Szoftvercsomag számítási aero- és hidrodinamikához Flow Vision Különféle műszaki vagy természeti objektumok virtuális aerodinamikai lefújására tervezték. Tárgyként szolgálhatnak szállítási termékek, energetikai létesítmények, hadiipari termékek és mások. Flow Vision lehetővé teszi az áramlás szimulálását a szembejövő áramlás különböző sebességei mellett és a zavarásának különböző fokainál (turbulencia fokánál).

A modellezési folyamat szigorúan a probléma háromdimenziós térbeli megfogalmazásában történik, és az „ahogy van” elv szerint halad, ami magában foglalja a felhasználó objektumának teljes értékű geometriai modelljének tanulmányozásának lehetőségét minden egyszerűsítés nélkül. Az importált háromdimenziós geometria feldolgozására létrehozott rendszer lehetővé teszi, hogy fájdalommentesen dolgozzon bármilyen bonyolultságú modellel, ahol a felhasználó valójában kiválasztja tárgya részletezettségi szintjét - hogy át akar-e fújni egy egyszerűsített simított modellt. külső kontúrok vagy teljes értékű modell az összes szerkezeti elem jelenlétével, egészen a keréktárcsákon lévő csavarfejekig és a gyártó logójáig figura formájában az autó orrán.

Sebességeloszlás a versenyautó karosszériájának közelében.

Minden részletet figyelembe vesznek - a kerekek küllőit, a kormánykerék küllőinek aszimmetriájának hatását az áramlási mintára.

Flow Vision létre Orosz csapat fejlesztők (TESIS, Oroszország) több mint 10 évvel ezelőtt, és a hazai fundamentális és matematikai iskola fejlesztésein alapul. A rendszert azzal az elvárással hozták létre, hogy nagyon különböző képesítésű felhasználók – diákok, tanárok, tervezők és tudósok – dolgozzanak majd vele. Egyformán hatékonyan tud megoldani egyszerű és összetett problémákat egyaránt.

A terméket különféle iparágakban, tudományban és oktatásban használják - repülés, kozmonautika, energia, hajógyártás, autóipar, ökológia, gépipar, feldolgozó- és vegyipar, orvostudomány, nukleáris ipar és védelmi szektor, és Oroszország legnagyobb telepítési bázisával rendelkezik.

2001-ben az Orosz Föderáció Minisztériumának Főtanácsának határozata alapján a FlowVision-t az orosz egyetemek folyadék- és gázmechanika oktatásának tantervébe való felvételre javasolták. Jelenleg a FlowVisiont a vezető orosz egyetemek - a Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet, MPEI, Szentpétervári Állami Műszaki Egyetem, Vlagyimir Egyetem, UNN és ​​mások - oktatási folyamatának szerves részeként használják.

2005-ben a FlowVisiont tesztelték, és megkapta az Orosz Föderáció állami szabványának megfelelőségi tanúsítványát.

Főbb jellemzők

A magban Flow Vision a tömegmegmaradás törvényének elve abban rejlik, hogy a megtöltött zárt számított térfogatba belépő anyag mennyisége megegyezik az onnan csökkenő anyagmennyiséggel (lásd 1. ábra).

Rizs. 1 A tömegmegmaradás törvényének elve

Egy ilyen probléma megoldása úgy történik, hogy a határokon lévő adatok alapján megtaláljuk egy mennyiség átlagos értékét egy adott térfogatban (Ostrogradsky-Gauss tétel).

Rizs. 2 Térfogatintegráció határértékek alapján

A pontosabb megoldás érdekében az eredeti számított térfogatot kisebb térfogatokra osztjuk.

Rizs. 3 A számítási rács megvastagodása

Az eredeti kötet kisebb kötetekre való felosztásának eljárását ún A SZÁMÍTÁSI RÁCS KIÉPÍTÉSE , és a kapott kötetek tömbje a SZÁMÍTÁSRÁC . A számítási rács felépítése során kapott minden kötetet ún SZÁMÍTOTT CELL , amelyek mindegyikében megfigyelhető a bejövő és kimenő tömeg egyensúlya is. A zárt térfogatot, amelyben a számítási rács épül, ún SZÁMÍTÁSI TERÜLET .

Építészet

Ideológia Flow Vision elosztott architektúra alapján épül fel, ahol az aritmetikai számításokat végző szoftveregység a hálózat bármely számítógépén - egy nagy teljesítményű klaszteren vagy laptopon - elhelyezhető. A szoftvercsomag architektúrája moduláris, amely lehetővé teszi a tökéletesítések és újítások fájdalommentes végrehajtását funkcionalitás. A fő modulok a PrePostProcessor és a megoldó blokk, valamint több segédblokk, amelyek különféle műveleteket hajtanak végre a figyeléshez és a hangoláshoz.

Nyomáseloszlás a sportautó karosszériáján

Az előfeldolgozó funkcionális célja a számítási tartomány geometriájának importálása geometriai modellező rendszerekből, a környezeti modell beállítása, a kezdeti és peremfeltételek beállítása, a számítási rács szerkesztése vagy importálása, valamint a konvergenciakritériumok beállítása, amely után a vezérlés átkerül a Solver, amely elindítja a számítási rács felépítésének folyamatát és elvégzi a számítást a megadott paraméterek szerint. A számítási folyamat során a felhasználónak lehetősége van a számítás vizuális és mennyiségi nyomon követésére, valamint a megoldásfejlesztés folyamatának értékelésére a Postprocessor eszközök segítségével. A konvergenciakritérium kívánt értékének elérésekor a számlálási folyamat leállítható, majd az eredmény teljes mértékben elérhetővé válik a felhasználó számára, aki a Postprocessor eszközök segítségével feldolgozhatja az adatokat - vizualizálhatja az eredményeket és számszerűsítheti az utólagos mentéssel külső adatformátumok.

Számítási rács

NÁL NÉL Flow Vision téglalap alakú számítási rácsot használnak, amely automatikusan alkalmazkodik a számítási tartomány és a megoldás határaihoz. A görbe vonalú határvonalak nagy pontosságú közelítése a részrács geometriai felbontási módszerével történik. Ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy bármilyen bonyolultságú felületből álló geometriai modellekkel dolgozzon.

Kezdeti számítási tartomány

A területet fedő merőleges rács

A kezdeti rács körbevágása a régió határai szerint

Végső számítási rács

A számítási rács automatikus felépítése, figyelembe véve a felület görbületét

Ha a számítási térfogat határán vagy megfelelő helyén kell finomítani a megoldást, lehetőség van a számítási rács dinamikus adaptálására. Az adaptáció a sejtek feldarabolódása alacsonyabb szinten kisebb sejtekbe. Az alkalmazkodás történhet peremfeltétel, térfogat és megoldás szerint. A rács-adaptáció a megadott határon, in meghatározott helyen számítási tartományban vagy megoldással, figyelembe véve a változó és a gradiens változását. Az adaptáció mind a háló finomításának irányában, mind az ellenkező irányban történik - a kis cellák nagyobbakká való egyesítése, egészen a belépő szintű hálóig.

Rács adaptációs technológia

Mozgatható testek

A mozgótest-technológia lehetővé teszi egy tetszőleges geometriai alakú test elhelyezését a számítási tartományon belül, és ennek transzlációs és/vagy forgó mozgását. A mozgás törvénye lehet állandó vagy változó térben és időben. A test mozgását három fő módon határozzák meg:

Kifejezetten a test sebességének beállításán keresztül;
- a testre ható erő beállításával és a kiindulási ponttól való eltolásával

Annak a környezetnek a hatására, amelybe a test kerül.

Mindhárom módszer kombinálható egymással.

Rakéta leejtése bizonytalan áramlásban a gravitáció hatására

A Mach élmény reprodukálása: a labda mozgása 800 m/s sebességgel

Párhuzamos számítástechnika

A szoftvercsomag egyik legfontosabb jellemzője Flow Vision párhuzamos számítási technológiák, amikor több processzort vagy processzormagot használnak egy probléma megoldására, ami lehetővé teszi a számítások számának arányában történő gyorsítását.

Feladat számításának gyorsítása, az érintett magok számától függően

Az indítási folyamat párhuzamos üzemmódban teljesen automatizált. A felhasználónak csak meg kell adnia azon magok vagy processzorok számát, amelyeken a feladat futni fog. A számítási tartomány részekre bontására és a köztük lévő adatcserére vonatkozó minden további műveletet az algoritmus önállóan, a legjobb paraméterek kiválasztásával hajtja végre.

Felszínközeli cellák 16 processzorra bontása két autós problémák megoldására

Csapat Flow Vision szoros kapcsolatot ápol a hazai és külföldi HPC (High Performance Computing) közösség képviselőivel, és részt vesz olyan közös projektekben, amelyek célja új lehetőségek megvalósítása a párhuzamos számítástechnika teljesítményének javítása terén.

2007-ben a FlowVision a Moszkvai Állami Egyetem Kutatási és Fejlesztési Központjával együtt résztvevője lett annak a szövetségi programnak, amelynek célja egy országos teraflop párhuzamos elszámolási rendszer létrehozása. A program részeként a fejlesztőcsapat adaptálja a FlowVision-t, hogy nagyszabású számítástechnikát végezzen modern technológia. A Moszkvai Állami Egyetem Kutatási és Fejlesztési Központjában telepített SKIF-Chebyshev klasztert tesztelő hardverplatformként használják.

Az SKIF-Chebyshev klaszter a Moszkvai Állami Egyetem Kutatási és Fejlesztési Központjában került telepítésre

A Moszkvai Állami Egyetem Kutatási és Fejlesztési Központjának szakembereivel szoros együttműködésben (az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, Vl. V. Voevodin fizikai matematika doktora irányítása alatt) a szoftver- és hardverkomplexum SKIF- Flow Vision a párhuzamos számítástechnika hatékonyságának javítása érdekében. 2008 júniusában az első gyakorlati számítások 256 települési csomóponton történtek párhuzamos üzemmódban.

2009-ben a FlowVision csapata a Moszkvai Állami Egyetem Kutatási és Fejlesztési Központjával, a Sigma Technology-val és az állammal együtt tudományos központ A TsAGI részt vett abban a szövetségi célprogramban, amely algoritmusokat dolgozott ki az aero- és hidrodinamikai problémák párhuzamos optimalizálási problémáinak megoldására.

szöveg, illusztrációk: TESIS cég

Miért kell az aerodinamika egy autóhoz, mindenki tudja. Minél áramvonalasabb a karosszéria, annál kisebb az ellenállás a mozgással és az üzemanyag-fogyasztással szemben. Egy ilyen autó nemcsak pénzt takarít meg, hanem kevesebb szemetet is bocsát ki a környezetbe. A válasz egyszerű, de messze nem teljes. Az új modell karosszériáját kidolgozó aerodinamikai szakemberek még:

• számítsa ki az emelőerő eloszlását a tengelyek mentén, ami nagyon fontos a modern autók jelentős sebessége miatt,
• levegő hozzáférést biztosít a motor és a fékrendszer hűtéséhez,
• gondolja át a belső szellőzőrendszer levegő be- és kimeneti helyeit,
• igyekeznek csökkenteni a zajszintet az utastérben,
• optimalizálja a testrészek alakját az üveg, a tükrök és a világítóberendezések szennyezésének csökkentése érdekében.

Ráadásul az egyik feladat megoldása gyakran ellentmond egy másik megvalósításának. A légellenállási együttható csökkentése például javítja az áramvonalasságot, ugyanakkor rontja az autó oldalszél-lökések elleni ellenállását. Ezért a szakértőknek ésszerű kompromisszumot kell keresniük.

légellenállás csökkentése

Mi határozza meg a húzóerőt? Két paraméter döntő befolyást gyakorol rá - a Cx aerodinamikai légellenállási tényező és az autó keresztmetszete (középhajó). A karosszéria lejjebb és keskenyebbé tételével csökkenthető a középső rész, de nem valószínű, hogy sok vevő lesz egy ilyen autóra. Ezért az autó aerodinamikájának javításának fő iránya a karosszéria körüli áramlás optimalizálása, más szóval a Cx csökkentése. A Cx aerodinamikai légellenállási tényező egy dimenzió nélküli mennyiség, amelyet kísérletileg határoznak meg. A modern autóknál ez a 0,26-0,38 tartományba esik. Külföldi forrásokban a légellenállási együtthatót néha Cd-nek (ellenállási együtthatónak) nevezik. Egy csepp alakú test ideális áramvonalassággal rendelkezik, amelynek Cx értéke 0,04. Mozgás közben simán átvágja a légáramlatokat, amelyek aztán zökkenőmentesen, törés nélkül bezáródnak a „farkába”.

A légtömegek eltérően viselkednek, amikor az autó mozog. Itt a légellenállás három összetevőből áll:

• belső ellenállás, amikor a levegő áthalad a motortéren és a belső téren,
• légáramlások súrlódási ellenállása a test külső felületein és
• ellenállást formál.

A harmadik alkatrésznek van a legnagyobb hatása az autó aerodinamikájára. Az autó mozgásban összenyomja az előtte lévő légtömegeket, így kialakul egy terület magas vérnyomás. Légáramok áramlanak a test körül, és ahol véget ér, a légáramlás elválik, turbulenciák és légnyomási terület jön létre. Így az elöl lévő nagy nyomású terület megakadályozza az autó előrehaladását, a hátul lévő alacsony nyomású terület pedig "visszaszívja". A turbulencia erősségét és az alacsony nyomású terület méretét a test hátsó részének alakja határozza meg.

A legjobb áramvonalas teljesítményt a lépcsős hátsó résszel rendelkező autók – szedánok és kupék – mutatják. A magyarázat egyszerű - a tetőről kiszökött légáram azonnal a csomagtartó fedelét éri, ahol normalizálódik, majd végül leszakad a széléről. Az oldalsó patakok a csomagtartóra is esnek, ami megakadályozza, hogy káros örvények keletkezzenek az autó mögött. Ezért minél magasabb és hosszabb a csomagtérfedél, annál jobb az aerodinamikai teljesítmény. A nagy szedánokés a kupénak néha még a karosszéria körüli zökkenőmentes áramlását is sikerül elérnie. A hátsó rész enyhe szűkítése is segít csökkenteni a Cx-et. A törzs széle élesen vagy kis kiemelkedés formájában van kialakítva - ez biztosítja a légáramlás turbulencia nélküli elválasztását. Ennek eredményeként a jármű mögötti kisülési terület kicsi.

Az autó alja is hatással van az aerodinamikára. A felfüggesztés és a kipufogórendszer kiálló részei növelik a légellenállást. Csökkentése érdekében igyekeznek minél jobban kisimítani az alját, vagy pajzsokkal letakarni mindent, ami a lökhárító alatt „kilóg”. Néha egy kis elülső légterelő van felszerelve. A légterelő csökkenti a légáramlást a jármű alatt. De itt fontos tudni a mértéket. Egy nagy légterelő jelentősen megnöveli az ellenállást, de az autó jobban "bújik" az úthoz. De erről bővebben a következő részben.

Lenyomóerő

Az autó mozgása során az alja alatti légáramlás egyenes vonalban halad, az áramlás felső része pedig a karosszéria körül, azaz nagyobb távolságot tesz meg. Ezért a felső áramlás sebessége nagyobb, mint az alsóé. És a fizika törvényei szerint minél nagyobb a levegő sebessége, annál alacsonyabb a nyomás. Következésképpen az alsó rész alatt megnövekedett nyomású terület, felette pedig egy alacsonyabb. Ez emelőerőt hoz létre. És bár az értéke kicsi, az a baj, hogy egyenetlenül oszlik el a tengelyek mentén. Ha az első tengelyt a motorháztetőt nyomó patak terheli és szélvédő, akkor a hátsót járulékosan tehermentesíti az autó mögött kialakított kisülési zóna. Ezért a sebesség növekedésével a stabilitás csökken, és az autó hajlamossá válik a megcsúszásra.

A jelenség leküzdésére nincs szükség különleges intézkedések kitalálására, mivel az ésszerűsítés javítása érdekében tett intézkedések egyidejűleg növelik a leszorítóerőt. Például a hátsó rész optimalizálása csökkenti az autó mögötti vákuumzónát, és ezáltal csökkenti az emelést. A fenék vízszintbe állítása nemcsak csökkenti a légellenállást, hanem növeli az áramlási sebességet is, és ezáltal csökkenti a jármű alatti nyomást is. Ez pedig az emelés csökkenéséhez vezet. Ugyanígy a hátsó légterelő két feladatot lát el. Nemcsak az örvényképződést csökkenti, javítva a Cx-et, hanem egyúttal az útra is nyomja az autót a belőle taszított légáramlás miatt. Néha a hátsó légterelőt kizárólag a leszorítóerő növelésére tervezték. Ebben az esetben megvan nagy méretekés dönthető vagy visszahúzható, és csak nagy sebességnél lép működésbe.

Sportoláshoz és versenymodellek a leírt intézkedések természetesen hatástalanok lesznek. Ahhoz, hogy úton maradjanak, nagy leszorítóerőt kell létrehozni. Ehhez egy nagy első légterelőt, oldalsó szoknyákat és hátsó szárnyakat használnak. De a sorozatgyártású autókra szerelve ezek az elemek csak dekoratív szerepet fognak játszani, szórakoztatva a tulajdonos büszkeségét. Nem adnak gyakorlati hasznot, hanem éppen ellenkezőleg, növelik a mozgással szembeni ellenállást. Sok autós egyébként összetéveszti a légterelőt a szárnnyal, bár meglehetősen könnyű megkülönböztetni őket. A légterelő mindig a testhez van nyomva, egyetlen egészet alkotva vele. A szárny a testtől bizonyos távolságra van felszerelve.

Gyakorlati aerodinamika

Néhány egyszerű szabály betartása lehetővé teszi az üzemanyag-fogyasztás csökkentésével a levegőből származó megtakarítást. Ezek a tippek azonban csak azok számára lesznek hasznosak, akik gyakran és sokat vezetnek a pályán.

Vezetés közben a motor teljesítményének jelentős részét a légellenállás leküzdésére fordítják. Minél nagyobb a sebesség, annál nagyobb az ellenállás (és ezáltal az üzemanyag-fogyasztás). Így ha akár 10 km/h-val is lassít, akár 1 litert is megtakaríthat 100 km-enként. Ebben az esetben az időveszteség jelentéktelen lesz. Ezt az igazságot azonban a legtöbb sofőr ismeri. De más "aerodinamikai" finomságokat nem mindenki ismer.

Az üzemanyag-fogyasztás a légellenállási együtthatótól és a jármű keresztmetszeti területétől függ. Ha úgy gondolja, hogy ezek a paraméterek gyárilag vannak beállítva, és az autó tulajdonosa nem tudja megváltoztatni őket, akkor téved! Ezek megváltoztatása egyáltalán nem nehéz, pozitív és negatív hatásokat egyaránt elérhet.

Mi növeli a fogyasztást? Indokolatlanul "megeszi" az üzemanyag-terhelést a tetőn. És még egy áramvonalas doboz is legalább egy litert vesz igénybe százon. Irracionális dolog üzemanyagot égetni, ha vezetés közben nyitva vannak az ablakok és a napfénytető. Ha hosszú rakományt szállít, nyitott csomagtartóval, akkor túlfutást is kap. Különféle díszítőelemek, mint például a motorháztető burkolata („légcsapó”), „kenguryatnik”, szárny és a házilag termesztett tuning egyéb elemei, bár esztétikai élvezetet okoznak, extra kihagyást tesznek. Nézzen az alja alá - mindenért, ami megereszkedik és a küszöbvonal alá néz, külön kell fizetnie. Még valami olyan kicsi is, mint a hiány műanyag kupakok a acél tárcsák, növeli a fogyasztást. Minden felsorolt ​​tényező vagy részlet egyenként kis mértékben növeli a fogyasztást - 50-500 g/100 km. De ha mindent összefoglalsz, megint „befut”, százra kb. Ezek a számítások érvényesek kis autók 90 km/h sebességgel. A nagy autók tulajdonosai és a nagy sebesség szerelmesei alkalmazkodnak a növekvő fogyasztás felé.

Ha a fenti feltételek mindegyike teljesül, elkerülhetjük a felesleges költekezést. Lehetséges-e tovább csökkenteni a veszteségeket? Tud! De ehhez szükség lesz egy kicsit külső hangolás(Természetesen professzionálisan kivitelezett elemekről beszélünk). Elülső aerodinamikai készlet nem engedi „betörni” a légáramlást az autó alja alatt, a küszöb takarja a kerekek kiálló részét, a légterelő megakadályozza a turbulenciák kialakulását az autó „fara” mögött. Bár a légterelő általában már benne van egy modern autó karosszériájában.

Tehát a légből kapott megtakarítások reálisak.

Amióta az első ember hegyes követ rögzített a lándzsa végére, az emberek mindig is próbáltak megtalálni legjobb forma a levegőben mozgó tárgyak. De az autó nagyon nehéz aerodinamikai rejtvénynek bizonyult.

A közúti vonóerő számítások alapjai négy alapvető erőt adnak meg, amelyek egy járműre hatnak mozgás közben: légellenállás, gördülési ellenállás, emelkedési ellenállás és tehetetlenségi erő. Megjegyzendő, hogy csak az első kettő a fő. Gördülési ellenállási erő autó kereke elsősorban a gumiabroncs és az út deformációjától függ az érintkezési zónában. De már 50-60 km / h sebességnél a légellenállási erő meghaladja a többit, és 70-100 km / h sebességnél meghaladja az összeset. Ennek az állításnak a bizonyításához a következő közelítő képletet kell megadni: Px=Cx*F*v2, ahol: Px – légellenállási erő; v – jármű sebessége (m/s); F az autó vetületének területe az autó hossztengelyére merőleges síkra, vagy az autó legnagyobb keresztmetszetének területe, azaz az elülső terület (m2); Cx a légellenállási együttható (folyamatossági együttható). Jegyzet. A képletben a sebesség négyzetes, és ez azt jelenti, hogy ha például megduplázzuk, akkor a légellenállási erő megnégyszereződik.

Ugyanakkor a leküzdéséhez szükséges energiaköltségek nyolcszorosára nőnek! A Nascar versenyeken, ahol a sebesség meghaladja a 300 km/h-t, kísérletileg azt találták, hogy csúcssebesség mindössze 8 km/h-hoz a motorteljesítményt 62 kW-tal (83 LE) kell növelni, vagy 15%-kal csökkenteni a Cx-et. Van egy másik módszer - az autó elülső területének csökkentése. Sok nagy sebességű szuperautó lényegesen alacsonyabb, mint a hagyományos autók. Ez csak a frontális terület csökkentésére irányuló munka jele. Ez az eljárás azonban bizonyos határokig elvégezhető, különben lehetetlen lesz ilyen autót használni. Emiatt és más okokból az áramvonalasítás az egyik fő kérdés, amely egy autó tervezése során felmerül. Természetesen az ellenállási erőt nem csak az autó sebessége és geometriai paraméterei befolyásolják. Például minél nagyobb a légáramlás sűrűsége, annál nagyobb az ellenállás. A levegő sűrűsége viszont közvetlenül függ a hőmérsékletétől és a tengerszint feletti magasságától. A hőmérséklet emelkedésével a levegő sűrűsége (és ezáltal a viszkozitása) nő, míg magasan a hegyekben a levegő vékonyabb, a sűrűsége pedig kisebb, és így tovább. Sok ilyen árnyalat van.

De térjünk vissza az autó formájához. Melyik elemnek a legjobb az áramlása? Erre a kérdésre a választ szinte minden diák ismeri (aki nem aludt a fizika órákon). A lehulló vízcsepp aerodinamikai szempontból legelfogadhatóbb formát ölt. Vagyis lekerekített elülső felület és simán elvékonyodó hosszú hátlap (a legjobb arány a szélesség 6-szorosa). A légellenállási együttható kísérleti érték. Számszerűen megegyezik a légellenállás Newtonban kifejezett erejével, amely akkor keletkezik, amikor a frontális terület 1 m2-én 1 m/s sebességgel mozog. Referenciaegységnek szokás tekinteni egy lapos lemez Cx-ét = 1. Tehát egy csepp vízre Cx = 0,04. Most képzelj el egy ilyen autót. Hülyeség, nem? Nem csak, hogy egy ilyen konstrukció a kerekeken kissé karikírozottnak tűnik, nem lesz túl kényelmes ezt az autót a rendeltetésszerűen használni. Ezért a tervezők kénytelenek kompromisszumot találni az autó aerodinamikája és a használat kényelme között. A légellenállási együttható csökkentésére irányuló folyamatos kísérletek arra a tényre vezettek, hogy egyes modern autók Cx = 0,28-0,25. Hát gyorsan rekord autók dicsekedni Cx = 0,2-0,15.

Ellenállási erők

Most beszélnünk kell egy kicsit a levegő tulajdonságairól. Mint tudják, minden gáz molekulákból áll. Állandó mozgásban vannak és kölcsönhatásban vannak egymással. Vannak úgynevezett van der Waals-erők - a molekulák kölcsönös vonzásának erői, amelyek megakadályozzák egymáshoz viszonyított mozgásukat. Egyesek erősebben ragaszkodnak a többiekhez. És a molekulák kaotikus mozgásának növekedésével nő az egyik levegőréteg másikra gyakorolt ​​hatásának hatékonysága, és nő a viszkozitás. És ez a levegő hőmérsékletének emelkedése miatt következik be, és ezt mind a közvetlen napsugárzás, mind pedig közvetett módon a levegő bármely felületén vagy egyszerűen annak rétegei egymás közötti súrlódása okozhatja. Itt jön képbe a sebesség. Annak megértéséhez, hogy ez hogyan hat az autóra, próbálja meg nyitott tenyérrel inteni a kezét. Ha lassan csinálod, nem történik semmi, de ha erősebben intesz, a tenyér már egyértelműen érzékel némi ellenállást. De ez csak egy összetevő.

Amikor a levegő egy rögzített felületen (például egy autó karosszériáján) mozog, ugyanazok a van der Waals-erők hatására a legközelebbi molekularéteg elkezd hozzátapadni. És ez a "beragadt" réteg lelassítja a következőt. És így rétegről rétegre, és minél gyorsabban mozognak a levegőmolekulák, annál távolabb vannak az álló felülettől. Végül a sebességüket kiegyenlítik a fő légáramlás sebességével. Azt a réteget, amelyben a részecskék lassan mozognak, határrétegnek nevezzük, és bármely felületen megjelenik. Minél nagyobb a járműbevonat anyagának felületi energiaértéke, annál erősebben lép kölcsönhatásba molekuláris szinten a felülete a környező levegővel, és annál több energiát kell fordítani ezen erők elpusztítására. Mármost a fenti elméleti számítások alapján kijelenthetjük, hogy a légellenállás nem csak az, hogy a szél veri a szélvédőt. Ennek a folyamatnak több összetevője van.

Alakállóság

Ez a legjelentősebb része - az összes aerodinamikai veszteség akár 60% -a. Ezt gyakran nyomásellenállásnak vagy ellenállásnak nevezik. Vezetés közben az autó összenyomja rajta a légáramot, és leküzdi a levegőmolekulák szétszorítására irányuló erőfeszítést. Az eredmény egy magas nyomású zóna. Ezután a levegő körbefolyik az autó felületén. A folyamat során a légsugarak turbulenciák kialakulásával elszakadnak. A légáramlás végső elválasztása a jármű hátulján alacsony nyomású zónát hoz létre. Az elülső légellenállás és a szívóhatás az autó hátulján nagyon erős reakciót vált ki. Ez a tény arra kötelezi a tervezőket és a tervezőket, hogy keressenek módokat a test megadására. Rendezd el a polcokon.

Most figyelembe kell vennie az autó alakját, ahogy mondják, "a lökhárítótól a lökhárítóig". Melyik alkatrész és elem van nagyobb hatással a gép általános aerodinamikájára. A test eleje. A szélcsatornában végzett kísérletek megállapították, hogy a legjobb aerodinamika érdekében a karosszéria elejének alacsonynak, szélesnek és éles sarkok nélkül kell lennie. Ebben az esetben nincs szétválás a légáramlásban, ami nagyon jótékony hatással van az autó áramvonalasítására. A hűtőrács gyakran nemcsak funkcionális, hanem dekoratív elem is. Végül is a hűtőnek és a motornak hatékony légáramlással kell rendelkeznie, ezért ez az elem nagyon fontos. Egyes autógyártók ugyanolyan komolyan tanulmányozzák az ergonómiát és a légáramlás eloszlását a motortérben, mint az autó általános aerodinamikáját. A szélvédő lejtése nagyon világos példája az áramvonalasítás, az ergonómia és a teljesítmény közötti kompromisszumnak. Nem megfelelő lejtése túlzott ellenállást kelt, a túlzott lejtése pedig növeli a porosodást és magának az üvegnek a tömegét, alkonyatkor a láthatóság erősen csökken, meg kell növelni az ablaktörlő méretét stb. Az üvegről az oldalfalra kell áttérni. simán.

De nem szabad elragadnia az üveg túlzott görbületétől - ez növelheti a torzítást és ronthatja a láthatóságot. A szélvédőoszlop aerodinamikai légellenállásra gyakorolt ​​hatása nagymértékben függ a szélvédő helyzetétől és alakjától, valamint az elülső rész alakjától. De a fogasléc formáján dolgozva nem szabad megfeledkeznünk az első oldalablakok védelméről az esővíztől és a szélvédőről lefújt szennyeződésektől, a külső aerodinamikai zaj elfogadható szintjének fenntartásáról stb. Tető. A tető dőlésszögének növelése a légellenállási együttható csökkenéséhez vezethet. De a dudor jelentős növekedése ütközhet az autó általános kialakításával. Ezen túlmenően, ha a kidudorodás növekedését a légellenállás területének egyidejű növekedése kíséri, akkor a légellenállás ereje nő. Másrészt, ha megpróbálja megtartani az eredeti magasságot, akkor a szélvédőt és a hátsó ablakokat be kell vezetni a tetőkbe, mivel a látási viszonyok nem romolhatnak. Ez az üvegek költségének növekedéséhez vezet, míg a légellenállási erő csökkenése ebben az esetben nem olyan jelentős.

oldalfelületek. Az autó aerodinamikája szempontjából az oldalfelületek nem nagy befolyást irrotációs áramlás létrehozásához. De nem kerekítheti őket túlságosan. Ellenkező esetben nehéz lesz beszállni egy ilyen autóba. Az üvegnek lehetőség szerint egyetlen egészet kell alkotnia az oldalfelülettel, és egy vonalban kell elhelyezkednie az autó külső kontúrjával. Bármilyen lépcső és szemöldök további akadályokat képez a levegő áthaladása előtt, nem kívánt turbulenciák jelennek meg. Észreveheti, hogy az ereszcsatornákat, amelyek korábban szinte minden autón megtalálhatók, már nem használják. Más tervezési megoldások is megjelentek, amelyek nem gyakorolnak olyan nagy hatást az autó aerodinamikájára.

Az áramvonalasítási együtthatóra talán az autó hátsó része van a legnagyobb hatással. Egyszerűen meg van magyarázva. Hátul a légáramlás megszakad és örvényeket képez. Szinte lehetetlen egy autó hátulját olyan áramvonalassá tenni, mint egy léghajóé (hossza a szélesség hatszorosa). Ezért alaposabban dolgoznak a formáján. Az egyik fő paraméter az autó hátsó részének dőlésszöge. A példa már tankönyvvé vált Orosz autó"Moskvich-2141", ahol a hátsó szerencsétlen megoldása jelentősen rontotta az autó általános aerodinamikáját. De másrészt a "moszkvai" hátsó ablaka mindig tiszta maradt. Ismét egy kompromisszum. Ez az oka annak, hogy olyan sok kiegészítő rögzítés készül kifejezetten az autó hátsó részére: hátsó szárnyak, légterelők stb. A hátsó dőlésszög mellett az autó hátsó oldalsó élének kialakítása és formája nagyban befolyásolja a légellenállási együttható. Például, ha szinte minden modern autót felülről nézünk, azonnal láthatjuk, hogy az első karosszéria szélesebb, mint a hátsó. Ez is aerodinamika. A kocsi alja.

Ahogy elsőre úgy tűnik, ez a testrész nem befolyásolja az aerodinamikát. De van egy olyan szempont, mint a leszorítóerő. Az autó stabilitása ettől függ, és attól, hogy az autó alja alatti légáramlás mennyire van megszervezve, ennek eredményeként az úthoz való "tapadásának" erőssége függ. Vagyis ha a levegő az autó alatt nem marad el, hanem gyorsan áramlik, akkor az ott fellépő csökkentett nyomás az úttesthez nyomja az autót. Ez különösen fontos a hagyományos autók esetében. A helyzet az, hogy a jó minőségű, egyenletes felületeken versenyző versenyautóknál a hasmagasságot olyan alacsonyra állíthatja, hogy megjelenjen a "földpárna" hatása, amelyben a leszorítóerő nő, a légellenállás pedig csökken. Mert normál autók rövid hasmagasság elfogadhatatlan. Ezért a tervezők a közelmúltban igyekeztek minél jobban kisimítani az autó alját, olyan egyenetlen elemeket, mint a pajzsok, pajzsokkal takarni, mint pl. kipufogócsövek, felfüggesztő karok, stb. A kerékívek egyébként nagyon nagy hatással vannak az autó aerodinamikájára. A helytelenül kialakított fülkék további emelést eredményezhetnek.

És megint a szél

Mondanunk sem kell, hogy a szükséges motorteljesítmény az autó áramvonalasságától, így az üzemanyag-fogyasztástól (azaz a pénztárcától) függ. Az aerodinamika azonban nem csak a sebességet és a gazdaságosságot befolyásolja. Nem az utolsó helyet foglalják el a jó biztosításának feladatai árfolyam stabilitás, a jármű kezelhetősége és a zajcsökkentés vezetés közben. Zajjal minden világos: minél jobb az autó áramvonalassága, a felületek minősége, minél kisebbek a hézagok és a kiálló elemek száma stb., annál kisebb a zaj. A tervezőknek olyan szempontra kell gondolniuk, mint a forduló pillanata. Ez a hatás a legtöbb járművezető számára jól ismert. Aki valaha is utazott Magassebesség a "kamion" mellett, vagy éppen erős oldalszélben haladva éreznie kellett volna az autó gurulásának vagy akár enyhe fordulatának látszatát. Nincs értelme magyarázni ezt a hatást, de pontosan ez az aerodinamika problémája.

Ezért a Cx együttható nem egyedi. Végtére is, a levegő nem csak a "homlokra", hanem különböző szögekben és különböző irányokban is befolyásolhatja az autót. Mindez pedig hatással van a kezelhetőségre és a biztonságra. Ez csak néhány fő szempont, amely befolyásolja a légellenállás általános erejét. Lehetetlen minden paramétert kiszámítani. A meglévő képletek nem adnak teljes kép. Ezért a tervezők tanulmányozzák az autó aerodinamikáját, és korrigálják alakját egy olyan drága eszköz segítségével, mint a szélcsatorna. A nyugati cégek nem kímélnek pénzt az építkezésre. Az ilyen kutatóközpontok költsége több millió dollárra rúghat. Például: a Daimler-Chrysler konszern 37,5 millió dollárt fektetett be egy speciális komplexum létrehozásába, hogy javítsa autói aerodinamikáját. Jelenleg a szélcsatorna a legjelentősebb eszköz az autóra ható légellenállási erők tanulmányozására.

Egyetlen autó sem fog áthaladni egy téglafalon, de minden nap átmegy a falakon a levegőből, amelynek sűrűsége is van.

Senki sem érzékeli a levegőt vagy a szelet falnak. A alacsony sebességek, szélcsendes időben nehéz észrevenni, hogy a légáramlás hogyan kölcsönhatásba lép a járművel. De nagy sebességgel, erős szél, a légellenállás (a levegőben mozgó tárgyra ható erő - más néven ellenállás) nagyban befolyásolja, hogy az autó hogyan gyorsul, mennyit kormányoz, hogyan használ fel üzemanyagot.

Itt jön képbe az aerodinamika tudománya, amely a tárgyak levegőben történő mozgása következtében keletkező erőket tanulmányozza. A modern autókat az aerodinamikát szem előtt tartva tervezték. Egy jól aerodinamikus autó úgy vág át a légfalon, mint a kés a vajan.

A légáramlással szembeni alacsony ellenállás miatt egy ilyen autó jobban felgyorsul és jobban fogyaszt üzemanyagot, mivel a motornak nem kell extra energiát költenie ahhoz, hogy az autót a légfalon keresztül "lökje".

Az autó aerodinamikájának javítása érdekében a karosszéria formáját lekerekítették, így a légcsatorna a legkisebb ellenállással áramlik az autó körül. A sportautók karosszériája úgy van kialakítva, hogy a légáramot túlnyomórészt az alsó rész mentén irányítsa, az alábbiakban megtudhatja, miért. Szárnyat vagy légterelőt is tettek az autó csomagtartójára. A hátsó szárny lenyomja az autó hátulját, megakadályozva, hogy a hátsó kerekek felemelkedjenek az erős légáramlás miatt, amikor nagy sebességgel halad, ami stabilabbá teszi az autót. Nem minden hátsó szárny egyforma, és nem mindegyiket használják rendeltetésszerűen, némelyik csak az autóipari dekoráció elemeként szolgál, amely nem tölt be közvetlen aerodinamikai funkciót.

Az aerodinamika tudománya

Mielőtt az autóipari aerodinamikáról beszélnénk, tekintsük át a fizika alapjait.

Ahogy egy tárgy áthalad a légkörön, kiszorítja a környező levegőt. A tárgy a gravitációnak és az ellenállásnak is ki van téve. Ellenállás akkor keletkezik, amikor egy szilárd tárgy folyékony közegben - vízben vagy levegőben - mozog. Az ellenállás a tárgy sebességével növekszik – minél gyorsabban halad át a térben, annál nagyobb ellenállást tapasztal.

Egy objektum mozgását a Newton-törvényekben leírt tényezőkkel mérjük – tömeg, sebesség, súly, külső erő és gyorsulás.

Az ellenállás közvetlenül befolyásolja a gyorsulást. Egy tárgy gyorsulása (a) = tömege (W) mínusz ellenállása (D) osztva a tömegével (m). Emlékezzünk vissza, hogy a súly a test tömegének és a szabadesés gyorsulásának szorzata. Például a Holdon a gravitáció hiánya miatt megváltozik az ember súlya, de a tömege változatlan marad. Egyszerűen fogalmazva:

Ahogy egy tárgy felgyorsul, a sebesség és a légellenállás növekszik egészen addig a végpontig, ahol a légellenállás egyenlő lesz a súllyal – az objektum nem fog tovább gyorsulni. Képzeljük el, hogy az egyenletben szereplő tárgyunk egy autó. Ahogy az autó egyre gyorsabban halad, egyre több levegő áll ellen a mozgásának, ami egy bizonyos sebességnél a maximális gyorsulásra korlátozza az autót.

Megközelítjük a legfontosabb számot - az aerodinamikai légellenállási együtthatót. Ez az egyik fő tényező, amely meghatározza, hogy egy tárgy milyen könnyen mozog a levegőben. A légellenállási együttható (Cd) a következő képlettel számítható ki:

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

Ahol D az ellenállás, A a terület, r a sűrűség, V a sebesség.

Ellenállási együttható egy autóban

Rájöttünk, hogy a légellenállási együttható (Cd) egy olyan érték, amely egy tárgyra, például egy autóra kifejtett légellenállás erejét méri. Most képzelje el, hogy a levegő ereje az autónak nyomja, miközben halad az úton. 110 km/h sebességnél négyszer nagyobb erő hat rá, mint 55 km/h sebességnél.

Az autó aerodinamikai képességeit a légellenállási együttható méri. Minél alacsonyabb a Cd érték, annál jobb az autó aerodinamikája, és annál könnyebben fog áthaladni a különböző oldalakról rányomó légfalon.

Tekintsük a Cd mutatókat. Emlékszel a szögletes dobozos Volvókra az 1970-es, 80-as évekből? A réginél Volvo szedán 960 légellenállási együttható 0,36. Nál nél új Volvo a testek simák és simaak, ennek köszönhetően az együttható eléri a 0,28-at. A simább és áramvonalasabb formák jobb aerodinamikát mutatnak, mint a szögletes és négyzet alakúak.

Okok, amelyek miatt az aerodinamika szereti a karcsú formákat

Emlékezzünk a természet legaerodinamikusabb dolgaira - egy könnycseppre. A szakadás kerek és minden oldalon sima, felül elvékonyodik. Amikor a könnycsepp lecsökken, a levegő könnyen és egyenletesen áramlik körülötte. Az autóknál is sima, lekerekített felületen a levegő szabadon áramlik, csökkentve a légellenállást egy tárgy mozgásával szemben.

Ma a legtöbb modell átlagos légellenállási együtthatója 0,30. Az SUV-k légellenállási együtthatója 0,30 és 0,40 közötti vagy több. A méretek magas együtthatójának oka. A Land Cruiserek és a Gelendvagenek több utast fogadnak, több van bennük raktér, nagy rácsok a motor hűtésére, ezért a négyzetszerű kialakítás. Pickup teherautók, amelyeket 0,40-nél célirányosan négyzet alakú Cd-vel terveztek.

A karosszéria kialakítása vitatható, de az autónak leleplező aerodinamikai formája van. A Toyota Prius légellenállási együtthatója 0,24, így nem csak a hibrid erőmű miatt alacsony az autó fogyasztása. Ne feledje, hogy az együttható minden mínusz 0,01 értéke 0,1 literrel csökkenti az üzemanyag-fogyasztást 100 kilométerenként.

Gyenge aerodinamikai ellenállású modellek:

Jó aerodinamikai ellenállású modellek:

Az aerodinamika javítására szolgáló módszerek már régóta ismertek, de hosszú időbe telt, amíg az autógyártók elkezdték használni őket új járművek megalkotásakor.

Az első autók modelljei, amelyek megjelentek, semmi közük az aerodinamika fogalmához. Vessen egy pillantást a Ford Model T-re – az autó inkább úgy néz ki, mint egy lovas kocsi ló nélkül –, amely egy dobozos tervpályázat győztese. Az igazat megvallva a legtöbb modell úttörő volt, és nem volt szükségük aerodinamikus dizájnra, mivel lassan haladtak, ekkora sebesség mellett nem volt minek ellenállni. Az 1900-as évek eleji versenyautók azonban kissé szűkülni kezdtek annak érdekében, hogy versenyeket nyerjenek az aerodinamika rovására.

1921-ben Edmund Rumpler német feltaláló megalkotta a Rumpler-Tropfenautot, ami németül "könnyautót" jelent. A természet legaerodinamikusabb formáját, a könnycsepp alakját mintázták, ennek a modellnek a légellenállási együtthatója 0,27 volt. A Rumpler-Tropfenauto terv soha nem kapott elfogadást. Rumpler mindössze 100 Rumpler-Tropfenauto egységet tudott létrehozni.

Amerikában 1930-ban történt ugrás az aerodinamikai tervezésben, amikor a Chrysler modell légáramlat. A madarak repülése által ihletett mérnökök az Airflow-t az aerodinamikát szem előtt tartva alkották meg. A kezelhetőség javítása érdekében az autó tömegét egyenletesen osztottuk el az első és a hátsó tengely között - 50/50. A nagy gazdasági világválságba belefáradt társadalom nem fogadta el a Chrysler Airflow szokatlan megjelenését. A modell kudarcnak számított, bár a Chrysler Airflow áramvonalas kialakítása messze megelőzte korát.

Az 1950-es és 60-as években volt a legnagyobb előrelépés az autóipari aerodinamika terén, amely a versenyzés világából származott. A mérnökök különféle karosszéria-formákkal kezdtek kísérletezni, tudván, hogy az áramvonalas forma felgyorsítja az autókat. Így született meg a versenyautó formája, amely a mai napig fennmaradt. Az első és a hátsó légterelők, az ásóorrok és az aero készletek mind ugyanazt a célt szolgálták, a légáramlást a tető fölé irányították, és a szükséges leszorítóerőt az első és a hátsó kerekekre generálták.

A szélcsatorna hozzájárult a kísérletek sikeréhez. Cikkünk következő részében eláruljuk, miért van rá szükség, és miért fontos az autótervezésben.

Ellenállás mérése szélcsatornában

Az autók aerodinamikai hatékonyságának mérésére a mérnökök egy eszközt kölcsönöztek a légiközlekedési ipartól - a szélcsatornát.

A szélcsatorna olyan erős ventilátorokkal ellátott alagút, amely légáramlást hoz létre a belsejében lévő tárgy felett. Autó, repülő vagy valami más, aminek légellenállását mérik a mérnökök. Az alagút mögötti helyiségből a tudósok megfigyelik, hogyan lép kölcsönhatásba a levegő a tárggyal, és hogyan viselkednek a légáramlatok a különböző felületeken.

A szélcsatornában lévő autó vagy repülőgép nem mozog, hanem a valós körülmények szimulálására ventilátorok táplálják a levegőt különböző sebességgel. Néha az igazi autókat le sem hajtják – a tervezők gyakran az agyagból vagy más nyersanyagokból készített pontos modellekre hagyatkoznak. A szél a szélcsatornában az autó felett fúj, és a számítógépek kiszámítják a légellenállási együtthatót.

A szélcsatornákat az 1800-as évek vége óta használják, amikor repülőgépet próbáltak létrehozni, és mérték a légáramlás hatását a szélcsatornákban. Még a Wright fivéreknek is volt ilyen trombitájuk. A második világháború után a versenyautó-mérnökök, akik előnyt kerestek a verseny előtt, szélcsatornákat kezdtek használni, hogy kiértékeljék terveik aerodinamikai elemeinek hatékonyságát. Később ez a technológia belépett a személy- és teherautók világába.

Az elmúlt 10 évben a több millió dollárba kerülő nagy szélcsatornákat egyre kevesebben használták. A számítógépes modellezés fokozatosan felváltja az autók aerodinamikai vizsgálatának ezt a módját (tovább). A szélcsatornákat csak azért futtatják, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a számítógépes szimulációkban nincsenek téves számítások.

Az aerodinamikában több fogalom létezik, mint önmagában a légellenállás – az emelő- és leszorítóerő tényezői is vannak. Az emelés (vagy emelés) az az erő, amely egy tárgy súlyával szemben hat, felemeli és a levegőben tartja. A leszorítóerő, a lift ellentéte, az az erő, amely a tárgyat a földre löki.

Aki azt gondolja, hogy a Forma-1-es versenyautók 320 km/órás légellenállási együtthatója alacsony, az téved. Egy tipikus Forma-1-es versenyautó légellenállási együtthatója körülbelül 0,70.

A Forma-1-es versenyautók nagy légellenállási együtthatója az az oka, hogy ezeket az autókat úgy tervezték, hogy a lehető legnagyobb leszorítóerőt hozzanak létre. A tűzgolyók mozgási sebességével, rendkívül könnyű súlyukkal kezdik megtapasztalni az emelést nagy sebességek- a fizika úgy emeli fel őket a levegőbe, mint egy repülőgépet. Az autókat nem repülésre tervezték (bár a cikk – egy repülő transzformátorautó mást állít), és ha a jármű a levegőbe kezd emelkedni, akkor csak egy dologra számíthat - pusztító balesetre. Ezért a leszorítóerőnek maximálisnak kell lennie ahhoz, hogy az autó a talajon maradjon nagy sebességnél, ami azt jelenti, hogy a légellenállási együtthatónak nagynak kell lennie.

A Forma 1-es autók nagy leszorítóerőt érnek el az első ill hátsó részek jármű. Ezek a szárnyak úgy irányítják a levegő áramlását, hogy a talajhoz nyomják az autót – ugyanaz a leszorítóerő. Most már biztonságosan növelheti a sebességet, és nem veszítheti el kanyarodáskor. Ugyanakkor a leszorítóerőt gondosan ki kell egyensúlyozni az emelővel, hogy az autó elérje a kívánt egyenes sebességet.

Sok sorozatgyártású autó aerodinamikai kiegészítéssel rendelkezik a leszorítóerő megteremtése érdekében. a sajtó kritizálta a megjelenést. Ellentmondásos kialakítás. És minden, mert minden GT-R karosszériaÚgy tervezték, hogy a légáramlást az ovális hátsó légterelőn keresztül irányítsa az autó felett és vissza, így nagyobb leszorítóerőt hoz létre. Senki sem gondolt az autó szépségére.

A Forma-1-es pályán kívül a hátsó szárnyak gyakran megtalálhatók az alapgépkocsikon, például a szedánokon. Toyota cégekés a Honda. Néha ezek a tervezési elemek egy kis stabilitást adnak nagy sebességnél. Például on első Audi A TT-nek eredetileg nem volt spoiler, de Audi Hozzá kellett tennem, amikor kiderült, hogy a TT lekerekített formája és könnyű súlya túl nagy emelést kelt, ami 150 km/h feletti sebességnél instabillá tette az autót.

De ha az autó nem Audi TT, nem sportkocsi, nem sportkocsi, hanem egy hétköznapi családi szedán vagy ferdehátú, akkor nem kell légterelőt beépíteni. A légterelő nem javítja a kezelhetőséget egy ilyen autón, mivel a „családi autónak” már nagy leszorítóereje van a magas Cx miatt, és nem lehet rajta 180 feletti sebességet kicsikarni. Spoiler bekapcsolva rendes autó túlkormányzottságot, vagy éppen ellenkezőleg, vonakodást okozhat a kanyarokban. Ha azonban Ön is úgy gondolja, hogy egy óriási spoiler Honda Civic megállja a helyét, ne hagyja, hogy bárki meggyőzze erről.

A tudomány és technológia számos, a sebességgel kapcsolatos területén gyakran szükségessé válik az objektumra ható erők kiszámítása. modern autó, egy vadászgép, egy tengeralattjáró vagy egy nagysebességű elektromos vonat – mindegyikre aerodinamikai erők hatnak. Ezen erők nagyságának meghatározásának pontossága közvetlenül befolyásolja specifikációk meghatározott objektumokat és azok képességét bizonyos feladatok elvégzésére. Általában a súrlódási erők határozzák meg a teljesítményszintet Propulziós rendszer, és az oldalirányú erők befolyásolják a tárgy irányíthatóságát.

A hagyományos tervezési sémában az erők meghatározására szélcsatornákban történő lefújást (általában kisebb modellek), medencés teszteket és teljes körű vizsgálatokat alkalmaznak. Azonban minden kísérleti kutatás meglehetősen költséges módja az ilyen ismeretek megszerzésének. A modellkészülék teszteléséhez először el kell készítenie, majd tesztprogramot kell készítenie, állványt kell készítenie, végül pedig méréssorozatot kell végeznie. Ugyanakkor a legtöbb esetben a vizsgálati eredmények megbízhatóságát befolyásolják az objektum tényleges működési körülményeitől való eltérések okozta feltételezések.

Kísérlet vagy számítás?

Vizsgáljuk meg részletesebben a kísérleti eredmények és a tárgy valós viselkedése közötti eltérés okait.

A modellek korlátozott térkörülmények között, például szélcsatornákban történő tanulmányozásakor a határfelületek jelentős hatással vannak az objektum körüli áramlás szerkezetére. A modell léptékének csökkentése megoldja ezt a problémát, de figyelembe kell venni a Reynolds-szám változását (az ún. skálaeffektust).

Egyes esetekben a torzulásokat a test körüli áramlás tényleges feltételei és a csőben szimulált állapotok közötti alapvető eltérés okozhatja. Például nagy sebességű autók vagy vonatok fújásakor a mozgó vízszintes felület hiánya a szélcsatornában komolyan megváltoztatja az általános áramlási mintát, és befolyásolja az aerodinamikai erők egyensúlyát is. Ez a hatás a határréteg növekedéséhez kapcsolódik.

A mérési módszerek a mért mennyiségekben is hibákat vezetnek be. Az érzékelők helytelen elhelyezése a tárgyon vagy a működő részeik helytelen tájolása hibás eredményekhez vezethet.

Tervezési gyorsulás

Jelenleg a vezető ipari vállalatok az előzetes tervezés szakaszában széles körben alkalmazzák a CAE számítógépes modellezési technológiát. Ez lehetővé teszi, hogy több lehetőséget mérlegeljen, amikor az optimális kialakítást keresi.

Az ANSYS CFX szoftvercsomag jelenlegi fejlettségi szintje jelentősen kiterjeszti alkalmazási körét: a lamináris áramlások modellezésétől a paraméterek erős anizotrópiájával rendelkező turbulens áramlásokig.

Széles készlet A használt turbulencia modellek közé tartoznak a hagyományos RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) modellek, amelyek a legjobb arány"sebességpontosság", az SST (Shear Stress Transport) turbulencia modell (kétrétegű Menter modell), amely sikeresen ötvözi a "k-e" és "k-w" turbulencia modellek előnyeit. Fejlett anizotrópiájú áramlásokhoz az RSM (Reynolds Stress Model) modellek alkalmasabbak. A turbulencia paraméterek irányok szerinti közvetlen kiszámítása lehetővé teszi az áramlás örvénymozgásának jellemzőinek pontosabb meghatározását.

Bizonyos esetekben javasolt az örvényelméleten alapuló modellek használata: DES (Detachable Eddy Simulation) és LES (Large Eddy Simulation). Különösen azokra az esetekre, ahol különösen fontos a lamináris-turbulens átmenet folyamatainak figyelembe vétele, a jól bevált SST technológián alapuló Transition Turbulence Model-t fejlesztették ki. A modell kiterjedt tesztelési programon ment keresztül különböző tárgyakon (a lapátos gépektől az utasszállító repülőgépekig), és kiváló korrelációt mutatott a kísérleti adatokkal.

Repülés

A modern harci és polgári repülőgépek létrehozása lehetetlen minden jellemzőjének mélyreható elemzése nélkül a tervezés kezdeti szakaszában. A repülőgép hatékonysága, sebessége és manőverezhetősége közvetlenül függ a csapágyfelületek és a kontúrok alakjának alapos tanulmányozásától.

Napjainkban minden nagyobb repülőgépgyártó cég alkalmaz bizonyos mértékig számítógépes elemzést új termékek fejlesztése során.

Komplex áramlások elemzésére nagy lehetőségeket nyit a kutatók előtt a turbulencia átmeneti modellje, amely helyesen elemzi a laminárishoz közeli, fejlett áramlási elválasztási és visszacsatolási zónájú áramlásokat. Ez tovább csökkenti a különbséget a numerikus számítások eredménye és az áramlás valós képe között.

Autóipari

Egy modern autónak megnövekedett hatásfokkal kell rendelkeznie nagy teljesítményhatékonysággal. És természetesen a fő meghatározó alkatrészek a motor és a karosszéria.

Az összes motorrendszer hatékonyságának biztosítása érdekében a vezető nyugati cégek már régóta használnak számítógépes modellezési technikákat. Például a Robert Bosch Gmbh (Németország), a modern alkatrészek széles választékát gyártó cég dízel járművek, üzemanyag-ellátó rendszer kidolgozásakor közös nyomócsöves ANSYS CFX-et használt (az injekció teljesítményének javítására).

A BMW, amelynek motorjait már több éve az Év Nemzetközi Motorja címmel választották, az ANSYS CFX-et használja a belső égésű motorok égésterében zajló folyamatok szimulálására.

A külső aerodinamika a motorteljesítmény-felhasználás hatékonyságának növelésének eszköze is. Általában nem csak a légellenállási együttható csökkentéséről van szó, hanem a nagy sebességű autókhoz szükséges leszorítóerő egyensúlyáról is.

A versenyautók e tulajdonságok végső kifejezői. különféle osztályok. Kivétel nélkül az F1-es bajnokság minden résztvevője számítógépes elemzést használ autói aerodinamikájáról. A sporteredmények egyértelműen bizonyítják e technológiák előnyeit, amelyek közül sokat már a sorozatgyártású autók gyártása során is alkalmaznak.

Oroszországban az Active-Pro Racing csapat úttörő szerepet tölt be ezen a területen: versenyautó osztályú "Formula-1600" 250 km/h feletti sebességet fejleszt, és az orosz pálya motorsport csúcsa. Az ANSYS CFX komplexum (4. ábra) alkalmazása az autó új aerodinamikus farok kialakításához lehetővé tette a tervezési lehetőségek számának jelentős csökkentését az optimális megoldás keresése során.

A számított adatok és a szélcsatornában történt lefújások eredményeinek összehasonlítása a várható eltérést mutatta. Ennek magyarázata a csőben lévő rögzített padló, amely a határréteg vastagságának növekedését okozta. Ezért a meglehetősen alacsonyan elhelyezett aerodinamikai elemek a maguk számára szokatlan körülmények között működtek.

A számítógépes modell azonban teljes mértékben megfelelt a valós vezetési körülményeknek, ami lehetővé tette az autó tollazatának hatékonyságának jelentős javítását.

Építkezés

Az építészek ma szabadabban közelíthetnek megjelenés olyan épületeket, amelyeket 20 vagy 30 évvel ezelőtt terveztek. A modern építészek futurisztikus alkotásai általában összetett geometriai formájúak, amelyeknél az aerodinamikai együtthatók értékei (a teherhordó szerkezetek tervezési szélterheléseinek hozzárendeléséhez szükségesek) ismeretlenek.

Ilyenkor a hagyományos szélcsatornás tesztelés mellett a CAE eszközöket is egyre gyakrabban alkalmazzák az épület aerodinamikai jellemzőinek (és erőtényezőinek) megszerzésére. Egy ilyen számításra az ANSYS CFX-ben egy példa látható az 1. ábrán. 5.

Ezenkívül az ANSYS CFX-et hagyományosan ipari helyiségek, adminisztratív épületek, irodai és sport- és szórakoztató komplexumok szellőző- és fűtési rendszereinek modellezésére használják.

Az Olof Granlund Oy (Finnország) mérnökei az ANSYS CFX szoftvercsomag segítségével elemezték a hőmérsékleti rendszert és a légáramlás természetét a Krylatskoye sportkomplexum (Moszkva) jégarénájában. A stadion lelátói mintegy 10 ezer néző befogadására alkalmasak, a belőlük érkező hőterhelés pedig meghaladja az 1 MW-ot (100-120 W/fő sebességgel). Összehasonlításképpen: 1 liter víz 0-ról 100 °C-ra való felmelegítéséhez valamivel több, mint 4 kW energiára van szükség.

Rizs. 5. A nyomás eloszlása ​​a szerkezetek felületén

Összegezve

Mint látható, az aerodinamikában a számítástechnika elérte azt a szintet, amiről 10 évvel ezelőtt még csak álmodozhattunk. Ugyanakkor nem szabad szembeállítani a számítógépes szimulációt a kísérleti kutatással – sokkal jobb, ha ezek a módszerek kiegészítik egymást.

Az ANSYS CFX lehetővé teszi a mérnökök számára összetett problémák megoldását is, például egy szerkezet alakváltozásának meghatározását, amikor aerodinamikai terhelések érik. Ez hozzájárul számos belső és külső aerodinamikai probléma pontosabb megfogalmazásához: a lapátos gépek lebegési problémáitól kezdve a szél- és hullámhatásig a tengeri szerkezeteken.

Az ANSYS CFX komplexum összes számítási képessége az ANSYS Workbench környezetben is elérhető.