Paketa softuerike për aerodinamikë kompjuterike dhe hidrodinamike FlowVision projektuar për fryrje virtuale aerodinamike të objekteve të ndryshme teknike ose natyrore. Objektet mund të jenë produkte transporti, objekte energjetike, produkte ushtarako-industriale dhe të tjera. FlowVision ju lejon të simuloni rrjedhën me shpejtësi të ndryshme të rrjedhës së ardhshme dhe në shkallë të ndryshme shqetësimi (shkalla e turbulencës).

Procesi i modelimit kryhet në mënyrë rigoroze në një formulim hapësinor tredimensional të problemit dhe ndodh në një parim "siç është", i cili nënkupton aftësinë për të studiuar një model gjeometrik të plotë të objektit të përdoruesit pa asnjë thjeshtësim. Sistemi i krijuar për përpunimin e gjeometrisë tre-dimensionale të importuar ju lejon të punoni pa dhimbje me modele të çdo shkalle kompleksiteti, ku përdoruesi, në fakt, zgjedh nivelin e detajeve të objektit të tij - nëse dëshiron të krijojë një model të thjeshtuar të zbutur të jashtëm konturet ose një model i plotë me të gjithë elementët strukturorë, deri te kokat e bulonave në buzët e rrotave dhe logon e prodhuesit në formën e një figure në hundën e makinës.

Shpërndarja e shpejtësisë në afërsi të një karroce makine garash.

Janë marrë parasysh të gjitha detajet - foletë e rrotave, ndikimi i asimetrisë së foleve të timonit në modelin e rrjedhës.

FlowVision krijuar Skuadra ruse zhvilluesit (kompania TESIS, Rusi) më shumë se 10 vjet më parë dhe bazohet në zhvillimet e shkollës themelore dhe matematikore vendase. Sistemi u krijua me shpresën që përdoruesit e kualifikimeve shumë të ndryshme do të punojnë me të - studentë, mësues, stilistë dhe shkencëtarë. Ju mund t'i zgjidhni problemet e thjeshta dhe komplekse në mënyrë të barabartë në mënyrë efektive.

Produkti përdoret në industri të ndryshme, shkencë dhe arsim - aviacion, astronautikë, energji, ndërtim anijesh, automobila, ekologji, inxhinieri mekanike, përpunim dhe industri kimike, mjekësi, industri bërthamore dhe sektorin e mbrojtjes dhe ka bazën më të madhe të instalimit në Rusi.

Në vitin 2001, me vendim të Këshillit Kryesor të Ministrisë së Federatës Ruse, FlowVision u rekomandua për t'u përfshirë në programin mësimor të mekanikës së lëngjeve dhe gazit në universitetet ruse. Aktualisht, FlowVision përdoret si pjesë integrale e procesit arsimor të universiteteve kryesore ruse - MIPT, MPEI, Universiteti Teknik Shtetëror i Shën Petersburgut, Universiteti Vladimir, UNN dhe të tjerë.

Në vitin 2005, FlowVision u testua dhe mori një certifikatë konformiteti nga Standardi Shtetëror i Federatës Ruse.

Karakteristikat kryesore

Në thelb FlowVision qëndron parimi i ligjit të ruajtjes së masës - sasia e substancës që hyn në një vëllim të llogaritur të mbyllur të mbushur është e barabartë me sasinë e substancës që e lë atë (shih Fig. 1).

Oriz. 1 Parimi i ligjit të ruajtjes së masës

Zgjidhja e një problemi të tillë ndodh duke gjetur vlerën mesatare të një sasie në një vëllim të caktuar bazuar në të dhënat në kufijtë (teorema Ostrogradsky-Gauss).

Oriz. 2 Integrimi i vëllimit bazuar në vlerat kufitare

Për të marrë një zgjidhje më të saktë, vëllimi fillestar i llogaritur ndahet në vëllime më të vogla.

Oriz. 3 Përsosja e rrjetit llogaritës

Procedura e ndarjes së vëllimit origjinal në vëllime më të vogla quhet NDËRTIMI I NJË RRJETI LLOGARIZUES , dhe grupi i vëllimeve që rezultojnë është RRJETI LLOGARITJES . Çdo vëllim që rezulton në procesin e ndërtimit të një rrjete llogaritëse quhet CELI LLOGARIT , në secilën prej të cilave ruhet edhe ekuilibri i masës hyrëse dhe dalëse. Vëllimi i mbyllur në të cilin është ndërtuar rrjeti llogaritës quhet FUSHA E LLOGARITJES .

Arkitekturë

Ideologjia FlowVisionështë ndërtuar mbi bazën e një arkitekture të shpërndarë, ku njësia e softuerit që kryen llogaritjet aritmetike mund të vendoset në çdo kompjuter në rrjet - në një grup ose laptop me performancë të lartë. Arkitektura e paketës softuerike është modulare, e cila ju lejon të futni pa dhimbje përmirësime dhe të reja në të. funksionalitetin. Modulet kryesore janë blloku PrePostProcessor dhe zgjidhës, si dhe disa blloqe ndihmëse që kryejnë operacione të ndryshme për monitorim dhe akordim.

Shpërndarja e presionit në të gjithë trupin e një makine sportive

Funksionaliteti i Paraprocesorit përfshin importimin e gjeometrisë së domenit llogaritës nga sistemet e modelimit gjeometrik, specifikimin e një modeli të mjedisit, vendosjen e kushteve fillestare dhe kufitare, modifikimin ose importimin e rrjetës llogaritëse dhe vendosjen e kritereve të konvergjencës, pas së cilës kontrolli transferohet në Zgjidhës. , e cila fillon procesin e ndërtimit të rrjetës llogaritëse dhe kryen llogaritjet sipas parametrave të specifikuar. Gjatë procesit të llogaritjes, përdoruesi ka mundësinë të kryejë monitorim vizual dhe sasior të llogaritjes duke përdorur mjetet e postprocesorit dhe të vlerësojë procesin e zhvillimit të zgjidhjeve. Kur arrihet vlera e kërkuar e kriterit të konvergjencës, procesi i llogaritjes mund të ndërpritet, pas së cilës rezultati bëhet plotësisht i disponueshëm për përdoruesin, i cili, duke përdorur mjetet e Postprocesorit, mund të përpunojë të dhënat - të vizualizojë rezultatet dhe t'i përcaktojë ato, e ndjekur nga ruajtja në formate të jashtme të të dhënave.

Rrjetë llogaritëse

NË FlowVision Përdoret një rrjet kompjuterik drejtkëndor, i cili automatikisht përshtatet me kufijtë e domenit llogaritës dhe zgjidhjes. Përafrimi i kufijve kurvilinear me një shkallë të lartë saktësie arrihet duke përdorur metodën e zgjidhjes së gjeometrisë së nënrrjetit. Kjo qasje ju lejon të punoni me modele gjeometrike që përbëhen nga sipërfaqe të çdo shkalle kompleksiteti.

Domeni fillestar llogaritës

Rrjetë ortogonale që mbulon një zonë

Prerja e rrjetës fillestare me kufijtë e zonës

Rrjeti përfundimtar llogaritës

Ndërtimi automatik i një rrjete llogaritëse duke marrë parasysh lakimin e sipërfaqes

Nëse është e nevojshme të rafinohet zgjidhja në kufirin ose në vendndodhjen e dëshiruar të vëllimit llogaritës, është e mundur që në mënyrë dinamike të përshtatet rrjeti llogaritës. Përshtatja është fragmentimi i qelizave nivel më të ulët në qeliza më të vogla. Përshtatja mund të jetë sipas gjendjes kufitare, sipas vëllimit dhe sipas zgjidhjes. Përshtatja e rrjetës kryhet në kufirin e specifikuar, në vendndodhjen e specifikuar domeni llogaritës ose me zgjidhje duke marrë parasysh ndryshimet në variabël dhe gradient. Përshtatja kryhet si në drejtim të rafinimit të rrjetës, ashtu edhe në drejtim të kundërt - bashkimi i qelizave të vogla në ato më të mëdha, deri në rrjetën e nivelit të hyrjes.

Teknologjia e përshtatjes së rrjetës llogaritëse

Trupa të lëvizshëm

Teknologjia e trupit në lëvizje ju lejon të vendosni një trup me formë arbitrare gjeometrike brenda fushës llogaritëse dhe t'i jepni atij lëvizje përkthimore dhe/ose rrotulluese. Ligji i lëvizjes mund të jetë konstant ose i ndryshueshëm në kohë dhe hapësirë. Lëvizja e trupit përcaktohet në tre mënyra kryesore:

Në mënyrë eksplicite përmes vendosjes së shpejtësisë së trupit;
- përmes specifikimit të forcës që vepron në trup dhe zhvendosjes së tij nga pika e fillimit

Nëpërmjet ndikimit nga mjedisi në të cilin ndodhet trupi.

Të tre metodat mund të kombinohen me njëra-tjetrën.

Hedhja e një rakete në një rrjedhë të paqëndrueshme nën ndikimin e gravitetit

Riprodhimi i eksperimentit Mach: lëvizja e topit me shpejtësi 800 m/s

Llogaritja paralele

Një nga karakteristikat kryesore të paketës softuerike FlowVision teknologjitë e llogaritjes paralele, kur përdoren disa procesorë ose bërthama procesori për të zgjidhur një problem, gjë që bën të mundur përshpejtimin e llogaritjeve në përpjesëtim me numrin e tyre.

Përshpejtimi i llogaritjes së problemit, në varësi të numrit të bërthamave të përfshira

Procedura e nisjes në modalitetin paralel është plotësisht e automatizuar. Përdoruesi duhet vetëm të tregojë numrin e bërthamave ose procesorëve në të cilët do të ekzekutohet detyra. Algoritmi do të kryejë të gjitha veprimet e mëtejshme për të ndarë domenin llogaritës në pjesë dhe për të shkëmbyer të dhëna ndërmjet tyre në mënyrë të pavarur, duke zgjedhur parametrat më të mirë.

Zbërthimi i qelizave afër sipërfaqes në 16 procesorë për problemet me dy makina

Ekipi FlowVision mban lidhje të ngushta me përfaqësues të komunitetit HPC (High Performance Computing) vendas dhe të huaj dhe merr pjesë në projekte të përbashkëta që synojnë arritjen e mundësive të reja në fushën e rritjes së performancës në llogaritjen paralele.

Në vitin 2007, FlowVision, së bashku me Qendrën Kompjuterike Kërkimore të Universitetit Shtetëror të Moskës, u bënë pjesëmarrëse në programin federal për të krijuar një sistem kombëtar kompjuterik paralel teraflop. Si pjesë e programit, ekipi i zhvillimit përshtat FlowVision për të kryer më së shumti llogaritje në shkallë të gjerë Teknologji moderne. Grupi SKIF-Chebyshev i instaluar në Qendrën e Informatikës Kërkimore të Universitetit Shtetëror të Moskës përdoret si një platformë harduerike testuese.

Grupi SKIF-Chebyshev i instaluar në Qendrën e Informatikës Kërkimore të Universitetit Shtetëror të Moskës

Në bashkëpunim të ngushtë me specialistë të Qendrës së Kompjuterisë Kërkimore të Universitetit Shtetëror të Moskës (nën udhëheqjen e Anëtarit Korrespondent të Akademisë së Shkencave Ruse, Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore Vl.V. Voevodin), optimizimi i softuerit dhe harduerit SKIF kryhet kompleksi FlowVision për të përmirësuar efikasitetin e llogaritjes paralele. Në qershor 2008, llogaritjet e para praktike u kryen në 256 nyje llogaritëse në mënyrë paralele.

Në vitin 2009, ekipi i FlowVision, së bashku me Qendrën Kompjuterike Kërkimore të Universitetit Shtetëror të Moskës, Sigma Technology dhe shtetin qendër shkencore TsAGI u bë pjesëmarrës në programin federal të synuar për krijimin e algoritmeve për zgjidhjen e problemeve paralele të optimizimit në problemet e aero- dhe hidrodinamikës.

teksti, ilustrimet: kompania TESIS

Të gjithë e dinë pse një makinë ka nevojë për aerodinamikë. Sa më i efektshëm trupi i tij, aq më i ulët është rezistenca ndaj lëvizjes dhe konsumi i karburantit. Një makinë e tillë jo vetëm që do të kursejë paratë tuaja, por gjithashtu do të lëshojë më pak mbeturina në mjedis. Përgjigja është e thjeshtë, por larg të qenit e plotë. Specialistët e aerodinamikës, duke rregulluar mirë trupin e modelit të ri, gjithashtu:

• llogarit shpërndarjen e forcës ngritëse përgjatë akseve, e cila është shumë e rëndësishme duke pasur parasysh shpejtësitë e konsiderueshme të makinave moderne,
• siguroni akses ajri për ftohjen e motorit dhe mekanizmave të frenimit,
• mendoni për vendet e marrjes dhe daljes së ajrit për sistemin e ventilimit të brendshëm,
• përpiquni të zvogëloni nivelet e zhurmës në kabinë,
• optimizoni formën e pjesëve të trupit për të reduktuar ndotjen e xhamit, pasqyrave dhe pajisjeve të ndriçimit.

Për më tepër, zgjidhja e një detyre shpesh bie në kundërshtim me zbatimin e një tjetre. Për shembull, zvogëlimi i koeficientit të tërheqjes përmirëson thjeshtimin, por në të njëjtën kohë përkeqëson rezistencën e automjetit ndaj goditjeve të erës së kundërt. Prandaj, specialistët duhet të kërkojnë një kompromis të arsyeshëm.

Zvarritje e reduktuar

Çfarë e përcakton forcën e tërheqjes? Dy parametra kanë një ndikim vendimtar në të - koeficienti i tërheqjes aerodinamike Cx dhe zona e seksionit kryq të automjetit (seksioni i mesit). Ju mund të zvogëloni pjesën e mesme duke e bërë trupin më të ulët dhe më të ngushtë, por nuk ka gjasa që të ketë shumë blerës për një makinë të tillë. Prandaj, drejtimi kryesor i përmirësimit të aerodinamikës së një makine është optimizimi i rrjedhës rreth trupit, me fjalë të tjera, zvogëlimi i Cx. Koeficienti i tërheqjes aerodinamike Cx është një sasi pa dimension që përcaktohet eksperimentalisht. Për makinat moderne ajo shtrihet në intervalin 0,26-0,38. Në burimet e huaja, koeficienti i tërheqjes aerodinamike nganjëherë përcaktohet Cd (koeficienti i tërheqjes). Një trup në formë loti, Cx prej të cilit është 0.04, ka një riorganizim ideal. Kur lëviz, ai kalon pa probleme përmes rrymave të ajrit, të cilat më pas mbyllen pa probleme, pa thyerje, në "bishtin" e tij.

Masat e ajrit sillen ndryshe kur makina lëviz. Këtu, rezistenca e ajrit përbëhet nga tre komponentë:

• rezistenca e brendshme kur ajri kalon nëpër ndarjen e motorit dhe brendësinë,
• rezistenca e fërkimit të ajrit që rrjedh në sipërfaqet e jashtme të trupit dhe
• formojnë rezistencë.

Komponenti i tretë ka ndikimin më të madh në aerodinamikën e makinës. Gjatë lëvizjes, makina ngjesh masat ajrore përpara saj, duke krijuar një zonë presionin e lartë të gjakut. Rrjedhat e ajrit rrjedhin rreth trupit dhe aty ku ai përfundon, fluksi i ajrit ndahet, duke krijuar turbulenca dhe një zonë me presion të ulët. Kështu, një zonë me presion të lartë në pjesën e përparme e pengon makinën të ecë përpara, dhe një zonë me presion të ulët në pjesën e pasme e "thith" atë. Forca e turbulencës dhe madhësia e zonës së presionit të ulët përcaktohen nga forma e pjesës së pasme të trupit.

Performanca më e mirë aerodinamike demonstrohet nga makina me një fund të pasmë të shkallëzuar - sedan dhe kupë. Shpjegimi është i thjeshtë - fluksi i ajrit që del nga çatia godet menjëherë kapakun e bagazhit, ku normalizohet dhe më në fund shkëputet nga buza e tij. Rrjedhat anësore bien gjithashtu në bagazhin, gjë që parandalon që vorbullat e dëmshme të shfaqen pas makinës. Prandaj, sa më i lartë dhe më i gjatë të jetë kapaku i bagazhit, aq më i mirë është performanca aerodinamike. Aktiv sedan të mëdhenj dhe coupe ndonjëherë madje arrin të arrijë një rrjedhje të qetë rreth trupit. Ngushtimi i lehtë i pjesës së pasme gjithashtu ndihmon në uljen e Cx. Skaji i trungut është bërë i mprehtë ose në formën e një zgjatje të vogël - kjo siguron ndarjen e rrjedhës së ajrit pa turbulenca. Si rezultat, zona e vakumit pas makinës është e vogël.

Pjesa e poshtme e makinës gjithashtu ndikon në aerodinamikën e saj. Pjesët e spikatura të sistemit të pezullimit dhe shkarkimit rrisin tërheqjen. Për ta zvogëluar atë, ata përpiqen të zbutin pjesën e poshtme sa më shumë që të jetë e mundur ose të mbulojnë me mburoja gjithçka që "ngjitet" poshtë parakolpit. Ndonjëherë instalohet një spoiler i vogël përpara. Një spoiler zvogëlon rrjedhën e ajrit nën makinë. Por këtu është e rëndësishme të dini se kur duhet të ndaloni. Një spoiler i madh do të rrisë ndjeshëm rezistencën, por makina do të "ngulet" më mirë në rrugë. Por më shumë për këtë në seksionin tjetër.

Downforce

Kur një makinë lëviz, rrjedha e ajrit nën pjesën e poshtme të saj shkon në një vijë të drejtë, dhe pjesa e sipërme e rrjedhës shkon rreth trupit, domethënë udhëton një distancë më të gjatë. Prandaj, shpejtësia e rrjedhës së sipërme është më e lartë se ajo e rrjedhës së poshtme. Dhe sipas ligjeve të fizikës, sa më e lartë të jetë shpejtësia e ajrit, aq më i ulët është presioni. Rrjedhimisht, një zonë me presion të lartë krijohet nën fund, dhe një zonë me presion të ulët krijohet sipër. Kjo krijon ngritje. Dhe megjithëse vlera e tij është e vogël, problemi është se shpërndahet në mënyrë të pabarabartë përgjatë akseve. Nëse boshti i përparmë ngarkohet nga një rrjedhje që shtyp në kapuç dhe Xhami i xhamit, atëherë pjesa e pasme shkarkohet shtesë nga zona e vakumit e formuar pas makinës. Prandaj, me rritjen e shpejtësisë, stabiliteti zvogëlohet dhe makina bëhet e prirur për rrëshqitje.

Dizajnerët e makinave konvencionale të prodhimit nuk kanë pse të dalin me ndonjë masë të veçantë për të luftuar këtë fenomen, pasi ajo që bëhet për të përmirësuar riorganizimin në të njëjtën kohë rrit forcën poshtë. Për shembull, optimizimi i pjesës së pasme zvogëlon zonën e vakumit pas makinës, dhe për këtë arsye redukton ngritjen. Nivelimi i pjesës së poshtme jo vetëm që zvogëlon rezistencën ndaj lëvizjes së ajrit, por gjithashtu rrit shpejtësinë e rrjedhës dhe për këtë arsye redukton presionin nën makinë. Dhe kjo, nga ana tjetër, çon në një ulje të ngritjes. Në të njëjtën mënyrë, spoileri i pasmë kryen dy detyra. Ai jo vetëm që zvogëlon formimin e vorbullës, duke përmirësuar Cx, por njëkohësisht e shtyn makinën në rrugë për shkak të rrjedhës së ajrit që largohet prej saj. Ndonjëherë një spoiler i pasmë synohet vetëm për të rritur forcën e poshtëm. Në këtë rast ai ka madhësive të mëdha dhe animi ose bëhet i tërheqshëm, duke hyrë në punë vetëm me shpejtësi të lartë.

Për sport dhe modele garash masat e përshkruara, natyrisht, do të jenë joefektive. Për t'i mbajtur ata në rrugë, ju duhet të krijoni më shumë forcë. Për këtë qëllim, përdoret një spoiler i madh përpara, funde anësore dhe krahë. Por kur instalohen në makinat e prodhimit, këta elementë do të luajnë vetëm një rol dekorativ, duke kënaqur kotësinë e pronarit. Ata nuk do të ofrojnë ndonjë përfitim praktik, përkundrazi, do të rrisin rezistencën ndaj lëvizjes. Shumë entuziastë të makinave, nga rruga, ngatërrojnë një spoiler me një krah, megjithëse është mjaft e lehtë t'i dallosh ato. Spoileri shtypet gjithmonë në trup, duke formuar një tërësi të vetme me të. Krahu është instaluar në një distancë nga trupi.

Aerodinamika praktike

Ndjekja e disa rregullave të thjeshta do t'ju lejojë të kurseni nga ajri i hollë duke reduktuar konsumin e karburantit. Megjithatë, këto këshilla do të jenë të dobishme vetëm për ata që ngasin shumë shpesh në autostradë.

Kur lëvizni, një pjesë e konsiderueshme e fuqisë së motorit shpenzohet për tejkalimin e rezistencës së ajrit. Sa më e lartë të jetë shpejtësia, aq më e lartë është rezistenca (dhe rrjedhimisht konsumi i karburantit). Prandaj, nëse ulni shpejtësinë edhe me 10 km/h, do të kurseni deri në 1 litër për 100 km. Në këtë rast, humbja e kohës do të jetë e parëndësishme. Megjithatë, kjo e vërtetë është e njohur për shumicën e shoferëve. Por hollësitë e tjera "aerodinamike" nuk janë të njohura për të gjithë.

Konsumi i karburantit varet nga koeficienti i tërheqjes dhe zona e prerjes tërthore të automjetit. Nëse mendoni se këto parametra janë vendosur në fabrikë dhe pronari i makinës nuk mund t'i ndryshojë ato, atëherë gaboheni! Ndryshimi i tyre nuk është aspak i vështirë dhe mund të arrini efekte pozitive dhe negative.

Çfarë e rrit konsumin? Ngarkesa në çati "konsumon" karburant në mënyrë të tepruar. Dhe madje edhe një kuti e thjeshtë do të marrë të paktën një litër për njëqind. Dritaret dhe çatitë e diellit që janë të hapura gjatë vozitjes djegin karburant në mënyrë të paarsyeshme. Nëse transportoni ngarkesa të gjata me bagazhin pak të hapur, do të keni edhe tejkalime. Elementë të ndryshëm dekorativë, si p.sh. një fanellë në kapuç ("mbrojtës mizash"), një "mbrojtës mizash", një krah i pasëm dhe elementë të tjerë të akordimit në shtëpi, megjithëse do të sjellin kënaqësi estetike, do t'ju detyrojnë të shpenzoni para shtesë. . Shikoni nën fund - për gjithçka që ulet dhe duket nën vijën e pragut, do të duhet të paguani ekstra. Edhe një gjë kaq e vogël si mungesa kapele plastike në rrota çeliku, rrit konsumin. Secili nga faktorët ose pjesët e listuara individualisht nuk e rrit shumë konsumin - nga 50 në 500 g për 100 km. Por nëse shtoni gjithçka, do të jetë përsëri rreth një litër për njëqind. Këto llogaritje janë të vlefshme për makina të vogla me një shpejtësi prej 90 km/h. Pronarët e makinave të mëdha dhe dashamirët e shpejtësive më të larta, lejojnë rritjen e konsumit.

Nëse plotësohen të gjitha kushtet e mësipërme, mund të shmangim shpenzimet e panevojshme. A është e mundur të zvogëlohen më tej humbjet? Mund! Por kjo do të kërkojë pak akordim i jashtëm(po flasim sigurisht për elementë të ekzekutuar profesionalisht). Përpara komplet trupi aerodinamik parandalon që rrjedha e ajrit të "shpërthejë" nën pjesën e poshtme të makinës, mbulesat e pragut mbulojnë pjesën e zgjatur të rrotave, spoileri parandalon formimin e turbulencës pas "stërmës" së makinës. Edhe pse spoileri, si rregull, tashmë është përfshirë në modelin e trupit të një makine moderne.

Pra, marrja e kursimeve nga ajri i hollë është mjaft e mundur.

Që kur njeriu i parë lidhi një gur të mprehur në fundin e shtizës së tij, njerëzit janë përpjekur gjithmonë të gjejnë forma më e mirë objektet që lëvizin në ajër. Por makina doli të ishte një enigmë shumë komplekse aerodinamike.

Bazat e llogaritjeve të tërheqjes për lëvizjen e makinave në rrugë na ofrojnë katër forca kryesore që veprojnë në makinë gjatë drejtimit: rezistenca e ajrit, rezistenca e rrotullimit, rezistenca e ngritjes dhe forcat inerciale. Vihet re se vetëm dy të parat janë bazë. Forca e rezistencës së rrotullimit rrota e makinës kryesisht varet nga deformimi i gomës dhe rrugës në zonën e kontaktit. Por tashmë me një shpejtësi prej 50-60 km/h forca e rezistencës së ajrit tejkalon çdo tjetër, dhe me shpejtësi mbi 70-100 km/h i tejkalon të gjitha së bashku. Për të vërtetuar këtë pohim, është e nevojshme të jepet formula e përafërt e mëposhtme: Px=Cx*F*v2, ku: Px – forca e rezistencës së ajrit; v – shpejtësia e mjetit (m/sek); F - zona e projektimit të makinës në një plan pingul me boshtin gjatësor të makinës, ose zona e seksionit më të madh të tërthortë të makinës, d.m.th., sipërfaqja ballore (m2); Cx – koeficienti i rezistencës së ajrit (koeficienti i riorganizimit). Shënim. Shpejtësia në formulë është në katror, ​​dhe kjo do të thotë se kur rritet, për shembull, me dy herë, forca e rezistencës së ajrit rritet katër herë.

Në të njëjtën kohë, fuqia e nevojshme për ta kapërcyer atë rritet tetëfish! Në garat Nascar, ku shpejtësitë i kalojnë 300 km/h, është vërtetuar eksperimentalisht që të rritet shpejtesi maksimale me vetëm 8 km/h është e nevojshme të rritet fuqia e motorit me 62 kW (83 hp) ose të zvogëlohet Cx me 15%. Ekziston një mënyrë tjetër - për të zvogëluar zonën ballore të makinës. Shumë supermakina të shpejta janë dukshëm më të ulëta se makinat e zakonshme. Kjo është pikërisht një shenjë e punës për të zvogëluar zonën ballore. Sidoqoftë, kjo procedurë mund të kryhet deri në kufij të caktuar, përndryshe një makinë e tillë do të jetë e pamundur të përdoret. Për këtë dhe arsye të tjera, riorganizimi është një nga çështjet kryesore që lindin gjatë projektimit të një makine. Sigurisht, forca e rezistencës ndikohet jo vetëm nga shpejtësia e makinës dhe parametrat e saj gjeometrikë. Për shembull, sa më e lartë të jetë dendësia e rrjedhës së ajrit, aq më e madhe është rezistenca. Nga ana tjetër, dendësia e ajrit varet drejtpërdrejt nga temperatura dhe lartësia e tij mbi nivelin e detit. Me rritjen e temperaturës, rritet dendësia e ajrit (dhe për rrjedhojë viskoziteti i tij), dhe lart në male ajri është më i rrallë dhe dendësia e tij më e ulët, e kështu me radhë. Ka shumë nuanca të tilla.

Por le të kthehemi te forma e makinës. Cili objekt ka riorganizimin më të mirë? Përgjigja për këtë pyetje është e njohur për pothuajse çdo nxënës shkolle (që nuk flinte gjatë mësimeve të fizikës). Një pikë uji që bie merr një formë që është më e përshtatshme nga pikëpamja aerodinamike. Kjo do të thotë, një sipërfaqe e përparme e rrumbullakosur dhe një pjesë e pasme e gjatë që zvogëlohet pa probleme (raporti më i mirë është gjatësia është 6 herë gjerësia). Koeficienti i rezistencës është një vlerë eksperimentale. Numerikisht, është e barabartë me forcën e rezistencës së ajrit në njuton të krijuar kur ai lëviz me një shpejtësi prej 1 m/s për 1 m2 sipërfaqe ballore. Njësia referuese konsiderohet të jetë Cx e një pllake të sheshtë = 1. Pra, një pikë uji ka Cx = 0.04. Tani imagjinoni një makinë të kësaj forme. E pakuptimta, apo jo? Jo vetëm që një konstruksion i tillë në rrota do të duket disi vizatimor, por nuk do të jetë shumë i përshtatshëm ta përdorni këtë makinë për qëllimin e synuar. Prandaj, projektuesit janë të detyruar të kërkojnë një kompromis midis aerodinamikës së makinës dhe lehtësisë së përdorimit. Përpjekjet e vazhdueshme për të ulur koeficientin e rezistencës së ajrit kanë çuar në faktin se disa makina moderne kanë Cx = 0.28-0.25. Epo, ato me shpejtësi të lartë makina rekord mund të mburret Cx = 0.2-0.15.

Forcat e rezistencës

Tani duhet të flasim pak për vetitë e ajrit. Siç e dini, çdo gaz përbëhet nga molekula. Ata janë në lëvizje dhe ndërveprim të vazhdueshëm me njëri-tjetrin. Shfaqen të ashtuquajturat forcat van der Waals - forcat e tërheqjes së ndërsjellë të molekulave që i pengojnë ato të lëvizin në lidhje me njëra-tjetrën. Disa prej tyre fillojnë të ngjiten më fort me të tjerët. Dhe me një rritje të lëvizjes kaotike të molekulave, efektiviteti i veprimit të një shtrese ajri në një tjetër rritet, dhe viskoziteti rritet. Dhe kjo ndodh për shkak të rritjes së temperaturës së ajrit, dhe kjo mund të shkaktohet ose nga ngrohja direkte nga dielli, ose indirekt nga fërkimi i ajrit në çdo sipërfaqe ose thjesht midis shtresave të saj. Këtu luan një rol shpejtësia e lëvizjes. Për të kuptuar se si kjo ndikon në makinë, thjesht përpiquni të tundni dorën me një pëllëmbë të hapur. Nëse e bëni ngadalë, asgjë nuk ndodh, por nëse tundni dorën më fort, pëllëmba juaj percepton qartë një rezistencë. Por ky është vetëm një komponent.

Kur ajri lëviz mbi një sipërfaqe të palëvizshme (për shembull, një trup makine), të njëjtat forca van der Waals kontribuojnë në faktin që shtresa më e afërt e molekulave fillon të ngjitet në të. Dhe kjo shtresë "ngjitëse" ngadalëson shtresën tjetër. Dhe kështu shtresa pas shtrese, dhe sa më shpejt të lëvizin molekulat e ajrit, aq më larg janë ato nga sipërfaqja e palëvizshme. Përfundimisht shpejtësia e tyre barazon shpejtësinë e rrjedhës kryesore të ajrit. Shtresa në të cilën grimcat lëvizin ngadalë quhet shtresa kufitare dhe shfaqet në çdo sipërfaqe. Sa më e lartë të jetë vlera e energjisë sipërfaqësore e materialit të veshjes së një makine, aq më e fortë ndërvepron sipërfaqja e saj në nivel molekular me ajrin përreth dhe aq më shumë energji duhet të shpenzohet për të shkatërruar këto forca. Tani, bazuar në llogaritjet teorike të përshkruara më sipër, mund të themi se rezistenca e ajrit nuk është vetëm era që godet xhamin e përparmë. Ky proces ka më shumë komponentë.

Rezistenca e formës

Kjo është pjesa më e rëndësishme - deri në 60% të të gjitha humbjeve aerodinamike. Kjo shpesh quhet rezistencë ndaj presionit ose tërheqje. Kur lëviz, makina ngjesh rrjedhën e ajrit që rrjedh drejt saj dhe kapërcen forcën për të larguar molekulat e ajrit. Si rezultat, shfaqet një zonë me presion të lartë. Më pas ajri rrjedh mbi sipërfaqen e makinës. Në këtë proces, rrymat e ajrit ndërpriten me formimin e turbulencës. Ndarja përfundimtare e rrjedhës së ajrit në pjesën e pasme të makinës krijon një zonë me presion të ulët. Rezistenca në pjesën e përparme dhe efekti i thithjes në pjesën e pasme të makinës krijojnë një reagim shumë serioz. Ky fakt i detyron projektuesit dhe konstruktorët të kërkojnë mënyra për të formuar trupin. Vendoseni në rafte.

Tani duhet të merrni parasysh formën e makinës, siç thonë ata, "nga parakolpi në parakolp". Cilat pjesë dhe elementë kanë një ndikim më të madh në aerodinamikën e përgjithshme të makinës. Pjesa e përparme e trupit. Eksperimentet në tunelin e erës treguan se për një aerodinamikë më të mirë pjesa e përparme e trupit duhet të jetë e ulët, e gjerë dhe të mos ketë qoshe të mprehta. Në këtë rast, nuk ka ndarje të rrjedhës së ajrit, e cila ka një efekt shumë të dobishëm në thjeshtimin e makinës. Grila e radiatorit shpesh nuk është vetëm një element funksional, por edhe një element dekorativ. Në fund të fundit, radiatori dhe motori duhet të kenë rrjedhje efektive të ajrit, kështu që ky element është shumë i rëndësishëm. Disa prodhues të automjeteve studiojnë ergonominë dhe shpërndarjen e rrjedhës së ajrit në ndarjen e motorit po aq seriozisht sa aerodinamika e përgjithshme e makinës. Pjerrësia e xhamit të përparmë është një shembull shumë i qartë i një kompromisi midis thjeshtimit, ergonomisë dhe performancës. Pjerrësia e pamjaftueshme krijon rezistencë të tepërt, dhe animi i tepërt rrit pluhurin dhe peshën e vetë xhamit, dukshmëria bie ndjeshëm në muzg, është e nevojshme të rritet madhësia e fshirësit të xhamit, etj. Kalimi nga xhami në murin anësor duhet të jetë i qetë. .

Por nuk duhet të tërhiqeni nga lakimi i tepërt i xhamit - kjo mund të rrisë shtrembërimin dhe të dëmtojë dukshmërinë. Efekti i shtyllës së xhamit të përparmë në tërheqjen aerodinamike varet shumë nga pozicioni dhe forma e xhamit të përparmë, si dhe nga forma e pjesës së përparme. Por, duke punuar në formën e shtyllës, nuk duhet të harrojmë mbrojtjen e dritareve anësore të përparme nga ujërat e shiut dhe papastërtitë e fryra nga xhami, ruajtjen e një niveli të pranueshëm të zhurmës së jashtme aerodinamike, etj. Kulmi. Rritja e kamerës së çatisë mund të çojë në një ulje të koeficientit të tërheqjes. Por një rritje e konsiderueshme e fryrjes mund të bie ndesh me modelin e përgjithshëm të makinës. Përveç kësaj, nëse një rritje e konveksitetit shoqërohet me një rritje të njëkohshme të zonës së tërheqjes, atëherë forca e rezistencës së ajrit rritet. Nga ana tjetër, nëse përpiqeni të ruani lartësinë origjinale, atëherë xhami i përparmë dhe xhamat e pasmë do të duhet të futen në çati, pasi dukshmëria nuk duhet të dëmtohet. Kjo do të çojë në një rritje të kostos së xhamit, por ulja e rezistencës së ajrit në këtë rast nuk është aq e rëndësishme.

Sipërfaqet anësore. Nga pikëpamja e aerodinamikës së makinës, sipërfaqet anësore nuk kanë asnjë efekt ndikim të madh për të krijuar një rrjedhje irrotacionale. Por nuk mund t'i rrumbullakosni shumë. Përndryshe do të jetë e vështirë të futesh në një makinë të tillë. Xhami duhet, nëse është e mundur, të jetë integral me sipërfaqen anësore dhe të vendoset në përputhje me konturin e jashtëm të makinës. Çdo hap dhe kërcyes krijon pengesa shtesë për kalimin e ajrit dhe shfaqen turbulenca të padëshiruara. Ju mund të vini re se ulluqet, të cilat më parë ishin të pranishme në pothuajse çdo makinë, nuk përdoren më. Janë shfaqur zgjidhje të tjera të projektimit që nuk kanë një ndikim kaq të madh në aerodinamikën e makinës.

Pjesa e pasme e makinës ka ndoshta ndikimin më të madh në aerodinamikë. Kjo shpjegohet thjesht. Në pjesën e pasme, rrjedha e ajrit shkëputet dhe krijon turbulenca. Është pothuajse e pamundur të bësh pjesën e pasme të një makine aq të thjeshtë sa një aeroplan (gjatësia është 6 herë gjerësia). Prandaj, ata punojnë më me kujdes në formën e saj. Një nga parametrat kryesorë është këndi i pjesës së pasme të makinës. Shembulli tashmë është bërë tekst shkollor Makinë ruse"Moskvich-2141", ku ishte zgjidhja e pasuksesshme e pjesës së pasme që përkeqësoi ndjeshëm aerodinamikën e përgjithshme të makinës. Por, nga ana tjetër, dritarja e pasme e Moskovitit mbeti gjithmonë e pastër. Përsëri një kompromis. Kjo është arsyeja pse kaq shumë ngjitje shtesë bëhen posaçërisht në pjesën e pasme të makinës: krahë, spoilerë, etj. Së bashku me këndin e pjerrësisë së pjesës së pasme, koeficienti i tërheqjes aerodinamike ndikohet shumë nga dizajni dhe forma e skajit anësor të pjesa e pasme e makinës. Për shembull, nëse shikoni pothuajse çdo makinë moderne nga lart, mund të shihni menjëherë se trupi përpara është më i gjerë se në pjesën e pasme. Kjo është edhe aerodinamika. Fundi i makinës.

Siç mund të duket në fillim, kjo pjesë e trupit nuk mund të ndikojë në aerodinamikën. Por këtu ekziston një aspekt i tillë si forca e ulët. Qëndrueshmëria e makinës varet nga ajo dhe sa mirë është e organizuar fluksi i ajrit nën pjesën e poshtme të makinës, në fund të fundit përcakton forcën e "ngjitjes" së saj në rrugë. Kjo do të thotë, nëse ajri nën makinë nuk zgjatet, por rrjedh shpejt, atëherë presioni i reduktuar që lind atje do ta shtyp makinën kundër sipërfaqes së rrugës. Kjo është veçanërisht e rëndësishme për makinat e zakonshme. Fakti është se makinat e garave që konkurrojnë në sipërfaqe të lëmuara me cilësi të lartë, mund të kenë një distancë kaq të ulët nga toka, saqë fillon të shfaqet efekti "jastëk tokësor", në të cilin forca e uljes rritet dhe zvarritja zvogëlohet. Për makina normale i shkurtër pastrimi nga toka e papranueshme. Prandaj, projektuesit kohët e fundit janë përpjekur të zbutin pjesën e poshtme të makinës sa më shumë që të jetë e mundur, duke mbuluar elementë të tillë të pabarabartë me mburoja si tubacionet e shkarkimit, krahët e pezullimit, etj. Nga rruga, harqet e rrotave kanë një ndikim shumë të madh në aerodinamikën e makinës. Hapësirat e projektuara në mënyrë jo të duhur mund të krijojnë ngritje shtesë.

Dhe përsëri era

Nuk ka nevojë të thuhet se fuqia e kërkuar e motorit, dhe për këtë arsye konsumi i karburantit (d.m.th., portofoli), varet nga aerodinamika e makinës. Megjithatë, aerodinamika ndikon më shumë sesa thjesht shpejtësia dhe efikasiteti. Jo më pak të rëndësishme janë detyrat për të siguruar të mirën stabiliteti i drejtimit, trajtimi i automjetit dhe reduktimi i zhurmës gjatë vozitjes. Me zhurmën, gjithçka është e qartë: sa më mirë të jetë riorganizimi i makinës, cilësia e sipërfaqeve, sa më të vogla të jenë boshllëqet dhe numri i elementëve të dalë, etj., aq më pak zhurmë. Projektuesit gjithashtu duhet të mendojnë për një aspekt të tillë si momenti i shpalosjes. Ky efekt është i njohur për shumicën e shoferëve. Kush ka kaluar ndonjëherë me makinë shpejtësi e lartë duke kaluar "kamionin" ose thjesht duke vozitur në një erë të fortë të kundërt, ai duhet të kishte ndjerë pamjen e një rrotullimi apo edhe një kthesë të lehtë të makinës. Nuk ka kuptim të shpjegohet ky efekt, por është pikërisht një problem aerodinamik.

Kjo është arsyeja pse koeficienti Cx nuk është i vetmi. Në fund të fundit, ajri mund të ndikojë në një makinë jo vetëm "me kokë", por edhe në kënde të ndryshme dhe në drejtime të ndryshme. Dhe e gjithë kjo ka një ndikim në kontrollueshmërinë dhe sigurinë. Këto janë vetëm disa nga aspektet kryesore që ndikojnë në forcën e përgjithshme të rezistencës së ajrit. Është e pamundur të llogariten të gjithë parametrat. Formulat ekzistuese nuk japin foto e plotë. Prandaj, projektuesit studiojnë aerodinamikën e makinës dhe rregullojnë formën e saj duke përdorur një mjet kaq të shtrenjtë si një tunel me erë. Kompanitë perëndimore nuk kursejnë asnjë shpenzim për ndërtimin e tyre. Kostoja e qendrave të tilla kërkimore mund të jetë në miliona dollarë. Për shembull: shqetësimi Daimler-Chrysler investoi 37.5 milionë dollarë në krijimin e një kompleksi të specializuar për të përmirësuar aerodinamikën e makinave të saj. Aktualisht, tuneli i erës është mjeti më domethënës për studimin e forcave të rezistencës së ajrit që ndikojnë në një makinë.

Asnjë makinë e vetme nuk do të kalojë nëpër një mur me tulla, por çdo ditë kalon nëpër mure prej ajri, i cili gjithashtu ka një dendësi.

Askush nuk e percepton ajrin apo erën si mur. Aktiv shpejtësi të ulëta, në mot të qetë, është e vështirë të vërehet se si rrjedha e ajrit ndërvepron me automjetin. Por me shpejtësi të madhe, me erë e fortë, rezistenca e ajrit (forca e ushtruar mbi një objekt që lëviz nëpër ajër - e përcaktuar gjithashtu si zvarritje) ndikon shumë në mënyrën se si një makinë përshpejton, si e trajton dhe si përdor karburantin.

Këtu hyn në lojë shkenca e aerodinamikës, e cila studion forcat e krijuara nga lëvizja e objekteve në ajër. Makinat moderne janë të dizajnuara duke pasur parasysh aerodinamikën. Një makinë me aerodinamikë të mirë kalon përmes një muri ajri si një thikë përmes gjalpit.

Për shkak të rezistencës së ulët ndaj rrjedhës së ajrit, një makinë e tillë përshpejton më mirë dhe konsumon karburant më të mirë, pasi motori nuk duhet të shpenzojë forcë shtesë për të "shtyrë" makinën përmes murit të ajrit.

Për të përmirësuar aerodinamikën e makinës, forma e trupit është e rrumbullakosur në mënyrë që kanali i ajrit të rrjedhë rreth makinës me rezistencën më të vogël. Në makinat sportive, forma e trupit është krijuar për të drejtuar rrjedhën e ajrit kryesisht përgjatë pjesës së poshtme, do ta kuptoni pse më vonë. Ata gjithashtu vendosin një krah ose spoiler në bagazhin e makinës. Krahu shtyp në pjesën e pasme të makinës, duke parandaluar ngritjen e rrotave të pasme për shkak të rrjedhës së fortë të ajrit kur lëviz me shpejtësi të madhe, gjë që e bën makinën më të qëndrueshme. Jo të gjithë krahët janë të njëjtë dhe jo të gjithë përdoren për qëllimin e tyre të synuar, disa shërbejnë vetëm si një element i dekorit të automobilave dhe nuk kryejnë një funksion të drejtpërdrejtë të aerodinamikës.

Shkenca e aerodinamikës

Para se të flasim për aerodinamikën e automobilave, le të kalojmë mbi disa fizikë bazë.

Ndërsa një objekt lëviz nëpër atmosferë, ai zhvendos ajrin përreth. Një objekt gjithashtu i nënshtrohet gravitetit dhe rezistencës. Rezistenca krijohet kur një objekt i ngurtë lëviz në një mjedis të lëngshëm - ujë ose ajër. Rezistenca rritet me shpejtësinë e një objekti - sa më shpejt të lëvizë nëpër hapësirë, aq më shumë rezistencë përjeton.

Ne matim lëvizjen e një objekti me faktorët e përshkruar në ligjet e Njutonit - masa, shpejtësia, pesha, forca e jashtme dhe nxitimi.

Rezistenca ndikon drejtpërdrejt në përshpejtimin. Nxitimi (a) i një objekti = pesha e tij (W) minus zvarritja (D) pjesëtuar me masën (m). Kujtoni se pesha është produkt i masës trupore dhe përshpejtimit të gravitetit. Për shembull, në Hënë, pesha e një personi do të ndryshojë për shkak të mungesës së gravitetit, por masa do të mbetet e njëjtë. E thënë thjesht:

Ndërsa një objekt përshpejtohet, shpejtësia dhe zvarritja rriten deri në një pikë përfundimtare ku zvarritja është e barabartë me peshën - objekti nuk mund të përshpejtohet më tej. Le të imagjinojmë se objekti ynë në ekuacion është një makinë. Ndërsa një makinë shkon më shpejt dhe më shpejt, gjithnjë e më shumë ajër i reziston lëvizjes së saj, duke e kufizuar makinën në përshpejtimin maksimal me një shpejtësi të caktuar.

Arrijmë te numri më i rëndësishëm - koeficienti i tërheqjes aerodinamike. Ky është një nga faktorët kryesorë që përcakton se sa lehtë një objekt lëviz nëpër ajër. Koeficienti i tërheqjes (Cd) llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:

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

Ku D është rezistenca, A është zona, r është dendësia, V është shpejtësia.

Koeficienti i tërheqjes aerodinamike në një makinë

Le të kuptojmë se koeficienti i tërheqjes (Cd) është një sasi që mat forcën e rezistencës së ajrit të aplikuar në një objekt, siç është një makinë. Tani imagjinoni forcën e ajrit që shtyn poshtë makinën ndërsa ajo lëviz në rrugë. Me një shpejtësi prej 110 km/h ai përjeton një forcë katër herë më të madhe se në një shpejtësi prej 55 km/h.

Aftësitë aerodinamike të një makine maten me koeficientin e saj të tërheqjes. Sa më e ulët të jetë vlera e Cd, aq më e mirë është aerodinamika e makinës dhe aq më lehtë do të kalojë përmes murit të ajrit që e shtyp atë nga anët e ndryshme.

Le të shohim treguesit Cd. I mbani mend ato Volvo këndore, me formë kuti të viteve 1970 dhe 80? E vjetra Volvo sedan 960 koeficienti i tërheqjes 0.36. U Volvo i ri trupat janë të lëmuar dhe të lëmuar, falë kësaj koeficienti arrin 0.28. Format më të lëmuara dhe më të thjeshta tregojnë aerodinamikë më të mirë se ato këndore dhe katrore.

Arsyet pse aerodinamika i pëlqen format e hijshme

Le të kujtojmë gjënë më aerodinamike në natyrë - një lot. Grisja është e rrumbullakët dhe e lëmuar nga të gjitha anët dhe zvogëlohet në pjesën e sipërme. Kur një lot rrjedh poshtë, ajri rrjedh lehtë dhe pa probleme rreth tij. Gjithashtu me makina - ajri rrjedh lirshëm në një sipërfaqe të lëmuar, të rrumbullakosur, duke zvogëluar rezistencën e ajrit ndaj lëvizjes së objektit.

Sot, shumica e modeleve kanë një koeficient mesatar të tërheqjes prej 0.30. SUV-të kanë një koeficient tërheqjeje prej 0,30 deri në 0,40 ose më shumë. Arsyeja e koeficientit të lartë janë dimensionet. Land Cruisers dhe Gelendvagens akomodojnë më shumë pasagjerë, ata kanë më shumë hapësirë ​​mallrash, grila të mëdha për të ftohur motorin, pra dizajni i ngjashëm me kutitë. Kamionët e transportit të projektuar me një dizajn të qëllimshëm katror kanë një Cd më të madhe se 0,40.

Dizajni i trupit është i diskutueshëm, por makina ka një formë aerodinamike të dukshme. Koeficienti i tërheqjes së Toyota Prius është 0.24, kështu që konsumi i karburantit të makinës është i ulët jo vetëm për shkak të termocentralit hibrid. Mos harroni, çdo minus 0.01 në koeficient zvogëlon konsumin e karburantit me 0.1 litra për 100 km.

Modelet me tërheqje të dobët aerodinamike:

Modele me tërheqje të mirë aerodinamike:

Teknikat për përmirësimin e aerodinamikës kanë ekzistuar për një kohë të gjatë, por u desh shumë kohë që prodhuesit e automjeteve të fillojnë t'i përdorin ato në krijimin e automjeteve të reja.

Modelet e makinave të para që u shfaqën nuk kishin asgjë të përbashkët me konceptin e aerodinamikës. Hidhini një sy Modelit T të Fordit - makina duket më shumë si një karrocë me kuaj pa kalin - fitues i konkursit të dizajnit të kutive. Për të thënë të vërtetën, shumica e modeleve ishin pionierë dhe nuk kishin nevojë për një dizajn aerodinamik, pasi ecnin ngadalë, nuk kishte asgjë për t'i rezistuar në një shpejtësi të tillë. Sidoqoftë, makinat e garave në fillim të viteve 1900 filluan të ngushtohen gradualisht për të fituar garat përmes aerodinamikës.

Në vitin 1921, shpikësi gjerman Edmund Rumpler krijoi Rumpler-Tropfenauto, që do të thotë "makinë që lëshon lot" në gjermanisht. I modeluar sipas formës më aerodinamike të natyrës, formës së lotit, ky model kishte një koeficient tërheqjeje prej 0.27. Dizajni Rumpler-Tropfenauto nuk gjeti kurrë njohje. Rumpler arriti të krijojë vetëm 100 njësi Rumpler-Tropfenauto.

Në Amerikë, një kërcim në dizajnin aerodinamik u bë në vitin 1930, kur doli Modeli Chrysler Rrjedha e ajrit. Të frymëzuar nga fluturimi i zogjve, inxhinierët projektuan Airflow duke pasur parasysh aerodinamikën. Për të përmirësuar trajtimin, pesha e makinës u shpërnda në mënyrë të barabartë midis boshteve të përparme dhe të pasme - 50/50. Shoqëria, e lodhur nga Depresioni i Madh, nuk e pranoi kurrë pamjen jokonvencionale të Chrysler Airflow. Modeli u konsiderua një dështim, megjithëse dizajni elegant i Chrysler Airflow ishte shumë përpara kohës së tij.

Vitet 1950 dhe 60 panë disa nga përparimet më të mëdha në aerodinamikën e automobilave që erdhën nga bota e garave. Inxhinierët filluan të eksperimentojnë me forma të ndryshme trupi, duke ditur se një formë e thjeshtë do t'i bënte makinat më të shpejta. Kështu lindi forma e makinës së garave që ka mbijetuar deri më sot. Spoilerët e përparme dhe të pasme, hundët e lopatës dhe kompletet e aeroplanit shërbyen për të njëjtin qëllim, për të drejtuar rrjedhën e ajrit përmes çatisë dhe për të krijuar forcën e nevojshme poshtë në rrotat e përparme dhe të pasme.

Tuneli i erës kontribuoi në suksesin e eksperimenteve. Në pjesën tjetër të artikullit tonë do t'ju tregojmë pse është e nevojshme dhe pse është e rëndësishme në dizajnin e makinave.

Matja e tërheqjes së tunelit të erës

Për të matur efikasitetin aerodinamik të një makine, inxhinierët huazuan një mjet nga industria e aviacionit: tunelin e erës.

Një tunel me erë është një tunel me tifozë të fuqishëm që krijojnë rrymë ajri mbi objektin brenda. Një makinë, aeroplan ose çdo gjë tjetër, rezistenca e ajrit të së cilës matet nga inxhinierët. Nga një dhomë prapa tunelit, shkencëtarët vëzhgojnë se si ajri ndërvepron me një objekt dhe si sillen rrjedhat e ajrit në sipërfaqe të ndryshme.

Makina ose avioni brenda tunelit të erës nuk lëviz, por për të simuluar kushtet e jetës reale, tifozët furnizojnë rrjedhën e ajrit me me shpejtësi të ndryshme. Ndonjëherë makinat e vërteta as nuk futen në tub - projektuesit shpesh mbështeten në modele të sakta të krijuara nga balta ose lëndë të tjera të para. Era fryn mbi makinë në një tunel me erë dhe kompjuterët llogaritin koeficientin e tërheqjes.

Tunelet e erës janë përdorur që nga fundi i viteve 1800, kur ata po përpiqeshin të krijonin një aeroplan dhe të matnin efektin e rrjedhës së ajrit në tuba. Edhe vëllezërit Wright kishin një bori të tillë. Pas Luftës së Dytë Botërore, inxhinierët e makinave të garave, duke kërkuar një avantazh ndaj konkurrentëve të tyre, filluan të përdorin tunele me erë për të vlerësuar efektivitetin e elementëve aerodinamikë të modeleve të tyre. Më vonë, kjo teknologji u fut në botën e makinave të pasagjerëve dhe kamionëve.

Gjatë 10 viteve të fundit, tunele të mëdha me erë që kushtojnë disa milionë dollarë amerikanë janë bërë gjithnjë e më pak të zakonshëm. Modelimi kompjuterik po zëvendëson gradualisht këtë metodë të testimit të aerodinamikës së makinave (më shumë detaje). Tunelet e erës funksionojnë vetëm për të siguruar që të mos ketë gabime në simulimin kompjuterik.

Aerodinamika ka më shumë sesa thjesht rezistenca e ajrit - ka edhe faktorët e ngritjes dhe shtytjes. Ngritja (ose ngritja) është forca që vepron kundër peshës së një objekti, duke e ngritur dhe mbajtur objektin në ajër. Downforce, e kundërta e një ngritjeje, është forca që shtyn një objekt drejt tokës.

Kushdo që mendon se koeficienti i tërheqjes së makinave të garave të Formula 1, të cilat arrijnë 200 mph, është i ulët, gabohet. Një makinë tipike garash e Formula 1 ka një koeficient të tërheqjes prej rreth 0.70.

Arsyeja për koeficientin e lartë të zvarritjes së makinave të garave të Formula 1 është se këto makina janë të dizajnuara për të gjeneruar sa më shumë forcë poshtë të jetë e mundur. Me shpejtësinë me të cilën lëvizin makinat, me peshën e tyre jashtëzakonisht të vogël, ato fillojnë të përjetojnë ngritjen shpejtësi të lartë- fizika i detyron ata të ngrihen në ajër si një aeroplan. Makinat nuk janë të dizajnuara për të fluturuar (edhe pse artikulli - një makinë fluturuese e transformueshme thotë ndryshe), dhe nëse automjeti fillon të ngrihet, atëherë mund të pritet vetëm një gjë - një aksident shkatërrues. Prandaj, forca poshtë duhet të jetë maksimale për ta mbajtur makinën në tokë me shpejtësi të lartë, që do të thotë se koeficienti i tërheqjes duhet të jetë i madh.

Makinat e Formula 1 arrijnë forcë të lartë shtytëse duke përdorur pjesën e përparme dhe pjesët e pasme automjeti. Këta krahë drejtojnë rrjedhat e ajrit në mënyrë që ata të shtypin makinën në tokë - e njëjta forcë poshtë. Tani mund të rrisni me siguri shpejtësinë tuaj dhe të mos e humbni atë kur ktheheni. Në të njëjtën kohë, forca poshtë duhet të balancohet me kujdes me ngritësin në mënyrë që makina të fitojë shpejtësinë e dëshiruar në vijë të drejtë.

Shumë vetura të prodhimit kanë shtesa aerodinamike për të krijuar forcë të ulët. shtypi e kritikoi për pamjen e tij. Dizajni i diskutueshëm. Dhe të gjitha sepse të gjitha Trupi GT-R projektuar për të drejtuar rrjedhën e ajrit mbi makinë dhe mbrapa përmes spoilerit të pasmë ovale, duke krijuar më shumë forcë poshtë. Askush nuk mendoi për bukurinë e makinës.

Jashtë qarkut të Formula 1, krahët gjenden shpesh në makinat e prodhimit, të tilla si sedanët Kompanitë Toyota dhe Honda. Ndonjëherë këta elementë të projektimit shtojnë pak stabilitet me shpejtësi të lartë. Për shembull, në Audi i parë TT fillimisht nuk kishte një spoiler, por Audi u shtua kur u zbulua se forma e rrumbullakosur dhe pesha e lehtë e TT krijonin shumë ngritje, duke e bërë makinën të paqëndrueshme në shpejtësi mbi 150 km/h.

Por nëse makina nuk është një Audi TT, jo një makinë sportive, jo një makinë sportive, por një sedan i zakonshëm familjar ose hatchback, nuk ka nevojë të instaloni një spoiler. Një spoiler nuk do të përmirësojë trajtimin e një makine të tillë, pasi "makina familjare" tashmë ka një forcë të lartë poshtë për shkak të Cx të lartë dhe nuk mund të arrini shpejtësi mbi 180 në të. Spoiler ndezur makinë e rregullt mund të shkaktojë mbidrejtim ose, anasjelltas, hezitim në kthesën. Megjithatë, nëse mendoni gjithashtu se ky është një spoiler gjigant Honda Civic qëndron në vendin e vet, mos lejoni askënd t'ju bindë të kundërtën.

Në shumë fusha të shkencës dhe teknologjisë që përfshijnë shpejtësinë, shpesh ekziston nevoja për të llogaritur forcat që veprojnë në një objekt. Makinë moderne, gjuajtës, nëndetëse ose tren elektrik me shpejtësi të lartë - të gjithë janë të ndikuar nga forcat aerodinamike. Saktësia e përcaktimit të madhësisë së këtyre forcave ndikon drejtpërdrejt specifikimet objektet e specifikuara dhe aftësia e tyre për të kryer detyra të caktuara. Në përgjithësi, forcat e fërkimit përcaktojnë nivelin e fuqisë sistemi i shtytjes, dhe forcat anësore ndikojnë në kontrollueshmërinë e objektit.

Dizajni tradicional përdor tunele me erë (zakonisht modele të zvogëluara), teste pishinash dhe teste në terren për të përcaktuar forcat. Sidoqoftë, të gjitha kërkimet eksperimentale janë një mënyrë mjaft e shtrenjtë për të marrë një njohuri të tillë. Për të testuar një pajisje model, është e nevojshme që së pari ta prodhoni atë, më pas të hartoni një program testimi, të përgatitni një stendë dhe, në fund, të kryeni një sërë matjesh. Në shumicën e rasteve, besueshmëria e rezultateve të testimit do të ndikohet nga supozimet e shkaktuara nga devijimet nga kushtet aktuale të funksionimit të objektit.

Eksperiment apo llogaritje?

Le të shqyrtojmë më në detaje arsyet e mospërputhjes midis rezultateve eksperimentale dhe sjelljes reale të objektit.

Kur studiohen modelet në hapësira të kufizuara, për shembull në tunele me erë, sipërfaqet kufitare kanë një ndikim të rëndësishëm në strukturën e rrjedhës rreth objektit. Zvogëlimi i shkallës së modelit na lejon të zgjidhim këtë problem, por është e nevojshme të merret parasysh ndryshimi në numrin Reynolds (i ashtuquajturi efekti i shkallës).

Në disa raste, shtrembërimet mund të shkaktohen nga një mospërputhje thelbësore midis kushteve aktuale të rrjedhës rreth trupit dhe atyre të simuluara në tub. Për shembull, kur fryni makina ose trena me shpejtësi të lartë, mungesa e një sipërfaqeje horizontale lëvizëse në një tunel me erë ndryshon seriozisht modelin e përgjithshëm të rrjedhës dhe gjithashtu ndikon në ekuilibrin e forcave aerodinamike. Ky efekt shoqërohet me rritjen e shtresës kufitare.

Metodat e matjes gjithashtu futin gabime në vlerat e matura. Vendosja e gabuar e sensorëve në një objekt ose orientimi i gabuar i pjesëve të tyre të punës mund të çojë në rezultate të pasakta.

Përshpejtoni dizajnin

Aktualisht, kompanitë kryesore të industrisë përdorin gjerësisht teknologjitë e modelimit kompjuterik CAE në fazën e projektimit paraprak. Kjo ju lejon të konsideroni më shumë opsione kur kërkoni dizajnin optimal.

Niveli aktual i zhvillimit të paketës softuerike ANSYS CFX zgjeron ndjeshëm fushën e aplikimit të tij: nga modelimi i flukseve laminare deri te rrjedhat turbulente me anizotropi të fortë parametrash.

Gama e gjerë Modelet e turbulencës së përdorur përfshijnë modelet tradicionale RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), të cilat kanë raporti më i mirë"speed-accuracy", modeli i turbulencës SST (Shear Stress Transport) (modeli Menter me dy shtresa), duke kombinuar me sukses avantazhet e modeleve të turbulencës "k-e" dhe "k-w". Për rrjedhat me anizotropi të zhvilluar, modelet e tipit RSM (Reynolds Stress Model) janë më të përshtatshme. Llogaritja e drejtpërdrejtë e parametrave të turbulencës në drejtime bën të mundur përcaktimin më të saktë të karakteristikave të lëvizjes së vorbullës së rrjedhës.

Në disa raste, rekomandohet përdorimi i modeleve të ndërtuara mbi teoritë e vorbullës: DES (Simulation Eddy e shkëputur) dhe LES (Simulimi i Vërshave të mëdha). Sidomos për rastet kur marrja në konsideratë e proceseve të tranzicionit laminar-turbulent është veçanërisht e rëndësishme, është zhvilluar një Model Tranzicioni i Turbulencës, bazuar në teknologjinë e mirë-provuar SST. Modeli i është nënshtruar një programi të gjerë testimi në objekte të ndryshme (nga makineritë me teh deri te avionët e pasagjerëve) dhe ka treguar një korrelacion të shkëlqyer me të dhënat eksperimentale.

Aviacioni

Krijimi i avionëve modernë luftarakë dhe civilë është i pamundur pa një analizë të thellë të të gjitha karakteristikave të tij në fazën fillestare të projektimit. Efikasiteti i avionit, shpejtësia dhe manovrimi i tij varen drejtpërdrejt nga dizajni i kujdesshëm i formës së sipërfaqeve dhe kontureve që mbajnë ngarkesë.

Sot, të gjitha kompanitë kryesore të prodhimit të avionëve përdorin analiza kompjuterike në një shkallë ose në një tjetër kur zhvillojnë produkte të reja.

Modeli i tranzicionit i turbulencës, i cili analizon saktë regjimet e rrjedhës afër laminare, rrjedhat me zona të zhvilluara të ndarjes dhe ribashkimit të rrjedhës, hap mundësi të mëdha për analizimin e flukseve komplekse për studiuesit. Kjo zvogëlon më tej diferencën midis rezultateve të llogaritjeve numerike dhe figurës reale të rrjedhës.

Industrinë e automobilave

Një makinë moderne duhet të ketë efikasitet të rritur me efikasitet të lartë të energjisë. Dhe sigurisht, komponentët kryesorë përcaktues janë motori dhe trupi.

Për të siguruar efikasitetin e të gjitha sistemeve të motorit, kryesor Kompanitë perëndimore teknologjitë e modelimit kompjuterik janë përdorur për një kohë të gjatë. Për shembull, kompania Robert Bosch Gmbh (Gjermani), një prodhues i një game të gjerë të komponentëve për moderne makina me naftë, kur zhvillon një sistem furnizimi me karburant Common Rail përdoret ANSYS CFX (për të përmirësuar karakteristikat e injektimit).

BMW, motorët e së cilës kanë fituar titullin Motori Ndërkombëtar i Vitit për disa vite me radhë, përdor ANSYS CFX për të simuluar proceset në dhomat e djegies së motorëve me djegie të brendshme.

Aerodinamika e jashtme është gjithashtu një mjet për të përmirësuar efikasitetin e fuqisë së motorit. Zakonisht nuk bëhet fjalë vetëm për zvogëlimin e koeficientit të tërheqjes, por edhe për balancimin e forcës së poshtme, e cila është e nevojshme për çdo makinë me shpejtësi të lartë.

Makinat e garave janë shprehja përfundimtare e këtyre karakteristikave. klasa të ndryshme. Pa përjashtim, të gjithë pjesëmarrësit në kampionatin F1 përdorin analiza kompjuterike të aerodinamikës së makinave të tyre. Arritjet sportive tregojnë qartë avantazhet e këtyre teknologjive, shumë prej të cilave tashmë përdoren në krijimin e makinave të prodhimit.

Në Rusi, pionieri në këtë fushë është ekipi Active-Pro Racing: makinë garash Klasa e Formula 1600 arrin shpejtësi mbi 250 km/h dhe është kulmi i motorsportit rus. Përdorimi i kompleksit ANSYS CFX (Fig. 4) për të hartuar një bisht të ri aerodinamik të makinës bëri të mundur uljen e ndjeshme të numrit të opsioneve të projektimit kur kërkoni zgjidhjen optimale.

Një krahasim i të dhënave të llogaritura dhe rezultateve të fryrjes në një tunel me erë tregoi ndryshimin e pritur. Shpjegohet nga dyshemeja e palëvizshme në tub, e cila shkaktoi një rritje në trashësinë e shtresës kufitare. Prandaj, elementët aerodinamikë, të vendosur mjaft ulët, funksionuan në kushte të pazakonta.

Sidoqoftë, modeli kompjuterik korrespondonte plotësisht me kushtet reale të drejtimit, gjë që bëri të mundur përmirësimin e ndjeshëm të efikasitetit të bishtit të makinës.

Ndërtimi

Sot, arkitektët janë më të lirë të afrohen pamjen të ndërtesave të projektuara se 20 ose 30 vjet më parë. Krijimet futuriste të arkitektëve modernë, si rregull, kanë forma komplekse gjeometrike për të cilat nuk dihen vlerat e koeficientëve aerodinamikë (të nevojshëm për caktimin e ngarkesave të llogaritura të erës në strukturat mbajtëse).

Në këtë rast, mjetet CAE po përdoren gjithnjë e më shumë për të marrë karakteristikat aerodinamike të ndërtesës (dhe faktorët e forcës), përveç testeve tradicionale të tunelit të erës. Një shembull i një llogaritjeje të tillë në ANSYS CFX është paraqitur në Fig. 5.

Përveç kësaj, ANSYS CFX përdoret tradicionalisht për të modeluar sistemet e ventilimit dhe ngrohjes për ambientet industriale, ndërtesat administrative, zyrat dhe komplekset sportive dhe argëtuese.

Për të analizuar regjimin e temperaturës dhe natyrën e rrjedhave të ajrit në arenën e akullit të Kompleksit Sportiv Krylatskoye (Moskë), inxhinierët nga Olof Granlund Oy (Finlandë) përdorën paketën softuerike ANSYS CFX. Stendat e stadiumit mund të strehojnë rreth 10 mijë spektatorë, dhe ngarkesa e nxehtësisë prej tyre mund të jetë më shumë se 1 MW (në shkallën 100-120 W/person). Për krahasim: për të ngrohur 1 litër ujë nga 0 në 100 °C, nevojitet pak më shumë se 4 kW energji.

Oriz. 5. Shpërndarja e presionit në sipërfaqen e strukturave

Duke përmbledhur

Siç mund ta shihni, teknologjia informatike në aerodinamikë ka arritur nivele që ne mund të ëndërronim vetëm 10 vjet më parë. Në të njëjtën kohë, modelimi kompjuterik nuk duhet të kundërshtohet me kërkimin eksperimental - është shumë më mirë nëse këto metoda plotësojnë njëra-tjetrën.

Kompleksi ANSYS CFX lejon inxhinierët të zgjidhin probleme të tilla komplekse, si për shembull, përcaktimi i deformimit të një strukture kur ekspozohet ndaj ngarkesave aerodinamike. Kjo kontribuon në një formulim më të saktë të shumë problemeve të aerodinamikës së brendshme dhe të jashtme: nga problemet e valëzimit të makinerive të tehut deri tek efektet e erës dhe valëve në strukturat në det të hapur.

Të gjitha aftësitë llogaritëse të kompleksit ANSYS CFX janë gjithashtu të disponueshme në mjedisin ANSYS Workbench.