Pakiet oprogramowania do obliczeniowej aero- i hydrodynamiki Wizja przepływu przeznaczony do wirtualnych wydmuchów aerodynamicznych różnych obiektów technicznych lub przyrodniczych. Przedmiotami mogą być produkty transportowe, obiekty energetyczne, produkty wojskowo-przemysłowe i inne. Wizja przepływu umożliwia symulację opływu przy różnych prędkościach napływającego strumienia i przy różnych stopniach jego zakłócenia (stopień turbulencji).

Proces modelowania odbywa się ściśle w trójwymiarowym przestrzennym sformułowaniu problemu i przebiega zgodnie z zasadą „tak jak jest”, co implikuje możliwość studiowania pełnoprawnego modelu geometrycznego obiektu użytkownika bez żadnych uproszczeń. Stworzony system przetwarzania importowanej geometrii trójwymiarowej pozwala bezboleśnie pracować z modelami o dowolnym stopniu złożoności, gdzie użytkownik de facto wybiera poziom szczegółowości swojego obiektu – czy chce przedmuchać uproszczony wygładzony model kontury zewnętrzne lub pełnoprawny model z obecnością wszystkich elementów konstrukcyjnych, aż po łby śrub na felgach i logo producenta w postaci figurki na nosie samochodu.

Rozkład prędkości w pobliżu karoserii samochodu wyścigowego.

Uwzględniono wszystkie szczegóły - szprychy kół, wpływ asymetrii szprych kierownicy na wzór przepływu.

Wizja przepływu Utworzony drużyna rosyjska programistów (TESIS, Rosja) ponad 10 lat temu i opiera się na rozwoju krajowej szkoły podstawowej i matematycznej. System powstał z założeniem, że będą z nim pracować użytkownicy o bardzo różnych kwalifikacjach – studenci, nauczyciele, projektanci i naukowcy. Możesz równie skutecznie rozwiązywać zarówno proste, jak i złożone problemy.

Produkt znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, nauce i edukacji - lotnictwie, kosmonautyce, energetyce, przemyśle stoczniowym, motoryzacji, ekologii, budowie maszyn, przemyśle przetwórczym i chemicznym, medycynie, przemyśle nuklearnym oraz sektorze obronnym i posiada największą bazę instalacyjną w Rosji.

W 2001 roku decyzją Rady Głównej Ministerstwa Federacji Rosyjskiej FlowVision został rekomendowany do włączenia do programu nauczania mechaniki płynów i gazów na rosyjskich uczelniach. Obecnie FlowVision jest wykorzystywany jako integralna część procesu edukacyjnego wiodących rosyjskich uniwersytetów - Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, MPEI, Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Petersburgu, Uniwersytetu Włodzimierza, UNN i innych.

W 2005 roku FlowVision został przetestowany i otrzymał certyfikat zgodności od Państwowej Normy Federacji Rosyjskiej.

Kluczowe cechy

U źródła Wizja przepływu zasada zachowania masy polega na tym, że ilość substancji wchodzącej do wypełnionej zamkniętej obliczonej objętości jest równa ilości substancji, która się z niej zmniejsza (patrz ryc. 1).

Ryż. 1 Zasada zachowania masy

Rozwiązanie takiego problemu polega na znalezieniu średniej wartości wielkości w danej objętości na podstawie danych na granicach (twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa).

Ryż. 2 Całkowanie objętości na podstawie wartości granicznych

Aby uzyskać dokładniejsze rozwiązanie, pierwotnie obliczona objętość jest dzielona na mniejsze objętości.

Ryż. 3 Pogrubienie siatki obliczeniowej

Procedura dzielenia pierwotnej objętości na mniejsze objętości nazywa się BUDOWA SIATKI OBLICZENIOWEJ , a tablica wynikowych woluminów to SIATKA OBLICZEŃ . Każda objętość uzyskana w procesie konstruowania siatki obliczeniowej jest tzw OBLICZONA KOMÓRKA , w każdym z których obserwuje się również równowagę masy przychodzącej i wychodzącej. Nazywa się zamkniętą objętość, w której zbudowana jest siatka obliczeniowa OBSZAR OBLICZEŃ .

Architektura

Ideologia Wizja przepływu zbudowana jest w oparciu o architekturę rozproszoną, gdzie jednostka programowa realizująca obliczenia arytmetyczne może być zlokalizowana na dowolnym komputerze w sieci - na wysokowydajnym klastrze lub laptopie. Architektura pakietu oprogramowania jest modułowa, co pozwala bezboleśnie wprowadzać ulepszenia i nowe funkcjonalność. Głównymi modułami są PrePostProcessor i blok solvera, a także kilka bloków pomocniczych, które wykonują różne operacje monitorowania i strojenia.

Rozkład nacisku na nadwozie samochodu sportowego

Zadaniem funkcjonalnym Preprocesora jest import geometrii dziedziny obliczeniowej z systemów modelowania geometrycznego, ustawienie modelu środowiska, ustawienie warunków początkowych i brzegowych, edycja lub import siatki obliczeniowej oraz ustawienie kryteriów zbieżności, po czym sterowanie zostaje przekazane do Solver, który rozpoczyna proces konstruowania siatki obliczeniowej i wykonuje obliczenia zgodnie z zadanymi parametrami. W trakcie procesu kalkulacji użytkownik ma możliwość wizualnego i ilościowego monitoringu kalkulacji oraz oceny procesu tworzenia rozwiązania za pomocą narzędzi Postprocesora. Po osiągnięciu wymaganej wartości kryterium zbieżności można zatrzymać proces zliczania, po czym wynik staje się w pełni dostępny dla użytkownika, który za pomocą narzędzi Postprocesora może przetwarzać dane – wizualizować wyniki i kwantyfikować z późniejszym zapisem do zewnętrzne formaty danych.

Siatka obliczeniowa

W Wizja przepływu używana jest prostokątna siatka obliczeniowa, która automatycznie dostosowuje się do granic dziedziny obliczeniowej i rozwiązania. Aproksymacja granic krzywoliniowych z dużą dokładnością jest zapewniona przy użyciu metody rozdzielczości geometrii podsiatki. Takie podejście umożliwia pracę z modelami geometrycznymi składającymi się z powierzchni o dowolnym stopniu złożoności.

Początkowa domena obliczeniowa

Siatka ortogonalna nałożona na obszar

Przycinanie początkowej siatki według granic regionu

Ostateczna siatka obliczeniowa

Automatyczne tworzenie siatki obliczeniowej z uwzględnieniem krzywizny powierzchni

W przypadku konieczności doprecyzowania rozwiązania na granicy lub w odpowiednim miejscu objętości obliczeniowej istnieje możliwość dynamicznej adaptacji siatki obliczeniowej. Adaptacja to fragmentacja komórek niższy poziom na mniejsze komórki. Adaptacja może polegać na warunkach brzegowych, objętości i rozwiązaniu. Adaptacja siatki jest wykonywana na określonej granicy, w określone miejsce domenie obliczeniowej lub przez rozwiązanie, biorąc pod uwagę zmianę zmiennej i gradient. Adaptacja odbywa się zarówno w kierunku udoskonalania siatki, jak iw kierunku przeciwnym - łączenia małych komórek w większe, aż do oczka podstawowego.

Technologia adaptacji sieci

Ruchome ciała

Technologia ruchomych ciał umożliwia umieszczenie ciała o dowolnym kształcie geometrycznym w domenie obliczeniowej i nadanie mu ruchu translacyjnego i/lub obrotowego. Prawo ruchu może być stałe lub zmienne w czasie i przestrzeni. Ruch ciała definiuje się na trzy główne sposoby:

Wyraźnie poprzez ustawienie prędkości ciała;
- poprzez ustawienie siły działającej na ciało i przesunięcie go z punktu startu

Poprzez wpływ środowiska, w którym znajduje się ciało.

Wszystkie trzy metody można ze sobą łączyć.

Zrzucanie rakiety w niestabilnym przepływie pod działaniem grawitacji

Odtworzenie doświadczenia Macha: ruch piłki z prędkością 800 m/s

Równoległe obliczenia

Jedna z kluczowych cech pakietu oprogramowania Wizja przepływu technologie obliczeń równoległych, gdy do rozwiązania jednego problemu wykorzystuje się kilka procesorów lub rdzeni procesorów, co pozwala przyspieszyć obliczenia proporcjonalnie do ich liczby.

Przyspieszenie obliczania zadań w zależności od liczby zaangażowanych rdzeni

Procedura uruchamiania w trybie równoległym jest w pełni zautomatyzowana. Użytkownik musi tylko określić liczbę rdzeni lub procesorów, na których zadanie będzie działać. Wszystkie dalsze działania związane z podziałem domeny obliczeniowej na części i wymianą danych pomiędzy nimi algorytm będzie wykonywał samodzielnie, dobierając najlepsze parametry.

Dekompozycja komórek powierzchniowych na 16 procesorów dla problemów z dwoma samochodami

Zespół Wizja przepływu utrzymuje bliskie kontakty z przedstawicielami krajowego i zagranicznego środowiska HPC (High Performance Computing) oraz uczestniczy we wspólnych projektach mających na celu uzyskanie nowych możliwości w zakresie poprawy wydajności w obliczeniach równoległych.

W 2007 roku FlowVision wraz z Centrum Badawczo-Rozwojowym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego zostało uczestnikiem federalnego programu stworzenia narodowego systemu rozliczeń równoległych teraflopów. W ramach programu zespół programistów przystosowuje FlowVision do wykonywania obliczeń na dużą skalę na samym początku nowoczesna technologia. Klaster SKIF-Czebyszew zainstalowany w Centrum Badawczo-Rozwojowym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego służy jako testowa platforma sprzętowa.

Klaster SKIF-Czebyszew zainstalowany w Centrum Badawczo-Rozwojowym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego

W ścisłej współpracy ze specjalistami z Centrum Badawczo-Rozwojowego Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego (pod kierunkiem członka korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk, doktora matematyki fizycznej Vl.V.Voevodina), kompleks programowo-sprzętowy SKIF- Wizja przepływu poprawić wydajność obliczeń równoległych. W czerwcu 2008 r. przeprowadzono pierwsze praktyczne obliczenia na 256 węzłach rozliczeniowych w trybie równoległym.

W 2009 roku zespół FlowVision wraz z Centrum Badawczo-Rozwojowym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, Sigma Technology oraz ośrodek naukowy TsAGI został uczestnikiem federalnego programu celowego tworzenia algorytmów rozwiązywania problemów optymalizacji równoległej w problemach aero- i hydrodynamiki.

tekst, ilustracje: firma TESIS

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 mają na to dwa parametry - współczynnik oporu aerodynamicznego Cx oraz 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 podczas przepływu powietrza przez komorę silnika i wnętrze,
• opór tarcia przepływów powietrza na zewnętrznych powierzchniach ciała i
• formować opór.

Trzeci element ma 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. Tak więc obszar wysokiego ciśnienia z przodu uniemożliwia ruch samochodu do przodu, a obszar niskiego ciśnienia z tyłu „zasysa” 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. NA duże sedany a coupe czasami udaje się nawet uzyskać 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 układu wydechowego zwiększają opór. 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. Jednak montowane w samochodach seryjnych elementy te będą odgrywać jedynie rolę dekoracyjną, budząc dumę właściciela. Nie przyniosą żadnych praktycznych korzyści, 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 dużych samochodów i miłośnicy dużych prędkości dokonują korekty 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.

Odkąd pierwszy człowiek umieścił zaostrzony kamień na końcu włóczni, ludzie zawsze próbowali znaleźć najlepsza forma obiekty poruszające się w powietrzu. Ale samochód okazał się bardzo trudną aerodynamiczną zagadką.

Podstawy obliczeń trakcji drogowej dostarczają nam cztery podstawowe siły działające na pojazd w ruchu: opór powietrza, opór toczenia, opór wznoszenia i siły bezwładności. Należy zauważyć, że tylko dwa pierwsze są głównymi. Siła oporu toczenia Koło samochodowe zależy głównie od odkształcenia opony i drogi w strefie styku. Ale już przy prędkości 50-60 km / h siła oporu powietrza przewyższa każdą inną, a przy prędkościach powyżej 70-100 km / h przewyższa je wszystkie razem wzięte. W celu udowodnienia tego twierdzenia należy podać przybliżony wzór: Px=Cx*F*v2, gdzie: Px – siła oporu powietrza; v – prędkość pojazdu (m/s); F jest polem rzutu samochodu na płaszczyznę prostopadłą do osi wzdłużnej samochodu lub polem największego przekroju samochodu, czyli powierzchnią czołową (m2); Cx to współczynnik oporu powietrza (współczynnik usprawnienia). Notatka. Prędkość we wzorze jest podniesiona do kwadratu, co oznacza, że ​​jeśli na przykład zostanie podwojona, siła oporu powietrza wzrośnie czterokrotnie.

Jednocześnie koszty energii potrzebnej do jej pokonania rosną ośmiokrotnie! Eksperymentalnie stwierdzono, że w wyścigach Nascar, w których prędkość przekracza 300 km/h, zwiększenie prędkość maksymalna tylko dla 8 km/h trzeba zwiększyć moc silnika o 62 kW (83 KM) lub zmniejszyć Cx o 15%. Jest inny sposób - zmniejszyć przednią część samochodu. Wiele szybkich supersamochodów jest znacznie niższych niż samochody konwencjonalne. To tylko oznaka pracy nad zmniejszeniem obszaru czołowego. Jednak tę procedurę można wykonać do pewnych ograniczeń, w przeciwnym razie korzystanie z takiego samochodu będzie niemożliwe. Z tego i innych powodów usprawnienie jest jednym z głównych problemów, które pojawiają się podczas projektowania samochodu. Oczywiście na siłę oporu ma wpływ nie tylko prędkość samochodu i jego parametry geometryczne. Na przykład im większa gęstość przepływu powietrza, tym większy opór. Z kolei gęstość powietrza zależy bezpośrednio od jego temperatury i wysokości nad poziomem morza. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość powietrza (a co za tym idzie jego lepkość), podczas gdy wysoko w górach powietrze jest rzadsze, a jego gęstość maleje i tak dalej. Takich niuansów jest wiele.

Ale wracając do kształtu samochodu. Który przedmiot ma najlepszy przepływ? Odpowiedź na to pytanie jest znana prawie każdemu uczniowi (który nie spał na lekcjach fizyki). Spadająca kropla wody przybiera kształt najbardziej akceptowalny z punktu widzenia aerodynamiki. Oznacza to zaokrągloną przednią powierzchnię i gładko zwężający się długi tył (najlepszy stosunek to 6-krotność długości do szerokości). Współczynnik oporu jest wartością eksperymentalną. Liczbowo jest równa sile oporu powietrza w Newtonach, która powstaje, gdy porusza się ono z prędkością 1 m/s na 1 m2 powierzchni czołowej. Zwyczajowo za jednostkę odniesienia uważa się Cx płaskiej płyty = 1. Tak więc dla kropli wody Cx = 0,04. A teraz wyobraź sobie taki samochód. Nonsens, prawda? Takie urządzenie na kołach nie tylko będzie wyglądało nieco karykaturalnie, ale korzystanie z tego samochodu zgodnie z jego przeznaczeniem nie będzie zbyt wygodne. Dlatego projektanci zmuszeni są znaleźć kompromis pomiędzy aerodynamiką samochodu a wygodą jego użytkowania. Ciągłe próby zmniejszenia współczynnika oporu powietrza doprowadziły do ​​tego, że niektóre nowoczesne samochody mają Cx = 0,28-0,25. Cóż, szybko rekordowe samochody chwalić się Cx = 0,2-0,15.

Siły oporu

Teraz musimy trochę porozmawiać o właściwościach powietrza. Jak wiecie, każdy gaz składa się z cząsteczek. Są w ciągłym ruchu i wzajemnie na siebie oddziałują. Istnieją tak zwane siły van der Waalsa - siły wzajemnego przyciągania się cząsteczek, które uniemożliwiają ich ruch względem siebie. Niektóre z nich zaczynają mocniej przylegać do innych. A wraz ze wzrostem chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta skuteczność oddziaływania jednej warstwy powietrza na drugą, a lepkość wzrasta. Dzieje się tak z powodu wzrostu temperatury powietrza, a może to być spowodowane zarówno bezpośrednim ogrzewaniem od słońca, jak i pośrednio tarciem powietrza o dowolną powierzchnię lub po prostu jego warstwy między sobą. Tu liczy się szybkość. Aby zrozumieć, jak to wpływa na samochód, po prostu spróbuj machnąć ręką otwartą dłonią. Jeśli robisz to powoli, nic się nie dzieje, ale jeśli machniesz ręką mocniej, dłoń już wyraźnie wyczuwa pewien opór. Ale to tylko jeden składnik.

Kiedy powietrze porusza się po jakiejś nieruchomej powierzchni (na przykład karoserii), te same siły van der Waalsa powodują, że najbliższa warstwa cząsteczek zaczyna się do niej przyklejać. A ta „zablokowana” warstwa spowalnia następną. I tak warstwa po warstwie, a im szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, tym dalej znajdują się od nieruchomej powierzchni. Ostatecznie ich prędkość jest zrównywana z prędkością głównego strumienia powietrza. Warstwa, w której cząsteczki poruszają się powoli, nazywana jest warstwą graniczną i pojawia się na dowolnej powierzchni. Im wyższa wartość energii powierzchniowej materiału powłoki pojazdu, tym silniej jego powierzchnia oddziałuje na poziomie molekularnym z otaczającym powietrzem i tym więcej energii trzeba zużyć, aby zniszczyć te siły. Teraz, na podstawie powyższych obliczeń teoretycznych, możemy powiedzieć, że opór powietrza to nie tylko wiatr uderzający w przednią szybę. Ten proces ma więcej elementów.

Odporność na kształt

To najważniejsza część - do 60% wszystkich strat aerodynamicznych. Jest często określany jako opór ciśnieniowy lub opór. Podczas jazdy samochód spręża strumień powietrza i pokonuje wysiłek rozpychania cząsteczek powietrza. Rezultatem jest strefa wysokiego ciśnienia. Następnie powietrze opływa powierzchnię samochodu. W tym procesie strumienie powietrza przerywają się, tworząc turbulencje. Ostateczne oddzielenie strumienia powietrza w tylnej części pojazdu tworzy strefę niskiego ciśnienia. Opór z przodu i efekt ssania z tyłu samochodu powodują bardzo silną reakcję. Ten fakt zobowiązuje projektantów i projektantów do szukania sposobów na nadanie ciała. Ułożyć na półkach.

Teraz musisz wziąć pod uwagę kształt samochodu, jak mówią, „od zderzaka do zderzaka”. Które z części i elementów mają większy wpływ na ogólną aerodynamikę maszyny. Przód ciała. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym wykazały, że dla uzyskania najlepszej aerodynamiki przód nadwozia powinien być niski, szeroki i pozbawiony ostrych narożników. W tym przypadku nie dochodzi do rozdzielenia strumienia powietrza, co ma bardzo korzystny wpływ na opływowość samochodu. Osłona chłodnicy to często nie tylko element użytkowy, ale również dekoracyjny. W końcu chłodnica i silnik muszą mieć efektywny przepływ powietrza, więc ten element jest bardzo ważny. Niektórzy producenci samochodów badają ergonomię i rozkład przepływu powietrza w komorze silnika równie poważnie, jak ogólną aerodynamikę samochodu. Nachylenie przedniej szyby jest bardzo wyraźnym przykładem kompromisu między opływowością, ergonomią i wydajnością. Jej niedostateczne nachylenie stwarza nadmierny opór, a zbytnie nachylenie zwiększa zapylenie i masę samej szyby, widoczność gwałtownie spada o zmroku, konieczne jest zwiększenie rozmiaru wycieraczki itp. Przejście z szyby na ściankę boczną należy wykonać płynnie.

Ale nie powinieneś dać się ponieść nadmiernej krzywiźnie szkła - może to zwiększyć zniekształcenia i pogorszyć widoczność. Wpływ słupka przedniej szyby na opór aerodynamiczny zależy w dużym stopniu od położenia i kształtu przedniej szyby, a także od kształtu przedniej części. Jednak pracując nad kształtem bagażnika nie można zapomnieć o zabezpieczeniu przednich szyb bocznych przed deszczem i brudem wywiewanym z przedniej szyby, zachowaniu akceptowalnego poziomu zewnętrznego hałasu aerodynamicznego itp. Dach. Zwiększenie pochylenia dachu może prowadzić do zmniejszenia współczynnika oporu powietrza. Ale znaczny wzrost wybrzuszenia może kolidować z ogólnym projektem samochodu. Ponadto, jeśli wzrostowi wybrzuszenia towarzyszy równoczesny wzrost obszaru oporu, wówczas siła oporu powietrza wzrasta. Z drugiej strony, jeśli spróbujesz zachować pierwotną wysokość, przednia i tylna szyba będą musiały zostać wprowadzone w dachy, ponieważ widoczność nie powinna się pogorszyć. Doprowadzi to do wzrostu kosztów okularów, podczas gdy spadek siły oporu powietrza w tym przypadku nie jest tak znaczący.

powierzchnie boczne. Z punktu widzenia aerodynamiki samochodu powierzchnie boczne nie duży wpływ wytworzyć przepływ bezrotacyjny. Ale nie można ich zbytnio zaokrąglić. W przeciwnym razie trudno będzie dostać się do takiego samochodu. Szyba powinna w miarę możliwości tworzyć jedną całość z powierzchnią boczną i znajdować się w jednej linii z zewnętrznym obrysem samochodu. Wszelkie stopnie i nadproża stwarzają dodatkowe przeszkody w przepływie powietrza, pojawiają się niepożądane turbulencje. Możesz zauważyć, że rynny, które były wcześniej obecne w prawie każdym samochodzie, nie są już używane. Pojawiły się inne rozwiązania konstrukcyjne, które nie mają tak dużego wpływu na aerodynamikę samochodu.

Tył samochodu ma prawdopodobnie największy wpływ na współczynnik opływowości. Jest to wyjaśnione w prosty sposób. Z tyłu strumień powietrza przerywa się i tworzy zawirowania. Prawie niemożliwe jest, aby tył samochodu był tak opływowy jak sterowiec (długość jest 6 razy większa niż szerokość). Dlatego dokładniej pracują nad jego formą. Jednym z głównych parametrów jest kąt nachylenia tylnej części samochodu. Przykład stał się już podręcznikiem Rosyjski samochód„Moskvich-2141”, gdzie to niefortunne rozwiązanie tylnej części znacznie pogorszyło ogólną aerodynamikę samochodu. Ale z drugiej strony tylne okno „Moskali” zawsze pozostawało czyste. Znowu kompromis. Dlatego tak wiele dodatkowych elementów mocujących jest wykonywanych specjalnie z myślą o tylnej części samochodu: tylne błotniki, spojlery itp. Wraz z kątem nachylenia tylnej konstrukcji i kształtu bocznej krawędzi tylnej części samochodu duży wpływ współczynnik oporu. Na przykład, jeśli spojrzysz na prawie każdy nowoczesny samochód z góry, od razu zauważysz, że przednie nadwozie jest szersze niż tylne. To także aerodynamika. Spód samochodu.

Jak może się początkowo wydawać, ta część ciała nie może wpływać na aerodynamikę. Ale jest jeszcze taki aspekt, jak siła docisku. Od tego zależy stabilność samochodu i to, jak prawidłowo zorganizowany jest przepływ powietrza pod spodem samochodu, a co za tym idzie siła jego „przyklejania się” do drogi. Oznacza to, że jeśli powietrze pod samochodem nie pozostaje, ale przepływa szybko, wówczas występujące tam obniżone ciśnienie dociśnie samochód do jezdni. Jest to szczególnie ważne w przypadku zwykłych samochodów. Faktem jest, że w przypadku samochodów wyścigowych, które rywalizują na wysokiej jakości, równych nawierzchniach, można ustawić prześwit tak niski, że zaczyna pojawiać się efekt „poduszki ziemnej”, w której siła docisku wzrasta, a opór maleje. Dla normalne samochody krótki prześwit gorszący. Dlatego projektanci w ostatnim czasie starali się jak najbardziej wygładzić spód auta, aby takie nierówne elementy jak osłony zakryć osłonami np. rury wydechowe, wahacze itp. Nawiasem mówiąc, nadkola mają bardzo duży wpływ na aerodynamikę samochodu. Nieprawidłowo zaprojektowane nisze mogą stworzyć dodatkową windę.

I znowu wiatr

Nie trzeba dodawać, że wymagana moc silnika zależy od opływowości samochodu, a co za tym idzie, zużycia paliwa (czyli portfela). Jednak aerodynamika wpływa nie tylko na prędkość i ekonomię. Nie ostatnie miejsce zajmują zadania zapewnienia dobra stabilność kursu walutowego, obsługi pojazdu i redukcji hałasu podczas jazdy. Z hałasem wszystko jest jasne: im lepsza opływowość samochodu, jakość nawierzchni, im mniejszy rozmiar szczelin i liczba wystających elementów itp., tym mniej hałasu. Projektanci muszą pomyśleć o takim aspekcie, jak moment zwrotny. Efekt ten jest dobrze znany większości kierowców. Kto kiedykolwiek podróżował wysoka prędkość minął „ciężarówkę” lub po prostu jechał z silnym bocznym wiatrem, powinien odczuć pojawienie się przechyłu lub nawet lekkiego skrętu samochodu. Nie ma sensu wyjaśniać tego efektu, ale to jest właśnie problem aerodynamiki.

Dlatego współczynnik Cx nie jest unikalny. W końcu powietrze może oddziaływać na samochód nie tylko „na czoło”, ale także pod różnymi kątami iw różnych kierunkach. A to wszystko ma wpływ na obsługę i bezpieczeństwo. To tylko kilka z głównych aspektów wpływających na ogólną siłę oporu powietrza. Nie sposób obliczyć wszystkich parametrów. Istniejące formuły nie dają pełny obraz. Dlatego projektanci badają aerodynamikę samochodu i korygują jego kształt za pomocą tak drogiego narzędzia, jak tunel aerodynamiczny. Zachodnie firmy nie szczędzą pieniędzy na ich budowę. Koszt takich ośrodków badawczych może sięgać milionów dolarów. Na przykład: koncern Daimler-Chrysler zainwestował 37,5 miliona dolarów w stworzenie specjalistycznego kompleksu poprawiającego aerodynamikę swoich samochodów. Obecnie tunel aerodynamiczny jest najważniejszym narzędziem do badania sił oporu powietrza oddziałujących na samochód.

Ani jeden samochód nie przejdzie przez ścianę z cegły, 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 jest zobaczyć, jak strumień powietrza oddziałuje na pojazd. Ale przy dużej prędkości silny wiatr, opór powietrza (siła działająca na obiekt poruszający się w powietrzu - zwana także oporem) ma duży wpływ na to, jak samochód przyspiesza, jak bardzo się kieruje, jak zużywa paliwo.

W tym miejscu do gry wkracza nauka aerodynamiki, badająca siły powstające w wyniku ruchu obiektów w powietrzu. Nowoczesne samochody są projektowane z myślą o aerodynamice. Dobrze aerodynamiczny samochód przecina ścianę powietrza jak nóż przez masło.

Dzięki niskim oporom przepływu powietrza taki samochód lepiej przyspiesza i lepiej zużywa paliwo, ponieważ silnik nie musi wydawać dodatkowej mocy, aby „przepchnąć” samochód przez ścianę powietrza.

Aby poprawić aerodynamikę samochodu, kształt nadwozia jest zaokrąglony, tak aby kanał powietrzny opływał samochód z najmniejszym oporem. W samochodach sportowych kształt nadwozia jest zaprojektowany tak, aby kierować strumień powietrza głównie wzdłuż dolnej części, dlaczego zobaczysz poniżej. Umieścili również skrzydło lub spojler na bagażniku samochodu. Tylne skrzydło dociska tył samochodu, zapobiegając podnoszeniu się tylnych kół z powodu silnego przepływu powietrza podczas jazdy z dużą prędkością, co sprawia, że ​​samochód jest bardziej stabilny. Nie wszystkie tylne błotniki są takie same i nie wszystkie są używane zgodnie z ich przeznaczeniem, niektóre służą jedynie jako element wystroju samochodu, który nie pełni bezpośredniej funkcji aerodynamiki.

Nauka o aerodynamice

Zanim zaczniemy mówić o aerodynamice samochodowej, omówmy podstawy fizyki.

Gdy obiekt porusza się w atmosferze, wypiera otaczające powietrze. Obiekt podlega również grawitacji i oporowi. Opór powstaje, gdy ciało stałe porusza się w ośrodku płynnym - wodzie lub powietrzu. Opór wzrasta wraz z prędkością obiektu - im szybciej porusza się on w przestrzeni, tym większy opór napotyka.

Mierzymy ruch obiektu za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona - masy, prędkości, ciężaru, siły zewnętrznej i przyspieszenia.

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

Gdy obiekt przyspiesza, prędkość i opór rosną aż do punktu końcowego, w którym opór staje się równy ciężarowi - obiekt nie będzie już przyspieszał. Wyobraźmy sobie, że naszym obiektem w równaniu jest samochód. Gdy samochód porusza się coraz szybciej, coraz więcej powietrza stawia opór jego ruchowi, ograniczając maksymalne przyspieszenie samochodu przy określonej prędkości.

Zbliżamy się do najważniejszej liczby - współczynnika oporu aerodynamicznego. Jest to jeden z głównych czynników decydujących o tym, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu powietrza (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 w samochodzie

Ustaliliśmy, że współczynnik oporu powietrza (Cd) jest wartością, która mierzy siłę oporu powietrza przyłożoną do obiektu, takiego jak samochód. Teraz wyobraź sobie, że siła powietrza naciska na samochód, gdy porusza się po drodze. Przy prędkości 110 km/h działa na nią czterokrotnie większa siła niż przy prędkości 55 km/h.

Możliwości aerodynamiczne samochodu są mierzone współczynnikiem oporu powietrza. Im niższa wartość Cd, tym lepsza aerodynamika samochodu i tym łatwiej przejdzie przez napierającą na niego z różnych stron ścianę powietrza.

Rozważmy wskaźniki Cd. Pamiętasz kanciaste, pudełkowe Volvo z lat 70. i 80.? Na starym sedana Volvo 960 współczynnik oporu powietrza 0,36. Na nowe Volvo ciała są gładkie i gładkie, dzięki czemu współczynnik osiąga 0,28. Gładsze i bardziej opływowe kształty wykazują lepszą aerodynamikę niż kanciaste i kwadratowe.

Powody, dla których aerodynamika uwielbia smukłe kształty

Pamiętajmy o najbardziej aerodynamicznej rzeczy w przyrodzie - łzie. Łza jest okrągła i gładka ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Kiedy łza opada, powietrze przepływa wokół niej łatwo i płynnie. Również w samochodach, po gładkiej, zaokrąglonej powierzchni, powietrze przepływa swobodnie, zmniejszając opór powietrza stawiany ruchowi obiektu.

Obecnie większość modeli ma średni współczynnik oporu powietrza wynoszący 0,30. SUV-y mają współczynnik oporu powietrza od 0,30 do 0,40 lub więcej. Powód wysokiego współczynnika w wymiarach. Land Cruisery i Gelendvageny pomieszczą więcej pasażerów, mają więcej przestrzeń ładunkowa, duże kratki chłodzące silnik, stąd kwadratowa konstrukcja. Pickupy zaprojektowane z celowo kwadratowym Cd większym niż 0,40.

Konstrukcja nadwozia jest dyskusyjna, ale samochód ma odkrywczy aerodynamiczny kształt. Współczynnik oporu powietrza Toyoty Prius wynosi 0,24, więc zużycie paliwa przez samochód jest niskie nie tylko ze względu na napęd hybrydowy. Pamiętaj, każdy minus 0,01 we współczynniku zmniejsza zużycie paliwa o 0,1 litra na 100 kilometrów.

Modele o słabym oporze aerodynamicznym:

Modele o dobrym oporze aerodynamicznym:

Metody poprawiania aerodynamiki są znane od dawna, ale producentom samochodów zajęło dużo czasu, aby zacząć je stosować przy tworzeniu nowych pojazdów.

Modele pierwszych samochodów, które się pojawiły, nie mają nic wspólnego z pojęciem aerodynamiki. Spójrz na Forda Model T — samochód wygląda bardziej jak powóz konny bez konia — zwycięzca konkursu na pudełkowaty projekt. Prawdę mówiąc, większość modeli była pionierami i nie potrzebowała aerodynamicznej konstrukcji, ponieważ jechały wolno, nie było się czemu oprzeć przy takiej prędkości. Jednak samochody wyścigowe z początku XX wieku zaczęły się nieco zawężać, aby wygrywać zawody kosztem aerodynamiki.

W 1921 roku niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co po niemiecku oznacza „samochód łzowy”. Wzorowany na najbardziej aerodynamicznym kształcie w naturze, kształcie łzy, model ten miał współczynnik oporu powietrza 0,27. Projekt Rumpler-Tropfenauto nigdy nie znalazł akceptacji. Rumplerowi udało się stworzyć tylko 100 jednostek Rumpler-Tropfenauto.

W Ameryce skok w projektowaniu aerodynamicznym nastąpił w 1930 r., kiedy to modelu Chryslera przepływ powietrza. Zainspirowani lotem ptaków, inżynierowie stworzyli Airflow z myślą o aerodynamice. Aby poprawić prowadzenie, ciężar samochodu został równomiernie rozłożony na przednią i tylną oś - 50/50. Społeczeństwo, zmęczone Wielkim Kryzysem, nie zaakceptowało niekonwencjonalnego wyglądu Chryslera Airflow. Model uznano za porażkę, chociaż opływowy projekt Chryslera Airflow znacznie wyprzedzał swoje czasy.

W latach 50. i 60. największy postęp w aerodynamice samochodowej nastąpił w świecie wyścigów. Inżynierowie zaczęli eksperymentować z różnymi kształtami nadwozia, wiedząc, że opływowy kształt przyspieszy samochody. Tak narodził się kształt samochodu wyścigowego, który przetrwał do dziś. Przednie i tylne spojlery, łopatki i zestawy aerodynamiczne służyły temu samemu celowi, kierując przepływ powietrza nad dachem i wytwarzając niezbędną siłę docisku na przednie i tylne koła.

Tunel aerodynamiczny przyczynił się do sukcesu eksperymentów. W kolejnej części naszego artykułu opowiemy, dlaczego jest potrzebny i dlaczego jest ważny w projektowaniu samochodów.

Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym

Aby zmierzyć wydajność aerodynamiczną samochodu, inżynierowie pożyczyli narzędzie z branży lotniczej - tunel aerodynamiczny.

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

Samochód lub samolot w tunelu aerodynamicznym nie porusza się, ale aby symulować rzeczywiste warunki, wentylatory dostarczają strumień powietrza inna prędkość. Czasami prawdziwe samochody nie są nawet napędzane - projektanci często polegają na dokładnych modelach stworzonych z gliny lub innych surowców. Wiatr wieje nad samochodem w tunelu aerodynamicznym, a komputery obliczają współczynnik oporu powietrza.

Tunele aerodynamiczne były używane od końca XIX wieku, kiedy próbowano zbudować samolot i mierzono wpływ przepływu powietrza w tunelach aerodynamicznych. Nawet bracia Wright mieli taką trąbkę. Po drugiej wojnie światowej inżynierowie samochodów wyścigowych, szukając przewagi nad konkurencją, zaczęli wykorzystywać tunele aerodynamiczne do oceny skuteczności elementów aerodynamicznych swoich projektów. Później technologia ta trafiła do świata samochodów osobowych i ciężarowych.

W ciągu ostatnich 10 lat duże tunele aerodynamiczne kosztujące kilka milionów dolarów były coraz rzadziej używane. Modelowanie komputerowe stopniowo wypiera ten sposób badania aerodynamiki samochodu (więcej). Tunele aerodynamiczne są uruchamiane tylko po to, aby upewnić się, że symulacje komputerowe nie zawierają błędów.

W aerodynamice jest więcej pojęć niż sam opór powietrza - są też czynniki siły nośnej i docisku. Podnoszenie (lub podnoszenie) to siła działająca przeciw ciężarowi przedmiotu, podnosząca i utrzymująca przedmiot w powietrzu. Siła docisku, przeciwieństwo windy, to siła, która popycha obiekt na ziemię.

Każdy, kto myśli, że współczynnik oporu powietrza w bolidach Formuły 1 osiągających prędkość 320 km/h jest niski, jest w błędzie. Typowy samochód wyścigowy Formuły 1 ma współczynnik oporu powietrza około 0,70.

Powodem, dla którego samochody wyścigowe Formuły 1 mają wysoki współczynnik oporu powietrza, jest to, że samochody te są zaprojektowane tak, aby generować jak największą siłę docisku. Dzięki szybkości, z jaką poruszają się kule ognia, przy ich niezwykle lekkiej wadze, zaczynają odczuwać siłę nośną duże prędkości- fizyka sprawia, że ​​wznoszą się w powietrze jak samolot. Samochody nie są zaprojektowane do latania (chociaż artykuł - latający samochód transformatorowy twierdzi inaczej), a jeśli pojazd zacznie wznosić się w powietrze, można spodziewać się tylko jednego - katastrofalnego wypadku. Dlatego siła docisku musi być maksymalna, aby samochód utrzymywał się na podłożu przy dużych prędkościach, co oznacza, że ​​​​współczynnik oporu powietrza musi być duży.

Samochody Formuły 1 osiągają dużą siłę docisku za pomocą przednich i tylnych kół tylne części pojazd. Skrzydła te kierują przepływ powietrza tak, że dociskają samochód do podłoża – z tą samą siłą docisku. Teraz możesz bezpiecznie zwiększać prędkość i nie tracić jej na zakrętach. Jednocześnie siła docisku musi być dokładnie zrównoważona z siłą nośną, aby samochód uzyskał pożądaną prędkość na prostej.

Wiele samochodów produkcyjnych ma dodatki aerodynamiczne, które tworzą siłę docisku. prasa krytykowana za pojawienie się. Kontrowersyjny projekt. A wszystko dlatego, że wszyscy Karoseria GT-R Zaprojektowany, aby kierować przepływ powietrza nad samochodem iz powrotem przez owalny tylny spojler, tworząc większą siłę docisku. Nikt nie myślał o pięknie samochodu.

Poza torem Formuły 1 tylne błotniki są często spotykane w samochodach seryjnych, takich jak sedany. firmy Toyoty i Hondy. Czasami te elementy konstrukcyjne dodają trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład na pierwsze audi TT pierwotnie nie miał spoilera, ale Audi Musiałem to dodać, gdy okazało się, że zaokrąglony kształt i niewielka masa TT dawały zbyt duży udźwig, przez co samochód był niestabilny przy prędkościach powyżej 150 km/h.

Ale jeśli samochód nie jest Audi TT, nie samochodem sportowym, nie samochodem sportowym, ale zwykłym rodzinnym sedanem lub hatchbackiem, nie ma potrzeby instalowania spojlera. Spoiler nie poprawi obsługi takiego samochodu, ponieważ „samochód rodzinny” ma już duży docisk dzięki wysokiemu Cx i nie można na nim wycisnąć prędkości powyżej 180. Spoiler włączony zwykły samochód może powodować nadsterowność lub odwrotnie niechęć do wchodzenia w zakręty. Jeśli jednak uważasz, że to gigantyczny spoiler Honda Civic stoi na swoim miejscu, nie daj się nikomu o tym przekonać.

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. Ogólnie siły tarcia określają poziom mocy układ napędowy, a siły boczne wpływają na sterowność obiektu.

W tradycyjnym schemacie projektowania do określenia sił stosuje się przedmuchy w tunelach aerodynamicznych (zwykle mniejsze modele), testy w basenach i testy w pełnej skali. 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 ograniczonej przestrzeni, 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 dla nowoczesnych pojazdy z silnikiem Diesla, przy opracowywaniu układu zasilania paliwem wspólna szyna zastosowano ANSYS CFX (w celu poprawy wydajności wtrysku).

BMW, którego silniki od kilku lat z rzędu zdobywają tytuł Międzynarodowego Silnika Roku, 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.

Samochody wyścigowe służą jako ostateczny wyraz tych cech. 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 klasy „Formula-1600” rozwija prędkość ponad 250 km/h i jest szczytem rosyjskiego sportów motorowych. 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, umieszczone dość 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 wykorzystywany do modelowania systemów wentylacji i ogrzewania obiektów przemysłowych, budynków administracyjnych, biurowych oraz kompleksów sportowo-rozrywkowych.

Inżynierowie Olof Granlund Oy (Finlandia) wykorzystali pakiet oprogramowania ANSYS CFX do analizy reżimu temperatury i charakteru przepływów powietrza na arenie lodowej kompleksu sportowego Krylatskoye (Moskwa). 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.