Софтвер за компјутерска аеродинамика и хидродинамика FlowVisionдизајниран за виртуелно аеродинамично дување на разни технички или природни предмети. Предметите можат да бидат транспортни производи, енергетски објекти, воено-индустриски производи и други. FlowVisionви овозможува да го симулирате протокот со различни брзини на дојдовниот проток и со различни степени на неговото нарушување (степен на турбуленција).

Процесот на моделирање се изведува строго во тродимензионална просторна формулација на проблемот и се одвива според принципот „како што е“, што подразбира можност за проучување на целосен геометриски модел на објектот на корисникот без никакви поедноставувања. Создадениот систем за обработка на увезената тродимензионална геометрија ви овозможува безболно да работите со модели од секаква сложеност, каде што корисникот, всушност, самиот го избира нивото на детали на неговиот предмет - дали сака да дува низ поедноставен измазнет модел на надворешни контури или целосен модел со сите структурни елементи, сè до главите на завртките на бандажите на тркалата и логото на производителот во форма на фигура на носот на автомобилот.

Распределба на брзината во близина на каросеријата на тркачкиот автомобил.

Сите детали се земени предвид - краци на тркалата, влијанието на асиметријата на краците на воланот врз шемата на проток.

FlowVisionвоспоставена Руски тимпрограмери (компанија TESIS, Русија) пред повеќе од 10 години и се заснова на развојот на домашната фундаментална и математичка школа. Системот е создаден со очекување дека со него ќе работат корисници од различни квалификации - студенти, наставници, дизајнери и научници. Можете подеднакво ефикасно да ги решите и едноставните и сложените проблеми.

Производот се користи во различни индустрии, наука и образование - авијација, астронаутика, енергија, бродоградба, автомобилска индустрија, екологија, машинско инженерство, преработувачка и хемиска индустрија, медицина, нуклеарна индустрија и одбранбен сектор и има најголема инсталациона база во Русија.

Во 2001 година со одлука на Главниот совет на Министерството Руска Федерација FlowVision е препорачан за вклучување во наставната програма за механика на флуиди и гасна механика на руските универзитети. Во моментов, FlowVision се користи како составен дел од образовниот процес на водечките универзитети во Русија - MIPT, MPEI, Државниот технички универзитет во Санкт Петербург, Владимирскиот универзитет, UNN и други.

Во 2005 година, FlowVision помина тестови и доби сертификат за сообразност од Државниот стандард на Руската Федерација.

Клучни карактеристики

Во срцето на FlowVisionпринципот на законот за зачувување на масата лежи - количината на материја што влегува во исполнетиот затворен пресметан волумен е еднаква на количината на материја што се намалува од неа (види слика 1).

Ориз. 1 Принцип на законот за зачувување на масата

Решението за таков проблем се јавува со наоѓање на просечната вредност на количината во даден волумен врз основа на податоците на границите (теорема Остроградски-Гаус).

Ориз. 2 Интеграција над волуменот врз основа на граничните вредности

За да се добие попрецизно решение, оригиналниот пресметан волумен е поделен на помали волумени.

Ориз. 3 Задебелување на пресметковната мрежа

Постапката за делење на оригиналниот волумен на помали волумени се нарекува ИЗГРАДУВАЊЕ НА РЕШЕТА ЗА ПРЕСМЕТКА , а низата од добиените волумени е МРЕЖА ЗА ПРЕСМЕТКА ... Секој волумен добиен во процесот на конструирање на пресметковната мрежа се нарекува ПРЕСМЕТКА ЌЕЛИЈА , во секоја од нив се набљудува и рамнотежата на влезните и излезните маси. Затворениот волумен во кој е изградена пресметковната мрежа се нарекува ПРЕСМЕТНИЧКА ПОЛШТИНА .

Архитектура

Идеологија FlowVisionе изградена врз основа на дистрибуирана архитектура, каде што програмската единица која врши аритметички пресметки може да се наоѓа на кој било компјутер во мрежата - на кластер или лаптоп со високи перформанси. Архитектурата на софтверскиот пакет е модуларна, што ви овозможува безболно да воведувате подобрувања и нови функционалност... Главните модули се PrePostProcessor и растворувач блок, како и неколку помошни блокови кои вршат различни операции за следење и подесување.

Распределба на притисокот над телото на спортски автомобил

Функционалната цел на претпроцесорот вклучува увоз на геометријата на пресметковниот домен од геометриски системи за моделирање, поставување на моделот на околината, поставување на почетните и граничните услови, уредување или увоз на пресметковната мрежа и поставување критериуми за конвергенција, по што контролата се пренесува на решавачот. , кој го започнува процесот на конструирање на пресметковната мрежа и врши пресметки по наведените параметри. Во процесот на пресметување, корисникот има можност да спроведе визуелно и квантитативно следење на пресметката со алатките Постпроцесор и да го оцени процесот на развој на решението. Кога ќе се достигне потребната вредност на критериумот за конвергенција, процесот на броење може да се прекине, по што резултатот станува целосно достапен за корисникот, кој, користејќи ги алатките на постпроцесорот, може да ги обработи податоците - да ги визуелизира резултатите и да ги квантифицира резултатите со последователни зачувување во надворешни формати на податоци.

Компјутерска мрежа

В FlowVisionсе користи правоаголна пресметковна мрежа, која автоматски се прилагодува на границите на пресметковниот домен и решението. Приближувањето на криволинеарните граници со висок степен на точност е обезбедено со помош на методот на резолуција на геометријата на подмрежата. Овој пристап ви овозможува да работите со геометриски модели кои се состојат од површини од секаква сложеност.

Почетен пресметковен домен

Ортогонална мрежа обложена на површина

Кликнете на почетната мрежа до границите на регионот

Конечна пресметковна мрежа

Автоматско генерирање на пресметковна мрежа земајќи ја предвид искривувањето на површината

Доколку е потребно да се разјасни решението на границата или на вистинското место на пресметаниот волумен, можно е динамички да се прилагоди пресметковната мрежа. Адаптацијата е фрагментација на клетките пониско нивово помали клетки. Адаптацијата може да биде по гранична состојба, по волумен и по одлука. Мрежата е прилагодена на наведената граница, на одредена локацијапресметковниот домен или според решението, земајќи ја предвид промената на променливата и градиентот. Адаптацијата се врши и во насока на префинетост на решетката и во задната страна- спојување на мали ќелии во поголеми, до решетката на влезното ниво.

Технологија за адаптација на компјутерска мрежа

Подвижни тела

Технологијата на подвижни тела ви овозможува да поставите тело со произволна геометриска форма внатре во пресметковниот домен и да му дадете преводно и/или ротационо движење. Законот за движење може да биде константен или променлив во времето и просторот. Движењето на телото се одредува на три главни начини:

Експлицитно преку поставување на брзината на телото;
- со поставување на силата што делува на телото и негово поместување од почетната точка

Преку влијанието од околината во која е сместено телото.

Сите три методи може да се комбинираат едни со други.

Испуштање на ракета во нестабилен проток под дејство на гравитацијата

Репродукција на експериментот Мах: движење на топката со брзина од 800 m / s

Паралелно пресметување

Една од клучните карактеристики на софтверскиот пакет FlowVisionтехнологии на паралелно пресметување, кога се користат неколку процесори или процесорски јадра за решавање на еден проблем, што овозможува да се забрза пресметката пропорционално на нивниот број.

Забрзување на пресметката на проблемот, во зависност од бројот на вклучени јадра

Постапката за паралелно водење е целосно автоматизирана. Корисникот треба само да го одреди бројот на јадра или процесори на кои ќе се извршува задачата. Алгоритмот ќе ги изврши сите понатамошни активности за да го подели пресметковниот домен на делови и да разменува податоци меѓу нив, избирајќи ги најдобрите параметри.

Распаѓање на ќелии блиску до површината на 16 процесори за проблеми со два автомобила

Команда FlowVisionодржува блиски врски со претставниците на домашните и странските заедници на HPC (High Performance Computing) и учествува во заеднички проекти насочени кон постигнување нови можности на полето на подобрување на перформансите во паралелното пресметување.

Во 2007 година, FlowVision, заедно со Истражувачкиот компјутерски центар на Московскиот државен универзитет, станаа учесник во федералната програма за создавање национален систем за паралелно населување терафлоп. Како дел од програмата, тимот за развој го приспособува FlowVision да врши пресметување од големи размери на самиот почеток модерна технологија... Кластерот SKIF-Chebyshev инсталиран во Истражувачкиот компјутерски центар на Московскиот државен универзитет се користи како тест хардверска платформа.

Кластерот СКИФ-Чебишев инсталиран во Истражувачкиот компјутерски центар на Московскиот државен универзитет

СКИФ- FlowVisionда се подобри ефикасноста на паралелното пресметување. Во јуни 2008 година, беа извршени првите практични пресметки на 256 дизајнерски јазли паралелно.

Во 2009 година, тимот на FlowVision, заедно со Истражувачкиот компјутерски центар на Московскиот државен универзитет, компанијата Сигма технологија и државниот научен центар ЦАГИ, станаа учесници во федералната целна програма за создавање алгоритми за решавање проблеми на паралелна оптимизација во проблемите на аеродинамиката и хидродинамика.

текст, илустрации: компанија ТЕСИС

Бидејќи првиот човек фиксирал наострен камен на крајот од копјето, луѓето секогаш се обидуваат да најдат најдобра формапредмети кои се движат во воздухот. Но, автомобилот се покажа како многу сложена аеродинамична загатка.

Основите на пресметките за влечење за движење на автомобилите на патот ни нудат четири главни сили кои делуваат на автомобилот додека возите: отпор на воздухот, отпор на тркалање, отпор на кревање и инерцијални сили. Забележано е дека само првите две се главни. Сила на отпор на тркалање автомобилско тркалоглавно зависи од деформацијата на гумата и патот во областа за контакт. Но, веќе со брзина од 50-60 км на час, силата на отпорот на воздухот ја надминува секоја друга, а при брзини над 70-100 км на час ги надминува сите заедно. За да се докаже оваа изјава, неопходно е да се даде следната приближна формула: Px = Cx * F * v2, каде што: Px - сила на отпорот на воздухот; v - брзина на возилото (m / s); F е проекционата површина на автомобилот на рамнина нормална на надолжната оска на автомобилот или површината на најголемиот пресек на автомобилот, односно фронталната површина (m2); Cx - коефициент на отпор на воздухот (коефициент на рационализација). Забелешка. Брзината во формулата е квадратна, што значи дека кога се зголемува, на пример, двапати, силата на отпорот на воздухот се зголемува четирикратно.

Во исто време, потрошувачката на енергија потребна за нејзино надминување расте осум пати! На трките во Наскар, каде брзината ја надминува границата од 300 km/h, експериментално е утврдено дека за да се зголеми максималната брзина за само 8 km/h, потребно е да се зголеми моќноста на моторот за 62 kW (83 hp) или да се намали Cx за 15% ... Постои уште еден начин - да се намали фронталната површина на автомобилот. Многу суперавтомобили со голема брзина се многу пониски конвенционални автомобили... Ова е само знак за работа за намалување на фронталната област. Сепак, оваа постапка може да се изврши до одредени граници, во спротивно ќе биде невозможно да се користи таков автомобил. Поради оваа и други причини, рационализацијата е едно од главните прашања при дизајнирање на автомобил. Се разбира, на силата на влечење влијае не само брзината на автомобилот и неговите геометриски параметри. На пример, колку е поголема густината на воздухот, толку е поголем отпорот. За возврат, густината на воздухот директно зависи од неговата температура и висина над морското ниво. Како што се зголемува температурата, густината на воздухот (а оттука и неговата вискозност) се зголемува, но високо во планините воздухот е поретки, а неговата густина е помала итн. Има многу такви нијанси.

Но, назад кон обликот на автомобилот. Кој предмет има најдобро рационализирање? Одговорот на ова прашање го знае речиси секој студент (кој не спиел на часовите по физика). Капка вода што паѓа надолу добива најаеродинамичен облик. Тоа е, заоблена фронтална површина и непречено заострен долг грб (најдобриот сооднос е 6 пати поголем од должината на ширината). Коефициентот на влечење е експериментална вредност. Нумерички, таа е еднаква на силата на отпорот на воздухот во њутни, создадена кога се движи со брзина од 1 m / s на 1 m2 фронтална површина. За референтна единица, вообичаено е да се земе предвид Cx на рамна плоча = 1. Значи, капка вода има Cx = 0,04. Сега замислете автомобил со ваков облик. Глупости, нели? Не само што таквото нешто на тркалата ќе изгледа донекаде карикатурирано, нема да биде многу погодно да се користи овој автомобил за намената. Затоа, дизајнерите се принудени да најдат компромис помеѓу аеродинамиката на автомобилот и практичноста на неговата употреба. Постојани обиди за намалување на коефициентот отпор на воздухдоведе до фактот дека за некои модерни автомобили Cx = 0,28-0,25. Па, рекордните автомобили со голема брзина може да се пофалат со Cx = 0,2-0,15.

Сили на отпорот

Сега е неопходно да се каже малку за својствата на воздухот. Како што знаете, секој гас е составен од молекули. Тие се во постојано движење и интеракција едни со други. Се појавуваат таканаречените ван дер Валс сили - силите на взаемно привлекување на молекулите кои ги спречуваат да се движат релативно едни на други. Некои од нив почнуваат посилно да се држат до останатите. И со зголемување на хаотичното движење на молекулите, ефективноста на дејството на еден слој воздух на друг се зголемува, а вискозноста се зголемува. И ова се случува поради зголемување на температурата на воздухот, а тоа може да биде предизвикано и од директно загревање од сонцето, и индиректно од триење на воздухот против која било површина или едноставно неговите слоеви меѓу себе. Тука влијае брзината на движење. За да разберете како тоа влијае на автомобилот, само обидете се да замавнете со раката со отворена дланка. Ако го правите тоа полека, ништо не се случува, но ако мавнете со раката посилно, дланката веќе јасно воочува некаков отпор. Но, ова е само една компонента.

Кога воздухот се движи над некоја неподвижна површина (на пример, телото на автомобилот), истите ван дер Валс сили придонесуваат за фактот дека најблискиот слој на молекули почнува да се држи до него. И овој „заглавен“ слој го успорува следниот. И така, слој по слој, и колку побрзо се движат молекулите на воздухот, толку тие се подалеку од неподвижната површина. На крајот, нивната брзина се изедначува со брзината на главниот проток на воздух. Слојот во кој честичките се движат бавно се нарекува граничен слој и се појавува на која било површина. Колку е поголема вредноста на површинската енергија на материјалот за обложување на автомобилот, толку е посилна неговата површина во интеракција на молекуларно ниво со околната воздушна средина и толку повеќе енергија мора да се потроши за уништување на овие сили. Сега, врз основа на горенаведените теоретски пресметки, можеме да кажеме дека отпорот на воздухот не е само ветер што дува во шофершајбната... Овој процес има повеќе компоненти.

Формирајте отпор

Ова е најзначајниот дел - до 60% од сите аеродинамички загуби. Ова често се нарекува отпорност на притисок или влечење. Кога возите, автомобилот го компресира влезниот проток на воздух и го надминува напорот да ги раздвои молекулите на воздухот. Резултатот е зона висок крвен притисок... Понатаму, воздухот тече околу површината на автомобилот. Во тој процес доаѓа до распаѓање на воздушните млазници со формирање на вртлози. Конечниот застој на протокот на воздух на задниот дел од возилото создава зона на намален притисок. Отпорот напред и ефектот на вшмукување на задниот дел на возилото создаваат многу силна спротивставеност. Овој факт ги обврзува дизајнерите и конструкторите да бараат начини да ја дадат каросеријата. Наредете ги на полиците.

Сега е неопходно да се разгледа обликот на автомобилот, како што велат, „од браник до браник“. Кои делови и елементи имаат поголемо влијание врз целокупната аеродинамика на автомобилот? Предниот дел од телото. Експериментите во тунел за ветер покажаа дека за подобра аеродинамика, предниот крај на каросеријата треба да биде низок, широк и да нема остри агли. Во овој случај, нема одвојување на протокот на воздух, што има многу корисен ефект врз рационализирањето на автомобилот. Решетката на радијаторот често не е само функционална, туку и декоративна. На крајот на краиштата, радијаторот и моторот мора да имаат ефективен проток на воздух, така што овој елемент е многу важен. Некои производители на автомобили ја проучуваат ергономијата и дистрибуцијата на воздухот во моторниот простор исто толку сериозно како и општата аеродинамика на автомобилот. Навалувањето на шофершајбната е многу јасен пример за компромисот помеѓу аеродинамиката, ергономијата и перформансите. Недоволниот наклон создава прекумерен отпор, а прекумерниот - ја зголемува прашината и масата на самото стакло, видливоста нагло опаѓа во самрак, потребно е да се зголеми големината на бришачот итн. Преминот од стакло на страничен ѕид треба да се изврши непречено.

Но, не треба да се занесувате од прекумерната искривување на стаклото - ова може да го зголеми изобличувањето и да ја наруши видливоста. Ефектот на столбот на шофершајбната врз отпорот е многу зависен од положбата и обликот на ветробранското стакло, како и од обликот на предниот дел. Но, додека се работи на обликот на столбот, не треба да се заборави за заштита на предните странични прозорци од дождовница и нечистотија издувана од шофершајбната, одржување на прифатливо ниво на надворешен аеродинамичен шум итн. Покрив. Зголемувањето на испакнатоста на покривот може да доведе до намалување на коефициентот на отпор. Но, значителното зголемување на испакнатоста може да дојде во конфликт со целокупниот дизајн на возилото. Дополнително, ако зголемувањето на конвексноста е придружено со истовремено зголемување на областа на фронталниот отпор, тогаш се зголемува силата на отпорот на воздухот. Од друга страна, ако се обидете да ја одржите првобитната висина, тогаш ветробранското стакло и задните прозорци ќе мора да бидат вградени во покривот, бидејќи видливоста не треба да се влошува. Ова ќе доведе до зголемување на цената на очилата, додека намалувањето на силата на отпорот на воздухот во овој случај не е толку значајно.

Странични површини. Од аеродинамичка гледна точка на возилото, страничните површини имаат мало влијание врз создавањето на проток без вител. Но, не можете премногу да ги заокружувате. Во спротивно, ќе биде тешко да се влезе во таков автомобил. Очилата треба, ако е можно, да бидат интегрални со страничната површина и да бидат во линија со надворешната контура на возилото. Сите чекори и скокачи создаваат дополнителни пречки за минување на воздухот и се појавуваат несакани турбуленции. Ќе забележите дека олуците, кои претходно беа присутни на речиси секое возило, повеќе не се користат. Се појавија и други дизајнерски решенија кои немаат толку големо влијание врз аеродинамиката на автомобилот.

Задниот дел на автомобилот има, можеби, најголемо влијаниена коефициентот на рационализација. Објаснувањето е едноставно. Назад, протокот на воздух се прекинува и создава вител. Задниот дел на автомобилот е речиси невозможно да се направи толку рационализиран како воздушен брод (6 пати повеќе од ширината). Затоа, повнимателно работат на неговата форма. Еден од главните параметри е аголот на наклон на задниот дел на автомобилот. Еден пример веќе стана учебник Руски автомобил„Москвич-2141“, каде несреќната одлука на задниот дел значително ја влоши целокупната аеродинамика на автомобилот. Но, од другата страна, задното стакло„Московјанец“ отсекогаш останал чист. Повторно компромис. Затоа се направени толку многу дополнителни приклучоци специјално за задниот дел на автомобилот: спојлери, спојлери итн. Заедно со аголот на наклон на задниот дел, аеродинамичниот коефициент на отпор е под силно влијание на дизајнот и обликот на страничниот раб на задниот дел од автомобилот. На пример, ако погледнете речиси секој модерен автомобил одозгора, веднаш можете да видите дека каросеријата е поширока напред отколку назад. Ова е исто така аеродинамика. Долната страна на автомобилот.

Како што може да изгледа на почетокот, овој дел од телото нема никакво влијание врз аеродинамиката. Но, тука постои таков аспект како downforce. Стабилноста на автомобилот зависи од тоа и од тоа колку правилно е организиран протокот на воздух под дното на автомобилот, како резултат на тоа зависи и силата на неговото „лепење“ на патот. Тоа е, ако воздухот под автомобилот не се задржува, туку тече брзо, тогаш намалениот притисок што произлегува таму ќе го притисне автомобилот на коловозот. Ова е особено важно за конвенционалните возила. Факт е дека кај тркачките автомобили кои се натпреваруваат на висококвалитетни, рамномерни површини, можете да поставите толку ниско растојание од подлогата што почнува да се појавува ефектот „земјена перница“, при што се зголемува надолната сила и се намалува отпорот. За нормални автомобилинискиот клиренс е неприфатлив. Затоа, дизајнерите неодамна се обидуваат да го измазнуваат дното на автомобилот што е можно повеќе, покривајќи ги со штитови такви нерамни елементи како издувни цевки, висечки краци итн. Патем, лакови на тркалатаимаат многу големо влијание врз аеродинамиката на возилото. Неправилно дизајнираните ниши можат да создадат дополнителен подигнување.

И повторно ветрот

Непотребно е да се каже дека потребната моќност на моторот зависи од рационализацијата на автомобилот, а со тоа и од потрошувачката на гориво (т.е. паричникот). Сепак, аеродинамиката оди подалеку од брзината и ефикасноста. Не и најмалку важно е задачата да се обезбеди добро насочена стабилност, управување со возилото и намалување на бучавата при возење. Со бучава, сè е јасно: колку е подобро рационализирањето на автомобилот, квалитетот на површините, колку е помала големината на празнините и бројот на испакнати елементи итн., толку помалку бучава. Дизајнерите треба да размислуваат за таков аспект како што е моментот што се развива. Овој ефект е добро познат на повеќето возачи. Кој некогаш возел голема брзинапокрај „камионот“ или само возеше при силен спротивен ветер, требаше да почувствуваат изглед на тркалање или дури и мало свртување на автомобилот. Нема смисла да се објаснува овој ефект, но ова е токму проблемот на аеродинамиката.

Ова е причината зошто коефициентот Cx не е единствениот. На крајот на краиштата, воздухот може да влијае на автомобилот не само „главно“, туку и од различни агли и во различни насоки. И сето тоа има влијание врз ракувањето и безбедноста. Ова се само неколку од главните аспекти кои влијаат на вкупната сила на отпорот на воздухот. Невозможно е да се пресметаат сите параметри. Постојните формули не даваат целосна слика. Затоа, дизајнерите ја истражуваат аеродинамиката на автомобилот и ја прилагодуваат неговата форма користејќи толку скапа алатка како аеродинамична цевка... Западните фирми не штедат пари за нивна изградба. Цената на ваквите истражувачки центри може да достигне милиони долари. На пример: концернот Daimler-Chrysler инвестираше 37,5 милиони американски долари во создавање на специјализиран комплекс за подобрување на аеродинамиката на своите автомобили. Во моментов, тунелот за ветер е најзначајната алатка за проучување на силите на отпорот на воздухот што влијаат на автомобилот.

Сегашната регулатива им дозволува на тимовите да тестираат модели на автомобили во тунел за ветер што не надминуваат 60% од скалата. Во интервју за F1Racing, поранешниот директор на тимот на Рено, Пет Сајмондс, зборуваше за спецификите на оваа работа ...

Пет Сајмондс: „Денес сите тимови работат со модели од 50% или 60%, но тоа не беше секогаш случај. Првите аеродинамички тестови во 80-тите беа извршени со макети 25% од реалната вредност - моќта на ветерните тунели на Универзитетот во Саутемптон и Империјалниот колеџ во Лондон не дозволуваше повеќе - само таму беше можно да се инсталираат модели на подвижна основа. Потоа се појавија тунели за ветер, во кои беше можно да се работи со модели со 33% и 50%, а сега, поради потребата да се ограничат трошоците, тимовите се согласија да ги тестираат моделите не повеќе од 60% со брзина на проток на воздух од не повеќе од 50 метри во секунда.

При изборот на скалата на моделот, тимовите поаѓаат од можностите на постоечкиот ветерен тунел. За да се добијат точни резултати, димензиите на моделот не треба да надминуваат 5% од работната површина на цевката. Поевтино е да се произведуваат модели од помал обем, но колку е помал моделот, толку е потешко да се одржи потребната точност. Како и со многу други проблеми со развојот на болидите во Формула 1, тука треба да го најдете најдобриот компромис.

Во старите денови се правеа модели од дрвото на дрвото Диера кое расте во Малезија, кое има мала густина, сега се користи опрема за ласерска стереолитографија - инфрацрвениот ласерски зрак го полимеризира композитниот материјал, добивајќи дел со наведени карактеристики на излез. Овој метод овозможува да се тестира ефективноста на нова инженерска идеја во тунел за ветер во рок од неколку часа.

Колку попрецизно се извршува моделот, толку посигурни се информациите добиени за време на неговото чистење. Секоја ситница е важна овде, дури и низ издувните цевки, протокот на гасови мора да помине со иста брзина како кај вистински автомобил. Тимовите се обидуваат да постигнат најголема можна прецизност на симулацијата за достапната опрема.

За многу години, наместо гуми се користеа големи копии од најлон или јаглеродни влакна, а сериозен напредок беше постигнат кога Мишелин направи точни намалени копии од нивните тркачки гуми. Моделот на машината е опремен со различни сензори за мерење на воздушниот притисок и систем кој ви овозможува да го промените балансот.

Моделите, вклучувајќи ја и мерната опрема инсталирана на нив, се малку инфериорни по цена во однос на вистинските машини - на пример, тие се поскапи од вистинските машини GP2. Ова е всушност ултра тешка одлука. Основна рамка со сензори чини околу 800 илјади долари, може да се користи неколку години, но обично тимовите имаат два сета за да не престанат да работат.

Секоја ревизија елементи на телотоили суспензија доведува до потреба од производство на нова верзија на комплетот за каросерија, која чини уште четвртина милион. Во исто време, работата на самиот ветерен тунел чини околу илјада долари на час и бара присуство на 90 вработени. Сериозните тимови трошат околу 18 милиони долари по сезона на ова истражување.

Трошоците се исплатат. Зголемувањето од 1% на долната сила ви овозможува да играте една десетина од секундата на вистинска патека. Во услови на стабилни регулативи, инженерите играат околу тоа месечно, така што само во одделот за моделирање, секоја десетта го чини тимот 1,5 милиони долари.

Ниту еден автомобил нема да помине низ ѕид од тули, но секој ден поминува низ ѕидови од воздух кој исто така има густина.

Никој не ги доживува воздухот или ветерот како ѕид. При мали брзини, при мирно време, тешко е да се види како протокот на воздух е во интеракција со возилото. Но, со голема брзина, на силен ветерОтпорот на воздухот (силата што се врши на објект што се движи низ воздухот - исто така дефинирана како влечење) силно влијае на тоа како автомобилот забрзува, колку управува и како користи гориво.

Тука стапува во игра науката за аеродинамиката, која ги проучува силите што се создаваат од движењето на предметите во воздухот. Модерните автомобили се дизајнирани имајќи ја предвид аеродинамиката. Автомобил со добра аеродинамика поминува низ ѕид од воздух како нож низ путер.

Поради малата отпорност на протокот на воздух, таков автомобил подобро забрзува и подобро троши гориво, бидејќи моторот не мора да троши дополнителни сили за да го „турне“ автомобилот низ воздушниот ѕид.

За да се подобри аеродинамиката на автомобилот, обликот на телото е заоблен така што воздушниот канал тече околу автомобилот со најмал отпор. Во спортските автомобили, обликот на телото е дизајниран да го насочува протокот на воздух главно по долниот дел, тогаш ќе разберете зошто. На багажникот на автомобилот ставаат и крило или спојлер. Крилото го притиска задниот дел на возилото за да спречи кревање задни тркала, поради силниот проток на воздух кога се движи со голема брзина, што ја прави машината постабилна. Не се сите задни крила исти и не се користат сите за нивната намена, некои служат само како елемент на автомобилскиот декор кој не врши директна функција на аеродинамиката.

Наука за аеродинамиката

Пред да зборуваме за автомобилската аеродинамика, да ги разгледаме основите на физиката.

Кога некој предмет се движи низ атмосферата, тој се поместува амбиенталниот воздух... Објектот е исто така подложен на гравитација и отпор. Отпорот се создава кога цврст предмет се движи во течен медиум - вода или воздух. Отпорот се зголемува со брзината на објектот - колку побрзо се движи низ просторот, толку поголем отпор доживува.

Ние го мериме движењето на објектот со фактори опишани во Њутновите закони - маса, брзина, тежина, надворешна сила и забрзување.

Отпорот директно влијае на забрзувањето. Забрзување (а) на објект = неговата тежина (W) минус отпорот (D) поделено со неговата маса (m). Потсетете се дека тежината е производ на телесната маса и гравитационото забрзување. На пример, на Месечината, тежината на човекот ќе се промени поради недостаток на гравитација, но масата ќе остане иста. Едноставно кажано:

Како што објектот се забрзува, брзината и отпорот растат до крајната точка во која отпорот станува еднаков на тежината - објектот повеќе нема да забрзува. Да замислиме дека нашиот објект во равенката е автомобил. Како што автомобилот се движи побрзо и побрзо, се повеќе и повеќе воздух се спротивставува на неговото движење, ограничувајќи го автомобилот на неговото максимално забрзување при одредена брзина.

Доаѓаме до најважната бројка - коефициентот на аеродинамичко влечење. Ова е еден од главните фактори што одредува колку лесно некој предмет се движи низ воздухот. Коефициентот на влечење (Cd) се пресметува со следнава формула:

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

Каде што D е отпор, A е површина, r е густина, V е брзина.

Аеродинамичен коефициент на отпор во автомобил

Сфативме дека коефициентот на влечење (Cd) е величина што ја мери силата на отпорот на воздухот што се применува на објект, како што е автомобилот. Сега замислете дека силата на воздухот го притиска автомобилот додека се движи по патот. При брзина од 110 km/h, на него влијае сила четири пати поголема отколку при брзина од 55 km/h.

Аеродинамичните способности на автомобилот се мерат со коефициентот на отпор. Колку е помала вредноста на Cd, толку е подобра аеродинамиката на автомобилот и полесно ќе помине низ ѕидот на воздухот, кој го притиска од различни правци.

Размислете за индикаторите Cd. Се сеќавате на аголното, кутии Volvo од 1970-тите и 80-тите? Стариот Волво седан 960 коефициент на влечење 0,36. Каросеријата на новото Volvo се мазни и мазни, благодарение на што коефициентот достигнува 0,28. Помазни и порационализирани форми покажуваат подобра аеродинамика од аголните и квадратните.

Причини зошто аеродинамиката сака елегантни форми

Да се ​​потсетиме на најаеродинамичната работа во природата - солза. Солзата е тркалезна и мазна од сите страни, а на врвот се стеснува. Кога солза ќе падне, воздухот тече околу неа лесно и непречено. Исто така кај автомобилите - воздухот слободно тече преку мазна, заоблена површина, намалувајќи ја отпорноста на воздухот на движењето на предметите.

Денес, повеќето модели имаат просечен коефициент на отпор од 0,30. Теренците имаат коефициент на отпор од 0,30 до 0,40 или повеќе. Причината за високиот сооднос е во димензиите. Land Cruisers и Gelendvagens сместуваат повеќе патници, имаат повеќе простор за товар, поголеми решетки за ладење на моторот, па оттука и дизајнот налик на квадрат. Пикапите чиј дизајн е наменски квадрат имаат Cd поголемо од 0,40.

Дизајнот на каросеријата е контроверзен, но аеродинамичната форма на автомобилот е индикативна. Коефициентот на отпор на Toyota Prius е 0,24, така што потрошувачката на гориво на автомобилот е мала, не само поради хибридната централа. Запомнете, секој минус 0,01 во коефициентот ја намалува потрошувачката на гориво за 0,1 литри на 100 километри.

Лоши модели за влечење:

Модели со добар аеродинамичен отпор:

Техниките за подобрување на аеродинамиката постојат долго време, но им требаше долго време на производителите на автомобили да почнат да ги користат кога создаваат нови возила.

Моделите на првите автомобили што се појавија немаат никаква врска со концептот на аеродинамиката. Погледнете го моделот Т Форд- автомобилот повеќе личи на кочија без коњ - победник на натпреварот за дизајн на плоштад. За волја на вистината, повеќето модели беа пионери и не им требаше аеродинамичен дизајн, бидејќи возеа бавно, на таа брзина немаше на што да се одолее. но тркачки автомобилиНа почетокот на 1900-тите, тие почнаа постепено да се стеснуваат за да победуваат на натпревари поради аеродинамиката.

Во 1921 година, германскиот пронаоѓач Едмунд Румплер го создал Rumpler-Tropfenauto, што на германски значи „автомобил - солза“. Инспириран од најаеродинамичниот облик на природата, обликот на солза, овој модел имаше коефициент на отпор од 0,27. Дизајнот на Rumpler-Tropfenauto никогаш не беше препознаен. Rumpler успеа да создаде само 100 единици Rumpler-Tropfenauto.

Во Америка, скокот во аеродинамичкиот дизајн дојде во 1930-тите со Chrysler Airflow. Инспирирани од летот на птиците, инженерите го дизајнираа Airflow имајќи ја предвид аеродинамиката. За да се подобри управувањето, тежината на автомобилот беше рамномерно распределена помеѓу предната и задната оска - 50/50. Уморни од Големата депресија, општеството никогаш не го прифати неконвенционалниот изглед на Chrysler Airflow. Моделот се сметаше за неуспешен, иако рационализираниот дизајн на Chrysler Airflow беше многу пред своето време.

Во 1950-тите и 60-тите години беа забележани најголеми достигнувања во автомобилската аеродинамика што дојдоа од тркачкиот свет. Инженерите почнаа да експериментираат со различни стилови на каросерија, знаејќи дека рационализираната форма ќе ги забрза автомобилите. Така се родила формата на тркачки автомобил, кој преживеал до денес. Предните и задните спојлери, носовите на лопатките и аеро комплетите ја служеа истата цел, насочувајќи го протокот на воздух низ покривот и создавајќи ја потребната надолна сила на предните и задните тркала.

Успехот на експериментите беше олеснет од тунелот за ветер. Во следниот дел од нашата статија, ќе ви кажеме зошто е потребно и зошто е важно во дизајнирањето на дизајнот на автомобилот.

Мерење на отпорот во тунел за ветер

За да ја измерат аеродинамичната ефикасност на автомобилот, инженерите позајмиле алатка од воздухопловната индустрија - тунел за ветер.

Тунел за ветер е тунел со моќни вентилатори кои создаваат проток на воздух над објект внатре. Автомобил, авион или нешто друго чиј отпор на воздухот го мерат инженерите. Од просторијата зад тунелот, научниците набљудуваат како воздухот комуницира со некој објект и како воздушните струи се однесуваат на различни површини.

Автомобилот или авионот во тунелот за ветер не се движат, но за да симулираат реални услови, вентилаторите дуваат воздух од различна брзина... Понекогаш вистинските автомобили не се ни вовлекуваат во цевката - дизајнерите често се потпираат на точни модели создадени од глина или други суровини. Ветерот го дува автомобилот во тунел за ветер, а компјутерите го пресметуваат коефициентот на отпор.

Ветерните тунели се користат од доцните 1800-ти, кога тие се обиделе да создадат авион и го мереле ефектот на протокот на воздух во цевките. Дури и браќата Рајт имале таква цевка. По Втората светска војна, инженерите за тркачки автомобили, во потрага по предност пред конкурентите, почнаа да користат тунели за ветер за да ја проценат ефикасноста на аеродинамичните елементи во нивните дизајни. Подоцна, оваа технологија се проби во светот на патничките автомобили и камионите.

Во текот на изминатите 10 години, се помалку се користат големи тунели за ветер од повеќе милиони долари. Компјутерската симулација постепено го заменува овој метод на тестирање на аеродинамиката на автомобилот (повеќе детали). Ветерните тунели се стартуваат само за да се осигураат дека нема погрешни пресметки во компјутерските симулации.

Има повеќе концепти во аеродинамиката отколку само отпор на воздухот - има и фактори на подигање и надолна сила. Подигнување (или подигање) е сила која работи против тежината на некој предмет, кревајќи го и задржувајќи го предметот во воздухот. Спротивно на лифтот е силата што турка предмет на земја.

Секој што мисли дека коефициентот на отпор на тркачките болиди во Формула 1, кои развиваат 320 км на час, е низок, се лаже. Типичен тркачки автомобил во Формула 1 има коефициент на отпор од околу 0,70.

Причината за преценетиот коефициент на отпорност на воздухот на тркачките болиди во Формула 1 е тоа што овие болиди се дизајнирани да создадат што е можно повеќе надолна сила. Со брзината со која се движат автомобилите, со нивната исклучително мала тежина, тие почнуваат да го доживуваат подигањето големи брзини- физиката ги тера да се креваат во воздух како авион. Автомобилите не се изградени за да летаат (иако во написот - летечкиот автомобил што се трансформира го вели спротивното), а ако возилото почне да се крева во воздух, тогаш може да се очекува само едно - катастрофална несреќа. Затоа, надолната сила мора да биде максимална за да се задржи автомобилот на земја при големи брзини, што значи дека коефициентот на отпор мора да биде висок.

Формула 1 болидите постигнуваат голема потисна сила со користење на предните и грбови возилото... Овие браници ги насочуваат воздушните струи така што автомобилот е притиснат на земја - истата сила надолу. Сега можете безбедно да ја зголемите брзината и да не ја изгубите при свиоци. Во исто време, надолната сила мора внимателно да се избалансира со подигнувањето за автомобилот да ја подигне саканата брзина на права линија.

Многу сериски автомобили имаат аеродинамични додатоци за да создадат надолна сила. печатот критикуваше за изгледот. Контроверзен дизајн. И сето тоа затоа што целото тело GT-RДизајниран да го насочува протокот на воздух над возилото и назад преку овалниот заден спојлер, создавајќи поголема надолна сила. Никој не размислуваше за убавината на автомобилот.

Надвор од патеката во Формула 1, често се наоѓаат крила сериски автомобилина пример, седани Компаниите на Тојотаи Хонда. Понекогаш овие дизајнерски елементи додаваат малку стабилност при големи брзини. На пример, првиот Audi TT првично немаше спојлер, но Audi мораше да додаде еден кога беше откриено дека заоблената форма и малата тежина на TT создаваат премногу подигање, што го прави автомобилот нестабилен при брзини над 150 km/h.

Но, ако автомобилот не е Audi TT, не е спортски, не спортски автомобил, туку обичен семеен седанили хечбек, нема што да се монтира спојлер. Спојлерот нема да го подобри управувањето со таков автомобил, бидејќи „семејството“ веќе има висока надолна сила поради високиот Cx и не можете да исцедите брзини над 180 на него. Спојлер на обичен автомобил може да предизвика прекумерно управување, или обратно, неподготвеност да влезе во свиоци. Меѓутоа, ако мислите и дека џиновски спојлер Honda civicстои на своето место, не дозволувајте некој да ве убеди во ова.

Во многу области на науката и технологијата кои се поврзани со брзината, често е неопходно да се пресметаат силите што дејствуваат на објектот. Модерен автомобил, борбен авион, подморница или брз електричен воз - сите се под влијание на аеродинамички сили. Точноста на одредување на големината на овие сили директно влијае спецификациинаведените предмети и нивната способност за извршување на одредени задачи. В општ случајсилите на триење го одредуваат нивото на моќност на погонскиот систем, а страничните сили влијаат на контролирањето на објектот.

Традиционалната шема за дизајн користи удари во тунел за ветер (обично намалени модели), тестови на базен и теренски тестови за одредување на силите. Сепак, сите експериментални истражувања се прилично скап начин за добивање на такво знаење. За да тестирате модел на уред, прво мора да го направите, потоа да подготвите програма за тестирање, да подготвите штанд и, конечно, да извршите серија мерења. Во овој случај, во повеќето случаи, на веродостојноста на резултатите од тестот ќе влијаат претпоставките предизвикани од отстапувањата од реалните работни услови на објектот.

Експеримент или пресметка?

Да ги разгледаме подетално причините за несовпаѓањето помеѓу експерименталните резултати и вистинското однесување на објектот.

При испитување на модели под услови ограничен простор, на пример, во тунелите за ветер, граничните површини имаат значително влијание врз структурата на протокот во близина на објектот. Намалувањето на скалата на моделот ви овозможува да го решите овој проблем, сепак, треба да ја земете предвид промената на бројот на Рејнолдс (т.н. ефект на скала).

Во некои случаи, изобличувањата може да бидат предизвикани од фундаментално несовпаѓање помеѓу реалните услови на протокот околу телото и оние симулирани во цевката. На пример, кога дува автомобили со голема брзинаили возови, отсуството на подвижна хоризонтална површина во тунел за ветер сериозно го менува целокупниот модел на проток, а исто така влијае на рамнотежата на аеродинамичките сили. Овој ефект е поврзан со растот на граничниот слој.

Методите на мерење внесуваат и грешки во измерените вредности. Неправилно поставување на сензорите на објектот или неправилна ориентација на нивните работни делови може да доведе до неточни резултати.

Дизајнерско забрзување

Во моментов, водечките индустриски компании во фазата на прелиминарен дизајн широко користат технологии за компјутерско моделирање CAE. Ова ви овозможува да разгледате повеќе опции кога барате оптимален дизајн.

Современото ниво на развој на софтверскиот пакет ANSYS CFX значително го проширува опсегот на неговата примена: од моделирање на ламинарните текови до турбулентни текови со силна анизотропија на параметрите.

Широкиот асортиман на турбулентни модели што се користат ги вклучува традиционалните модели RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) со најдобар сооднос брзина-прецизност, моделот на турбуленција SST (Sear Stress Transport) (двослоен модел на Menter), кој успешно ги комбинира предностите на моделите на ke турбуленција и „kw“. За потоци со развиена анизотропија, посоодветни се моделите RSM (Reynolds Stress Model). Директната пресметка на параметрите на насочените турбуленции овозможува попрецизно да се одредат карактеристиките на протокот на вител.

Во некои случаи, се препорачува да се користат модели засновани на теории за вител: DES (Stachable Eddy Simulation) и LES (Large Eddy Simulation). Особено за случаи каде што е особено важно да се земат предвид процесите на ламинарно-турбулентна транзиција, развиен е моделот на транзициска турбуленција, создаден врз основа на добро докажаната SST технологија. Моделот помина низ обемна програма за тестирање на различни објекти (од сечила до патнички авиони) и покажа одлична корелација со експерименталните податоци.

Авијација

Создавањето на современи воени и цивилни авиони е невозможно без длабока анализа на сите негови карактеристики во почетната фаза на дизајнирање. Ефикасноста на авионот, неговата брзина и маневрирање директно зависат од внимателно проучување на обликот на површините и контурите на лежиштето.

Денес, сите големи производители на авиони користат компјутерска анализа до одреден степен во развојот на нови производи.

Моделот на минливи турбуленции, кој правилно ги анализира режимите на проток блиску до ламинарните, тековите со развиени зони на сепарација и повторно прицврстување, отвора големи можности за анализа на сложени текови. Ова дополнително ја намалува разликата помеѓу резултатите од нумеричките пресметки и реалната слика на протокот.

Автомобилство

Модерен автомобил мора да биде поекономичен со висока енергетска ефикасност. И, се разбира, главните дефинирачки компоненти се моторот и каросеријата.

За да се обезбеди ефикасност на сите моторни системи, водечките западните компаниидолго време користат технологии за компјутерско моделирање. На пример, Robert Bosch Gmbh (Германија), производител на широк спектар на компоненти за модерни возила со дизел, во развојот на систем за снабдување со гориво Заедничка железницакористеше ANSYS CFX (за подобрување на перформансите на инјектирање).

BMW, чии мотори ја освоија титулата „ Најдобар моторГодини“ (Меѓународен мотор на годината), користи ANSYS CFX за симулација на процеси во коморите за согорување на мотор со внатрешно согорување.

Надворешната аеродинамика е исто така средство за подобрување на ефикасноста на искористувањето на моќта на моторот. Обично не се работи само за намалување на коефициентот на отпор, туку и за рамнотежата на надолната сила што ја бара секој автомобил со голема брзина.

Крајниот израз на овие карактеристики се тркачки автомобили од различни класи. Без исклучок, сите учесници во Ф1 шампионатот користат компјутерска анализа на аеродинамиката на нивните болиди. Спортските достигнувања јасно ги покажуваат придобивките од овие технологии, од кои многу веќе се користат во сериските возила.

Во Русија, пионер во оваа област е тимот на Active-Pro Racing: Формула 1600 тркачки автомобил развива брзина од над 250 km/h и е врв на рускиот автомотоспорт. Употребата на комплексот ANSYS CFX (слика 4) за дизајнирање на новата аеродинамична ограда на автомобилот овозможи значително да се намали бројот на опции за дизајн при барање оптимално решение.

Споредбата на пресметаните податоци и резултатите од дувањето во ветерниот тунел ја покажа очекуваната разлика. Тоа се објаснува со неподвижниот под во цевката, што предизвика зголемување на дебелината на граничниот слој. Затоа аеродинамички елементилоциран прилично ниско, работеше во непознати услови.

Сепак, компјутерскиот модел целосно одговараше на реалните услови на возење, што овозможи значително да се подобри ефикасноста на автомобилот.

Градба

Архитектите денес се поудобни со надворешниот изглед на проектираните згради отколку пред 20 или 30 години. Футуристичките креации на современите архитекти, како по правило, имаат сложени геометриски форми, за кои се непознати вредностите на аеродинамичните коефициенти (неопходни за доделување на дизајнерски оптоварувања на ветерот на носечките конструкции).

Во овој случај, покрај традиционалните тестови на тунелот за ветер, се повеќе се користат алатките CAE за да се добијат аеродинамичките карактеристики на зградата (и факторите на сила). Пример за таква пресметка во ANSYS CFX е прикажан на сл. 5.

Покрај тоа, ANSYS CFX традиционално се користи за моделирање на системи за вентилација и греење во индустриски простории, деловни згради, канцелариски и спортски и забавни комплекси.

За анализа температурен режими природата на протокот на воздух во ледената арена на спортскиот комплекс Krylatskoye (Москва), инженерите на Olof Granlund Oy (Финска) го користеа софтверскиот пакет ANSYS CFX. Трибините на стадионот можат да примат околу 10 илјади гледачи, а топлинското оптоварување од нив може да биде повеќе од 1 MW (со брзина од 100-120 W / лице). За споредба: потребни се нешто повеќе од 4 kW енергија за да се загрее 1 литар вода од 0 до 100 ° C.

Ориз. 5. Распределба на притисокот на површината на конструкциите

Сумирање

Како што можете да видите, компјутерската технологија во аеродинамиката достигна ниво за кое можевме само да сонуваме пред 10 години. Во исто време, не треба да се спротивстави компјутерското моделирање на експерименталното истражување - многу е подобро ако овие методи се надополнуваат едни со други.

Комплексот ANSYS CFX, исто така, им овозможува на инженерите да решаваат такви сложени проблеми како, на пример, одредување на деформациите на структурата кога е изложена на аеродинамички оптоварувања. Ова придонесува за поправилно формулирање на многу проблеми и на внатрешната и на надворешната аеродинамика: од проблемите со треперењето на машините со сечилата до дејството на ветерот и брановите на морските структури.

Сите пресметковни способности на комплексот ANSYS CFX се исто така достапни во околината ANSYS Workbench.