Każdy wie, dlaczego samochód potrzebuje aerodynamiki. Im bardziej opływowe nadwozie, tym mniejsze opory ruchu i zużycie paliwa. Taki samochód nie tylko pozwoli zaoszczędzić pieniądze, ale także wyemituje mniej śmieci do środowiska. Odpowiedź jest prosta, ale daleka od pełnej. Specjaliści od aerodynamiki, dopracowujący nadwozie nowego modelu, dodatkowo:

• obliczyć rozkład siły nośnej wzdłuż osi, co jest bardzo ważne przy znacznych prędkościach współczesnych samochodów,
• zapewnić dostęp powietrza do chłodzenia silnika i mechanizmów hamulcowych,
• przemyśleć miejsca wlotu i wylotu powietrza dla systemu wentylacji wnętrza,
• dążyć do zmniejszenia poziomu hałasu w kabinie,
• zoptymalizować kształt części ciała, aby zmniejszyć zanieczyszczenie szkła, lusterek i sprzętu oświetleniowego.

Co więcej, rozwiązanie jednego zadania często stoi w sprzeczności z realizacją innego. Na przykład zmniejszenie współczynnika oporu poprawia opływ jazdy, ale jednocześnie pogarsza odporność pojazdu na boczne podmuchy wiatru. Dlatego specjaliści muszą szukać rozsądnego kompromisu.

Zmniejszony opór

Co decyduje o sile oporu? Decydujący wpływ mają na to dwa parametry – współczynnik opór aerodynamiczny Cx i pole przekroju poprzecznego pojazdu (przekrój środkowy). Możesz zmniejszyć środkową część, obniżając i węższy nadwozie, ale jest mało prawdopodobne, że będzie wielu nabywców takiego samochodu. Dlatego głównym kierunkiem poprawy aerodynamiki samochodu jest optymalizacja przepływu wokół nadwozia, czyli innymi słowy zmniejszenie Cx. Współczynnik oporu aerodynamicznego Cx jest wielkością bezwymiarową wyznaczaną eksperymentalnie. Dla nowoczesnych samochodów mieści się w przedziale 0,26-0,38. W źródłach zagranicznych współczynnik oporu aerodynamicznego jest czasami oznaczany jako Cd (współczynnik oporu). Korpus w kształcie łzy, którego Cx wynosi 0,04, ma idealne usprawnienie. W ruchu płynnie przecina prądy powietrza, które następnie płynnie, bez przerw zamykają się w jego „ogonie”.

Masy powietrza zachowują się inaczej, gdy samochód się porusza. Tutaj opór powietrza składa się z trzech elementów:

• opór wewnętrzny przy przepływie powietrza komora silnika i salon,
• opór tarcia przepływów powietrza na zewnętrznych powierzchniach ciała i
• tworzyć opór.

Trzeci składnik ma największy wpływ na aerodynamikę samochodu. Podczas jazdy samochód ściska znajdujące się przed nim masy powietrza, tworząc obszar wysokiego ciśnienia. Powietrze przepływa wokół ciała, a tam, gdzie się kończy, przepływ powietrza rozdziela się, tworząc turbulencje i obszar niskiego ciśnienia. A więc obszar wysokie ciśnienie z przodu uniemożliwia jazdę do przodu, a strefa niskiego ciśnienia z tyłu „zasysa” go z powrotem. Siła turbulencji i wielkość obszaru niskiego ciśnienia zależy od kształtu tylnej części nadwozia.

Najlepsze właściwości aerodynamiczne wykazują samochody ze schodkowym tyłem – sedany i coupe. Wyjaśnienie jest proste – strumień powietrza odrywający się od dachu od razu trafia na pokrywę bagażnika, gdzie ulega normalizacji, a następnie ostatecznie odrywa się od jej krawędzi. Strumienie boczne spadają również na bagażnik, co zapobiega tworzeniu się szkodliwych wirów za samochodem. Dlatego im wyższa i dłuższa pokrywa bagażnika, tym lepiej wydajność aerodynamiczna. W dużych sedanach i coupe czasami możliwe jest nawet osiągnięcie ciągłego przepływu wokół nadwozia. Nieznaczne zwężenie tyłu również pomaga zmniejszyć Cx. Krawędź pnia jest ostra lub w formie małego występu - zapewnia to oddzielenie przepływu powietrza bez turbulencji. W rezultacie obszar podciśnienia za samochodem jest niewielki.

Podwozie samochodu wpływa również na jego aerodynamikę. Wystające elementy zawieszenia i system wydechowy zwiększyć opór. Aby go zmniejszyć, starają się maksymalnie wygładzić spód lub przykryć osłonami wszystko, co „wystaje” poniżej zderzaka. Czasami instalowany jest mały przedni spoiler. Spoiler ogranicza przepływ powietrza pod samochodem. Ale tutaj ważne jest, aby wiedzieć, kiedy przestać. Duży spojler znacznie zwiększy opór, ale samochód będzie lepiej „wpasował się” w jezdnię. Ale o tym więcej w następnym rozdziale.

Docisk

Kiedy samochód się porusza, strumień powietrza pod jego spodem przebiega w linii prostej, a górna część strumienia opływa nadwozie, czyli pokonuje większą odległość. Dlatego prędkość górnego przepływu jest większa niż prędkość dolnego przepływu. Zgodnie z prawami fizyki im większa prędkość powietrza, tym niższe ciśnienie. W rezultacie pod dnem powstaje obszar wysokiego ciśnienia, a powyżej - obszar niskiego ciśnienia. To tworzy siłę nośną. I choć jego wartość jest niewielka, problemem jest to, że jest nierównomiernie rozłożony wzdłuż osi. Jeśli oś przednia jest obciążona przepływem naciskającym na maskę i Przednia szyba, wówczas tył jest dodatkowo odciążany przez strefę podciśnienia utworzoną za samochodem. Dlatego wraz ze wzrostem prędkości spada stabilność, a samochód staje się podatny na poślizg.

Projektanci samochodów produkowanych konwencjonalnie nie muszą wymyślać żadnych specjalnych środków, aby zwalczyć to zjawisko, ponieważ działania poprawiające osiągi zwiększają jednocześnie siłę docisku. Na przykład optymalizacja tylnej części pojazdu zmniejsza obszar podciśnienia za samochodem, a tym samym zmniejsza siłę nośną. Wypoziomowanie podwozia nie tylko zmniejsza opory ruchu powietrza, ale także zwiększa natężenie przepływu, a co za tym idzie, zmniejsza ciśnienie pod samochodem. A to z kolei prowadzi do spadku siły nośnej. W ten sam sposób tylny spoiler spełnia dwa zadania. Nie tylko zmniejsza powstawanie wirów, poprawiając Cx, ale jednocześnie dociska samochód do drogi dzięki odpychającemu się od niego strumieniowi powietrza. Czasami tylny spojler ma na celu wyłącznie zwiększenie siły docisku. W tym przypadku jest duży i przechylony lub jest wysuwany, wchodząc do pracy tylko w duże prędkości.

W przypadku modeli sportowych i wyścigowych opisane środki będą oczywiście nieskuteczne. Aby utrzymać je na drodze, musisz wytworzyć większy docisk. W tym celu zastosowano duży przedni spoiler, boczne listwy progowe i błotniki. Ale zainstalowany samochody produkcyjne elementy te będą pełnić jedynie rolę dekoracyjną, ciesząc próżność właściciela. NIE praktyczne korzyści nie dadzą, a wręcz przeciwnie, zwiększą opór ruchu. Nawiasem mówiąc, wielu entuzjastów samochodów myli spoiler ze skrzydłem, choć dość łatwo je rozróżnić. Spoiler zawsze dociska się do nadwozia, tworząc z nim jedną całość. Skrzydło jest zainstalowane w pewnej odległości od korpusu.

Praktyczna aerodynamika

Przestrzeganie kilku prostych zasad pozwoli Ci wyprowadzić oszczędności z powietrza, zmniejszając zużycie paliwa. Jednak te wskazówki będą przydatne tylko dla tych, którzy często jeżdżą dużo po autostradzie.

Podczas ruchu znaczna część mocy silnika jest wydawana na pokonywanie oporu powietrza. Im wyższa prędkość, tym większy opór (a tym samym zużycie paliwa). Dlatego jeśli zmniejszysz prędkość choćby o 10 km/h, zaoszczędzisz aż 1 litr na 100 km. W tym przypadku strata czasu będzie nieznaczna. Jednak ta prawda jest znana większości kierowców. Ale inne subtelności „aerodynamiczne” nie są znane wszystkim.

Zużycie paliwa zależy od współczynnika oporu powietrza i powierzchni przekroju poprzecznego pojazdu. Jeśli myślisz, że te parametry są ustawione fabrycznie i właściciel samochodu nie może ich zmienić, to się mylisz! Ich zmiana nie jest wcale trudna, a można osiągnąć zarówno pozytywne, jak i negatywne efekty.

Co zwiększa konsumpcję? Ładunek na dachu „zużywa” nadmiernie paliwo. A nawet opływowe pudełko zajmie co najmniej litr na sto. Otwarte okna i dachy otwierane podczas jazdy powodują nieracjonalne spalanie paliwa. Jeśli przewozisz długi ładunek z lekko otwartym bagażnikiem, również wystąpią przekroczenia. Różne elementy dekoracyjne, takie jak owiewka na masce („łapacz much”), „osłona przeciw muchom”, tylny błotnik i inne elementy domowego tuningu, choć przyniosą przyjemność estetyczną, zmuszą Cię do wydania dodatkowych pieniędzy . Spójrz pod spód - za wszystko, co zwisa i wygląda poniżej linii progowej, będziesz musiał dodatkowo zapłacić. Nawet tak drobnostka jak brak plastikowych zaślepek stalowe koła, zwiększa zużycie. Każdy z wymienionych czynników lub części indywidualnie nie zwiększa znacząco zużycia - od 50 do 500 g na 100 km. Ale jeśli wszystko dodasz, ponownie „wyskoczy” około litra na sto. Obliczenia te obowiązują dla małe samochody z prędkością 90 km/h. Właściciele dużych samochodów i miłośnicy większych prędkości uwzględniają zwiększone zużycie paliwa.

Jeśli wszystkie powyższe warunki zostaną spełnione, możemy uniknąć niepotrzebnych wydatków. Czy można jeszcze bardziej ograniczyć straty? Móc! Ale to będzie trochę wymagało strojenie zewnętrzne(mowa oczywiście o profesjonalnie wykonanych elementach). Przód zestaw aerodynamiczny zapobiega „pękaniu” strumienia powietrza pod spodem samochodu, nakładki progowe zakrywają wystającą część kół, spoiler zapobiega tworzeniu się turbulencji za „rufą” samochodu. Chociaż spoiler z reguły jest już uwzględniony w konstrukcji nadwozia nowoczesnego samochodu.

Zatem uzyskanie oszczędności z powietrza jest całkiem możliwe.

Wstęp.

Dzień dobry, drodzy czytelnicy. W tym poście chcę powiedzieć, jak wykorzystać analizę wewnętrzną w symulacji przepływu, aby przeprowadzić analizę zewnętrzną części lub konstrukcji w celu określenia współczynnika oporu aerodynamicznego i wynikającej z tego siły. Rozważ także utworzenie lokalnej siatki i ustawienie celów „wyrażających cel”, aby uprościć i zautomatyzować obliczenia. Podam podstawowe pojęcia dotyczące współczynnika oporu aerodynamicznego. Wszystkie te informacje pomogą Ci szybko i kompetentnie zaprojektować kolejny produkt, a następnie wydrukować go do praktycznego zastosowania.

Materiał.

Współczynnik oporu aerodynamicznego (zwany dalej CAC) wyznaczany jest doświadczalnie podczas badań w tunel aerodynamiczny lub testy wybiegu. Definicja CAS pochodzi ze wzoru 1

Formuła 1

CAS o różnych formach waha się w szerokim zakresie. Rysunek 1 pokazuje te współczynniki dla wielu form. W każdym przypadku zakłada się, że powietrze napływające na ciało nie ma składowej bocznej (tzn. porusza się prosto wzdłuż osi podłużnej) pojazd). Należy pamiętać, że prosta płaska płyta ma współczynnik oporu równy 1,95. Współczynnik ten oznacza, że ​​siła oporu jest 1,95 razy większa od ciśnienia dynamicznego działającego na powierzchnię płyty. Niezwykle wysoki opór, jaki wytwarza płyta, wynika z faktu, że powietrze rozprzestrzeniające się wokół płyty tworzy obszar separacji znacznie większy niż sama płyta.

Obrazek 1.

W życiu oprócz składowej wiatru wynikającej z prędkości samochodu brana jest pod uwagę prędkość wiatru uderzającego w samochód. Aby określić prędkość przepływu, prawdziwe jest następujące stwierdzenie: V=Vauto+Vwind.
Jeśli nadchodzący wiatr jest wiatrem tylnym, wówczas prędkość jest odejmowana.
Do określenia oporu aerodynamicznego potrzebny jest współczynnik oporu, ale w tym artykule uwzględniony zostanie tylko sam współczynnik.

Wstępne dane.

Obliczenia wykonano w programie Solidworks 2016, moduł symulacji przepływu (dalej FS). Jako dane wyjściowe przyjęto następujące parametry: prędkość wynikającą z prędkości pojazdu V = 40 m/s, temperaturę otoczenia plus 20 stopni Celsjusza, gęstość powietrza 1,204 kg/m3. Model geometryczny samochodu przedstawiono w sposób uproszczony (patrz rysunek 2).

Rysunek 2.

Etapy określania warunków początkowych i brzegowych w symulacji przepływu.

Proces dodawania modułu FS i ogólna zasada opisano w tym tworzenie zadania obliczeniowego, ale opiszę cechy Dla analiza zewnętrzna poprzez wewnętrzne.

1. W pierwszym kroku dodaj model do obszaru roboczego.

Rysunek 2.

2. Następnie modelujemy komorę aerodynamiczną o przekroju prostokątnym. Główną cechą modelowania jest brak końcówek, w przeciwnym razie nie będziemy w stanie ustalić warunków brzegowych. Model samochodu powinien znajdować się pośrodku. Szerokość rury powinna odpowiadać 1,5* szerokości modelu w obu kierunkach, długość rury powinna wynosić 1,5* długości modelu od tyłu modelu i 2* długości samochodu od tyłu modelu zderzaka wysokość rury powinna wynosić 1,5* wysokości samochodu od płaszczyzny, na której stoi samochód.

Rysunek 3.

3. Wejdź do modułu FS. Warunki brzegowe ustalamy na pierwszej ścianie przepływu wejściowego.

Rysunek 4.

Wybierz typ: przepływ/prędkość->prędkość wejściowa. Ustaliliśmy prędkość. Wybierz krawędź równoległą do przodu samochodu. Kliknij znacznik wyboru.

Rysunek 5.

Na wyjściu ustawiamy warunek brzegowy. Wybierz typ: ciśnienie, pozostaw wszystko jako domyślne. Kliknij pole wyboru.

Zatem warunki brzegowe zostały ustalone, przejdźmy do zadania obliczeniowego.

4. Kliknij kreator projektu i postępuj zgodnie z instrukcjami na obrazkach poniżej.

Rysunek 6.

Rysunek 7.

Cyfra 8.

Rysunek 9.

Rysunek 10.

Rysunek 11.

W punkcie zakończenia pozostawiamy wszystko bez zmian. Kliknij Zakończ.

5. Na tym etapie zajmiemy się zarządzaniem i tworzeniem lokalnej siatki. W drzewie elementów FS kliknij pozycję: siatka, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz: dodaj siatkę lokalną.

Rysunek 12.

Rysunek 13.

Tutaj możesz określić parametry i obszar lokalnej siatki; w przypadku skomplikowanych modeli ustawia się również kąt krzywizny i minimalny rozmiar elementu. Minimalny rozmiar jest określone w kolumnie „zamykanie wąskich szczelin”. Funkcja ta znacznie skraca czas obliczeń i zwiększa dokładność uzyskanych danych. W zależności od tego jak dokładnie chcesz uzyskać wyniki, ustaw parametr kruszenia siatki. Do analizy wewnętrznej odpowiednie są standardowe ustawienia. Następnie zostanie pokazana wizualizacja siatki na powierzchni.

6.Przed rozpoczęciem obliczeń należy ustawić cele obliczeń. Cele są określone w drzewie celów FS. Na początku wyznaczamy cele globalne i dobieramy siły dla każdego komponentu.

Rysunek 14.

Następnie musimy ustawić „wyrażenia docelowe”. Aby to zrobić, kliknij prawym przyciskiem myszy cel w drzewie FS i wybierz „wyrażenie docelowe”. Najpierw ustalmy równania siły wypadkowej.

Rysunek 15.

Aby składnik siły mógł zostać użyty w wyrażeniu, należy kliknąć na nim lewym przyciskiem myszy, w formule pojawi się odnośnik do składnika. Tutaj wprowadzamy formułę 2. Kliknij pole wyboru.

Formuła 2.

Tworzymy drugie „wyrażenie celu” i zapisujemy tam formułę 1.

Rysunek 16.

CAS jest obliczany dla szyby przedniej. W tym modelu szyba ma powierzchnię nachyloną, krawędź jest nachylona o 155 stopni, więc siła wzdłuż X jest mnożona przez sin(155*(pi/180)). Należy pamiętać, że obliczenia przeprowadza się za pomocą systemu C i odpowiednio powierzchnię nachylonej powierzchni należy mierzyć w metrach kwadratowych.

7. Teraz możesz rozpocząć obliczenia, zacznijmy obliczenia.

Rysunek 17.

Rozpoczynając obliczenia, program daje możliwość wyboru, na czym wykonać obliczenia; możemy wybrać liczbę rdzeni objętych obliczeniami oraz stanowiska robocze.

Rysunek 18.

Ponieważ zadanie nie jest skomplikowane, obliczenia zajmują mniej niż minutę, dlatego po jego rozpoczęciu wciśniemy pauzę.

Rysunek 19.

Teraz kliknij przycisk „wstaw wykres” i wybierz nasze cele wyrażeń.

Rysunek 20.

Wykres pokaże wartości naszych wyrażeń dla każdej iteracji.

Możesz użyć „podglądu” do obserwacji procesu zachodzącego podczas obliczeń. Włączenie podglądu wydłuża czas naszych obliczeń i nie ma to większego sensu, dlatego nie polecam włączania tej opcji, ale pokażę jak to wygląda.

Rysunek 21.

Rysunek 22.

To, że diagram jest odwrócony do góry nogami, nie jest wielkim problemem, zależy to od orientacji modelu.

Obliczenia kończą się, gdy wszystkie cele zbiegną się.

Rysunek 23.

Wyniki powinny załadować się automatycznie; jeśli tak się nie stanie, załaduj je ręcznie: narzędzia->FS->wyniki->załaduj z pliku

8. Po obliczeniach możesz obejrzeć siatkę na modelu.

Obecne przepisy pozwalają zespołom testować w tunelu aerodynamicznym modele samochodów o skali nieprzekraczającej 60%. W wywiadzie dla F1Racing były dyrektor techniczny zespołu Renault Pat Symonds opowiedział o cechach tej pracy…

Pat Symonds: „Dzisiaj wszystkie zespoły pracują z modelami w skali 50% lub 60%, ale nie zawsze tak było. Pierwsze testy aerodynamiczne w latach 80-tych przeprowadzono na modelach o 25% rzeczywistej wielkości – moc tuneli aerodynamicznych na Uniwersytecie w Southampton i Imperial College London nie pozwoliła na więcej – tylko tam można było zamontować modele na ruchoma podstawa. Potem pojawiły się tunele aerodynamiczne, w których można było pracować z modelami przy 33% i 50%, a teraz, ze względu na potrzebę ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się na testowanie modeli nie większych niż 60% przy prędkości przepływu powietrza nie więcej niż 50 metrów na sekundę.

Przy wyborze skali modelu zespoły opierają się na możliwościach istniejącego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% powierzchni roboczej rury. Produkcja modeli w mniejszej skali jest tańsza, ale mniejszy model, tym trudniej jest zachować wymaganą dokładność. Podobnie jak w przypadku wielu innych kwestii w rozwoju samochodów Formuły 1, i tutaj trzeba szukać optymalnego kompromisu.

W przeszłości modele wykonywano z drewna drzewa Dier o małej gęstości rosnącego w Malezji, obecnie wykorzystuje się sprzęt do stereolitografii laserowej – wiązka lasera w podczerwieni polimeryzuje materiał kompozytowy, w wyniku czego powstaje część o określonych właściwościach. Metoda ta pozwala w ciągu zaledwie kilku godzin przetestować skuteczność nowego pomysłu inżynierskiego w tunelu aerodynamicznym.

Im dokładniej wykonany jest model, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane podczas jego oczyszczania. Każdy szczegół jest tu ważny, nawet przelotowy rury wydechowe przepływ gazów musi przebiegać z taką samą prędkością, jak w prawdziwej maszynie. Zespoły starają się osiągnąć jak największą dokładność modelowania za pomocą dostępnego sprzętu.

Przez wiele lat zamiast opon używano ich pomniejszonych kopii wykonanych z nylonu lub włókna węglowego; poważny postęp nastąpił, gdy Michelin wykonał dokładne pomniejszone kopie swoich opon. opony wyścigowe. Model maszyny wyposażony jest w wiele czujników do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system pozwalający na zmianę wyważenia.

Modele, w tym zainstalowany na nich sprzęt pomiarowy, są nieco gorsze od prawdziwych maszyn - na przykład kosztują więcej niż prawdziwe samochody GP2. To w rzeczywistości bardzo złożone rozwiązanie. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 000 dolarów i może być używana przez kilka lat, ale zespoły zwykle mają dwa zestawy, aby kontynuować swoją pracę.

Każda rewizja elementy ciała lub zawieszenie powoduje konieczność wytwarzania Nowa wersja body kit, który kosztuje kolejne ćwierć miliona. Jednocześnie sama eksploatacja tunelu aerodynamicznego kosztuje około tysiąca dolarów za godzinę i wymaga obecności 90 pracowników. Poważne zespoły wydają na te badania około 18 milionów dolarów rocznie.

Koszty są tego warte. Zwiększenie docisku o 1% pozwala zyskać jedną dziesiątą sekundy na prawdziwym torze. W warunkach stabilnych przepisów inżynierowie zarabiają mniej więcej tyle miesięcznie, więc w samym dziale modelowania co dziesiąty kosztuje zespół półtora miliona dolarów.

Ani jeden samochód nie przejedzie przez ceglany mur, ale codziennie przechodzi przez ściany z powietrza, które również ma gęstość.

Nikt nie postrzega powietrza ani wiatru jako ściany. NA niskie prędkości, przy bezwietrznej pogodzie trudno zauważyć, jak przepływ powietrza oddziałuje na pojazd. Ale przy dużej prędkości z silny wiatr opór powietrza (siła wywierana na obiekt poruszający się w powietrzu – określana również jako opór powietrza) w ogromnym stopniu wpływa na przyspieszenie samochodu, jego prowadzenie i zużycie paliwa.

Tutaj z pomocą przychodzi nauka o aerodynamice, która bada siły powstające w wyniku ruchu obiektów w powietrzu. Nowoczesne samochody projektuje się z myślą o aerodynamice. Samochód o dobrej aerodynamice przechodzi przez ścianę powietrza jak nóż przez masło.

Dzięki niskim oporom przepływu powietrza taki samochód lepiej przyspiesza i zużywa więcej paliwa, gdyż silnik nie musi zużywać dodatkowej siły, aby „przepchnąć” samochód przez ścianę powietrza.

Aby poprawić aerodynamikę samochodu, kształt nadwozia został zaokrąglony tak, aby kanał powietrzny opływał samochód z najmniejszym oporem. W samochodach sportowych kształt nadwozia jest zaprojektowany tak, aby kierować przepływ powietrza głównie w dolnej części, dlaczego zrozumiesz później. Umieścili także skrzydło lub spojler na bagażniku samochodu. Skrzydło dociska tył samochodu, uniemożliwiając uniesienie tylnych kół ze względu na silny przepływ powietrza podczas jazdy z dużą prędkością, co czyni samochód bardziej stabilnym. Nie wszystkie skrzydła są takie same i nie wszystkie są wykorzystywane zgodnie z ich przeznaczeniem, niektóre służą jedynie jako element wystroju samochodu i nie pełnią bezpośredniej funkcji aerodynamicznej.

Nauka aerodynamiki

Zanim porozmawiamy o aerodynamiki samochodowej, przyjrzyjmy się podstawom fizyki.

Kiedy obiekt przemieszcza się przez atmosferę, przemieszcza się powietrze otoczenia. Obiekt podlega również grawitacji i oporowi. Opór powstaje, gdy obiekt stały porusza się w ośrodku ciekłym – wodzie lub powietrzu. Opór wzrasta wraz z prędkością obiektu – im szybciej porusza się on w przestrzeni, tym większy opór napotyka.

Ruch obiektu mierzymy za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona – masy, prędkości, ciężaru, siły zewnętrznej i przyspieszenia.

Opór bezpośrednio wpływa na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu = jego masa (W) minus opór (D) podzielone przez masę (m). Przypomnijmy, że waga jest iloczynem masy ciała i przyspieszenia grawitacyjnego. Na przykład na Księżycu waga osoby zmieni się z powodu braku grawitacji, ale masa pozostanie taka sama. Mówiąc najprościej:

Gdy obiekt przyspiesza, prędkość i opór wzrastają aż do końcowego punktu, w którym opór równa się ciężarowi – obiekt nie może już dalej przyspieszać. Wyobraźmy sobie, że naszym obiektem w równaniu jest samochód. W miarę jak samochód jedzie coraz szybciej, coraz więcej powietrza stawia opór jego ruchowi, ograniczając maksymalne przyspieszenie samochodu przy określonej prędkości.

Dochodzimy do najważniejszej liczby – współczynnika oporu aerodynamicznego. Jest to jeden z głównych czynników określających łatwość poruszania się obiektu w powietrzu. Współczynnik oporu (Cd) oblicza się za pomocą następującego wzoru:

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

Gdzie D to opór, A to powierzchnia, r to gęstość, V to prędkość.

Współczynnik oporu aerodynamicznego w samochodzie

Przyjmijmy, że współczynnik oporu (Cd) to wielkość mierząca siłę oporu powietrza przyłożoną do obiektu, takiego jak samochód. Teraz wyobraź sobie siłę powietrza napierającego na samochód poruszający się po drodze. Przy prędkości 110 km/h działa na niego siła czterokrotnie większa niż przy prędkości 55 km/h.

Właściwości aerodynamiczne samochodu mierzy się współczynnikiem oporu powietrza. Im niższa wartość Cd, tym lepsza aerodynamika samochodu i tym łatwiej będzie mu przejść przez ścianę powietrza napierającą na niego z różnych stron.

Rozważmy wskaźniki Cd. Pamiętacie te kanciaste, pudełkowate Volvo z lat 70. i 80.? Na starym sedana Volvo 960 współczynnik oporu 0,36. U nowe Volvo ciała są gładkie i gładkie, dzięki temu współczynnik osiąga 0,28. Gładsze i bardziej opływowe kształty wykazują lepszą aerodynamikę niż kątowe i kwadratowe.

Powody, dla których aerodynamika kocha eleganckie kształty

Przypomnijmy sobie najbardziej aerodynamiczną rzecz w przyrodzie – łzę. Łza jest okrągła i gładka ze wszystkich stron, zwężająca się u góry. Kiedy łza kapie, powietrze przepływa wokół niej łatwo i gładko. Również przy samochodach - powietrze przepływa swobodnie po gładkiej, zaokrąglonej powierzchni, zmniejszając opór powietrza stawiany ruchowi obiektu.

Obecnie większość modeli ma średni współczynnik oporu powietrza 0,30. SUV-y mają współczynnik oporu powietrza od 0,30 do 0,40 lub więcej. Powodem wysokiego współczynnika są wymiary. Land Cruisery i Gelendvageny pomieszczą więcej pasażerów, mają więcej przestrzeń ładunkowa, duże kratki chłodzące silnik, stąd pudełkowata konstrukcja. Pickupy zaprojektowane z celowo kwadratową konstrukcją mają Cd większy niż 0,40.

Konstrukcja nadwozia budzi kontrowersje, ale samochód ma odkrywczy aerodynamiczny kształt. Współczynnik przeciągania Toyoty Priusa 0,24, więc zużycie paliwa przez samochód jest niskie nie tylko ze względu na hybrydę elektrownia. Pamiętaj, że każde minus 0,01 współczynnika zmniejsza zużycie paliwa o 0,1 litra na 100 km.

Modele o słabym oporze aerodynamicznym:

Modele o dobrym oporze aerodynamicznym:

Techniki poprawy aerodynamiki istnieją już od dawna, ale producentom samochodów zajęło dużo czasu, zanim zaczęli je wykorzystywać przy tworzeniu nowych pojazdów.

Modele pierwszych samochodów, które się pojawiły, nie miały nic wspólnego z koncepcją aerodynamiki. Spójrz na model T Firma Ford- samochód bardziej przypomina powóz konny bez konia - zwycięzca konkursu na projekt kwadratu. Prawdę mówiąc większość modeli była pionierska i nie potrzebowała aerodynamicznej konstrukcji, ponieważ jechały powoli, przy takiej prędkości nie było się czemu oprzeć. Jednakże samochody wyścigowe na początku XX wieku zaczęły się stopniowo zwężać, aby wygrywać zawody ze względu na aerodynamikę.

W 1921 roku niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co po niemiecku oznacza „samochód łzawiący”. Wzorowany na najbardziej aerodynamicznym kształcie natury, kształcie łzy, miał współczynnik oporu 0,27. Konstrukcja Rumplera-Tropfenauto nigdy nie znalazła uznania. Rumplerowi udało się stworzyć tylko 100 jednostek Rumpler-Tropfenauto.

W Ameryce skok w konstrukcji aerodynamicznej nastąpił w 1930 roku, kiedy się pojawił modelu Chryslera Przepływ powietrza. Zainspirowani lotem ptaków inżynierowie zaprojektowali Airflow z myślą o aerodynamice. Aby poprawić prowadzenie, ciężar samochodu został równomiernie rozłożony pomiędzy przód i tył tylne osie- 50/50. Społeczeństwo, zmęczone Wielkim Kryzysem, nigdy nie zaakceptowało niekonwencjonalnego wyglądu Chryslera Airflow. Model uznano za porażkę, chociaż opływowa konstrukcja Chryslera Airflow znacznie wyprzedzała swoje czasy.

Lata pięćdziesiąte i sześćdziesiąte XX wieku przyniosły jedne z największych postępów w aerodynamice pojazdów, jakie zapoczątkowały świat wyścigów. Inżynierowie zaczęli eksperymentować z różnymi kształtami nadwozia, wiedząc, że opływowy kształt sprawi, że samochody będą szybsze. W ten sposób narodziła się forma samochodu wyścigowego, która przetrwała do dziś. Przednie i tylne spojlery, łopatki i zestawy aerodynamiczne służyły temu samemu celowi, aby skierować przepływ powietrza przez dach i wytworzyć niezbędny docisk na przednich i tylnych kołach.

Tunel aerodynamiczny przyczynił się do powodzenia eksperymentów. W dalszej części naszego artykułu powiemy Ci, dlaczego jest on potrzebny i dlaczego jest ważny w projektowaniu samochodów.

Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym

Aby zmierzyć wydajność aerodynamiczną samochodu, inżynierowie zapożyczyli narzędzie z przemysłu lotniczego – tunel aerodynamiczny.

Tunel aerodynamiczny to tunel z potężnymi wentylatorami, które wytwarzają przepływ powietrza nad obiektem znajdującym się w środku. Samochód, samolot lub cokolwiek innego, którego opór powietrza mierzą inżynierowie. Z pomieszczenia za tunelem naukowcy obserwują, jak powietrze oddziałuje z obiektem i jak zachowują się strumienie powietrza na różnych powierzchniach.

Samochód lub samolot w tunelu aerodynamicznym nie porusza się, ale w celu symulacji rzeczywistych warunków, wentylatory dostarczają przepływ powietrza przy różnych prędkościach. Czasami prawdziwe samochody nie są nawet wbijane w rurę - projektanci często polegają dokładne modele wykonane z gliny lub innych surowców. Wiatr wieje nad samochodem w tunelu aerodynamicznym, a komputery obliczają współczynnik oporu.

Tunele aerodynamiczne zaczęto stosować od końca XIX wieku, kiedy próbowano zbudować samolot i zmierzyć wpływ przepływu powietrza w rurach. Nawet bracia Wright mieli taką trąbkę. Po II wojnie światowej inżynierowie samochodów wyścigowych, szukając przewagi nad konkurencją, zaczęli wykorzystywać tunele aerodynamiczne do oceny efektywności elementów aerodynamicznych swoich modeli. Później technologia ta przedostała się do świata samochodów osobowych i ciężarowych.

W ciągu ostatnich 10 lat duże tunele aerodynamiczne kosztujące kilka milionów dolarów stały się coraz rzadsze. Modelowanie komputerowe stopniowo wypiera tę metodę badania aerodynamiki samochodu (więcej szczegółów). Tunele aerodynamiczne uruchamiane są wyłącznie w celu sprawdzenia, czy w symulacji komputerowej nie ma błędów.

Aerodynamika to coś więcej niż tylko opór powietrza – istnieją również czynniki siły nośnej i docisku. Podnoszenie (lub podnoszenie) to siła działająca przeciwko ciężarowi przedmiotu, podnosząca i utrzymująca przedmiot w powietrzu. Siła docisku, przeciwieństwo siły nośnej, to siła, która popycha obiekt w kierunku ziemi.

Myli się ten, kto uważa, że ​​współczynnik oporu powietrza samochodów wyścigowych Formuły 1, które osiągają prędkość 320 km/h, jest niski. Typowy samochód wyścigowy Formuły 1 ma współczynnik oporu powietrza około 0,70.

Powodem wysokiego współczynnika oporu samochodów wyścigowych Formuły 1 jest to, że samochody te są zaprojektowane tak, aby generować jak największy docisk. Wraz z prędkością, z jaką poruszają się samochody i ich wyjątkowo małą masą, zaczynają odczuwać siłę nośną duże prędkości- fizyka zmusza je do wzniesienia się w powietrze niczym samolot. Samochody nie są przeznaczone do latania (choć w artykule - latający samochód z możliwością transformacji twierdzi inaczej), a jeśli pojazd zacznie wzbijać się w powietrze, można się spodziewać tylko jednego - niszczycielskiego wypadku. Dlatego siła docisku musi być maksymalna, aby utrzymać samochód na podłożu przy dużych prędkościach, co oznacza, że ​​współczynnik oporu powietrza musi być duży.

Samochody Formuły 1 osiągają wysoki docisk przy użyciu przedniego i tylnego koła części tylne pojazd. Skrzydła te kierują przepływ powietrza tak, że dociskają samochód do podłoża – ta sama siła docisku. Teraz możesz bezpiecznie zwiększać prędkość i nie tracić jej podczas skręcania. Jednocześnie należy dokładnie zrównoważyć siłę docisku z siłą nośną, aby samochód osiągnął pożądaną prędkość na prostych.

Wiele samochodów produkcyjnych ma dodatki aerodynamiczne, które wytwarzają siłę docisku. prasa krytykowała go za wygląd. Kontrowersyjny projekt. A wszystko dlatego, że wszystko Korpus GT-R zaprojektowany tak, aby kierować przepływ powietrza nad samochodem i z powrotem przez owalny tylny spojler, tworząc większy docisk. Nikt nie myślał o pięknie samochodu.

Poza torem Formuły 1 skrzydła często można spotkać w samochodach produkcyjnych, takich jak sedany Firmy Toyoty i Hondę. Czasami te elementy konstrukcyjne dodają trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład na pierwsze Audi TT pierwotnie nie miał spoilera, ale Audi dodano go, gdy odkryto, że zaokrąglony kształt i niewielka waga TT powodują zbyt dużą siłę nośną, przez co samochód jest niestabilny przy prędkościach powyżej 150 km/h.

Ale jeśli samochód nie jest Audi TT, nie jest samochodem sportowym, nie jest samochodem sportowym, ale zwykłym rodzinnym sedanem lub hatchbackiem, nie ma potrzeby instalowania spoilera. Spoiler nie poprawi prowadzenia takiego samochodu, ponieważ „samochód rodzinny” ma już duży docisk ze względu na wysokie Cx i nie da się na nim osiągnąć prędkości powyżej 180. Spoiler w zwykłym samochodzie może powodować nadsterowność lub, odwrotnie, niechęć do skręcania. Jeśli jednak i Ty uważasz, że gigantyczny spoiler Hondy Civic jest na swoim miejscu, nie daj się przekonać, że jest inaczej.

W wielu obszarach nauki i technologii związanych z prędkością często istnieje potrzeba obliczenia sił działających na obiekt. Nowoczesny samochód, myśliwiec, łódź podwodna czy szybki pociąg elektryczny – na wszystkie wpływają siły aerodynamiczne. Dokładność określenia wielkości tych sił ma bezpośredni wpływ specyfikacje określonych obiektów i ich zdolności do wykonywania określonych zadań. W przypadek ogólny siły tarcia określają poziom mocy układ napędowy, a siły boczne wpływają na sterowność obiektu.

Tradycyjny projekt wykorzystuje tunele aerodynamiczne (zwykle pomniejszone modele), testy w basenie i testy w terenie w celu określenia sił. Wszelkie badania eksperymentalne są jednak dość kosztownym sposobem uzyskania takiej wiedzy. Aby przetestować model urządzenia należy najpierw je wyprodukować, następnie sporządzić program testów, przygotować stanowisko i na koniec przeprowadzić szereg pomiarów. W większości przypadków na wiarygodność wyników badań będą miały wpływ założenia spowodowane odchyleniami od rzeczywistych warunków pracy obiektu.

Eksperyment czy obliczenia?

Rozważmy bardziej szczegółowo przyczyny rozbieżności między wynikami eksperymentalnymi a rzeczywistym zachowaniem obiektu.

Podczas badania modeli w warunkach limitowana przestrzeń np. w tunelach aerodynamicznych powierzchnie graniczne mają istotny wpływ na strukturę przepływu wokół obiektu. Zmniejszenie skali modelu pozwala rozwiązać ten problem, należy jednak uwzględnić zmianę liczby Reynoldsa (tzw. efekt skali).

W niektórych przypadkach zniekształcenia mogą wynikać z zasadniczej rozbieżności pomiędzy rzeczywistymi warunkami przepływu wokół korpusu i symulowanymi w rurze. Na przykład podczas dmuchania szybkich samochodów lub pociągów brak ruchomej poziomej powierzchni w tunelu aerodynamicznym poważnie zmienia ogólny wzór przepływu, a także wpływa na równowagę sił aerodynamicznych. Efekt ten jest związany ze wzrostem warstwy granicznej.

Metody pomiarowe wprowadzają również błędy do mierzonych wartości. Nieprawidłowe umieszczenie czujników na przedmiocie lub niewłaściwa orientacja ich części roboczych może prowadzić do błędnych wyników.

Przyspiesz projektowanie

Obecnie wiodące firmy z branży szeroko wykorzystują technologie modelowania komputerowego CAE już na etapie wstępnego projektowania. Dzięki temu przy poszukiwaniu optymalnego projektu można uwzględnić więcej opcji.

Obecny poziom rozwoju pakietu oprogramowania ANSYS CFX znacznie poszerza zakres jego zastosowań: od modelowania przepływów laminarnych do przepływów turbulentnych z silną anizotropią parametrów.

Szeroki zasięg Stosowane modele turbulencji obejmują tradycyjne modele RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), które najlepszy stosunek„speed-accuracy”, model turbulencji SST (Shear Stress Transport) (dwuwarstwowy model Mentera), z powodzeniem łączący zalety modeli turbulencji „k-e” i „k-w”. Dla przepływów o rozwiniętej anizotropii bardziej odpowiednie są modele typu RSM (Reynolds Stress Model). Bezpośrednie obliczenie parametrów turbulencji w kierunkach pozwala dokładniej określić charakterystykę ruchu wirowego przepływu.

W niektórych przypadkach zaleca się stosowanie modeli zbudowanych na teoriach wirów: DES (Detachable Eddy Simulation) i LES (Large Eddy Simulation). Specjalnie dla przypadków, w których uwzględnienie procesów przejścia laminarno-turbulentnego jest szczególnie istotne, opracowano Model Turbulencji Przejściowej, oparty na sprawdzonej technologii SST. Model przeszedł szeroko zakrojony program testów na różnych obiektach (od maszyn łopatowych po samoloty pasażerskie) i wykazał doskonałą korelację z danymi eksperymentalnymi.

Lotnictwo

Stworzenie nowoczesnego samolotu bojowego i cywilnego nie jest możliwe bez dogłębnej analizy wszystkich jego cech już na wstępnym etapie projektowania. Wydajność samolotu, jego prędkość i zwrotność zależą bezpośrednio od starannego zaprojektowania kształtu powierzchni nośnych i konturów.

Obecnie wszystkie główne firmy produkujące samoloty w mniejszym lub większym stopniu korzystają z analizy komputerowej podczas opracowywania nowych produktów.

Przejściowy model turbulencji, który poprawnie analizuje reżimy przepływów zbliżone do laminarnych, przepływy z rozwiniętymi strefami separacji i ponownego przyłączenia przepływów, otwiera przed badaczami ogromne możliwości analizy złożonych przepływów. To jeszcze bardziej zmniejsza różnicę między wynikami obliczeń numerycznych a rzeczywistym obrazem przepływu.

Branża motoryzacyjna

Nowoczesny samochód musi mieć zwiększoną wydajność przy dużej wydajności energetycznej. I oczywiście głównymi elementami definiującymi są silnik i nadwozie.

Aby zapewnić wydajność wszystkich układów silnika, wiodący Firmy zachodnie Technologie modelowania komputerowego są stosowane od dawna. Przykładowo firma Robert Bosch Gmbh (Niemcy), producent szerokiej gamy komponentów do nowoczesnych pojazdów samochody z silnikiem diesla, wykorzystał ANSYS CFX (w celu poprawy charakterystyki wtrysku) przy opracowywaniu układu zasilania paliwem Common Rail.

Firma BMW, którego silniki zdobyły tytuł „ Najlepszy silnik of the Year” (International Engine of the Year), wykorzystuje ANSYS CFX do symulacji procesów zachodzących w komorach spalania silników spalinowych.

Aerodynamika zewnętrzna to także sposób na poprawę efektywności energetycznej silnika. Zwykle nie chodzi tylko o zmniejszenie współczynnika oporu powietrza, ale także o zrównoważenie siły docisku, która jest niezbędna w każdym samochodzie szybkobieżnym.

Samochody wyścigowe są ostatecznym wyrazem tych cech. różne zajęcia. Bez wyjątku wszyscy uczestnicy mistrzostw F1 korzystają z komputerowej analizy aerodynamiki swoich samochodów. Osiągnięcia sportowe wyraźnie pokazują zalety tych technologii, z których wiele jest już wykorzystywanych przy tworzeniu samochodów produkcyjnych.

W Rosji pionierem w tej dziedzinie jest zespół Active-Pro Racing: samochód wyścigowy Klasa Formuły 1600 osiąga prędkość ponad 250 km/h i jest szczytem rosyjskiego sportów motorowych na torze. Zastosowanie kompleksu ANSYS CFX (rys. 4) do zaprojektowania nowego aerodynamicznego ogona samochodu pozwoliło znacznie ograniczyć liczbę opcji projektowych przy poszukiwaniu optymalnego rozwiązania.

Porównanie obliczonych danych i wyników wdmuchów w tunelu aerodynamicznym wykazało oczekiwaną różnicę. Tłumaczy się to nieruchomym dnem w rurze, co powoduje wzrost grubości warstwy przyściennej. Dlatego elementy aerodynamiczne położone dość nisko, pracowały w nietypowych warunkach.

Jednak model komputerowy w pełni odpowiadał rzeczywistym warunkom jazdy, co pozwoliło znacząco poprawić wydajność ogona samochodu.

Budowa

Dziś architekci mają większą swobodę podejścia wygląd projektowanych budynków niż 20 czy 30 lat temu. Futurystyczne dzieła współczesnych architektów mają z reguły złożone kształty geometryczne, dla których nieznane są wartości współczynników aerodynamicznych (niezbędnych do przypisania projektowych obciążeń wiatrem do konstrukcji nośnych).

W tym przypadku, oprócz tradycyjnych testów w tunelu aerodynamicznym, coraz częściej stosuje się narzędzia CAE w celu uzyskania charakterystyki aerodynamicznej budynku (i współczynników siły). Przykład takiego obliczenia w programie ANSYS CFX pokazano na rys. 5.

Ponadto ANSYS CFX jest tradycyjnie używany do modelowania systemów wentylacyjnych i grzewczych pomieszczenia produkcyjne, budynki administracyjne, biurowe oraz kompleksy sportowo-rozrywkowe.

Aby przeanalizować reżim temperaturowy i charakter przepływów powietrza na arenie lodowej kompleksu sportowego Krylatskoye (Moskwa), inżynierowie z Olof Granlund Oy (Finlandia) wykorzystali pakiet oprogramowania ANSYS CFX. Trybuny stadionu mogą pomieścić około 10 tysięcy widzów, a obciążenie cieplne od nich może przekraczać 1 MW (w tempie 100-120 W/osobę). Dla porównania: do podgrzania 1 litra wody od 0 do 100°C potrzeba nieco ponad 4 kW energii.

Ryż. 5. Rozkład nacisków na powierzchni konstrukcji

Podsumowując

Jak widać, technologia obliczeniowa w aerodynamice osiągnęła poziom, o którym mogliśmy tylko marzyć 10 lat temu. Jednocześnie nie należy przeciwstawiać modelowania komputerowego badaniom eksperymentalnym - znacznie lepiej jest, jeśli metody te się uzupełniają.

Kompleks ANSYS CFX umożliwia inżynierom rozwiązywanie złożonych problemów, takich jak na przykład określenie odkształcenia konstrukcji pod wpływem obciążeń aerodynamicznych. Przyczynia się to do bardziej poprawnego sformułowania wielu problemów aerodynamiki wewnętrznej i zewnętrznej: od problemów trzepotania maszyn łopatowych po wpływ wiatru i fal na konstrukcje offshore.

Wszystkie możliwości obliczeniowe kompleksu ANSYS CFX są również dostępne w środowisku ANSYS Workbench.