Prečo potrebujete aerodynamiku pre auto, každý vie. Čím je jeho telo aerodynamickejšie, tým menší je odpor voči pohybu a spotrebe paliva. Takéto auto vám nielen ušetrí peniaze, ale vypustí aj menej odpadu do životného prostredia. Odpoveď je jednoduchá, no zďaleka nie úplná. Špecialisti na aerodynamiku, ktorí dokončujú karosériu nového modelu, tiež:

• vypočítajte rozloženie zdvíhacej sily pozdĺž osí, čo je veľmi dôležité vzhľadom na značné rýchlosti moderných automobilov,
• zabezpečiť prístup vzduchu na chladenie motora a brzdových mechanizmov,
• zamyslite sa nad miestami nasávania a výstupu vzduchu pre systém vetrania interiéru,
• snažiť sa znížiť hladinu hluku v kabíne,
• optimalizovať tvar častí karosérie, aby sa znížilo znečistenie skiel, zrkadiel a osvetľovacích zariadení.

Navyše, riešenie jednej úlohy často odporuje realizácii inej. Zníženie súčiniteľa odporu napríklad zlepšuje zefektívnenie, no zároveň zhoršuje odolnosť auta voči nárazom bočného vetra. Odborníci preto musia hľadať rozumný kompromis.

redukcia ťahu

Čo určuje ťahovú silu? Rozhodujúci vplyv na to majú dva parametre – koeficient aerodynamický odpor Cx a prierezová plocha vozidla (stredná loď). Strednú časť môžete zmenšiť tým, že karoséria bude nižšia a užšia, ale je nepravdepodobné, že pre takéto auto bude veľa kupcov. Hlavným smerom zlepšovania aerodynamiky auta je preto optimalizácia obtekania karosérie, inými slovami, zníženie Cx. Koeficient aerodynamického odporu Cx je bezrozmerná veličina, ktorá sa určuje experimentálne. U moderných áut leží v rozmedzí 0,26-0,38. V zahraničných zdrojoch sa súčiniteľ odporu niekedy označuje ako Cd (koeficient odporu vzduchu). Telo v tvare kvapky má ideálne prúdenie, ktorého Cx sa rovná 0,04. Pri pohybe plynule pretína prúdy vzduchu, ktoré sa potom plynule, bez prestávok, uzatvárajú do svojho „chvosta“.

Vzduchové hmoty sa správajú inak, keď sa auto pohybuje. Tu sa odpor vzduchu skladá z troch zložiek:

• vnútorný odpor pri prechode vzduchu motorový priestor a salón,
• trecí odpor prúdov vzduchu na vonkajších plochách karosérie a
• tvarový odpor.

Tretia zložka poskytuje najväčší vplyv na aerodynamike auta. Vozidlo pri pohybe stláča vzduchové hmoty pred sebou a vytvára oblasť vysokého tlaku. Prúdy vzduchu prúdia okolo tela a tam, kde končí, sa prúd vzduchu oddeľuje, vytvárajú sa turbulencie a oblasť podtlaku. Takže oblasť vysoký tlak vpredu bráni autu v pohybe dopredu a oblasť nízkeho tlaku vzadu ho „nasáva“ späť. Sila turbulencie a veľkosť oblasti nízkeho tlaku je určená tvarom zadnej časti tela.

Najlepší aerodynamický výkon predvádzajú autá so stupňovitou zadnou časťou – sedany a kupé. Vysvetlenie je jednoduché – prúd vzduchu, ktorý unikol zo strechy, okamžite narazí na veko kufra, kde sa znormalizuje a následne definitívne odlomí jeho okraj. Bočné prúdy padajú aj na kufor, čo zabraňuje vzniku škodlivých vírov za autom. Preto čím vyššie a dlhšie veko kufra, tým lepšie aerodynamický výkon. Na veľkých sedanoch a kupé je niekedy možné dosiahnuť aj bezproblémové obtekanie karosérie. K zníženiu Cx pomáha aj mierne zúženie zadnej časti. Okraj kufra je vyrobený ostrý alebo vo forme malého výstupku - to zaisťuje oddelenie prúdu vzduchu bez turbulencií. V dôsledku toho je oblasť vypúšťania za vozidlom malá.

Spodná časť auta má vplyv aj na jeho aerodynamiku. Vyčnievajúce časti zavesenia a výfukový systém zvýšiť odolnosť. Aby ho zmenšili, snažia sa čo najviac vyhladiť dno alebo všetko, čo „trčí“ pod nárazníkom, zakryť štítmi. Niekedy je nainštalovaný malý predný spojler. Spojler znižuje prúdenie vzduchu pod vozidlom. Tu je však dôležité poznať mieru. Veľký spojler výrazne zvýši odolnosť, no auto bude lepšie „pričuchnúť“ k ceste. Ale o tom viac v ďalšej časti.

Prítlak

Keď je auto v pohybe, prúd vzduchu pod jeho dnom ide priamočiaro a horná časť prúdenia obchádza karosériu, to znamená, že prejde dlhšiu vzdialenosť. Preto je rýchlosť horného prúdu vyššia ako dolného. A podľa fyzikálnych zákonov platí, že čím vyššia je rýchlosť vzduchu, tým nižší je tlak. V dôsledku toho sa pod dnom vytvorí oblasť zvýšeného tlaku a nad ňou sa vytvorí nižšia. To vytvára zdvíhaciu silu. A hoci je jeho hodnota malá, problémom je, že je nerovnomerne rozložená pozdĺž osí. Ak je predná náprava zaťažená prúdom, ktorý tlačí na kapotu a Čelné sklo, potom je zadná časť dodatočne odľahčená výstupnou zónou vytvorenou za autom. Preto so zvyšujúcou sa rýchlosťou klesá stabilita a auto je náchylné na šmyk.

Nie je potrebné vymýšľať žiadne špeciálne opatrenia na boj proti tomuto javu, pretože to, čo sa robí na zlepšenie zefektívnenia, súčasne zvyšuje prítlak. Napríklad optimalizácia zadnej časti zmenšuje podtlakovú zónu za autom, a tým znižuje zdvih. Vyrovnanie dna nielenže znižuje odpor vzduchu, ale tiež zvyšuje prietok a tým znižuje tlak pod vozidlom. A to zase vedie k zníženiu zdvihu. Rovnakým spôsobom zadný spojler plní dve úlohy. Nielenže znižuje tvorbu vírov, čím zlepšuje Cx, ale súčasne tlačí auto k vozovke v dôsledku prúdenia vzduchu, ktorý je od neho odpudzovaný. Niekedy je zadný spojler navrhnutý výhradne na zvýšenie prítlaku. V tomto prípade má veľké rozmery a sklon alebo je vyrobený zasúvateľný a do práce vstupuje iba na vysoké rýchlosti.

Pri športových a pretekárskych modeloch budú opísané opatrenia samozrejme neúčinné. Aby ste ich udržali na ceste, musíte vytvoriť veľký prítlak. Na to slúži veľký predný spojler, prahy a zadné blatníky. Ale nainštalované výrobné autá, tieto prvky budú hrať iba dekoratívnu úlohu a pobavia hrdosť majiteľa. Nie praktický prínos nebudú dávať, ale naopak zvýšia odpor voči pohybu. Mnoho motoristov si mimochodom mýli spojler s krídlom, aj keď je celkom ľahké ich rozlíšiť. Spojler je vždy pritlačený ku karosérii a tvorí s ním jeden celok. Krídlo je inštalované v určitej vzdialenosti od tela.

Praktická aerodynamika

Dodržiavanie niekoľkých jednoduchých pravidiel vám umožní získať úspory zo vzduchu znížením spotreby paliva. Tieto tipy však budú užitočné iba pre tých, ktorí často a veľa jazdia na trati.

Pri jazde sa značná časť výkonu motora vynakladá na prekonávanie odporu vzduchu. Čím vyššia rýchlosť, tým vyšší odpor (a teda aj spotreba paliva). Ak teda spomalíte aj o 10 km/h, ušetríte až 1 liter na 100 km. V tomto prípade bude strata času zanedbateľná. Túto pravdu však pozná väčšina vodičov. Ale ďalšie "aerodynamické" jemnosti nie sú známe každému.

Spotreba paliva závisí od koeficientu odporu vzduchu a plochy prierezu vozidla. Ak si myslíte, že tieto parametre sú nastavené vo výrobe a majiteľ auta ich nemôže zmeniť, ste na omyle! Ich zmena nie je vôbec náročná a môžete dosiahnuť pozitívne aj negatívne účinky.

Čo zvyšuje spotrebu? Bezdôvodne "žerie" zaťaženie paliva na streche. A aj zefektívnená škatuľa si vezme aspoň liter na sto. Je iracionálne spaľovať palivo, keď sú počas jazdy otvorené okná a strešné okná. Ak prepravujete dlhý náklad s pootvoreným kufrom, dostanete aj prepad. Rôzne dekoratívne prvky ako kapotáž na kapote („plácačky na muchy“), „kenguryatnik“, krídlo a ďalšie prvky domáceho tuningu, hoci prinesú estetický pôžitok, vás rozčúlia. Pozrite sa pod dno - za všetko, čo sa prepadá a vyzerá pod hranicou prahu, si budete musieť priplatiť. Aj taká drobnosť, akou je absencia plastových krytiek na oceľové disky, zvyšuje spotrebu. Každý uvedený faktor alebo detail individuálne zvyšuje spotrebu o malé množstvo - od 50 do 500 g na 100 km. Ale ak si všetko zhrniete, opäť to „nabehne“, asi liter na sto. Tieto výpočty platia pre malé autá pri rýchlosti 90 km/h. Majitelia veľkých áut a milovníci vysokých rýchlostí urobte úpravu smerom k zvyšovaniu spotreby.

Ak sú splnené všetky vyššie uvedené podmienky, môžeme sa vyhnúť zbytočným výdavkom. Je možné ďalej znižovať straty? Môcť! Ale to bude vyžadovať trochu externé ladenie(Hovoríme samozrejme o profesionálne prevedených prvkoch). Predné aerodynamická súprava nedovolí prúdeniu vzduchu „vniknúť“ pod spodok auta, prah zakrýva vyčnievajúcu časť kolies, spojler zabraňuje vzniku turbulencií za „kormou“ auta. Aj keď je spojler spravidla už súčasťou štruktúry karosérie moderného automobilu.

Takže získať úspory z ničoho je celkom reálne.

Úvod.

Dobré popoludnie, milí čitatelia. V tomto príspevku vám chcem povedať, ako vykonať externú analýzu časti alebo konštrukcie na určenie koeficientu odporu a výslednej sily pomocou internej analýzy v simulácii toku. Zvážte tiež vytvorenie lokálnej mriežky a nastavenie cieľov „target-expression“ na zjednodušenie a automatizáciu výpočtov. Uvediem základné pojmy koeficientu aerodynamického odporu. Všetky tieto informácie pomôžu rýchlo a kompetentne navrhnúť budúci produkt a následne ho vytlačiť pre praktické použitie.

Materiál.

Súčiniteľ aerodynamického odporu (ďalej len CAS) sa zisťuje experimentálne počas testov v veterný tunel alebo dobehové skúšky. Definícia CAS prichádza so vzorcom 1

Formula 1

CAS rôznych foriem kolíše v širokom rozmedzí. Obrázok 1 ukazuje tieto koeficienty pre množstvo foriem. V každom prípade sa predpokladá, že vzduch dopadajúci na telo nemá žiadnu bočnú zložku (to znamená, že sa pohybuje priamo pozdĺž pozdĺžnej osi vozidlo). Všimnite si, že jednoduchá plochá doska má koeficient odporu 1,95. Tento koeficient znamená, že odporová sila je 1,95-krát väčšia ako dynamický tlak pôsobiaci na plochu dosky. Extrémne vysoký odpor vytváraný doskou je spôsobený skutočnosťou, že vzduch šíriaci sa okolo dosky vytvára separačnú plochu oveľa väčšiu ako samotná doska.

Obrázok 1.

V živote sa okrem zložky vetra vyplývajúcej z rýchlosti auta zohľadňuje aj rýchlosť nájdeného vetra na aute. A na určenie rýchlosti prúdenia platí nasledujúce tvrdenie: V=Vauto+Vwind.
Ak je nájdený vietor zadný vietor, rýchlosť sa odpočíta.
Koeficient odporu vzduchu je potrebný na určenie aerodynamického odporu, ale v tomto článku sa bude brať do úvahy iba samotný koeficient.

Počiatočné údaje.

Výpočet bol vykonaný v Solidworks 2016, modul Flow simulation (ďalej FS). Ako počiatočné údaje boli brané nasledovné parametre: rýchlosť vyplývajúca z rýchlosti auta V=40 m/s, teplota okolia plus 20 stupňov Celzia, hustota vzduchu 1,204 kg/m3. Geometrický model auta je prezentovaný zjednodušeným spôsobom (pozri obrázok 2).

Obrázok 2

Kroky na nastavenie počiatočných a okrajových podmienok v simulácii toku.

Proces pridávania modulu FS a všeobecný princíp tvorba úlohy na výpočet je popísaná v tomto, ale popíšem vlastnosti Pre externá analýza cez interné.

1.V prvom kroku pridáme model do pracovného priestoru.

Obrázok 2

2. Ďalej vymodelujeme obdĺžnikovú aerodynamickú komoru. Hlavnou črtou pri modelovaní je absencia koncov, inak nebudeme môcť nastaviť okrajové podmienky. Model auta musí byť v strede. Šírka potrubia musí zodpovedať 1,5 * šírke modelu v oboch smeroch, dĺžke potrubia 1,5 * dĺžke modelu od zadnej časti modelu a 2 * dĺžke auta od nárazníka, výška potrubia 1,5 * výška auta od roviny, na ktorej auto stojí.

Obrázok 3

3. Vstupujeme do modulu FS. Okrajové podmienky nastavíme na prvú stranu vstupného toku.

Obrázok 4

Vyberte typ: prietok/rýchlosť->rýchlosť vstupu. Nastavili sme si rýchlosť. Vyberte rovnobežnú tvár k prednej časti auta. Stlačíme začiarknutie.

Obrázok 5

Na výstupe nastavíme okrajovú podmienku. Vyberte typ: tlak, ponechajte všetko štandardne. Stlačíme daw.

Takže, okrajové podmienky sú nastavené, prejdime k výpočtovej úlohe.

4. Kliknite na sprievodcu projektom a postupujte podľa pokynov na obrázkoch nižšie.

Obrázok 6

Obrázok 7

Obrázok 8

Obrázok 9

Obrázok 10.

Obrázok 11.

Na konci necháme všetko nezmenené. Stlačíme koniec.

5. V tomto kroku spravíme a vytvoríme lokálnu mriežku. Kliknite na strom prvkov FS na položke: mriežka, kliknite pravým tlačidlom myši a vyberte: pridať lokálnu mriežku.

Obrázok 12.

Obrázok 13.

Tu môžete zadať parametre a oblasť lokálnej mriežky, pre zložité modely sa nastavuje aj uhol zakrivenia a minimálna veľkosť prvku. Minimálna veľkosť sa nastavuje v stĺpci "uzatváranie úzkych medzier". Táto funkcia výrazne skracuje čas výpočtu a zvyšuje presnosť získaných údajov. V závislosti od toho, ako presne chcete získať výsledky, sa nastaví parameter spresnenia siete. Pre internú analýzu sú štandardné nastavenia celkom vhodné. Ďalej sa zobrazí vykreslenie siete na povrchu.

6.Pred spustením výpočtu si musíte stanoviť ciele výpočtu. Ciele sú špecifikované v cieľovom strome FS. Na začiatku si stanovíme globálne ciele, vyberieme sily pre každú zložku.

Obrázok 14.

Potom, čo musíme nastaviť "ciele-výrazy". Ak to chcete urobiť, kliknite pravým tlačidlom myši v strome FS na cieľ a vyberte "cieľový výraz". Najprv nastavme rovnice pre výslednú silu.

Obrázok 15.

Aby sa komponent podľa sily použil vo výraze, musíte naň kliknúť ľavým tlačidlom myši, vo vzorci sa zobrazí odkaz na komponent. Tu zadáme vzorec 2. Kliknite na zaškrtávacie políčko.

Formula 2.

Vytvoríme druhý "cieľ-výraz", napíšeme tam vzorec 1.

Obrázok 16.

CAS sa vypočítava pre čelné sklo. V tomto modeli je čelné sklo sklonené čelo, čelo je sklonené o 155 stupňov, takže sila v X sa vynásobí sin(155*(pi/180)). Je potrebné pamätať na to, že výpočet sa vykonáva podľa systému SI, a preto by sa plocha naklonenej plochy mala merať v metroch štvorcových.

7. Teraz môžete spustiť výpočet, spustiť výpočet.

Obrázok 17.

Pri spustení výpočtu program dáva na výber, čo sa má počítať, môžeme si zvoliť počet jadier zapojených do výpočtu a pracovných staníc.

Obrázok 18.

Keďže úloha nie je náročná, výpočet trvá menej ako minútu, preto po jej spustení stlačíme pauzu.

Obrázok 19.

Teraz klikneme na tlačidlo „vložiť graf“ a vyberieme ciele výrazu.

Obrázok 20.

V grafe sa zobrazia hodnoty pre naše výrazy pre každú iteráciu.

Pomocou „náhľadu“ môžete sledovať prebiehajúci proces počas výpočtu. Keď je náhľad povolený, čas nášho výpočtu sa zvyšuje a je z toho malý zmysel, takže neodporúčam túto možnosť povoliť, ale ukážem vám, ako to vyzerá.

Obrázok 21.

Obrázok 22.

To, že je diagram prevrátený, nie je veľký problém, záleží na orientácii modelu.

Výpočet končí, keď sa všetky ciele zblížia.

Obrázok 23.

Výsledky by sa mali načítať automaticky, ak sa tak nestalo, načítajte ich ručne: nástroje->FS->výsledky->načítať zo súboru

8. Po výpočte môžete na modeli vidieť sieť.

Súčasné predpisy umožňujú tímom testovať v aerodynamickom tuneli modely áut, ktoré nepresahujú 60 % mierky. V rozhovore pre F1Racing bývalý technický riaditeľ tímu Renault Pat Symonds hovoril o špecifikách tejto práce…

Pat Symonds: „Dnes všetky tímy pracujú s modelmi v mierke 50 % alebo 60 %, ale nebolo to tak vždy. Prvé aerodynamické testy v 80-tych rokoch boli vykonané s maketami 25% skutočnej hodnoty - výkon aerodynamických tunelov na University of Southampton a Imperial College v Londýne viac neumožňoval - iba tam bolo možné nainštalovať modely na pohyblivom podstavci. Potom sa objavili aerodynamické tunely, v ktorých bolo možné pracovať s modelmi na 33% a 50% a teraz, kvôli potrebe obmedzenia nákladov, sa tímy dohodli na testovaní modelov maximálne 60% pri rýchlosti prúdenia vzduchu nie viac ako 50 metrov za sekundu.

Pri výbere mierky modelu tímy vychádzajú z možností dostupného aerodynamického tunela. Na získanie presných výsledkov by rozmery modelu nemali presiahnuť 5% pracovnej plochy potrubia. Výroba menších modelov je lacnejšia, ale ako menší model, tým ťažšie je dodržať požadovanú presnosť. Ako pri mnohých iných problémoch pri vývoji áut Formuly 1, aj tu treba hľadať najlepší kompromis.

V minulosti sa modely vyrábali z dreva stromu Diera, ktorý rastie v Malajzii, ktorý má nízku hustotu, teraz sa používa zariadenie na laserovú stereolitografiu - infračervený laserový lúč polymerizuje kompozitný materiál, výsledkom čoho je diel so špecifikovanými vlastnosťami. . Táto metóda vám umožňuje otestovať účinnosť nového inžinierskeho nápadu vo veternom tuneli za niekoľko hodín.

Čím presnejšie je model vyrobený, tým spoľahlivejšie sú informácie získané pri jeho fúkaní. Tu sa počíta každá maličkosť, dokonca aj skrz výfukové potrubia prúd plynov musí prechádzať rovnakou rýchlosťou ako v skutočnom stroji. Tímy sa snažia dosiahnuť najvyššiu možnú presnosť pre existujúce vybavenie v simulácii.

Po mnoho rokov boli pneumatiky nahradené zmenšenými replikami nylonu alebo uhlíkových vlákien, ale významný pokrok sa dosiahol, keď Michelin vyrobil presné zmenšené repliky ich pneumatík. pretekárske pneumatiky. Model auta je vybavený mnohými snímačmi na meranie tlaku vzduchu a systémom, ktorý umožňuje meniť vyváženie.

Modely, vrátane meracích zariadení, ktoré sú na nich nainštalované, sú z hľadiska nákladov o niečo nižšie ako skutočné stroje – napríklad stoja viac ako skutočné autá GP2. Ide vlastne o ultrakomplexné riešenie. Základný rám so senzormi stojí asi 800 000 dolárov a môže sa používať niekoľko rokov, ale zvyčajne majú tímy dve súpravy, aby práca pokračovala.

Každá revízia telesné prvky alebo suspenzia vedie k potrebe výroby Nová verzia body kit, ktorý stojí ďalších štvrť milióna. Prevádzka samotného aerodynamického tunela zároveň stojí asi tisíc dolárov na hodinu a vyžaduje si prítomnosť 90 zamestnancov. Seriózne tímy minú na tieto štúdie približne 18 miliónov dolárov za sezónu.

Náklady sa oplatia. Zvýšenie prítlaku o 1 % vám umožňuje získať späť jednu desatinu sekundy na skutočnej trati. Pri stabilnom rozvrhu hrajú inžinieri približne toľko za mesiac, takže len v modelingovom oddelení každá desiata stojí tím jeden a pol milióna dolárov.

Cez tehlovú stenu neprejde ani jedno auto, no každý deň prejde cez steny zo vzduchu, ktorý má tiež hustotu.

Nikto nevníma vzduch alebo vietor ako stenu. Zapnuté nízke rýchlosti, v pokojnom počasí je ťažké vidieť, ako prúdenie vzduchu interaguje s vozidlom. Ale pri vysokej rýchlosti, silný vietor, odpor vzduchu (sila pôsobiaca na objekt pohybujúci sa vzduchom - tiež označovaný ako odpor) výrazne ovplyvňuje, ako auto zrýchľuje, ako sa riadi, ako používa palivo.

Tu vstupuje do hry veda o aerodynamike, ktorá študuje sily generované v dôsledku pohybu objektov vo vzduchu. Moderné autá sú navrhnuté s ohľadom na aerodynamiku. Dobre aerodynamické auto prereže vzdušnú stenu ako nôž maslom.

Vďaka nízkemu odporu proti prúdeniu vzduchu takéto auto lepšie zrýchľuje a lepšie spotrebuje palivo, keďže motor nemusí vynakladať extra výkon na „pretlačenie“ auta cez vzduchovú stenu.

Pre zlepšenie aerodynamiky auta je tvar karosérie zaoblený tak, aby vzduchový kanál obtekal auto s najmenším odporom. Pri športových autách je tvar karosérie navrhnutý tak, aby smeroval prúdenie vzduchu prevažne pozdĺž spodnej časti, nižšie uvidíte prečo. Na kufor auta dali aj krídlo či spojler. Zadné krídlo tlačí na zadnú časť auta a bráni zdvihnutiu zadných kolies v dôsledku silného prúdenia vzduchu pri pohybe vysokou rýchlosťou, vďaka čomu je auto stabilnejšie. Nie všetky zadné krídla sú rovnaké a nie všetky sa používajú na zamýšľaný účel, niektoré slúžia len ako prvok automobilovej výzdoby, ktorý neplní priamu funkciu aerodynamiky.

Veda o aerodynamike

Predtým, ako začneme hovoriť o aerodynamike automobilov, prejdime si základy fyziky.

Keď sa objekt pohybuje atmosférou, premiestňuje sa okolitého vzduchu. Objekt tiež podlieha gravitácii a odporu. Odpor vzniká, keď sa pevný predmet pohybuje v kvapalnom médiu – vode alebo vzduchu. Odpor sa zvyšuje s rýchlosťou objektu – čím rýchlejšie sa pohybuje priestorom, tým väčší odpor zažíva.

Pohyb objektu meriame faktormi opísanými v Newtonových zákonoch – hmotnosť, rýchlosť, hmotnosť, vonkajšia sila a zrýchlenie.

Odpor priamo ovplyvňuje zrýchlenie. Zrýchlenie (a) objektu = jeho hmotnosť (W) mínus jeho odpor (D) delený jeho hmotnosťou (m). Pripomeňme, že hmotnosť je výsledkom hmotnosti tela a zrýchlenia voľného pádu. Napríklad na Mesiaci sa hmotnosť človeka zmení v dôsledku nedostatku gravitácie, ale hmotnosť zostane rovnaká. Jednoducho povedané:

Keď sa objekt zrýchľuje, rýchlosť a odpor sa zvyšujú až do koncového bodu, kde sa odpor rovná hmotnosti - objekt už nebude zrýchľovať. Predstavme si, že naším objektom v rovnici je auto. Ako sa auto pohybuje rýchlejšie a rýchlejšie, stále viac vzduchu bráni jeho pohybu, čo obmedzuje auto na maximálne zrýchlenie pri určitej rýchlosti.

Približujeme sa k najdôležitejšiemu číslu – koeficientu aerodynamického odporu. Toto je jeden z hlavných faktorov, ktorý určuje, ako ľahko sa objekt pohybuje vzduchom. Koeficient odporu vzduchu (Cd) sa vypočíta podľa tohto vzorca:

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

Kde D je odpor, A je plocha, r je hustota, V je rýchlosť.

Koeficient odporu v aute

Zistili sme, že koeficient odporu vzduchu (Cd) je hodnota, ktorá meria silu odporu vzduchu aplikovanú na objekt, ako je napríklad auto. Teraz si predstavte, že sila vzduchu tlačí na auto, keď sa pohybuje po ceste. Pri rýchlosti 110 km/h naň pôsobí štyrikrát väčšia sila ako pri rýchlosti 55 km/h.

Aerodynamické schopnosti auta sa merajú koeficientom odporu vzduchu. Čím nižšia je hodnota Cd, tým lepšia je aerodynamika auta a tým ľahšie prejde stenou vzduchu, ktorý naň tlačí z rôznych strán.

Zoberme si ukazovatele Cd. Pamätáte si na hranaté krabicové Volvá zo 70., 80. rokov? Pri starom Volvo sedan 960 koeficient odporu vzduchu 0,36. O nové Volvo telá sú hladké a hladké, vďaka čomu koeficient dosahuje 0,28. Hladšie a efektívnejšie tvary vykazujú lepšiu aerodynamiku ako hranaté a hranaté.

Dôvody, prečo aerodynamika miluje elegantné tvary

Spomeňme si na tú najaerodynamickejšiu vec v prírode – slzu. Trhlina je okrúhla a hladká na všetkých stranách a na vrchu sa zužuje. Keď slza klesne dole, vzduch okolo nej ľahko a hladko obteká. Aj pri autách na hladkom, zaoblenom povrchu voľne prúdi vzduch, čím sa znižuje odpor vzduchu voči pohybu predmetu.

Dnes má väčšina modelov priemerný koeficient odporu vzduchu 0,30. SUV majú koeficient odporu vzduchu 0,30 až 0,40 alebo viac. Dôvodom je vysoký koeficient v rozmeroch. Land Cruisery a Gelendvageny pojmú viac pasažierov, majú viac nákladný priestor, veľké mriežky na chladenie motora, preto má štvorcový dizajn. Pickupy navrhnuté s účelne štvorcovým Cd väčším ako 0,40.

Dizajn karosérie je diskutabilný, no auto má odhaľujúce aerodynamický tvar. Koeficient odporu vzduchu Toyota Prius 0,24, takže spotreba auta je nízka nielen kvôli hybridu elektráreň. Pamätajte, že každé mínus 0,01 v koeficiente znižuje spotrebu paliva o 0,1 litra na 100 kilometrov.

Modely so slabým aerodynamickým odporom:

Modely s dobrým aerodynamickým odporom:

Metódy na zlepšenie aerodynamiky sú známe už dlho, ale trvalo dlho, kým ich automobilky začali používať pri tvorbe nových vozidiel.

Modely prvých áut, ktoré sa objavili, nemajú nič spoločné s koncepciou aerodynamiky. Pozrite sa na Model T Ford- auto vyzerá skôr ako konský povoz bez koňa - víťaz štvorcovej súťaže o dizajn. Pravdupovediac, väčšina modelov bola priekopníkmi a nepotrebovala aerodynamický dizajn, keďže jazdili pomaly, pri takej rýchlosti nebolo čomu odolať. Avšak pretekárske autá začiatkom 20. storočia sa začali postupne zužovať, aby vďaka aerodynamike vyhrali súťaže.

V roku 1921 vytvoril nemecký vynálezca Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, čo v nemčine znamená „trhať auto“. Tento model, modelovaný podľa najaerodynamickejšieho tvaru v prírode, tvaru slzy, mal koeficient odporu vzduchu 0,27. Dizajn Rumpler-Tropfenauto nikdy nenašiel prijatie. Rumplerovi sa podarilo vytvoriť iba 100 jednotiek Rumpler-Tropfenauto.

V Amerike nastal skok v aerodynamickom dizajne v roku 1930, kedy sa Model Chrysler prúd vzduchu. Inžinieri, inšpirovaní letmi vtákov, vytvorili Airflow s ohľadom na aerodynamiku. Pre zlepšenie ovládateľnosti bola hmotnosť auta rovnomerne rozložená medzi prednú a zadné nápravy- 50/50. Spoločnosť, unavená z Veľkej hospodárskej krízy, neakceptovala netradičný vzhľad Chrysler Airflow. Tento model bol považovaný za neúspešný, hoci zjednodušený dizajn Chrysler Airflow ďaleko predbehol svoju dobu.

50. a 60. roky 20. storočia boli svedkom najväčšieho pokroku v automobilovej aerodynamike, ktorý prišiel z pretekárskeho sveta. Inžinieri začali experimentovať s rôznymi tvarmi karosérie s vedomím, že aerodynamický tvar zrýchli autá. Tak sa zrodil tvar pretekárskeho auta, ktorý sa zachoval dodnes. Predný a zadný spojler, rýľ a aero súpravy slúžili rovnakému účelu, usmerňovali prúdenie vzduchu cez strechu a generovali potrebný prítlak na predné a zadné kolesá.

K úspechu experimentov prispel aerodynamický tunel. V ďalšej časti nášho článku vám povieme, prečo je to potrebné a prečo je to dôležité pri dizajne auta.

Meranie odporu vo veternom tuneli

Na meranie aerodynamickej účinnosti auta si inžinieri požičali nástroj z leteckého priemyslu – aerodynamický tunel.

Veterný tunel je tunel s výkonnými ventilátormi, ktoré vytvárajú prúdenie vzduchu nad objektom vo vnútri. Auto, lietadlo alebo niečo iné, ktorého odpor vzduchu merajú inžinieri. Z miestnosti za tunelom vedci pozorujú, ako vzduch interaguje s objektom a ako sa vzduchové prúdy správajú na rôznych povrchoch.

Auto alebo lietadlo vo veternom tuneli sa nehýbe, ale na simuláciu reálnych podmienok dodávajú prúdenie vzduchu ventilátory iná rýchlosť. Niekedy skutočné autá ani hnaný dolu potrubím – dizajnéri sa často spoliehajú na presné modely vytvorené z hliny alebo iných surovín. Vietor fúka cez auto vo veternom tuneli a počítače vypočítajú koeficient odporu vzduchu.

Aerodynamické tunely sa používajú od konca 19. storočia, keď sa pokúšali vytvoriť lietadlo a merali vplyv prúdenia vzduchu v aerodynamických tuneloch. Dokonca aj bratia Wrightovci mali takúto trúbku. Po druhej svetovej vojne začali inžinieri pretekárskych áut, ktorí hľadali náskok pred konkurenciou, využívať aerodynamické tunely na hodnotenie účinnosti aerodynamických prvkov svojich návrhov. Neskôr sa táto technológia dostala do sveta osobných a nákladných automobilov.

Za posledných 10 rokov sa veľké aerodynamické tunely, ktoré stáli niekoľko miliónov amerických dolárov, používali čoraz menej. Počítačové modelovanie postupne nahrádza tento spôsob testovania aerodynamiky automobilu (viac). Veterné tunely sa spúšťajú len preto, aby sa zabezpečilo, že v počítačových simuláciách nedochádza k žiadnym chybným výpočtom.

V aerodynamike je viac pojmov ako samotný odpor vzduchu – sú tu aj faktory vztlaku a prítlaku. Zdvihnutie (alebo zdvihnutie) je sila, ktorá pôsobí proti hmotnosti predmetu, zdvíha a drží predmet vo vzduchu. Prítlak, opak výťahu, je sila, ktorá tlačí predmet k zemi.

Kto si myslí, že koeficient odporu 320 km/h pretekárskych áut Formuly 1 je nízky, mýli sa. Typické pretekárske auto Formuly 1 má koeficient odporu okolo 0,70.

Dôvodom, prečo majú pretekárske autá Formuly 1 vysoký koeficient odporu vzduchu, je to, že tieto autá sú navrhnuté tak, aby vytvárali čo najväčší prítlak. S rýchlosťou, akou sa ohnivé gule pohybujú, s ich extrémne nízkou hmotnosťou, začínajú zažívať vztlak vysoké rýchlosti- fyzika ich núti stúpať do vzduchu ako lietadlo. Autá nie sú určené na lietanie (hoci článok – lietajúce transformátorové auto tvrdí niečo iné) a ak sa vozidlo začne dvíhať do vzduchu, tak môžete očakávať len jedno – ničivú nehodu. Preto musí byť prítlak maximálny, aby udržal auto na zemi pri vysokých rýchlostiach, čo znamená, že koeficient odporu vzduchu musí byť veľký.

Automobily Formuly 1 dosahujú vysoký prítlak pomocou predných a chrbtové diely vozidlo. Tieto krídla usmerňujú prúdenie vzduchu tak, aby tlačili auto k zemi – rovnaký prítlak. Teraz môžete bezpečne zvýšiť rýchlosť a nestratiť ju v zákrutách. Zároveň je potrebné starostlivo vyvážiť prítlak so zdvihom, aby auto nabralo požadovanú priamočiaru rýchlosť.

Mnohé sériové autá majú aerodynamické doplnky na vytvorenie prítlaku. tlač kritizovala vzhľad. Kontroverzný dizajn. A to všetko preto, lebo všetko karoséria GT-R navrhnutý tak, aby smeroval prúdenie vzduchu nad auto a späť cez oválny zadný spojler, čím vytváral väčší prítlak. Nikto sa nezamýšľal nad krásou auta.

Mimo okruhu Formuly 1 sa zadné blatníky často vyskytujú na sériových autách, ako sú sedany. spoločnosti Toyota a Honda. Niekedy tieto dizajnové prvky pridávajú trochu stability pri vysokých rýchlostiach. Napríklad na prvé Audi TT pôvodne spojler nemal, ale Audi Musel som to dodať, keď sa ukázalo, že zaoblený tvar a nízka hmotnosť TT vytvárali príliš veľký zdvih, vďaka čomu bolo auto nestabilné pri rýchlostiach nad 150 km/h.

Ale ak auto nie je Audi TT, nie je to športové auto, nie je to športové auto, ale obyčajný rodinný sedan alebo hatchback, nie je potrebné inštalovať spojler. Spojler na takomto aute nezlepší ovládateľnosť, keďže „rodinné auto“ má už vďaka vysokému Cx vysoký prítlak a nedá sa na ňom stlačiť rýchlosť nad 180. Spojler na bežnom aute môže spôsobiť pretáčavosť alebo, naopak, neochotu vchádzať do zákrut. Ak si však aj vy myslíte, že obrí spojler Hondy Civic je na mieste, nenechajte sa nikým presvedčiť o opaku.

V mnohých oblastiach vedy a techniky, ktoré súvisia s rýchlosťou, je často potrebné vypočítať sily pôsobiace na objekt. moderné auto, stíhačka, ponorka či vysokorýchlostný elektrický vlak – na všetky pôsobia aerodynamické sily. Presnosť určenia veľkosti týchto síl priamo ovplyvňuje technické údaješpecifikované objekty a ich schopnosť vykonávať určité úlohy. IN všeobecný prípad trecie sily určujú úroveň výkonu pohonný systém a bočné sily ovplyvňujú ovládateľnosť objektu.

V tradičnej schéme dizajnu sa na určenie síl používajú odfuky v aerodynamických tuneloch (zvyčajne menšie modely), testy v bazénoch a testy v plnom rozsahu. Celý experimentálny výskum je však dosť nákladný spôsob, ako takéto poznatky získať. Aby ste mohli otestovať modelové zariadenie, musíte ho najskôr vyrobiť, potom zostaviť testovací program, pripraviť stojan a nakoniec vykonať sériu meraní. Spoľahlivosť výsledkov testov bude zároveň vo väčšine prípadov ovplyvnená predpokladmi spôsobenými odchýlkami od skutočných prevádzkových podmienok objektu.

Experiment alebo výpočet?

Pozrime sa podrobnejšie na dôvody nesúladu medzi výsledkami experimentov a skutočným správaním objektu.

Pri štúdiu modelov v podmienkach obmedzený priestor, napríklad v aerodynamických tuneloch majú hraničné plochy významný vplyv na štruktúru prúdenia okolo objektu. Zmenšenie mierky modelu tento problém rieši, treba však počítať so zmenou Reynoldsovho čísla (tzv. scale effect).

V niektorých prípadoch môžu byť skreslenia spôsobené zásadným rozdielom medzi skutočnými podmienkami prúdenia okolo telesa a tými simulovanými v potrubí. Napríklad pri fúkaní vysokorýchlostných áut alebo vlakov absencia pohybujúceho sa horizontálneho povrchu vo veternom tuneli vážne mení celkový profil prúdenia a ovplyvňuje aj rovnováhu aerodynamických síl. Tento efekt je spojený s rastom hraničnej vrstvy.

Chyby v meraných veličinách vnášajú aj meracie metódy. Nesprávne umiestnenie senzorov na objekte alebo nesprávna orientácia ich pracovných častí môže viesť k nesprávnym výsledkom.

Zrýchlenie dizajnu

V súčasnosti popredné priemyselné spoločnosti vo fáze predbežného návrhu široko využívajú technológie počítačového modelovania CAE. To vám umožňuje zvážiť viac možností pri hľadaní optimálneho dizajnu.

Súčasná úroveň vývoja softvérového balíka ANSYS CFX výrazne rozširuje rozsah jeho aplikácie: od modelovania laminárneho prúdenia až po turbulentné prúdenie so silnou anizotropiou parametrov.

Široká súprava používané modely turbulencie zahŕňajú tradičné modely RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), ktoré majú najlepší pomer„speed-accuracy“, turbulentný model SST (Shear Stress Transport) (dvojvrstvový model Menter), ktorý úspešne kombinuje výhody turbulenčných modelov „k-e“ a „k-w“. Pre toky s rozvinutou anizotropiou sú vhodnejšie modely RSM (Reynolds Stress Model). Priamy výpočet parametrov turbulencie v smeroch umožňuje presnejšie určiť charakteristiky vírivého pohybu prúdenia.

V niektorých prípadoch sa odporúča použiť modely založené na vortexových teóriách: DES (Detachable Eddy Simulation) a LES (Large Eddy Simulation). Najmä pre prípady, kedy je obzvlášť dôležité brať do úvahy procesy laminárno-turbulentného prechodu, bol vyvinutý Transition Turbulence Model, založený na osvedčenej technológii SST. Model prešiel rozsiahlym testovacím programom na rôznych objektoch (od pádlových strojov až po osobné lietadlá) a ukázal vynikajúcu koreláciu s experimentálnymi údajmi.

letectva

Vytvorenie moderného bojového a civilného lietadla nie je možné bez hĺbkovej analýzy všetkých jeho charakteristík v počiatočnej fáze návrhu. Účinnosť lietadla, jeho rýchlosť a manévrovateľnosť priamo závisia od starostlivého preštudovania tvaru nosných plôch a obrysov.

V súčasnosti všetky veľké letecké spoločnosti používajú pri vývoji nových produktov do určitej miery počítačovú analýzu.

Veľké možnosti pre analýzu komplexných tokov otvára výskumníkom prechodový model turbulencie, ktorý správne analyzuje režimy prúdenia blízke laminárnemu prúdeniu s rozvinutými zónami separácie prúdenia a opätovného pripojenia. To ďalej znižuje rozdiel medzi výsledkami numerických výpočtov a skutočným obrazom prietoku.

Automobilový priemysel

Moderné auto musí mať zvýšenú účinnosť s vysokou energetickou účinnosťou. A samozrejme, hlavnými určujúcimi komponentmi sú motor a karoséria.

Na zabezpečenie účinnosti všetkých motorových systémov, popredné západné spoločnosti už dlhú dobu využívajú techniky počítačového modelovania. Napríklad Robert Bosch Gmbh (Nemecko), výrobca širokej škály komponentov pre moderné dieselové vozidlá, Common Rail použil ANSYS CFX (na zlepšenie výkonu vstrekovania) na vývoj systému dodávky paliva Common Rail.

spoločnosť BMW, ktorej motory vyhrávajú titul „ Najlepší motor rokov“ (International Engine of the Year), využíva ANSYS CFX na simuláciu procesov v spaľovacích komorách spaľovacích motorov.

Prostriedkom na zvýšenie efektivity využitia výkonu motora je aj vonkajšia aerodynamika. Väčšinou nejde len o zníženie súčiniteľa odporu, ale aj o vyváženie prítlaku potrebného pre každé vysokorýchlostné auto.

Závodné autá slúžia ako konečné vyjadrenie týchto vlastností. rôzne triedy. Všetci účastníci šampionátu F1 bez výnimky využívajú počítačovú analýzu aerodynamiky svojich áut. Športové úspechy jasne demonštrujú výhody týchto technológií, z ktorých mnohé sa už používajú pri výrobe sériových automobilov.

V Rusku je tím Active-Pro Racing priekopníkom v tejto oblasti: závodné auto triedy „Formula-1600“ vyvíja rýchlosť cez 250 km/h a je vrcholom ruského okruhového motoršportu. Využitie komplexu ANSYS CFX (obr. 4) pre návrh nového aerodynamického chvosta automobilu umožnilo výrazne znížiť počet konštrukčných možností pri hľadaní optimálneho riešenia.

Porovnanie vypočítaných údajov a výsledkov odfukov vo veternom tuneli ukázalo očakávaný rozdiel. Vysvetľuje sa to pevnou podlahou v potrubí, ktorá spôsobila zväčšenie hrúbky hraničnej vrstvy. Preto aerodynamické prvky, umiestnené dostatočne nízko, pracovali pre seba v neobvyklých podmienkach.

Počítačový model však plne zodpovedal skutočným jazdným podmienkam, čo umožnilo výrazne zlepšiť efektivitu operenia auta.

Stavebníctvo

Architekti majú dnes voľnejšie prístupy vzhľad budovy, ktoré boli projektované ako pred 20 alebo 30 rokmi. Futuristické výtvory moderných architektov majú spravidla zložité geometrické tvary, pre ktoré nie sú známe hodnoty aerodynamických koeficientov (potrebné na priradenie návrhového zaťaženia vetrom k nosným konštrukciám).

V tomto prípade sa okrem tradičného testovania v aerodynamickom tuneli stále viac používajú nástroje CAE na získanie aerodynamických charakteristík budovy (a silových faktorov). Príklad takéhoto výpočtu v ANSYS CFX je znázornený na obr. 5.

Okrem toho sa ANSYS CFX tradične používa na modelovanie ventilačných a vykurovacích systémov. priemyselné priestory, administratívne budovy, kancelárske a športovo-zábavné komplexy.

Inžinieri spoločnosti Olof Granlund Oy (Fínsko) použili softvérový balík ANSYS CFX na analýzu teplotného režimu a charakteru prúdenia vzduchu v ľadovej aréne športového komplexu Krylatskoye (Moskva). Na tribúny štadióna sa zmestí asi 10 tisíc divákov a tepelná záťaž z nich môže byť viac ako 1 MW (pri výkone 100-120 W/osoba). Pre porovnanie: na zohriatie 1 litra vody z 0 na 100 °C je potrebných o niečo viac ako 4 kW energie.

Ryža. 5. Rozloženie tlaku na povrch konštrukcií

Zhrnutie

Ako môžete vidieť, výpočtová technika v aerodynamike dosiahla úroveň, o ktorej sme pred 10 rokmi mohli len snívať. Počítačovú simuláciu by sme zároveň nemali stavať proti experimentálnemu výskumu – oveľa lepšie je, ak sa tieto metódy navzájom dopĺňajú.

ANSYS CFX tiež umožňuje inžinierom riešiť zložité problémy, ako je určovanie deformácií konštrukcie, keď na ňu pôsobí aerodynamické zaťaženie. To prispieva k presnejšiemu formulovaniu mnohých problémov vnútornej aj vonkajšej aerodynamiky: od problémov s flutterom strojov s lopatkami až po pôsobenie vetra a vĺn na pobrežné konštrukcie.

Všetky výpočtové možnosti komplexu ANSYS CFX sú dostupné aj v prostredí ANSYS Workbench.