزه محاسباتی و راه حل سازگار می شود. تقریب مرزهای منحنی با درجه دقت بالا با استفاده از روش تفکیک هندسی زیرشبکه ارائه شده است. این رویکرد به شما امکان می دهد با مدل های هندسی متشکل از سطوح با هر پیچیدگی کار کنید.

دامنه محاسباتی اولیه

مش متعامد روی منطقه پوشانده شده است

برش مش اولیه به مرزهای منطقه

شبکه محاسباتی نهایی

تولید خودکار مش محاسباتی با در نظر گرفتن انحنای سطح

اگر نیاز به شفاف سازی راه حل در مرز یا در محل مناسب حجم محاسبه شده باشد، می توان به صورت دینامیکی شبکه محاسباتی را تطبیق داد. سازگاری قطعه قطعه شدن سلول است سطح پایین تربه سلول های کوچکتر انطباق می تواند بر اساس شرایط مرزی، حجم و تصمیم باشد. مش در مرز مشخص شده در اقتباس شده است مکان مشخص شدهدامنه محاسباتی یا توسط راه حل، با در نظر گرفتن تغییر در متغیر و گرادیان. سازگاری هم در جهت پالایش مش و هم در داخل انجام می شود سمت معکوس- ادغام سلول های کوچک به سلول های بزرگتر، تا مش سطح ورودی.

فناوری انطباق مش محاسباتی

اجسام متحرک

فناوری بدنه متحرک به شما امکان می دهد بدنه ای با شکل هندسی دلخواه را در داخل حوزه محاسباتی قرار دهید و به آن حرکت انتقالی و / یا چرخشی بدهید. قانون حرکت می تواند در زمان و مکان ثابت یا متغیر باشد. حرکت بدن به سه روش اصلی مشخص می شود:

به صراحت از طریق تنظیم سرعت بدن؛
- با تنظیم نیروی وارد بر بدن و جابجایی آن از نقطه شروع

از طریق تأثیر محیطی که بدن در آن قرار می گیرد.

هر سه روش را می توان با یکدیگر ترکیب کرد.

انداختن موشک در جریان ناپایدار تحت اثر گرانش

بازتولید آزمایش ماخ: حرکت توپ با سرعت 800 متر بر ثانیه

محاسبات موازی

یکی از ویژگی های کلیدی بسته نرم افزاری FlowVisionفن‌آوری‌های محاسبات موازی، زمانی که از چندین پردازنده یا هسته پردازشگر برای حل یک مشکل استفاده می‌شود، که باعث می‌شود سرعت محاسبه به نسبت تعداد آنها افزایش یابد.

افزایش سرعت محاسبه مشکل، بسته به تعداد هسته های درگیر

روش اجرای موازی کاملاً خودکار است. کاربر فقط باید تعداد هسته ها یا پردازنده هایی را که وظیفه روی آنها اجرا می شود را مشخص کند. این الگوریتم تمام اقدامات بعدی را برای تقسیم دامنه محاسباتی به قطعات و تبادل داده بین آنها، انتخاب بهترین پارامترها انجام می دهد.

تجزیه سلول های نزدیک به سطح به 16 پردازنده برای مشکلات دو ماشین

فرمان FlowVisionروابط نزدیک با نمایندگان جوامع HPC (محاسبات با عملکرد بالا) داخلی و خارجی و مشارکت در پروژه های مشترک با هدف دستیابی به فرصت های جدید در زمینه افزایش بهره وری در محاسبات موازی.

در سال 2007، FlowVision، همراه با مرکز محاسبات تحقیقاتی دانشگاه دولتی مسکو، در برنامه فدرال برای ایجاد یک سیستم اسکان موازی ترافلاپ ملی شرکت کردند. به عنوان بخشی از این برنامه، تیم توسعه، FlowVision را برای انجام محاسبات در مقیاس بزرگ در خود تطبیق می دهد فن آوری پیشرفته... خوشه SKIF-Chebyshev نصب شده در مرکز محاسبات تحقیقاتی دانشگاه دولتی مسکو به عنوان یک پلت فرم سخت افزاری آزمایشی استفاده می شود.

خوشه SKIF-Chebyshev در مرکز محاسبات تحقیقاتی دانشگاه دولتی مسکو نصب شده است

SKIF- FlowVisionبرای بهبود کارایی محاسبات موازی. در ژوئن 2008، اولین محاسبات عملی در 256 گره طراحی به صورت موازی انجام شد.

در سال 2009، تیم FlowVision به همراه مرکز محاسبات تحقیقاتی دانشگاه دولتی مسکو، شرکت فناوری سیگما و مرکز علمی دولتی TsAGI، در برنامه هدف فدرال برای ایجاد الگوریتم‌هایی برای حل مسائل بهینه‌سازی موازی در مسائل آیرودینامیک و آئرودینامیک شرکت کردند. هیدرودینامیک

متن، تصاویر: شرکت TESIS

از آنجایی که انسان اول یک سنگ تیز را در انتهای نیزه ثابت کرد، مردم همیشه در تلاش برای یافتن هستند بهترین شکلاجسام در حال حرکت در هوا اما معلوم شد که این ماشین یک پازل آیرودینامیکی بسیار پیچیده است.

مبانی محاسبات کشش برای حرکت خودروها در جاده به ما چهار نیروی اصلی را ارائه می دهد که در حین رانندگی بر روی خودرو تأثیر می گذارد: مقاومت هوا، مقاومت در برابر غلتش، مقاومت در برابر بلند کردن و نیروهای اینرسی. لازم به ذکر است که تنها دو مورد اول اصلی هستند. نیروی مقاومت غلتشی چرخ ماشینعمدتاً به تغییر شکل لاستیک و جاده در منطقه تماس بستگی دارد. اما در حال حاضر با سرعت 50-60 کیلومتر در ساعت، نیروی مقاومت هوا از هر نیروی دیگری فراتر می رود و در سرعت های بالاتر از 70-100 کیلومتر در ساعت از همه آنها پیشی می گیرد. برای اثبات این جمله، باید فرمول تقریبی زیر را ارائه داد: Px = Cx * F * v2، که در آن: Px - نیروی مقاومت هوا. v - سرعت وسیله نقلیه (m / s)؛ F ناحیه طرح ریزی ماشین بر روی صفحه عمود بر محور طولی ماشین یا مساحت بزرگترین سطح مقطع ماشین، یعنی سطح جلو (m2) است. Cx - ضریب مقاومت هوا (ضریب جریان سازی). توجه داشته باشید. سرعت در فرمول مجذور است، به این معنی که وقتی مثلاً دو برابر شود، نیروی مقاومت هوا چهار برابر می شود.

در عین حال، مصرف برق مورد نیاز برای غلبه بر آن هشت برابر رشد می کند! در مسابقات نسکار، جایی که سرعت از مرز 300 کیلومتر در ساعت فراتر می رود، به طور تجربی ثابت شده است که برای افزایش حداکثر سرعت تنها به میزان 8 کیلومتر در ساعت، باید قدرت موتور را 62 کیلو وات (83 اسب بخار) افزایش داد یا قدرت موتور را کاهش داد. Cx 15% ... راه دیگری وجود دارد - کاهش ناحیه جلویی ماشین. بسیاری از ابرخودروهای پرسرعت بسیار پایین تر هستند ماشین های معمولی... این فقط نشانه کار برای کاهش ناحیه پیشانی است. با این حال، این روش تا حدودی قابل انجام است، در غیر این صورت استفاده از چنین خودرویی غیرممکن خواهد بود. به همین دلیل و دلایل دیگر، ساده سازی یکی از مسائل اصلی در طراحی خودرو است. البته نیروی درگ تنها تحت تأثیر سرعت خودرو و پارامترهای هندسی آن نیست. به عنوان مثال، هر چه چگالی هوا بیشتر باشد، مقاومت بیشتر است. به نوبه خود، چگالی هوا به طور مستقیم به دما و ارتفاع آن از سطح دریا بستگی دارد. با افزایش دما، چگالی هوا (و از این رو ویسکوزیته آن) افزایش می‌یابد، اما در کوه‌ها هوا کمیاب‌تر و چگالی آن کمتر است و غیره. چنین تفاوت های ظریف زیادی وجود دارد.

اما برگردیم به شکل ماشین. کدام موضوع بهترین جریان سازی را دارد؟ پاسخ این سوال را تقریباً هر دانش آموزی (که در درس فیزیک نخوابیده است) می داند. یک قطره آب که به پایین می ریزد آیرودینامیک ترین شکل را به خود می گیرد. یعنی یک سطح جلوی گرد و یک پشت بلند باریک و صاف (بهترین نسبت 6 برابر طول عرض است). ضریب درگ یک مقدار آزمایشی است. از نظر عددی، برابر با نیروی مقاومت هوا بر حسب نیوتن است که هنگام حرکت با سرعت 1 متر بر ثانیه در هر 1 متر مربع از ناحیه جلویی ایجاد می شود. برای یک واحد مرجع، مرسوم است که Cx یک صفحه مسطح را = 1 در نظر بگیریم. بنابراین، یک قطره آب دارای Cx = 0.04 است. حالا ماشینی به این شکل را تصور کنید. مزخرف است، اینطور نیست؟ چنین چیزی روی چرخ ها نه تنها تا حدودی کاریکاتوری به نظر می رسد، بلکه استفاده از این خودرو برای هدف مورد نظرش چندان راحت نخواهد بود. بنابراین، طراحان مجبور هستند بین آیرودینامیک خودرو و راحتی استفاده از آن سازشی پیدا کنند. تلاش های مداوم برای کاهش ضریب مقاومت هواییمنجر به این واقعیت شد که برای برخی از اتومبیل های مدرن Cx = 0.28-0.25. خوب، ماشین های پرسرعت رکورد Cx = 0.2-0.15 دارند.

نیروهای مقاومت

حال لازم است کمی از خواص هوا بگوییم. همانطور که می دانید هر گازی از مولکول ها تشکیل شده است. آنها در حرکت و تعامل دائمی با یکدیگر هستند. نیروهای به اصطلاح واندروالس به وجود می آیند - نیروهای جذب متقابل مولکول ها که از حرکت آنها نسبت به یکدیگر جلوگیری می کند. برخی از آنها با شدت بیشتری به بقیه می چسبند. و با افزایش حرکت هرج و مرج مولکول ها، اثربخشی اثر یک لایه هوا بر لایه دیگر افزایش می یابد و ویسکوزیته افزایش می یابد. و این به دلیل افزایش دمای هوا اتفاق می افتد و این می تواند هم در اثر گرمای مستقیم خورشید و هم به طور غیرمستقیم از اصطکاک هوا در برابر هر سطحی یا صرفاً لایه های آن بین یکدیگر ایجاد شود. اینجاست که سرعت حرکت تاثیر می گذارد. برای اینکه بفهمید این موضوع چگونه روی ماشین تاثیر می گذارد، فقط سعی کنید دست خود را با کف دست باز تکان دهید. اگر این کار را به آرامی انجام دهید، هیچ اتفاقی نمی افتد، اما اگر دست خود را با شدت بیشتری تکان دهید، کف دست به وضوح مقداری مقاومت را درک می کند. اما این تنها یک جزء است.

هنگامی که هوا بر روی برخی از سطوح ثابت حرکت می کند (مثلاً بدنه یک ماشین)، همان نیروهای واندروالس به این واقعیت کمک می کند که نزدیکترین لایه مولکول ها شروع به چسبیدن به آن کند. و این لایه "گیر" لایه بعدی را کند می کند. و بنابراین، لایه به لایه، و هر چه مولکول های هوا سریعتر حرکت کنند، از سطح ساکن دورتر می شوند. در نهایت سرعت آنها با سرعت جریان اصلی هوا برابر می شود. لایه ای که ذرات در آن به آرامی حرکت می کنند، لایه مرزی نامیده می شود و در هر سطحی ظاهر می شود. هر چه مقدار انرژی سطحی ماده پوشش دهنده خودرو بیشتر باشد، سطح آن در سطح مولکولی با محیط هوای اطراف قوی تر است و انرژی بیشتری باید صرف تخریب این نیروها شود. حال بر اساس محاسبات نظری فوق می توان گفت که مقاومت هوا فقط وزش باد به داخل نیست. شیشه جلو... این فرآیند دارای اجزای بیشتری است.

مقاومت فرم

این مهمترین بخش است - تا 60٪ از کل تلفات آیرودینامیکی. این اغلب به عنوان مقاومت فشار یا کشش نامیده می شود. هنگام رانندگی، خودرو جریان هوای ورودی را فشرده می کند و بر تلاش برای جدا کردن مولکول های هوا غلبه می کند. نتیجه یک منطقه است فشار خون بالا... علاوه بر این، هوا در اطراف سطح ماشین جریان دارد. در این فرآیند، شکستن جت های هوا با تشکیل گرداب ها وجود دارد. توقف نهایی جریان هوا در عقب خودرو، ناحیه ای با کاهش فشار ایجاد می کند. مقاومت در جلو و اثر مکش در عقب خودرو مخالفت بسیار قوی ایجاد می کند. این واقعیت طراحان و سازندگان را مجبور می کند که به دنبال راه هایی برای ساخت بدنه باشند. روی قفسه ها بچینید.

حالا باید شکل ماشین را به قول خودشان «از سپر تا سپر» در نظر گرفت. کدام قطعات و عناصر تاثیر بیشتری بر آیرودینامیک کلی خودرو دارند؟ قسمت جلویی بدن. آزمایش‌ها در تونل باد نشان داده است که برای آیرودینامیک بهتر، قسمت جلویی بدنه باید کم، پهن و دارای گوشه‌های تیز نباشد. در این حالت جریان هوا از هم جدا نمی شود که تأثیر بسیار مفیدی بر روان شدن خودرو دارد. کوره رادیاتور اغلب نه تنها کاربردی، بلکه تزئینی نیز می باشد. از این گذشته، رادیاتور و موتور باید جریان هوای موثری داشته باشند، بنابراین این عنصر بسیار مهم است. برخی از خودروسازان ارگونومی و توزیع هوا در محفظه موتور را به اندازه آیرودینامیک عمومی یک خودرو جدی می‌گیرند. شیب شیشه جلو نمونه بسیار واضحی از مبادله بین آیرودینامیک، ارگونومی و عملکرد است. شیب ناکافی مقاومت بیش از حد ایجاد می کند، و بیش از حد - باعث افزایش گرد و غبار و جرم خود شیشه می شود، دید در هنگام غروب به شدت کاهش می یابد، لازم است اندازه برف پاک کن افزایش یابد، و غیره. انتقال از شیشه به دیواره جانبی باید به آرامی انجام شود.

اما نباید تحت تأثیر انحنای بیش از حد شیشه قرار بگیرید - این می تواند اعوجاج را افزایش دهد و دید را مختل کند. تأثیر ستون شیشه جلو بر نیروی کشش به شدت به موقعیت و شکل شیشه جلو و همچنین شکل قسمت جلویی بستگی دارد. اما، هنگام کار بر روی شکل ستون، نباید محافظت از شیشه های جانبی جلو در برابر آب باران و کثیفی های دمیده شده از شیشه جلو، حفظ سطح قابل قبولی از صدای آیرودینامیکی خارجی و غیره سقف را فراموش کرد. افزایش برآمدگی سقف می تواند منجر به کاهش ضریب درگ شود. اما افزایش قابل توجه برآمدگی می تواند با طراحی کلی خودرو در تضاد باشد. علاوه بر این، اگر افزایش تحدب با افزایش همزمان ناحیه مقاومت پیشانی همراه باشد، نیروی مقاومت هوا افزایش می یابد. از سوی دیگر، اگر سعی کنید ارتفاع اصلی را حفظ کنید، شیشه جلو و شیشه های عقب باید در سقف ها تعبیه شوند، زیرا دید نباید بدتر شود. این امر منجر به افزایش قیمت عینک خواهد شد، در حالی که کاهش نیروی مقاومت هوا در این مورد چندان چشمگیر نیست.

سطوح جانبی از نقطه نظر آیرودینامیکی خودرو، سطوح جانبی تأثیر کمی در ایجاد جریان بدون گرداب دارند. اما شما نمی توانید آنها را بیش از حد گرد کنید. در غیر این صورت، سوار شدن به چنین خودرویی دشوار خواهد بود. در صورت امکان، شیشه ها باید با سطح جانبی یکپارچه و در یک راستا با کانتور بیرونی خودرو باشند. هر گونه پله و پرش موانع اضافی برای عبور هوا ایجاد می کند و تلاطم های ناخواسته ظاهر می شود. متوجه خواهید شد که ناودان هایی که قبلاً تقریباً در هر وسیله نقلیه ای وجود داشت، دیگر استفاده نمی شود. راه حل های طراحی دیگری ظاهر شده اند که تأثیر زیادی بر آیرودینامیک خودرو ندارند.

شاید قسمت عقب ماشین بیشترین تاثیربر روی ضریب ساده سازی توضیح ساده است. در عقب، جریان هوا قطع می شود و گرداب ایجاد می کند. تقریباً غیرممکن است که قسمت عقب اتومبیل به اندازه یک کشتی هوایی (6 برابر عرض) باشد. بنابراین روی فرم آن با دقت بیشتری کار می کنند. یکی از پارامترهای اصلی، زاویه شیب عقب خودرو است. یک نمونه قبلاً تبدیل به کتاب درسی شده است ماشین روسی"Moskvich-2141"، جایی که تصمیم ناگوار قسمت عقب به طور قابل توجهی آیرودینامیک کلی خودرو را بدتر کرد. اما از سوی دیگر، شیشه عقب"مسکویت" همیشه پاک مانده است. دوباره سازش کن به همین دلیل است که بسیاری از اتصالات اضافی به طور خاص برای عقب خودرو ساخته می شوند: اسپویلرها، اسپویلرها و غیره. همراه با زاویه شیب عقب، ضریب درگ آیرودینامیکی به شدت تحت تأثیر طراحی و شکل لبه جانبی قرار می گیرد. عقب ماشین به عنوان مثال، اگر تقریباً به هر خودروی مدرنی از بالا نگاه کنید، بلافاصله می توانید متوجه شوید که بدنه در جلو پهن تر از عقب است. این هم آیرودینامیک است. قسمت زیرین ماشین.

همانطور که در ابتدا به نظر می رسد، این قسمت از بدنه هیچ تاثیری بر آیرودینامیک ندارد. اما در اینجا جنبه ای به عنوان نیروی پایین وجود دارد. پایداری ماشین به آن بستگی دارد و اینکه چگونه جریان هوا در زیر ماشین به درستی سازماندهی می شود، در نتیجه قدرت "چسبیدن" آن به جاده بستگی دارد. یعنی اگر هوای زیر خودرو معطل نشود، اما به سرعت جریان یابد، فشار کاهش یافته ناشی از آن، ماشین را به جاده فشار می دهد. این امر به ویژه برای وسایل نقلیه معمولی مهم است. واقعیت این است که در اتومبیل‌های مسابقه‌ای که بر روی سطوح باکیفیت و یکنواخت رقابت می‌کنند، می‌توانید فاصله کم از زمین را تعیین کنید که اثر «کوسن زمین» ظاهر شود، که در آن نیروی رو به پایین افزایش می‌یابد و درگ کاهش می‌یابد. برای ماشین های معمولیفاصله کم از سطح زمین غیر قابل قبول است. بنابراین، طراحان اخیراً سعی کرده‌اند تا حد امکان پایین خودرو را صاف کرده و با سپرهایی مانند عناصر ناهموار بپوشانند. لوله های اگزوز، بازوهای تعلیق و غیره. قوس چرختاثیر بسیار زیادی بر آیرودینامیک خودرو دارند. سوله های طراحی نادرست می توانند بالابر اضافی ایجاد کنند.

و دوباره باد

نیازی به گفتن نیست که قدرت موتور مورد نیاز به کارآمد بودن خودرو و در نتیجه مصرف سوخت (یعنی کیف پول) بستگی دارد. با این حال، آیرودینامیک فراتر از سرعت و کارایی است. مهم ترین وظیفه تضمین خیر است ثبات جهت، هندلینگ وسیله نقلیه و کاهش صدا در هنگام رانندگی. با سر و صدا، همه چیز واضح است: هرچه ساده تر بودن ماشین، کیفیت سطوح، اندازه شکاف ها و تعداد عناصر بیرون زده و غیره کمتر باشد، سر و صدای کمتری دارد. طراحان باید به جنبه ای مانند لحظه آشکار شدن فکر کنند. این اثر برای اکثر رانندگان به خوبی شناخته شده است. کسی که تا به حال رانندگی کرده است سرعت بالاگذشته از "کامیون" یا فقط در یک باد شدید عبور کرد، باید ظاهر یک رول یا حتی یک چرخش جزئی ماشین را احساس می کرد. توضیح این اثر منطقی نیست، اما این دقیقاً مشکل آیرودینامیک است.

به همین دلیل است که ضریب Cx تنها ضریب نیست. از این گذشته، هوا می تواند نه تنها "سر به سر"، بلکه از زوایای مختلف و در جهات مختلف روی ماشین تأثیر بگذارد. و همه اینها بر روی حمل و نقل و ایمنی تأثیر می گذارد. اینها تنها تعدادی از جنبه های اصلی است که بر نیروی کلی مقاومت هوا تأثیر می گذارد. محاسبه تمام پارامترها غیرممکن است. فرمول های موجود تصویر کاملی را ارائه نمی دهند. بنابراین، طراحان آیرودینامیک خودرو را بررسی کرده و شکل آن را با استفاده از ابزار گران قیمتی تنظیم می کنند لوله آیرودینامیک... شرکت های غربی برای ساخت و ساز خود از پول دریغ نمی کنند. هزینه چنین مراکز تحقیقاتی می تواند به میلیون ها دلار برسد. به عنوان مثال: دایملر-کرایسلر 37.5 میلیون دلار در ایجاد یک مجموعه تخصصی برای بهبود آیرودینامیک خودروهای خود سرمایه گذاری کرده است. در حال حاضر، تونل باد مهم ترین ابزار برای مطالعه نیروهای مقاومت هوا است که بر یک خودرو تأثیر می گذارد.

مقررات فعلی به تیم‌ها اجازه می‌دهد مدل‌هایی از خودروها را در تونل باد آزمایش کنند که از 60 درصد مقیاس تجاوز نمی‌کنند. پت سیموندز مدیر سابق تیم رنو در مصاحبه ای با F1Racing در مورد ویژگی های این شغل صحبت کرد.

پت سیموندز: «امروزه، همه تیم‌ها با مدل‌های مقیاس 50 یا 60 درصد کار می‌کنند، اما همیشه اینطور نبود. اولین آزمایش های آیرودینامیکی در دهه 80 با ماکت هایی با 25 درصد ارزش واقعی انجام شد - قدرت تونل های باد در دانشگاه ساوتهمپتون و کالج امپریال لندن اجازه نمی داد - فقط در آنجا امکان نصب وجود داشت. مدل های روی پایه متحرک سپس تونل‌های باد ظاهر شدند که در آن‌ها امکان کار با مدل‌های 33% و 50% وجود داشت و اکنون، به دلیل نیاز به محدود کردن هزینه‌ها، تیم‌ها موافقت کردند که مدل‌ها را بیش از 60% با سرعت جریان هوا بدون هیچ آزمایشی آزمایش کنند. بیش از 50 متر در ثانیه

هنگام انتخاب مقیاس مدل، تیم ها از قابلیت های تونل باد موجود استفاده می کنند. برای به دست آوردن نتایج دقیق، ابعاد مدل نباید بیش از 5٪ از سطح کاری لوله باشد. تولید مدل‌های مقیاس کوچک‌تر ارزان‌تر است، اما هرچه مدل کوچک‌تر باشد، حفظ دقت مورد نیاز دشوارتر است. مانند بسیاری دیگر از مسائل مربوط به توسعه اتومبیل فرمول 1، در اینجا باید بهترین سازش را پیدا کنید.

در زمان های قدیم، مدل هایی از چوب درخت دیرا در حال رشد در مالزی ساخته می شد که چگالی کمی دارد، اکنون از تجهیزات استریولیتوگرافی لیزری استفاده می شود - یک پرتو لیزر مادون قرمز مواد کامپوزیت را پلیمریزه می کند و بخشی با ویژگی های مشخص را به دست می آورد. خروجی این روش آزمایش اثربخشی یک ایده مهندسی جدید را در یک تونل باد در عرض چند ساعت ممکن می سازد.

هرچه مدل با دقت بیشتری اجرا شود، اطلاعات به دست آمده در طول پاکسازی آن قابل اعتمادتر است. هر چیز کوچکی در اینجا مهم است، حتی از طریق لوله های اگزوز، جریان گازها باید با همان سرعت یک ماشین واقعی عبور کند. تیم ها در تلاش برای دستیابی به بالاترین دقت ممکن شبیه سازی برای تجهیزات موجود هستند.

برای سال‌ها، کپی‌های بزرگی از نایلون یا فیبر کربن به‌جای لاستیک‌ها استفاده می‌شد، و زمانی که میشلن کپی‌های کوچک‌شده دقیقی از تایرهای مسابقه‌ای خود ساخت، پیشرفت‌های جدی حاصل شد. مدل دستگاه مجهز به انواع سنسورها برای اندازه گیری فشار هوا و سیستمی است که به شما امکان تغییر تعادل را می دهد.

مدل ها، از جمله تجهیزات اندازه گیری نصب شده روی آنها، از نظر هزینه نسبت به ماشین های واقعی کمی پایین تر هستند - به عنوان مثال، آنها گران تر از ماشین های واقعی GP2 هستند. این در واقع یک تصمیم فوق العاده سخت است. یک قاب اولیه با سنسور حدود 800 هزار دلار قیمت دارد، می توان از آن برای چندین سال استفاده کرد، اما معمولا تیم ها دو مجموعه دارند تا کار را متوقف نکنند.

هر تجدید نظر عناصر بدنیا تعلیق منجر به نیاز به ساخت نسخه جدیدی از کیت بدنه می شود که یک چهارم میلیون دیگر هزینه دارد. ضمن اینکه بهره برداری از خود تونل باد ساعتی حدود هزار دلار هزینه دارد و نیاز به حضور 90 کارمند دارد. تیم های جدی حدود 18 میلیون دلار در هر فصل برای این تحقیق هزینه می کنند.

هزینه ها دارد جواب می دهد. افزایش 1 درصدی نیروی داون فورس به شما امکان می دهد یک دهم ثانیه در یک آهنگ واقعی بازی کنید. در شرایط مقررات پایدار، مهندسان تقریباً در ماه بازی می کنند، به طوری که فقط در بخش مدل سازی، هر دهم 1.5 میلیون دلار برای تیم هزینه دارد.

هیچ ماشینی از دیوار آجری عبور نمی کند، اما هر روز از هوایی که چگالی هم دارد از دیوارها عبور می کند.

هیچ کس هوا یا باد را به عنوان یک دیوار درک نمی کند. در سرعت های کم، در هوای آرام، به سختی می توان دید که چگونه جریان هوا با خودرو تعامل می کند. اما با سرعت بالا، در باد شدیدمقاومت هوا (نیروی وارد شده به جسمی که در هوا در حال حرکت است - همچنین به عنوان درگ تعریف می شود) به شدت بر شتاب خودرو، میزان مدیریت آن و نحوه استفاده از سوخت تأثیر می گذارد.

اینجاست که علم آیرودینامیک وارد عمل می شود که نیروهای ایجاد شده از حرکت اجسام در هوا را مطالعه می کند. خودروهای مدرن با در نظر گرفتن آیرودینامیک طراحی می شوند. خودرویی با آیرودینامیک خوب مانند چاقو از دیواره هوا عبور می کند.

به دلیل مقاومت کم در برابر جریان هوا، چنین خودرویی شتاب بهتری دارد و سوخت بهتری مصرف می کند، زیرا موتور مجبور نیست نیروهای اضافی را برای "هل دادن" خودرو از طریق دیواره هوا هدر دهد.

برای بهبود آیرودینامیک خودرو، شکل بدنه گرد است تا کانال هوا با کمترین مقاومت در اطراف خودرو جریان یابد. در خودروهای اسپرت، شکل بدنه طوری طراحی شده است که جریان هوا را عمدتاً در امتداد قسمت پایین هدایت می کند، سپس متوجه خواهید شد که چرا. روی صندوق عقب ماشین هم بال یا اسپویلر می گذارند. بال عقب خودرو را برای جلوگیری از بلند شدن فشار می دهد چرخهای عقب، به دلیل جریان شدید هوا در هنگام حرکت با سرعت بالا که باعث پایداری دستگاه می شود. همه بال‌های عقب یکسان نیستند و همه برای هدف مورد نظر خود استفاده نمی‌شوند، برخی فقط به عنوان عنصری از دکور خودرو هستند که عملکرد مستقیم آیرودینامیک را انجام نمی‌دهند.

علم آیرودینامیک

قبل از اینکه در مورد آیرودینامیک خودرو صحبت کنیم، بیایید به اصول اولیه فیزیک بپردازیم.

هنگامی که یک جسم در جو حرکت می کند، جابه جا می شود هوای محیط... جسم نیز در معرض گرانش و مقاومت است. هنگامی که یک جسم جامد در یک محیط مایع - آب یا هوا - حرکت می کند، مقاومت ایجاد می شود. مقاومت با سرعت یک جسم افزایش می یابد - هر چه سریعتر در فضا حرکت کند، مقاومت بیشتری را تجربه می کند.

ما حرکت یک جسم را با عواملی که در قوانین نیوتن توضیح داده شده است - جرم، سرعت، وزن، نیروی خارجی و شتاب اندازه گیری می کنیم.

مقاومت مستقیماً بر شتاب تأثیر می گذارد. شتاب (a) یک جسم = وزن آن (W) منهای مقاومت (D) تقسیم بر جرم آن (m). به یاد داشته باشید که وزن محصول جرم بدن و شتاب گرانشی است. به عنوان مثال، در ماه، وزن فرد به دلیل کمبود جاذبه تغییر می کند، اما جرم ثابت می ماند. به زبان ساده:

همانطور که جسم شتاب می گیرد، سرعت و مقاومت تا نقطه پایانی که در آن مقاومت برابر با وزن می شود افزایش می یابد - جسم دیگر شتاب نمی گیرد. بیایید تصور کنیم که جسم ما در معادله یک ماشین است. همانطور که ماشین سریعتر و سریعتر حرکت می کند، هوای بیشتری در برابر حرکت آن مقاومت می کند و ماشین را به حداکثر شتاب خود در سرعت معین محدود می کند.

به مهمترین عدد می رسیم - ضریب درگ آیرودینامیکی. این یکی از عوامل اصلی است که تعیین می کند یک جسم چقدر راحت در هوا حرکت می کند. ضریب درگ (Cd) با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

سی دی = D / (A * r * V / 2)

جایی که D مقاومت، A مساحت، r چگالی، V سرعت است.

ضریب درگ آیرودینامیک در خودرو

ما متوجه شدیم که ضریب درگ (Cd) کمیتی است که نیروی مقاومت هوا را که به یک جسم، مانند ماشین اعمال می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. حال تصور کنید که نیروی هوا بر روی ماشین در هنگام حرکت در جاده فشار می آورد. با سرعت 110 کیلومتر در ساعت، تحت تأثیر نیرویی چهار برابر بیشتر از سرعت 55 کیلومتر در ساعت قرار می گیرد.

قابلیت های آیرودینامیکی یک خودرو با ضریب درگ اندازه گیری می شود. هرچه مقدار Cd کمتر باشد، آیرودینامیک خودرو بهتر است و راحت تر از دیواره هوا عبور می کند که از جهات مختلف روی آن فشار می آورد.

اندیکاتورهای سی دی را در نظر بگیرید. ولووی جعبه‌ای و زاویه‌دار دهه‌های 1970 و 80 را به خاطر دارید؟ قدیمی سدان ولووضریب درگ 960 0.36. بدنه ولوو جدید صاف و صاف است که به لطف آن ضریب آن به 0.28 می رسد. اشکال صاف و ساده تر، آیرودینامیک بهتری نسبت به شکل های زاویه ای و مربعی نشان می دهند.

دلایلی که چرا آیرودینامیک شکل های براق را دوست دارد

بیایید آیرودینامیک ترین چیز در طبیعت را به یاد بیاوریم - اشک. پارگی از همه طرف گرد و صاف است و در قسمت بالا مخروطی است. وقتی اشک می ریزد، هوا به راحتی و به آرامی در اطراف آن جریان دارد. همچنین در اتومبیل ها - هوا آزادانه روی یک سطح صاف و گرد جریان دارد و مقاومت هوا در برابر حرکت اجسام را کاهش می دهد.

امروزه اکثر مدل ها دارای ضریب درگ متوسط ​​0.30 هستند. ضریب درگ خودروهای SUV بین 0.30 تا 0.40 یا بیشتر است. دلیل بالا بودن نسبت در ابعاد است. لندکروزها و گلندواگن ها مسافران بیشتری را در خود جای می دهند، فضای بار بیشتری دارند، توری های بزرگتری برای خنک کردن موتور دارند، از این رو طراحی مربع مانندی دارند. پیکاپ هایی که طراحی آنها به صورت هدفمند مربع است دارای سی دی بیشتر از 0.40 هستند.

طراحی بدنه بحث برانگیز است، اما شکل آیرودینامیکی خودرو نشانگر آن است. ضریب درگ تویوتا پریوس 0.24 است، بنابراین مصرف سوخت خودرو کم است، نه تنها به دلیل نیروگاه هیبریدی. به یاد داشته باشید که هر منهای 0.01 در ضریب مصرف سوخت را 0.1 لیتر در هر 100 کیلومتر کاهش می دهد.

مدل های درگ ضعیف:

مدل های با کشش آیرودینامیکی خوب:

تکنیک‌های بهبود آیرودینامیک مدت‌هاست که وجود داشته است، اما زمان زیادی طول کشید تا خودروسازان شروع به استفاده از آن‌ها هنگام ساخت وسایل نقلیه جدید کنند.

مدل های اولین خودروهایی که ظاهر شدند هیچ ربطی به مفهوم آیرودینامیک ندارند. به مدل T نگاهی بیندازید آب کم عمق- ماشین بیشتر شبیه کالسکه اسب بدون اسب است - برنده مسابقه طراحی مربع. حقیقت را بخواهید، اکثر مدل ها پیشگام بودند و نیازی به طراحی آیرودینامیکی نداشتند، زیرا آنها آهسته رانندگی می کردند، در آن سرعت چیزی برای مقاومت وجود نداشت. ولی ماشین های مسابقه ایدر آغاز دهه 1900، آنها به تدریج به منظور برنده شدن در مسابقات به دلیل آیرودینامیک باریک شدند.

در سال 1921، مخترع آلمانی، ادموند رامپلر، Rumpler-Tropfenauto را ساخت که در آلمانی به معنای "ماشین - یک اشک" است. این مدل با الهام از آیرودینامیک ترین شکل طبیعت، شکل اشک، دارای ضریب درگ 0.27 بود. طراحی Rumpler-Tropfenauto هرگز شناخته نشد. Rumpler موفق شد تنها 100 واحد Rumpler-Tropfenauto ایجاد کند.

در آمریکا، جهش در طراحی آیرودینامیک در دهه 1930 با کرایسلر ایرفلو اتفاق افتاد. مهندسان با الهام از پرواز پرندگان، Airflow را با در نظر گرفتن آیرودینامیک طراحی کردند. برای بهبود هندلینگ، وزن خودرو به طور مساوی بین محورهای جلو و عقب توزیع شد - 50/50. جامعه که از رکود بزرگ خسته شده بود، هرگز ظاهر غیر متعارف کرایسلر جریان هوا را نپذیرفت. این مدل یک شکست در نظر گرفته شد، اگرچه طراحی ساده کرایسلر ایرفلو بسیار جلوتر از زمان خود بود.

دهه‌های 1950 و 60 شاهد بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در آیرودینامیک خودرو بودیم که از دنیای مسابقه‌ای به دست آمد. مهندسان شروع به آزمایش با سبک های مختلف بدن کردند، زیرا می دانستند که شکل ساده باعث افزایش سرعت خودروها می شود. بدین ترتیب شکل یک ماشین مسابقه ای متولد شد که تا به امروز باقی مانده است. اسپویلرهای جلو و عقب، دماغه بیل و کیت های هوا به همین منظور عمل می کردند و جریان هوا را از سقف هدایت می کردند و نیروی رو به پایین لازم را روی چرخ های جلو و عقب ایجاد می کردند.

موفقیت آزمایش ها توسط تونل باد تسهیل شد. در قسمت بعدی مقاله ما به شما خواهیم گفت که چرا به آن نیاز است و چرا در طراحی طراحی خودرو اهمیت دارد.

اندازه گیری کشش در تونل باد

برای اندازه گیری بازده آیرودینامیکی یک خودرو، مهندسان ابزاری را از صنعت هوانوردی قرض گرفتند - یک تونل باد.

تونل باد یک تونل با فن های قدرتمند است که جریان هوا را بر روی یک جسم در داخل ایجاد می کند. ماشین، هواپیما یا چیز دیگری که مقاومت هوای آن توسط مهندسان اندازه گیری می شود. از اتاقی در پشت تونل، دانشمندان نحوه تعامل هوا با یک جسم و نحوه رفتار جریان های هوا در سطوح مختلف را مشاهده می کنند.

ماشین یا هواپیمای داخل تونل باد حرکت نمی کند، اما برای شبیه سازی شرایط دنیای واقعی، فن ها هوا را از سرعت متفاوت... گاهی اوقات اتومبیل های واقعی حتی داخل لوله نمی شوند - طراحان اغلب بر مدل های دقیق ایجاد شده از خاک رس یا مواد خام دیگر تکیه می کنند. باد ماشین را در یک تونل باد می برد و کامپیوترها ضریب درگ را محاسبه می کنند.

تونل های باد از اواخر دهه 1800 مورد استفاده قرار گرفتند، زمانی که آنها سعی کردند یک هواپیما بسازند و تأثیر جریان هوا در لوله ها را اندازه گیری کردند. حتی برادران رایت هم چنین لوله ای داشتند. پس از جنگ جهانی دوم، مهندسان خودروهای مسابقه ای در جستجوی برتری نسبت به رقبا، استفاده از تونل های باد را برای ارزیابی اثربخشی عناصر آیرودینامیکی در طراحی خود آغاز کردند. بعدها این فناوری راه خود را به دنیای خودروهای سواری و کامیون باز کرد.

در طول 10 سال گذشته، تونل های باد بزرگ چند میلیون دلاری کمتر و کمتر مورد استفاده قرار گرفته اند. شبیه سازی کامپیوتری به تدریج جایگزین این روش آزمایش آیرودینامیک خودرو می شود (جزئیات بیشتر). تونل های باد فقط برای اطمینان از عدم وجود اشتباه محاسباتی در شبیه سازی های کامپیوتری شروع می شوند.

مفاهیم بیشتری در آیرودینامیک به جز مقاومت هوا وجود دارد - عواملی مانند نیروی بالابر و نیروی رو به پایین نیز وجود دارد. لیفت (یا بالابر) نیرویی است که در برابر وزن یک جسم عمل می کند و جسم را بلند می کند و در هوا نگه می دارد. نیروی رو به پایین نقطه مقابل آسانسور نیرویی است که یک جسم را به زمین هل می دهد.

هر کسی که فکر می کند ضریب درگ اتومبیل های مسابقه فرمول 1 با سرعت 320 کیلومتر در ساعت کم است، اشتباه می کند. یک ماشین مسابقه معمولی فرمول 1 دارای ضریب درگ حدود 0.70 است.

دلیل بیش از حد تخمین زده شدن ضریب درگ هوا در اتومبیل های مسابقه فرمول 1 این است که این اتومبیل ها به گونه ای طراحی شده اند که تا حد امکان نیروی رو به پایین ایجاد کنند. با سرعتی که اتومبیل ها در حال حرکت هستند، با وزن بسیار سبک خود، شروع به تجربه بالا رفتن می کنند سرعت های بالا- فیزیک باعث می شود آنها مانند یک هواپیما به هوا بروند. خودروها برای پرواز ساخته نشده اند (اگرچه در مقاله - ماشین تبدیل کننده پرنده برعکس آن را بیان می کند) و اگر وسیله نقلیه شروع به بالا رفتن از هوا کند، می توان انتظار داشت فقط یک چیز - یک تصادف ویرانگر. بنابراین نیروی رو به پایین باید حداکثر باشد تا خودرو در سرعت های بالا روی زمین بماند، یعنی ضریب درگ باید زیاد باشد.

اتومبیل های فرمول 1 با استفاده از جلو و پشت وسیله نقلیه... این گلگیرها جریان هوا را طوری هدایت می کنند که ماشین به زمین فشرده شود - همان نیروی رو به پایین. اکنون می توانید با خیال راحت سرعت خود را افزایش دهید و هنگام پیچیدن آن را از دست ندهید. در عین حال، نیروی رو به پایین باید به دقت با بالابر متعادل شود تا خودرو بتواند سرعت خط مستقیم مورد نظر را بگیرد.

بسیاری از خودروهای تولیدی دارای اضافات آیرودینامیکی برای ایجاد نیروی رو به پایین هستند. مطبوعات به دلیل ظاهر مورد انتقاد قرار گرفتند. طراحی بحث برانگیز و همه به دلیل کل بدنه GT-Rطراحی شده برای هدایت جریان هوا بر روی خودرو و برگشت از طریق اسپویلر عقب بیضی شکل و ایجاد نیروی رو به پایین بیشتر. هیچ کس به زیبایی ماشین فکر نمی کرد.

خارج از پیست فرمول 1، بال‌ها اغلب در آن یافت می‌شوند خودروهای تولیدیبه عنوان مثال سدان شرکت های تویوتاو هوندا گاهی اوقات این عناصر طراحی کمی ثبات را در سرعت های بالا اضافه می کنند. به عنوان مثال، اولین آئودی TT در ابتدا اسپویلر نداشت، اما آئودی مجبور شد یکی از آن ها را اضافه کند که مشخص شد شکل گرد و وزن سبک TT باعث بالا رفتن بیش از حد شده و باعث می شود خودرو در سرعت های بالای 150 کیلومتر در ساعت ناپایدار شود.

اما اگر ماشین آئودی TT نیست، نه یک ماشین اسپرت، نه یک ماشین اسپرت، بلکه یک ماشین معمولی است سدان خانوادگییا هاچ بک، چیزی برای نصب اسپویلر وجود ندارد. اسپویلر در چنین خودرویی هندلینگ را بهبود نمی بخشد، زیرا "خانواده" به دلیل Cx بالا از نیروی رو به پایین بالایی برخوردار است و نمی توانید سرعت های بالای 180 را روی آن فشار دهید. اسپویلر در یک ماشین معمولی می تواند باعث بی فرمانی یا برعکس عدم تمایل به ورود به پیچ ها شود. با این حال، اگر شما نیز فکر می کنم که یک اسپویلر غول پیکر هوندا سیویکدر جای خود ایستاده است، اجازه ندهید کسی شما را متقاعد کند.

در بسیاری از حوزه‌های علم و فناوری که با سرعت مرتبط هستند، اغلب لازم است نیروهای وارد بر یک جسم محاسبه شوند. یک ماشین مدرن، جت جنگنده، زیردریایی یا قطار برقی پرسرعت - همه آنها تحت تأثیر نیروهای آیرودینامیکی هستند. دقت تعیین مقدار این نیروها مستقیماً تأثیر می گذارد مشخصات فنیاشیاء مشخص شده و توانایی آنها برای انجام وظایف خاص. V مورد کلینیروهای اصطکاکی سطح قدرت سیستم رانش را تعیین می کنند و نیروهای جانبی بر قابلیت کنترل جسم تأثیر می گذارند.

طرح طراحی سنتی از ضربات تونل باد (معمولاً مدل های کوچک شده)، آزمایش های استخر و آزمایش های میدانی برای تعیین نیروها استفاده می کند. با این حال، تمام تحقیقات تجربی یک راه نسبتاً گران برای به دست آوردن چنین دانشی است. برای تست یک دستگاه مدل، ابتدا باید آن را بسازید، سپس یک برنامه آزمایشی تهیه کنید، یک پایه آماده کنید و در نهایت یک سری اندازه گیری را انجام دهید. در این حالت، در بیشتر موارد، قابلیت اطمینان نتایج آزمایش تحت تأثیر مفروضات ناشی از انحراف از شرایط عملیاتی واقعی تأسیسات قرار خواهد گرفت.

آزمایش یا محاسبه؟

اجازه دهید دلایل عدم تطابق بین نتایج تجربی و رفتار واقعی شی را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

هنگام بررسی مدل ها تحت شرایط فضای محدودبه عنوان مثال، در تونل های باد، سطوح مرزی تأثیر قابل توجهی بر ساختار جریان نزدیک جسم دارند. کاهش مقیاس مدل به شما امکان می دهد این مشکل را حل کنید، با این حال، باید تغییر عدد رینولدز (به اصطلاح اثر مقیاس) را در نظر بگیرید.

در برخی موارد، اعوجاج می تواند ناشی از یک اختلاف اساسی بین شرایط واقعی جریان در اطراف بدن و شرایط شبیه سازی شده در لوله باشد. مثلا هنگام دمیدن ماشین های پر سرعتیا قطارها، عدم وجود سطح افقی متحرک در تونل باد به طور جدی الگوی جریان کلی را تغییر می دهد و همچنین بر تعادل نیروهای آیرودینامیکی تأثیر می گذارد. این اثر با رشد لایه مرزی همراه است.

روش های اندازه گیری نیز خطاهایی را در مقادیر اندازه گیری شده معرفی می کنند. قرار دادن نادرست حسگرها بر روی جسم یا جهت گیری نادرست قسمت های کاری آنها می تواند منجر به نتایج نادرست شود.

شتاب طراحی

در حال حاضر، شرکت های صنعت پیشرو در مرحله طراحی اولیه به طور گسترده از فناوری های مدل سازی کامپیوتری CAE استفاده می کنند. این به شما این امکان را می دهد که هنگام جستجوی طراحی بهینه گزینه های بیشتری را در نظر بگیرید.

سطح مدرن توسعه بسته نرم افزاری ANSYS CFX به طور قابل توجهی دامنه کاربرد آن را گسترش می دهد: از مدل سازی جریان های آرام گرفته تا جریان های آشفته با ناهمسانگردی قوی پارامترها.

طیف گسترده ای از مدل های تلاطم مورد استفاده شامل مدل های سنتی RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) با بهترین نسبت سرعت به دقت، مدل تلاطم SST (Sear Stress Transport) (مدل دو لایه Menter) است که با موفقیت مزایای مدل های تلاطم ke و "kw". برای جریان‌های با ناهمسانگردی توسعه‌یافته، مدل‌های RSM (مدل تنش رینولدز) مناسب‌تر هستند. محاسبه مستقیم پارامترهای تلاطم جهتی امکان تعیین دقیق‌تر ویژگی‌های جریان گرداب را فراهم می‌کند.

در برخی موارد، استفاده از مدل‌های مبتنی بر تئوری‌های گردابی توصیه می‌شود: DES (شبیه‌سازی گردابی جداشدنی) و LES (شبیه‌سازی گرداب‌های بزرگ). به خصوص برای مواردی که در نظر گرفتن فرآیندهای انتقال آرام-آشفتگی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، مدل آشفتگی انتقالی بر اساس فناوری SST به خوبی اثبات شده ایجاد شده است. این مدل تحت یک برنامه آزمایشی گسترده بر روی اشیاء مختلف (از تیغه ها گرفته تا هواپیماهای مسافربری) قرار گرفته است و همبستگی بسیار خوبی با داده های تجربی نشان داده است.

هواپیمایی

ایجاد هواپیماهای مدرن نظامی و غیرنظامی بدون تجزیه و تحلیل عمیق تمام ویژگی های آن در مرحله طراحی اولیه غیرممکن است. کارایی هواپیما، سرعت و قدرت مانور آن به طور مستقیم به مطالعه دقیق شکل سطوح و خطوط یاتاقان بستگی دارد.

امروزه تمامی سازندگان بزرگ هواپیما تا حدی از تحلیل کامپیوتری در توسعه محصولات جدید استفاده می کنند.

مدل آشفتگی گذرا، که به درستی رژیم‌های جریان نزدیک به آرام، جریان‌ها با مناطق جداسازی و اتصال مجدد توسعه‌یافته را تحلیل می‌کند، فرصت‌های بزرگی را برای تحلیل جریان‌های پیچیده باز می‌کند. این امر تفاوت بین نتایج محاسبات عددی و تصویر واقعی جریان را بیشتر کاهش می دهد.

خودرو

یک خودروی مدرن باید مقرون به صرفه تر و با راندمان قدرت بالا باشد. و البته اجزای اصلی تعیین کننده موتور و بدنه هستند.

برای اطمینان از کارایی تمام سیستم های موتور، پیشرو شرکت های غربیبرای مدت طولانی از فناوری های مدل سازی کامپیوتری استفاده می کنند. به عنوان مثال، رابرت بوش جیامبیایچ (آلمان)، تولید کننده طیف وسیعی از قطعات برای خودروهای دیزلی مدرن، در توسعه سیستم تامین سوخت راه آهن مشترکاز ANSYS CFX (برای بهبود عملکرد تزریق) استفاده کرد.

بی ام وکه موتورهایش عنوان " بهترین موتور Years ”(موتور بین المللی سال)، از ANSYS CFX برای شبیه سازی فرآیندها در محفظه های احتراق یک موتور احتراق داخلی استفاده می کند.

آیرودینامیک خارجی نیز وسیله ای برای بهبود کارایی استفاده از نیروی موتور است. معمولاً این فقط در مورد کاهش ضریب درگ نیست، بلکه در مورد تعادل نیروی رو به پایین مورد نیاز هر خودروی پرسرعت است.

بیان نهایی این ویژگی ها اتومبیل های مسابقه ای از کلاس های مختلف است. بدون استثنا، همه شرکت کنندگان در مسابقات قهرمانی F1 از تجزیه و تحلیل کامپیوتری آیرودینامیک خودروهای خود استفاده می کنند. دستاوردهای ورزشی به وضوح مزایای این فناوری ها را نشان می دهد که بسیاری از آنها در حال حاضر در خودروهای تولیدی استفاده می شوند.

در روسیه، تیم مسابقه ای Active-Pro Racing پیشگام در این زمینه است: یک ماشین مسابقه ای فرمول 1600 سرعتی بیش از 250 کیلومتر در ساعت دارد و اوج موتوراسپرت مداری روسیه است. استفاده از مجموعه ANSYS CFX (شکل 4) برای طراحی یک دم آیرودینامیکی جدید خودرو باعث شد تا هنگام جستجوی یک راه حل بهینه، تعداد گزینه های طراحی به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

مقایسه داده های محاسبه شده و نتایج حاصل از وزش در تونل باد تفاوت مورد انتظار را نشان داد. این با کف ثابت در لوله توضیح داده می شود که باعث افزایش ضخامت لایه مرزی می شود. از همین رو عناصر آیرودینامیکواقع در پایین، در شرایط ناآشنا کار می کرد.

با این حال، مدل کامپیوتری به طور کامل با شرایط رانندگی واقعی مطابقت داشت، که این امکان را به طور قابل توجهی بهبود بهره وری خودرو را می داد.

ساخت و ساز

معماران امروزی نسبت به 20 یا 30 سال پیش با ظاهر بیرونی ساختمان های طراحی شده راحت تر هستند. خلاقیت های آینده نگر معماران مدرن، به عنوان یک قاعده، دارای اشکال هندسی پیچیده ای هستند که مقادیر ضرایب آیرودینامیکی (که برای تخصیص بارهای باد طراحی به سازه های پشتیبان ضروری است) ناشناخته است.

در این مورد، علاوه بر آزمایش های سنتی تونل باد، ابزارهای CAE به طور فزاینده ای برای به دست آوردن ویژگی های آیرودینامیکی ساختمان (و عوامل نیرو) مورد استفاده قرار می گیرند. نمونه ای از چنین محاسبه ای در ANSYS CFX در شکل نشان داده شده است. 5.

علاوه بر این، ANSYS CFX به طور سنتی برای شبیه سازی سیستم های تهویه و گرمایش برای اماکن صنعتی، ساختمان های اداری، اداری و مجتمع های ورزشی و سرگرمی استفاده می شود.

برای تحلیل رژیم دماو ماهیت جریان هوا در عرصه یخی مجموعه ورزشی Krylatskoye (مسکو)، مهندسان Olof Granlund Oy (فنلاند) از بسته نرم افزاری ANSYS CFX استفاده کردند. غرفه های استادیوم می توانند حدود 10 هزار تماشاگر را در خود جای دهند و بار گرمایی از آنها می تواند بیش از 1 مگاوات (با نرخ 100-120 وات / نفر) باشد. برای مقایسه: برای گرم کردن 1 لیتر آب از 0 تا 100 درجه سانتیگراد کمی بیش از 4 کیلو وات انرژی لازم است.

برنج. 5. توزیع فشار بر روی سطح سازه ها

جمع بندی

همانطور که می بینید، فناوری محاسباتی در آیرودینامیک به سطحی رسیده است که ما فقط می توانستیم 10 سال پیش رویای آن را داشته باشیم. در عین حال، نباید مدل سازی کامپیوتری را با تحقیقات تجربی مخالفت کرد - اگر این روش ها مکمل یکدیگر باشند، بسیار بهتر است.

مجموعه ANSYS CFX همچنین به مهندسان این امکان را می دهد که مسائل پیچیده ای مانند تعیین تغییر شکل یک سازه هنگام قرار گرفتن در معرض بارهای آیرودینامیکی را حل کنند. این به فرمول صحیح‌تر بسیاری از مشکلات آیرودینامیک داخلی و خارجی کمک می‌کند: از مشکلات بال زدن ماشین‌های تیغه گرفته تا حرکت باد و موج در سازه‌های دریایی.

تمامی قابلیت های محاسباتی مجموعه ANSYS CFX در محیط ANSYS Workbench نیز موجود است.