Dlaczego potrzebujesz aerodynamiki do samochodu, wszyscy wiedzą. 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, wykańczający nadwozie nowego modelu, wykonali również:

• obliczyć rozkład wzdłuż osi siły podnoszenia, 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 obniżenia poziomu hałasu w kabinie,
• zoptymalizować kształt części karoserii, aby zmniejszyć zanieczyszczenie szkła, luster i sprzętu oświetleniowego.

Co więcej, rozwiązanie jednego zadania często stoi w sprzeczności z realizacją innego. Na przykład zmniejszenie współczynnika oporu poprawia opływowość, ale jednocześnie pogarsza odporność samochodu na podmuchy bocznego wiatru. Dlatego eksperci muszą szukać rozsądnego kompromisu.

redukcja oporu

Co decyduje o sile oporu? Decydujący wpływ na to mają dwa parametry – współczynnik opór aerodynamiczny Cx i pole przekroju poprzecznego samochodu (midship). Możesz zmniejszyć część środkową, obniżając i zwężając nadwozie, ale jest mało prawdopodobne, że będzie wielu nabywców takiego samochodu. Dlatego głównym kierunkiem poprawy aerodynamiki samochodu jest optymalizacja opływu nadwozia, innymi słowy zmniejszenie Cx. Współczynnik oporu aerodynamicznego Cx jest wielkością bezwymiarową, którą wyznacza się eksperymentalnie. W przypadku nowoczesnych samochodów mieści się w przedziale 0,26-0,38. W źródłach zagranicznych współczynnik oporu jest czasami określany jako Cd (współczynnik oporu). Ciało w kształcie kropli ma idealne opływowość, której Cx jest równe 0,04. Poruszając się, 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 składowych:

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

Trzeci składnik zapewnia największy wpływ na aerodynamikę samochodu. Poruszając się, samochód ściska masy powietrza przed sobą, tworząc obszar wysokie ciśnienie krwi. Strumienie powietrza opływają ciało, a tam, gdzie się kończą, przepływ powietrza jest rozdzielany, powstają turbulencje i obszar nadmuchu. A więc obszar wysokie ciśnienie z przodu uniemożliwia ruch samochodu do przodu, a obszar niskiego ciśnienia z tyłu „wsysa” go z powrotem. O sile turbulencji i wielkości obszaru niskiego ciśnienia decyduje kształt tylnej części nadwozia.

Najlepsze osiągi w zakresie opływowości wykazują samochody ze stopniowanym tyłem - sedany i coupe. Wyjaśnienie jest proste - strumień powietrza, który uciekł z dachu, natychmiast uderza w pokrywę bagażnika, gdzie normalizuje się, a następnie ostatecznie odrywa się od jej krawędzi. Strumienie boczne spadają również na bagażnik, co zapobiega powstawaniu szkodliwych wirów za samochodem. Dlatego im wyższa i dłuższa pokrywa bagażnika, tym lepsze właściwości aerodynamiczne. W dużych sedanach i coupe czasami możliwe jest nawet płynne opływanie nadwozia. Nieznaczne zwężenie tyłu również pomaga zmniejszyć Cx. Krawędź tułowia jest ostra lub w postaci małego występu - zapewnia to oddzielenie strumienia powietrza bez turbulencji. W rezultacie obszar rozładunku za pojazdem jest niewielki.

Spód samochodu ma również wpływ na jego aerodynamikę. Wystające elementy zawieszenia i system wydechowy zwiększyć odporność. Aby go zmniejszyć, starają się maksymalnie wygładzić dno lub zakryć osłonami wszystko, co „wystaje” pod zderzakiem. Czasami instalowany jest mały przedni spoiler. Spoiler ogranicza przepływ powietrza pod pojazdem. Ale tutaj ważne jest, aby znać miarę. Duży spojler znacznie zwiększy opory, ale samochód będzie lepiej „przytulał się” do drogi. Ale o tym w następnym rozdziale.

Siła docisku

Gdy samochód się porusza, przepływ powietrza pod jego dnem odbywa się po linii prostej, a górna część przepływu opływa karoserię, czyli pokonuje większą odległość. Dlatego prędkość górnego strumienia jest większa niż dolnego. A zgodnie z prawami fizyki im większa prędkość powietrza, tym niższe ciśnienie. W konsekwencji pod dnem powstaje obszar zwiększonego ciśnienia, a powyżej – niższy. Tworzy to siłę nośną. I chociaż jego wartość jest niewielka, problem polega na tym, że jest nierównomiernie rozłożony wzdłuż osi. Jeśli przednia oś jest obciążona przez strumień, który naciska na maskę i Przednia szyba, to tył jest dodatkowo odciążany przez strefę wyładunku utworzoną za samochodem. Dlatego wraz ze wzrostem prędkości spada stabilność i samochód staje się podatny na poślizg.

Nie ma potrzeby wymyślać żadnych specjalnych środków do walki z tym zjawiskiem, ponieważ to, co się robi, aby poprawić opływowość, zwiększa jednocześnie docisk. Na przykład optymalizacja tyłu zmniejsza strefę podciśnienia za samochodem, a tym samym zmniejsza siłę nośną. Wypoziomowanie dna nie tylko zmniejsza opór powietrza, ale także zwiększa natężenie przepływu, a tym samym zmniejsza ciśnienie pod pojazdem. A to z kolei prowadzi do spadku siły nośnej. W ten sam sposób tylny spojler spełnia dwa zadania. Nie tylko zmniejsza powstawanie wirów, poprawiając Cx, ale jednocześnie dociska samochód do drogi dzięki odpychanemu od niego strumieniowi powietrza. Czasami tylny spojler ma na celu wyłącznie zwiększenie siły docisku. W tym przypadku ma duże rozmiary i pochylać lub jest chowany, uruchamiany tylko przy dużych prędkościach.

Do sportu i modele wyścigowe opisane środki będą oczywiście nieskuteczne. Aby utrzymać je na drodze, musisz wytworzyć dużą siłę docisku. W tym celu zastosowano duży przedni spojler, boczne progi i tylne błotniki. Ale zainstalowany na auta produkcyjne, elementy te spełnią jedynie rolę dekoracyjną, budząc dumę właściciela. NIE praktyczna korzyść nie dadzą, a wręcz przeciwnie, zwiększą opory ruchu. Nawiasem mówiąc, wielu kierowców myli spoiler ze skrzydłem, chociaż dość łatwo je rozróżnić. Spoiler jest zawsze dociskany do karoserii, tworząc z nim jedną całość. Skrzydło jest zainstalowane w pewnej odległości od ciała.

Praktyczna aerodynamika

Przestrzeganie kilku prostych zasad pozwoli uzyskać oszczędności z powietrza poprzez zmniejszenie zużycia paliwa. Jednak te wskazówki przydadzą się tylko tym, którzy często i dużo jeżdżą po torze.

Podczas jazdy znaczna część mocy silnika zużywana jest na pokonanie oporu powietrza. Im wyższa prędkość, tym większy opór (a co za tym idzie zużycie paliwa). Jeśli więc zwolnisz nawet o 10 km/h, zaoszczędzisz nawet 1 litr na 100 km. W takim przypadku strata czasu będzie nieznaczna. Jednak ta prawda jest znana większości kierowców. Ale inne „aerodynamiczne” subtelności nie są znane wszystkim.

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

Co zwiększa konsumpcję? Nieracjonalnie „zjada” ładunek paliwa na dachu. Nawet opływowe pudełko zajmie co najmniej litr na sto. Spalanie paliwa przy otwartych oknach i szyberdachach podczas jazdy jest irracjonalne. Jeśli przewozisz długi ładunek z uchylonym bagażnikiem, również dojdzie do najechania. Różne elementy ozdobne, takie jak owiewka na masce („pakiety na muchy”), „kenguryatnik”, skrzydło i inne elementy domowego tuningu, choć będą sprawiać przyjemność estetyczną, sprawią, że będziesz się dodatkowo rozdrabniać. Zajrzyj pod dno - za wszystko, co zwisa i wygląda poniżej linii progowej, będziesz musiał dodatkowo zapłacić. Nawet coś tak małego jak nieobecność plastikowe czapki NA dyski stalowe, zwiększa konsumpcję. Każdy wymieniony czynnik lub szczegół indywidualnie zwiększa zużycie o niewielką kwotę - od 50 do 500 g na 100 km. Ale jeśli wszystko podsumujesz, znowu „wbiegnie”, około litra na sto. Te obliczenia są ważne dla małe samochody z prędkością 90 km/godz. Właściciele duże samochody i miłośnicy dużych prędkości, dostosujcie się w kierunku zwiększenia zużycia.

Jeśli wszystkie powyższe warunki zostaną spełnione, możemy uniknąć niepotrzebnych wydatków. Czy możliwe jest dalsze ograniczanie strat? Móc! Ale to będzie wymagało trochę strojenie zewnętrzne(Mówimy oczywiście o profesjonalnie wykonanych elementach). Przód zestaw aerodynamiczny nie pozwala przepływowi powietrza „włamać się” pod spód auta, progi zakrywają wystającą część kół, spojler zapobiega powstawaniu zawirowań za „rufą” auta. Chociaż spoiler z reguły jest już zawarty w konstrukcji nadwozia nowoczesnego samochodu.

Oszczędzanie z powietrza jest więc całkiem realistyczne.

Obecne przepisy pozwalają zespołom testować w tunelu aerodynamicznym modele samochodów, które nie przekraczają 60% skali. W rozmowie z F1Racing były dyrektor techniczny zespołu Renault, Pat Symonds, opowiedział o specyfice tej pracy…

Pat Symonds: „Obecnie wszystkie zespoły pracują z modelami w skali 50% lub 60%, ale nie zawsze tak było. Pierwsze testy aerodynamiczne w latach 80-tych przeprowadzono z makietami o wartości 25% rzeczywistej - moc tuneli aerodynamicznych na Uniwersytecie w Southampton i Imperial College w Londynie nie pozwalała na więcej - dopiero tam można było zainstalować modele na ruchomej podstawie. Potem pojawiły się tunele aerodynamiczne, w których można było pracować z modelami na 33% i 50%, a teraz, ze względu na konieczność ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się testować modele nie więcej niż 60% przy prędkości przepływu powietrza nie ponad 50 metrów na sekundę.

Przy wyborze skali modelu zespoły opierają się na możliwościach dostępnego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% powierzchni roboczej rury. Produkcja mniejszych modeli jest tańsza, ale niż mniejszy model, tym trudniej utrzymać wymaganą dokładność. Podobnie jak w przypadku wielu innych kwestii związanych z rozwojem bolidów Formuły 1, tutaj trzeba szukać najlepszego kompromisu.

Dawniej modele wykonywano z drewna rosnącego w Malezji drzewa Diera, które ma małą gęstość, obecnie stosuje się sprzęt do stereolitografii laserowej - wiązka lasera na podczerwień polimeryzuje materiał kompozytowy, w wyniku czego powstaje część o określonych właściwościach . Ta metoda pozwala przetestować skuteczność nowego pomysłu inżynierskiego w tunelu aerodynamicznym w ciągu kilku godzin.

Im dokładniej wykonany jest model, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane podczas jego dmuchania. Tutaj liczy się każda mała rzecz, nawet przez rury wydechowe przepływ gazów musi przebiegać z taką samą prędkością jak w prawdziwej maszynie. Zespoły starają się osiągnąć jak najwyższą dokładność dla istniejącego sprzętu w symulacji.

Przez wiele lat opony były zastępowane powiększonymi replikami nylonu lub włókna węglowego, ale poczyniono znaczne postępy, gdy Michelin wykonał dokładne, pomniejszone repliki swoich opon. opony wyścigowe. Model samochodu wyposażony jest w wiele czujników do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system umożliwiający zmianę balansu.

Modele, w tym zainstalowany na nich sprzęt pomiarowy, są nieco tańsze prawdziwe samochody Na przykład są droższe niż prawdziwe samochody GP2. W rzeczywistości jest to bardzo złożone rozwiązanie. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 000 USD i może być używana przez kilka lat, ale zwykle zespoły mają dwa zestawy, aby praca mogła trwać.

Każda rewizja elementy ciała lub zawieszenie prowadzi do konieczności 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 na sezon.

Koszty się zwracają. Zwiększenie docisku o 1% pozwala odzyskać jedną dziesiątą sekundy na prawdziwym torze. Przy stałym grafiku inżynierowie grają mniej więcej tyle miesięcznie, więc w samym dziale modelarstwa co dziesiąty kosztuje zespół półtora miliona dolarów.

Wstęp.

Dzień dobry drodzy czytelnicy. W tym poście chcę ci powiedzieć, jak przeprowadzić zewnętrzną analizę części lub struktury, aby określić współczynnik oporu powietrza i wynikającą z niego siłę, korzystając z analizy wewnętrznej w symulacji przepływu. Rozważ także utworzenie lokalnej siatki i ustawienie celów „wyrażenie-docelowe”, aby uprościć i zautomatyzować obliczenia. Podam podstawowe pojęcia współczynnika oporu aerodynamicznego. Wszystkie te informacje pomogą szybko i kompetentnie zaprojektować przyszły produkt, a następnie wydrukować go do praktycznego zastosowania.

Materiał.

Współczynnik oporu aerodynamicznego (zwany dalej CAC) jest wyznaczany doświadczalnie podczas testów w tunelu aerodynamicznym lub testów na wybiegu. Definicja CAS pochodzi ze wzoru 1

Formuła 1

CAS o różnych formach waha się w szeroki zasięg. Rysunek 1 przedstawia te współczynniki dla wielu kształtów. W każdym przypadku przyjmuje się, że powietrze nacierające na nadwozie nie ma składowej bocznej (czyli porusza się prosto wzdłuż osi podłużnej pojazdu). Zauważ, że prosta płaska płyta ma współczynnik oporu powietrza równy 1,95. Współczynnik ten oznacza, że ​​siła oporu jest 1,95 razy większa niż ciśnienie dynamiczne działające na powierzchnię płyty. Niezwykle wysoki opór stawiany przez płytę wynika z faktu, że powietrze rozprowadzane wokół płyty tworzy obszar separacji znacznie większy niż sama płyta.

Obrazek 1.

W praktyce, oprócz składowej wiatru wynikającej z prędkości samochodu, uwzględnia się prędkość wiatru znajdującego się na samochodzie. Aby określić prędkość przepływu, prawdziwe jest następujące stwierdzenie: V=Vauto+Vwind.
Jeśli znaleziony wiatr jest wiatrem tylnym, prędkość jest odejmowana.
Współczynnik oporu powietrza jest potrzebny do określenia oporu aerodynamicznego, ale w tym artykule zostanie uwzględniony tylko sam współczynnik.

Wstępne dane.

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

Rysunek 2.

Etapy ustawiania warunków początkowych i brzegowych w symulacji przepływu.

Proces dodawania modułu FS i ogólna zasada tworzenie zadania do obliczeń jest opisane w tym, ale opiszę cechy Dla analiza zewnętrzna przez wewnętrzną.

1. W pierwszym kroku dodajemy model do obszaru roboczego.

Rysunek 2.

2. Następnie modelujemy prostokątną komorę aerodynamiczną. główna cecha podczas modelowania jest to brak końców, w przeciwnym razie nie będziemy w stanie ustawić warunków brzegowych. Model samochodu musi znajdować się na środku. Szerokość rury musi odpowiadać 1,5 * szerokości modelu w obu kierunkach, długość rury 1,5 * długości modelu, od tyłu modelu i 2 * długości samochodu od zderzaka, wysokość rury 1,5 * wysokość samochodu od płaszczyzny, na której stoi samochód.

Rysunek 3

3. Wchodzimy w moduł FS. Ustawiamy warunki brzegowe na pierwszej ścianie strumienia wejściowego.

Rysunek 4

Wybierz typ: natężenie przepływu/prędkość->prędkość wlotu. Ustawiamy naszą prędkość. Wybierz ścianę równoległą do przodu samochodu. Naciskamy znacznik wyboru.

Rysunek 5

Ustawiamy warunek brzegowy na wyjściu. Wybierz typ: ciśnienie, pozostaw wszystko domyślnie. Naciskamy świt.

Tak więc warunki brzegowe są ustawione, przejdźmy do zadania obliczeniowego.

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

Rysunek 6

Rysunek 7

Cyfra 8

Rysunek 9

Rysunek 10.

Rysunek 11.

W punkcie końcowym pozostawiamy wszystko bez zmian. Naciskamy koniec.

5. Na tym etapie będziemy zarządzać i tworzyć sieć lokalną. Kliknij drzewo elementów FS na elemencie: siatka, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz: dodaj siatkę lokalną.

Rysunek 12.

Rysunek 13.

Tutaj możesz określić parametry i obszar lokalnej siatki, w przypadku złożonych modeli ustawiany jest również kąt krzywizny i minimalny rozmiar elementu. Minimalny rozmiar jest ustawiona w kolumnie „zamykanie wąskich luk”. Funkcja ta znacznie skraca czas obliczeń i zwiększa dokładność uzyskiwanych danych. W zależności od tego, jak dokładnie chcesz uzyskać wyniki, ustawiany jest parametr zagęszczenia siatki. Do analizy wewnętrznej standardowe ustawienia są całkiem odpowiednie. Następnie zostanie wyświetlony rendering siatki na powierzchni.

6.Przed rozpoczęciem kalkulacji należy ustalić cele kalkulacji. Cele są określone w docelowym drzewie FS. Na początku ustalamy globalne cele, dobieramy siły dla każdego składowego.

Rysunek 14.

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

Rysunek 15.

Aby składnik według siły został użyty w wyrażeniu, należy kliknąć go lewym przyciskiem myszy, w formule pojawi się link do składnika. Tutaj wpisujemy formułę 2. Kliknij pole wyboru.

Formuła 2.

Tworzymy drugie „wyrażenie celu”, piszemy tam formułę 1.

Rysunek 16.

CAS jest obliczany dla przedniej szyby. W tym modelu przednia szyba jest nachyloną ścianą, która jest nachylona pod kątem 155 stopni, więc siła w X jest mnożona przez sin(155*(pi/180)). Należy pamiętać, że obliczenia są przeprowadzane zgodnie z układem SI i odpowiednio powierzchnię nachylonej powierzchni należy mierzyć w metrach kwadratowych.

7. Teraz możesz rozpocząć obliczenia, rozpocznij obliczenia.

Rysunek 17.

Podczas uruchamiania obliczeń program daje wybór co do obliczeń, możemy wybrać liczbę rdzeni biorących udział w obliczeniach oraz stacji roboczych.

Rysunek 18.

Ponieważ zadanie nie jest trudne, obliczenie zajmuje mniej niż minutę, więc po jego rozpoczęciu wciśniemy pauzę.

Rysunek 19.

Teraz klikamy przycisk „wstaw wykres”, wybieramy nasze cele wyrażenia.

Rysunek 20.

Wykres pokaże wartości dla naszych wyrażeń dla każdej iteracji.

Możesz użyć „podglądu”, aby obserwować proces trwający podczas obliczeń. Po włączeniu podglądu wydłuża się czas naszej kalkulacji i nie ma to większego sensu, więc nie polecam włączania tej opcji, ale pokażę jak to wygląda.

Rysunek 21.

Rysunek 22.

Fakt, że diagram jest odwrócony, nie jest wielkim problemem, zależy od orientacji modelu.

Obliczenia kończą się, gdy wszystkie cele są zbieżne.

Rysunek 23.

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

8. Po wykonaniu obliczeń na modelu widać siatkę.

W wielu dziedzinach nauki i techniki związanych z prędkością często konieczne staje się obliczenie sił działających na obiekt. nowoczesny samochód, myśliwiec, łódź podwodna czy szybki pociąg elektryczny - na wszystkie działają siły aerodynamiczne. Dokładność określenia wielkości tych sił wpływa bezpośrednio specyfikacje określone obiekty i ich zdolność do wykonywania określonych zadań. W przypadek ogólny siły tarcia określają poziom mocy układ napędowy, a siły boczne wpływają na sterowność obiektu.

Tradycyjny schemat projektowania wykorzystuje wydmuchy w tunelach aerodynamicznych (zwykle mniejsze modele), testy w basenach i testy w pełnej skali w celu określenia sił. Jednak wszelkie badania eksperymentalne są dość kosztownym sposobem na uzyskanie takiej wiedzy. Aby przetestować modelowe urządzenie, należy je najpierw wykonać, następnie opracować program badań, przygotować stanowisko, a na końcu przeprowadzić serię pomiarów. Jednocześnie w większości przypadków na wiarygodność wyników badań będą miały wpływ założenia spowodowane odchyleniami od rzeczywistych warunków pracy obiektu.

Eksperyment czy kalkulacja?

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

Podczas badania modeli w warunkach limitowana przestrzeń na przykład w tunelach aerodynamicznych powierzchnie graniczne mają znaczący wpływ na strukturę opływu obiektu. Zmniejszenie skali modelu rozwiązuje ten problem, ale należy liczyć się ze zmianą liczby Reynoldsa (tzw. efekt skali).

W niektórych przypadkach zniekształcenia mogą być spowodowane zasadniczą rozbieżnością między rzeczywistymi warunkami przepływu wokół korpusu a symulowanymi w rurze. Na przykład podczas wydmuchiwania szybkich samochodów lub pociągów brak ruchomej poziomej powierzchni w tunelu aerodynamicznym poważnie zmienia ogólny schemat przepływu, a także wpływa na równowagę sił aerodynamicznych. Efekt ten jest związany ze wzrostem warstwy granicznej.

Metody pomiarowe wprowadzają również błędy w mierzonych wielkościach. Niewłaściwe umieszczenie czujników na obiekcie lub niewłaściwa orientacja ich części roboczych może prowadzić do błędnych wyników.

Przyspieszenie projektowania

Obecnie wiodące firmy branżowe na etapie wstępnego projektowania szeroko wykorzystują technologie modelowania komputerowego CAE. Pozwala to rozważyć więcej opcji podczas poszukiwania optymalnego projektu.

Obecny poziom rozwoju pakietu oprogramowania ANSYS CFX znacznie rozszerza zakres jego zastosowania: od modelowania przepływów laminarnych do przepływów turbulentnych o silnej anizotropii parametrów.

Szeroki zestaw 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), który z powodzeniem łączy zalety modeli turbulencji „k-e” i „k-w”. Dla przepływów o rozwiniętej anizotropii bardziej odpowiednie są modele RSM (Reynolds Stress Model). Bezpośrednie obliczenie parametrów turbulencji w kierunkach pozwala dokładniej określić charakterystykę ruchu wirowego przepływu.

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

Lotnictwo

Stworzenie nowoczesnego samolotu bojowego i cywilnego jest niemożliwe bez głębokiej analizy wszystkich jego cech na wstępnym etapie projektowania. Wydajność samolotu, jego prędkość i zwrotność zależą bezpośrednio od dokładnego zbadania kształtu powierzchni nośnych i konturów.

Obecnie wszystkie główne firmy produkujące samoloty wykorzystują do pewnego stopnia analizę komputerową przy opracowywaniu nowych produktów.

Duże możliwości analizy przepływów złożonych otwiera przed badaczami przejściowy model turbulencji, który poprawnie analizuje reżimy przepływu bliskie laminarnemu, przepływy z rozwiniętymi strefami separacji i ponownego przyłączania się przepływów. Zmniejsza to dodatkowo różnicę między wynikami obliczeń numerycznych a rzeczywistym obrazem przepływu.

Automobilowy

Współczesny samochód musi charakteryzować się podwyższoną sprawnością przy wysokiej sprawności energetycznej. I oczywiście głównymi elementami definiującymi są silnik i nadwozie.

Aby zapewnić wydajność wszystkich układów silnika, wiodący zachodnie firmy od dawna stosują techniki modelowania komputerowego. Na przykład Robert Bosch Gmbh (Niemcy), producent szerokiej gamy komponentów do nowoczesnych pojazdów z silnikiem Diesla, opracowując system zasilania paliwem wspólna szyna zastosowano ANSYS CFX (w celu poprawy wydajności wtrysku).

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

Aerodynamika zewnętrzna to także sposób na zwiększenie efektywności wykorzystania mocy silnika. Zwykle nie chodzi tylko o zmniejszenie współczynnika oporu powietrza, ale także o zrównoważenie siły docisku niezbędnej dla każdego szybkobieżnego samochodu.

Jako ograniczający wyraz tych cech są samochody wyścigowe różne klasy. Wszyscy bez wyjątku 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 seryjnych.

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

Porównanie obliczonych danych z wynikami dmuchów w tunelu aerodynamicznym wykazało oczekiwaną różnicę. Tłumaczy się to nieruchomym dnem w rurze, co spowodowało zwiększenie grubości warstwy przyściennej. Dlatego elementy aerodynamiczne, położone wystarczająco nisko, pracowały w nietypowych dla siebie warunkach.

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

Budowa

Dzisiejsi architekci mają większą swobodę w podejściu wygląd projektowanych budynków niż 20 czy 30 lat temu. Futurystyczne kreacje 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, narzędzia CAE są coraz częściej wykorzystywane do uzyskiwania właściwości aerodynamicznych budynku (oraz współczynników sił). Przykład takiego obliczenia w ANSYS CFX pokazano na rys. 5.

Ponadto ANSYS CFX jest tradycyjnie używany do modelowania systemów wentylacji i ogrzewania. tereny przemysłowe, budynków administracyjnych, biurowych oraz kompleksów sportowo-rozrywkowych.

Do analizy reżim temperaturowy i natury przepływów powietrza na arenie lodowej kompleksu sportowego Krylatskoje (Moskwa), inżynierowie Olof Granlund Oy (Finlandia) wykorzystali pakiet oprogramowania ANSYS CFX. Trybuny stadionu mogą pomieścić około 10 tysięcy widzów, a obciążenie cieplne z 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 powierzchnię konstrukcji

Podsumowując

Jak widać, technologia obliczeniowa w aerodynamice osiągnęła poziom, o którym 10 lat temu mogliśmy tylko pomarzyć. Jednocześnie nie należy przeciwstawiać symulacji komputerowej badaniom eksperymentalnym – znacznie lepiej, jeśli metody te wzajemnie się uzupełniają.

ANSYS CFX pozwala również inżynierom rozwiązywać złożone problemy, takie jak określanie deformacji konstrukcji pod wpływem obciążeń aerodynamicznych. Przyczynia się to do bardziej poprawnego sformułowania wielu problemów aerodynamiki zarówno wewnętrznej, jak i zewnętrznej: od problemów trzepotania łopatami maszyn po działanie wiatru i fal na konstrukcje offshore.

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

Dziś zapraszamy do dowiedzenia się, co to jest, dlaczego jest potrzebne iw którym roku ta technologia pojawiła się po raz pierwszy na świecie.

Bez aerodynamiki samochody i samoloty, a nawet bobsleje są tylko obiektami poruszającymi wiatr. Jeśli nie ma aerodynamiki, wiatr porusza się nieefektywnie. Nauka zajmująca się badaniem skuteczności usuwania przepływów powietrza nazywana jest aerodynamiką. Aby stworzyć pojazd, który skutecznie usuwałby przepływy powietrza, zmniejszając opory, jest to konieczne rura aerodynamiczna, w którym inżynierowie testują skuteczność aerodynamicznego oporu powietrza części samochodowych.

Błędnie uważa się, że aerodynamika pojawiła się od czasu wynalezienia tunelu aerodynamicznego. Ale nie jest. Właściwie pojawił się w XIX wieku. Początki tej nauki sięgają roku 1871 wraz z braćmi Wright, którzy są projektantami i twórcami pierwszego na świecie samolotu. Dzięki nim zaczęła się rozwijać aeronautyka. Cel był jeden - próba zbudowania samolotu.

Początkowo bracia prowadzili testy w tunelach kolejowych. Ale zdolność tunelu do badania prądów powietrza była ograniczona. Dlatego nie udało im się stworzyć prawdziwego samolotu, ponieważ w tym celu konieczne było, aby korpus samolotu spełniał najbardziej rygorystyczne wymagania aerodynamiki.

Dlatego w 1901 roku bracia zbudowali własny tunel aerodynamiczny. W rezultacie, według niektórych raportów, w tej rurze przetestowano około 200 samolotów i oddzielnych prototypowych kadłubów. różne kształty. Zbudowanie pierwszego prawdziwego samolotu w historii zajęło braciom jeszcze kilka lat. Tak więc w 1903 roku bracia Wright przeprowadzili udany pierwszy na świecie test, który trwał w powietrzu przez 12 sekund.

Co to jest tunel aerodynamiczny?

To proste urządzenie, które składa się z zamkniętego tunelu (ogromna pojemność), przez który przepływa powietrze za pomocą potężnych wentylatorów. Obiekt umieszcza się w tunelu aerodynamicznym, do którego zaczynają się odnosić. Również w nowoczesnych tunelach aerodynamicznych specjaliści mają możliwość dostarczania ukierunkowanych strumieni powietrza na określone elementy karoserii lub dowolnego pojazdu.

Testy w tunelu aerodynamicznym zyskały ogromną popularność podczas Wielkiego Wojna Ojczyźniana w latach 40. Na całym świecie departamenty wojskowe prowadziły badania nad aerodynamiką wyposażenie wojskowe i amunicja. Po wojnie wojskowe badania aerodynamiczne zostały ograniczone. Ale uwagę na aerodynamikę zwrócili inżynierowie projektujący sportowe samochody wyścigowe. Potem tę modę podchwycili projektanci i samochody.

Wynalezienie tunelu aerodynamicznego pozwoliło specjalistom przetestować pojazdy które są w stanie stacjonarnym. Ponadto dostarczane są strumienie powietrza i powstaje ten sam efekt, który obserwuje się, gdy maszyna się porusza. Nawet podczas testowania samolotu obiekt pozostaje nieruchomy. Regulowany tylko w celu symulacji określonej prędkości pojazdu.

Dzięki aerodynamice, zarówno sportowe, jak i proste samochody zamiast kwadratowych kształtów zaczęły nabierać gładszych linii i zaokrąglonych elementów ciała.

Czasami cały samochód może nie być potrzebny do badań. Często można zastosować zwykły układ naturalnej wielkości. W rezultacie eksperci określają poziom oporu wiatru.

Współczynnik oporu powietrza jest określany na podstawie tego, jak wiatr porusza się wewnątrz rury.

Nowoczesne tunele aerodynamiczne to zasadniczo gigantyczna suszarka do włosów w Twoim samochodzie. Na przykład jeden ze znanych tuneli aerodynamicznych znajduje się w Karolinie Północnej w USA, gdzie prowadzone są badania asocjacyjne. Dzięki tej tubie inżynierowie modelują samochody zdolne do poruszania się z prędkością 290 km/h.

W ten budynek zainwestowano około 40 milionów dolarów. Rura rozpoczęła swoją pracę w 2008 roku. Głównymi inwestorami są stowarzyszenie wyścigów NASCAR i właściciel wyścigów Gene Haas.

Oto film z tradycyjnego testu w tej rurze:

Od czasu pojawienia się pierwszego w historii tunelu aerodynamicznego inżynierowie zdali sobie sprawę, jak ważny jest ten wynalazek dla całości. W rezultacie zwrócili na to uwagę projektanci motoryzacyjni, którzy zaczęli opracowywać technologie badania przepływów powietrza. Ale technologia nie stoi w miejscu. Obecnie wiele badań i obliczeń przeprowadza się na komputerze. Najbardziej zdumiewające jest to, że nawet testy aerodynamiczne przeprowadzane są w specjalnych programach komputerowych.

Obiektem testowym jest 3D model wirtualny samochody. Dalej na komputerze są odtwarzane różne warunki do testowania aerodynamiki. To samo podejście zaczęło się rozwijać w przypadku testów zderzeniowych. , który może nie tylko zaoszczędzić pieniądze, ale także wziąć pod uwagę wiele parametrów podczas testowania.

Podobnie jak w przypadku prawdziwych testów zderzeniowych, budowanie tunelu aerodynamicznego i testowanie w nim jest bardzo trudne kosztowna przyjemność. Na komputerze koszt może wynosić zaledwie kilka dolarów.

To prawda, że ​​​​dziadkowie i zwolennicy starych technologii nadal będą mówić, że prawdziwy świat jest lepszy niż komputery. Ale XXI wiek to XXI wiek. Dlatego nieuniknione jest, że w niedalekiej przyszłości wiele testów w świecie rzeczywistym będzie przeprowadzanych wyłącznie na komputerze.

Choć warto zaznaczyć, że nie jesteśmy przeciwni testom komputerowym, mamy nadzieję, że testy w prawdziwym tunelu aerodynamicznym i konwencjonalne testy zderzeniowe nadal pozostaną w motoryzacji.