So berechnen Sie ein Automodell für einen Windkanal. Wie es funktioniert: Windkanalmodelle

Warum braucht man Aerodynamik für ein Auto, das weiß jeder. Je stromlinienförmiger seine Karosserie, desto geringer der Bewegungswiderstand und der Kraftstoffverbrauch. Mit einem solchen Auto sparen Sie nicht nur Geld, sondern stoßen auch weniger Müll in die Umwelt aus. Die Antwort ist einfach, aber bei weitem nicht vollständig. Aerodynamik-Spezialisten, die die Karosserie des neuen Modells fertigstellen, auch:

• die Verteilung der Auftriebskraft entlang der Achsen zu berechnen, was angesichts der beträchtlichen Geschwindigkeiten moderner Autos sehr wichtig ist,
• Luftzugang zum Kühlen des Motors und der Bremsmechanismen bieten,
• Denken Sie über die Lufteinlass- und -auslassstellen für das Innenraumbelüftungssystem nach,
• versuchen, den Geräuschpegel in der Kabine zu reduzieren,
• Optimieren Sie die Form von Körperteilen, um die Verschmutzung von Glas, Spiegeln und Beleuchtungsgeräten zu reduzieren.

Zudem steht die Lösung einer Aufgabe oft im Widerspruch zur Umsetzung einer anderen. Eine Reduzierung des Luftwiderstandsbeiwerts verbessert beispielsweise die Stromlinienform, verschlechtert aber gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit des Autos gegenüber Seitenwindböen. Experten müssen daher einen vernünftigen Kompromiss suchen.

Reduzierung des Luftwiderstands

Was bestimmt die Widerstandskraft? Zwei Parameter haben einen entscheidenden Einfluss darauf - der Luftwiderstandsbeiwert Cx und die Querschnittsfläche des Autos (mittschiffs). Sie können den Mittelteil verkleinern, indem Sie die Karosserie niedriger und schmaler machen, aber es ist unwahrscheinlich, dass es viele Käufer für ein solches Auto geben wird. Daher besteht die Hauptrichtung zur Verbesserung der Aerodynamik des Autos darin, die Umströmung der Karosserie zu optimieren, mit anderen Worten, Cx zu reduzieren. Der Luftwiderstandsbeiwert Cx ist eine dimensionslose Größe, die experimentell ermittelt wird. Bei modernen Autos liegt er im Bereich von 0,26–0,38. In ausländischen Quellen wird der Luftwiderstandsbeiwert manchmal als Cd (cw-Koeffizient) bezeichnet. Ein tropfenförmiger Körper hat eine ideale Stromlinienform, deren Cx gleich 0,04 ist. Bei der Bewegung durchschneidet es sanft die Luftströmungen, die sich dann nahtlos und ohne Unterbrechungen in seinem „Schwanz“ schließen.

Luftmassen verhalten sich anders, wenn sich das Auto bewegt. Der Luftwiderstand besteht dabei aus drei Komponenten:

• Innenwiderstand beim Luftdurchgang durch Motorraum und Innenraum,
• Reibungswiderstand von Luftströmungen an den Außenflächen des Körpers und
• Widerstand bilden.

Die dritte Komponente hat den größten Einfluss auf die Aerodynamik des Autos. Bei der Bewegung komprimiert das Auto die Luftmassen vor sich, wodurch ein Bereich mit hohem Druck entsteht. Luftströme umströmen den Körper, und wo er endet, wird der Luftstrom getrennt, es entstehen Turbulenzen und ein Bereich mit Unterdruck. So verhindert der Hochdruckbereich vorne, dass sich das Auto vorwärts bewegt, und der Niederdruckbereich hinten "saugt" es zurück. Die Stärke der Turbulenzen und die Größe des Unterdruckgebiets wird durch die Form des Körperhecks bestimmt.

Die beste Stromlinienleistung zeigen Autos mit abgestuftem Heck - Limousinen und Coupés. Die Erklärung ist einfach: Der aus dem Dach entwichene Luftstrom trifft sofort auf den Kofferraumdeckel, normalisiert sich dort und reißt schließlich von seiner Kante ab. Auch Seitenströme fallen auf den Kofferraum, was verhindert, dass hinter dem Auto schädliche Wirbel entstehen. Je höher und länger der Kofferraumdeckel, desto besser die aerodynamische Leistung. Bei großen Limousinen und Coupés ist teilweise sogar eine nahtlose Umströmung der Karosserie möglich. Eine leichte Verjüngung des Hecks trägt ebenfalls zur Reduzierung von Cx bei. Die Kante des Stammes ist scharf oder in Form eines kleinen Vorsprungs ausgeführt - dies gewährleistet die Trennung des Luftstroms ohne Turbulenzen. Dadurch ist die Austragsfläche hinter dem Fahrzeug klein.

Der Boden des Autos hat auch Einfluss auf seine Aerodynamik. Die hervorstehenden Teile der Aufhängung und der Abgasanlage erhöhen den Luftwiderstand. Um es zu reduzieren, versuchen sie, den Boden so weit wie möglich zu glätten oder alles, was unter der Stoßstange „herausragt“, mit Schilden abzudecken. Manchmal ist ein kleiner Frontspoiler verbaut. Der Spoiler reduziert den Luftstrom unter dem Fahrzeug. Aber hier ist es wichtig, das Maß zu kennen. Ein großer Spoiler erhöht den Widerstand erheblich, aber das Auto "kuschelt" sich besser an die Straße. Aber dazu mehr im nächsten Abschnitt.

Abtrieb

Wenn sich das Auto bewegt, verläuft der Luftstrom unter seinem Boden in einer geraden Linie und der obere Teil des Stroms geht um die Karosserie herum, dh er legt eine längere Strecke zurück. Daher ist die Geschwindigkeit des oberen Stroms höher als die des unteren. Und nach den Gesetzen der Physik gilt: Je höher die Luftgeschwindigkeit, desto niedriger der Druck. Folglich wird unter dem Boden ein Bereich mit erhöhtem Druck und oben ein niedrigerer Druck erzeugt. Dadurch entsteht eine Auftriebskraft. Und obwohl sein Wert klein ist, besteht das Problem darin, dass er entlang der Achsen ungleichmäßig verteilt ist. Wird die Vorderachse durch einen auf Motorhaube und Windschutzscheibe drückenden Strahl belastet, so wird die Hinterachse zusätzlich durch die hinter dem Auto gebildete Entlastungszone entlastet. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt daher die Stabilität ab und das Auto neigt zum Schleudern.

Gegen dieses Phänomen müssen die Konstrukteure herkömmlicher Serienfahrzeuge keine besonderen Maßnahmen erfinden, denn was zur Verbesserung der Stromlinienform getan wird, erhöht gleichzeitig den Abtrieb. Beispielsweise reduziert die Optimierung des Hecks die Unterdruckzone hinter dem Auto und damit den Auftrieb. Die Nivellierung des Bodens verringert nicht nur den Luftwiderstand, sondern erhöht auch die Strömungsgeschwindigkeit und reduziert somit den Druck unter dem Fahrzeug. Und dies wiederum führt zu einer Abnahme des Auftriebs. Ebenso erfüllt der Heckspoiler zwei Aufgaben. Es reduziert nicht nur die Wirbelbildung und verbessert Cx, sondern drückt gleichzeitig das Auto durch den von ihm abgestoßenen Luftstrom auf die Straße. Manchmal ist ein Heckspoiler nur dazu bestimmt, den Abtrieb zu erhöhen. In diesem Fall ist es groß und geneigt oder einziehbar ausgeführt und tritt nur bei hohen Geschwindigkeiten in Betrieb.

Bei Sport- und Rennmodellen sind die beschriebenen Maßnahmen natürlich wirkungslos. Um sie auf der Straße zu halten, muss viel Abtrieb erzeugt werden. Dafür kommen ein großer Frontspoiler, Seitenschweller und Heckflügel zum Einsatz. Aber in Serienautos installiert, spielen diese Elemente nur eine dekorative Rolle und amüsieren den Stolz des Besitzers. Sie bringen keinen praktischen Nutzen, sondern erhöhen im Gegenteil den Bewegungswiderstand. Viele Autofahrer verwechseln übrigens einen Spoiler mit einem Flügel, obwohl es ziemlich einfach ist, zwischen ihnen zu unterscheiden. Der Spoiler wird immer an die Karosserie gepresst und bildet mit ihr eine Einheit. Der Flügel ist in einiger Entfernung vom Körper installiert.

Praktische Aerodynamik

Wenn Sie ein paar einfache Regeln befolgen, können Sie Einsparungen in der Luft erzielen, indem Sie den Kraftstoffverbrauch senken. Diese Tipps werden jedoch nur für diejenigen nützlich sein, die oft und viel auf der Strecke fahren.

Beim Fahren wird ein erheblicher Teil der Motorleistung für die Überwindung des Luftwiderstands aufgewendet. Je höher die Geschwindigkeit, desto höher der Widerstand (und damit der Kraftstoffverbrauch). Wenn Sie also auch nur um 10 km/h langsamer werden, sparen Sie bis zu 1 Liter auf 100 km. In diesem Fall ist der Zeitverlust unbedeutend. Diese Wahrheit ist jedoch den meisten Fahrern bekannt. Aber auch andere „aerodynamische“ Feinheiten sind nicht jedem bekannt.

Der Kraftstoffverbrauch hängt vom Luftwiderstandsbeiwert und der Querschnittsfläche des Fahrzeugs ab. Wenn Sie glauben, dass diese Parameter werkseitig eingestellt sind und der Autobesitzer sie nicht ändern kann, dann irren Sie sich! Sie zu ändern ist überhaupt nicht schwierig, und Sie können sowohl positive als auch negative Effekte erzielen.

Was erhöht den Verbrauch? Unangemessen "frisst" die Kraftstoffladung auf dem Dach. Und selbst eine stromlinienförmige Kiste braucht mindestens einen Liter pro Hundert. Es ist irrational, während der Fahrt Kraftstoff zu verbrennen, wenn Fenster und Schiebedächer geöffnet sind. Wenn Sie eine lange Ladung mit angelehntem Kofferraum transportieren, werden Sie ebenfalls überrollt. Verschiedene dekorative Elemente wie eine Verkleidung auf der Motorhaube („Fliegenklatschen“), „Kenguryatnik“, ein Flügel und andere Elemente des hausgemachten Tunings werden Sie, obwohl sie ästhetisches Vergnügen bereiten, zusätzlich fordern. Schauen Sie unter den Boden - für alles, was durchhängt und unterhalb der Schwellenlinie aussieht, müssen Sie extra bezahlen. Selbst eine Kleinigkeit wie das Fehlen von Kunststoffkappen auf Stahlrädern erhöht den Verbrauch. Jeder aufgeführte Faktor oder jedes Detail erhöht den Verbrauch individuell um einen kleinen Betrag - von 50 bis 500 g pro 100 km. Aber wenn Sie alles zusammenfassen, wird es wieder "einlaufen", ungefähr ein Liter pro Hundert. Diese Berechnungen gelten für Kleinwagen bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h. Besitzer großer Autos und Liebhaber hoher Geschwindigkeiten stellen sich auf steigenden Verbrauch ein.

Wenn alle oben genannten Bedingungen erfüllt sind, können wir unnötige Ausgaben vermeiden. Ist es möglich, Verluste weiter zu reduzieren? Dürfen! Dies erfordert jedoch eine kleine externe Abstimmung (wir sprechen natürlich von professionell hergestellten Elementen). Das vordere Aerodynamik-Kit verhindert, dass der Luftstrom unter dem Fahrzeugboden "bricht", der Schweller bedeckt den hervorstehenden Teil der Räder, der Spoiler verhindert die Bildung von Turbulenzen hinter dem "Heck" des Fahrzeugs. Obwohl der Spoiler in der Regel bereits in der Karosseriestruktur eines modernen Autos enthalten ist.

Es ist also durchaus realistisch, Einsparungen aus dem Nichts zu erzielen.

Das derzeitige Reglement erlaubt Teams, in einem Windkanal Automodelle zu testen, die 60 % des Maßstabs nicht überschreiten. In einem Interview mit F1Racing sprach der ehemalige technische Direktor des Renault-Teams, Pat Symonds, über die Besonderheiten dieses Jobs …

Pat Symonds: „Heute arbeiten alle Teams mit Modellen im Maßstab von 50 % oder 60 %, aber das war nicht immer so. Die ersten aerodynamischen Tests in den 80er Jahren wurden mit Modellen von 25% des realen Wertes durchgeführt – die Leistung der Windkanäle an der University of Southampton und dem Imperial College in London ließ nicht mehr zu – nur dort war es möglich, Modelle anzubauen eine bewegliche Basis. Dann tauchten Windkanäle auf, in denen es möglich war, mit Modellen zu 33 % und 50 % zu arbeiten, und jetzt einigten sich die Teams aus Kostengründen darauf, Modelle nicht mehr als 60 % bei einer Luftstromgeschwindigkeit von nein zu testen mehr als 50 Meter pro Sekunde.

Bei der Wahl des Maßstabs des Modells gehen die Teams von den Möglichkeiten des vorhandenen Windkanals aus. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, sollten die Abmessungen des Modells 5% des Arbeitsbereichs des Rohrs nicht überschreiten. Modelle im kleineren Maßstab sind billiger herzustellen, aber je kleiner das Modell ist, desto schwieriger ist es, die erforderliche Genauigkeit beizubehalten. Wie bei vielen anderen Themen bei der Entwicklung von Formel-1-Autos gilt es auch hier, den besten Kompromiss zu finden.

Früher wurden Modelle aus dem Holz des in Malaysia wachsenden Dier-Baums hergestellt, das eine geringe Dichte hat, jetzt werden Laser-Stereolithografie-Geräte verwendet – ein Infrarot-Laserstrahl polymerisiert ein Verbundmaterial, wodurch ein Teil mit bestimmten Eigenschaften entsteht. Mit dieser Methode können Sie die Wirksamkeit einer neuen Konstruktionsidee in wenigen Stunden im Windkanal testen.

Je genauer das Modell hergestellt wird, desto zuverlässiger sind die Informationen, die während des Blasens erhalten werden. Hier ist jede Kleinigkeit wichtig, selbst durch die Auspuffrohre muss der Gasstrom mit der gleichen Geschwindigkeit wie in einem echten Auto strömen. Die Teams versuchen, in der Simulation die höchstmögliche Genauigkeit für die vorhandene Ausrüstung zu erreichen.

Viele Jahre lang wurden Nylon- oder Karbonfasernachbildungen anstelle von Reifen verwendet, aber bedeutende Fortschritte wurden erzielt, als Michelin Nachbildungen ihrer Rennreifen herstellte. Das Automodell ist mit vielen Sensoren zur Messung des Luftdrucks und einem System ausgestattet, mit dem Sie das Gleichgewicht ändern können.

Modelle inklusive der darauf verbauten Messtechnik sind nicht viel günstiger als echte Autos – sie kosten beispielsweise mehr als echte GP2-Autos. Dies ist eigentlich eine ultrakomplexe Lösung. Ein Basisrahmen mit Sensoren kostet etwa 800.000 US-Dollar und kann mehrere Jahre verwendet werden, aber normalerweise haben Teams zwei Sets, um die Arbeit am Laufen zu halten.

Jede Überarbeitung von Karosserie oder Aufhängung führt dazu, dass eine neue Version des Bodykits hergestellt werden muss, was eine weitere Viertelmillion kostet. Gleichzeitig kostet der Betrieb des Windkanals selbst etwa tausend Dollar pro Stunde und erfordert die Anwesenheit von 90 Mitarbeitern. Seriöse Teams geben etwa 18 Millionen Dollar pro Saison für diese Studien aus.

Die Kosten zahlen sich aus. Eine Erhöhung des Abtriebs um 1 % ermöglicht es Ihnen, auf einer echten Strecke eine Zehntelsekunde zurückzugewinnen. In einem stabilen Zeitplan spielen Ingenieure etwa so viel im Monat, sodass allein in der Modellierungsabteilung einer von zehn das Team eine halbe Million Dollar kostet.

Seit der erste Mensch einen geschärften Stein am Ende eines Speers befestigte, haben die Menschen immer versucht, die beste Form für Objekte zu finden, die sich in der Luft bewegen. Aber das Auto erwies sich als ein sehr schwieriges aerodynamisches Puzzle.

Die Grundlagen der Straßentraktionsberechnung liefern uns vier grundlegende Kräfte, die auf ein Fahrzeug einwirken, während es in Bewegung ist: Luftwiderstand, Rollwiderstand, Steigwiderstand und Trägheitskräfte. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die ersten beiden die wichtigsten sind. Die Rollwiderstandskraft eines Autorades hängt hauptsächlich von der Verformung des Reifens und der Straße in der Kontaktzone ab. Aber bereits bei einer Geschwindigkeit von 50-60 km / h übertrifft die Luftwiderstandskraft alle anderen und bei Geschwindigkeiten über 70-100 km / h übertrifft sie alle zusammen. Um diese Aussage zu beweisen, ist es notwendig, die folgende ungefähre Formel anzugeben: Px=Cx*F*v2, wobei: Px – Luftwiderstandskraft; v – Fahrzeuggeschwindigkeit (m/s); F ist die Fläche der Projektion des Autos auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Autos oder die Fläche des größten Querschnitts des Autos, d. H. Frontfläche (m2); Cx ist der Luftwiderstandskoeffizient (Stromlinienkoeffizient). Beachten Sie. Die Geschwindigkeit in der Formel wird quadriert, was bedeutet, dass bei einer Verdoppelung beispielsweise die Luftwiderstandskraft vervierfacht wird.

Gleichzeitig verachtfachen sich die zu ihrer Überwindung erforderlichen Stromkosten! Bei Nascar-Rennen, bei denen die Geschwindigkeit die 300-km/h-Marke überschreitet, wurde experimentell festgestellt, dass zur Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit um nur 8 km/h die Motorleistung um 62 kW (83 PS) erhöht oder Cx reduziert werden muss um 15% . Es gibt einen anderen Weg - den Frontbereich des Autos zu reduzieren. Viele Hochgeschwindigkeits-Supersportwagen sind deutlich niedriger als herkömmliche Autos. Dies ist nur ein Zeichen der Arbeit, um den Frontbereich zu reduzieren. Dieses Verfahren kann jedoch bis zu gewissen Grenzen durchgeführt werden, da sonst ein solches Auto nicht verwendet werden kann. Aus diesem und anderen Gründen ist die Stromlinienform eines der Hauptprobleme, die sich bei der Konstruktion eines Autos stellen. Natürlich wird die Widerstandskraft nicht nur von der Geschwindigkeit des Autos und seinen geometrischen Parametern beeinflusst. Je höher beispielsweise die Luftstromdichte, desto größer der Widerstand. Die Dichte der Luft hängt wiederum direkt von ihrer Temperatur und Höhe über dem Meeresspiegel ab. Mit steigender Temperatur nimmt die Luftdichte (und damit ihre Viskosität) zu, während hoch in den Bergen die Luft dünner und ihre Dichte geringer wird und so weiter. Es gibt viele solcher Nuancen.

Aber zurück zur Form des Autos. Welcher Artikel hat den besten Fluss? Die Antwort auf diese Frage ist fast jedem Schüler bekannt (der im Physikunterricht nicht geschlafen hat). Ein herunterfallender Wassertropfen nimmt eine aerodynamisch akzeptable Form an. Das heißt, eine abgerundete Vorderfläche und eine sich sanft verjüngende lange Rückseite (das beste Verhältnis ist das 6-fache der Länge der Breite). Der Luftwiderstandsbeiwert ist ein experimenteller Wert. Numerisch entspricht er der Luftwiderstandskraft in Newton, die entsteht, wenn er sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s pro 1 m2 Frontfläche bewegt. Es ist üblich, Cx einer flachen Platte als Referenzeinheit zu betrachten = 1. Für einen Wassertropfen ist also Cx = 0,04. Stellen Sie sich jetzt so ein Auto vor. Unsinn, oder? Ein solches Gerät auf Rädern wird nicht nur etwas karikiert aussehen, es wird auch nicht sehr bequem sein, dieses Auto für seinen beabsichtigten Zweck zu verwenden. Daher sind Designer gezwungen, einen Kompromiss zwischen der Aerodynamik des Autos und der Benutzerfreundlichkeit zu finden. Ständige Versuche, den Luftwiderstandsbeiwert zu reduzieren, haben dazu geführt, dass einige moderne Autos Cx = 0,28-0,25 haben. Nun, Hochgeschwindigkeits-Rekordautos können Cx = 0,2-0,15 vorweisen.

Widerstandskräfte

Jetzt müssen wir ein wenig über die Eigenschaften der Luft sprechen. Wie Sie wissen, besteht jedes Gas aus Molekülen. Sie sind in ständiger Bewegung und Interaktion miteinander. Es gibt sogenannte Van-der-Waals-Kräfte - Kräfte der gegenseitigen Anziehung von Molekülen, die ihre Bewegung relativ zueinander verhindern. Einige von ihnen fangen an, stärker an den anderen zu haften. Und mit zunehmender chaotischer Bewegung von Molekülen nimmt die Wirksamkeit des Aufpralls einer Luftschicht auf eine andere zu und die Viskosität nimmt zu. Und dies geschieht aufgrund einer Erhöhung der Lufttemperatur, die sowohl durch direkte Erwärmung durch die Sonne als auch indirekt durch Luftreibung auf einer beliebigen Oberfläche oder einfach durch ihre Schichten untereinander verursacht werden kann. Hier kommt die Geschwindigkeit ins Spiel. Um zu verstehen, wie sich dies auf das Auto auswirkt, versuchen Sie einfach, mit einer offenen Handfläche zu winken. Wenn Sie es langsam tun, passiert nichts, aber wenn Sie mit der Hand stärker winken, spürt die Handfläche bereits deutlich einen Widerstand. Aber das ist nur eine Komponente.

Wenn sich Luft über eine feste Oberfläche (z. B. eine Autokarosserie) bewegt, bewirken dieselben Van-der-Waals-Kräfte, dass die nächste Schicht von Molekülen daran zu haften beginnt. Und diese „hängengebliebene“ Schicht bremst die nächste aus. Und so Schicht für Schicht, und je schneller sich die Luftmoleküle bewegen, desto weiter sind sie von einer stationären Oberfläche entfernt. Am Ende gleicht sich ihre Geschwindigkeit der Geschwindigkeit des Hauptluftstroms an. Eine Schicht, in der sich Partikel langsam bewegen, wird als Grenzschicht bezeichnet und erscheint auf jeder Oberfläche. Je höher der Wert der Oberflächenenergie des Autolacks ist, desto stärker interagiert seine Oberfläche auf molekularer Ebene mit der Umgebungsluft und desto mehr Energie muss aufgewendet werden, um diese Kräfte zu zerstören. Nun, basierend auf den obigen theoretischen Berechnungen können wir sagen, dass Luftwiderstand nicht nur Wind ist, der auf die Windschutzscheibe schlägt. Dieser Prozess hat mehr Komponenten.

Formwiderstand

Dies ist der bedeutendste Teil - bis zu 60 % aller aerodynamischen Verluste. Es wird oft als Druckwiderstand oder Widerstand bezeichnet. Beim Fahren komprimiert das Auto den Luftstrom darauf und überwindet die Anstrengung, die Luftmoleküle auseinander zu drücken. Das Ergebnis ist eine Hochdruckzone. Dann umströmt die Luft die Oberfläche des Autos. Dabei brechen die Luftstrahlen unter Bildung von Turbulenzen ab. Durch die endgültige Ablösung des Luftstroms am Fahrzeugheck entsteht eine Unterdruckzone. Der Luftwiderstand an der Front und die Sogwirkung am Heck des Autos erzeugen eine sehr starke Reaktion. Diese Tatsache zwingt Designer und Designer, nach Möglichkeiten zu suchen, dem Körper etwas zu geben. Auf Regalen anordnen.

Jetzt müssen Sie die Form des Autos berücksichtigen, wie sie sagen, "von Stoßstange zu Stoßstange". Welche der Teile und Elemente haben einen größeren Einfluss auf die Gesamtaerodynamik der Maschine. Die Vorderseite des Körpers. Experimente in einem Windkanal haben ergeben, dass die Vorderseite der Karosserie für die beste Aerodynamik niedrig, breit und ohne scharfe Ecken sein sollte. In diesem Fall findet keine Ablösung des Luftstroms statt, was sich sehr positiv auf die Stromlinienform des Autos auswirkt. Der Kühlergrill ist oft nicht nur ein funktionales Element, sondern auch ein dekoratives. Schließlich müssen der Kühler und der Motor einen effektiven Luftstrom haben, daher ist dieses Element sehr wichtig. Einige Autohersteller studieren die Ergonomie und die Verteilung des Luftstroms im Motorraum genauso ernst wie die gesamte Aerodynamik des Autos. Die Neigung der Windschutzscheibe ist ein sehr deutliches Beispiel für den Kompromiss zwischen Stromlinienform, Ergonomie und Leistung. Seine unzureichende Neigung erzeugt einen übermäßigen Widerstand und seine übermäßige Neigung erhöht die Staubigkeit und die Masse des Glases selbst, die Sicht nimmt in der Dämmerung stark ab, es ist notwendig, die Größe des Scheibenwischers zu erhöhen usw. Der Übergang von Glas zu Seitenwand sollte durchgeführt werden glatt.

Sie sollten sich jedoch nicht zu einer übermäßigen Krümmung des Glases hinreißen lassen - dies kann die Verzerrung verstärken und die Sicht verschlechtern. Der Einfluss der Windschutzscheibensäule auf den Luftwiderstand hängt sehr stark von der Position und Form der Windschutzscheibe sowie von der Form der Frontpartie ab. Bei der Arbeit an der Form des Gepäckträgers dürfen wir jedoch nicht vergessen, die vorderen Seitenfenster vor Regenwasser und Schmutz zu schützen, der von der Windschutzscheibe geweht wird, und ein akzeptables Maß an äußeren aerodynamischen Geräuschen aufrechtzuerhalten usw. Dach. Eine Erhöhung der Dachwölbung kann zu einer Verringerung des Luftwiderstandsbeiwerts führen. Eine deutliche Zunahme der Wölbung kann jedoch mit dem Gesamtdesign des Autos in Konflikt geraten. Wenn außerdem die Zunahme der Wölbung mit einer gleichzeitigen Zunahme des Luftwiderstandsbereichs einhergeht, steigt die Luftwiderstandskraft. Wenn Sie andererseits versuchen, die ursprüngliche Höhe beizubehalten, müssen die Windschutzscheibe und die Heckscheibe in die Dächer eingeführt werden, da sich die Sicht nicht verschlechtern sollte. Dies führt zu einer Erhöhung der Brillenkosten, während die Verringerung der Luftwiderstandskraft in diesem Fall nicht so signifikant ist.

Seitenflächen. Aus Sicht der Aerodynamik des Autos haben die Seitenflächen wenig Einfluss auf die Erzeugung einer rotationsfreien Strömung. Aber man kann sie nicht zu sehr runden. Sonst wird es schwierig, in so ein Auto einzusteigen. Glas sollte möglichst mit der Seitenfläche eine Einheit bilden und auf einer Linie mit der Außenkontur des Autos liegen. Stufen und Stürze stellen zusätzliche Hindernisse für den Luftdurchgang dar, es treten unerwünschte Turbulenzen auf. Sie werden vielleicht feststellen, dass die Dachrinnen, die früher bei fast jedem Auto vorhanden waren, nicht mehr verwendet werden. Es sind andere Designlösungen aufgetaucht, die keinen so großen Einfluss auf die Aerodynamik des Autos haben.

Das Heck des Autos hat vielleicht den größten Einfluss auf den Strömungskoeffizienten. Es ist einfach erklärt. Am Heck reißt der Luftstrom ab und bildet Verwirbelungen. Es ist fast unmöglich, das Heck des Autos so stromlinienförmig wie ein Luftschiff zu machen (die Länge entspricht der 6-fachen Breite). Daher arbeiten sie sorgfältiger an seiner Form. Einer der Hauptparameter ist der Neigungswinkel des Fahrzeughecks. Das Beispiel des russischen Autos "Moskvich-2141" ist bereits zu einem Lehrbuch geworden, in dem die erfolglose Lösung des hinteren Teils die Gesamtaerodynamik des Autos erheblich verschlechterte. Dafür blieb die Heckscheibe des „Moskowiters“ immer sauber. Wieder ein Kompromiss. Deshalb werden so viele zusätzliche Anbauteile speziell für das Autoheck angefertigt: Heckflügel, Spoiler etc. Neben dem Neigungswinkel des Hecks hat die Gestaltung und Form der Seitenkante des Autohecks großen Einfluss der Luftwiderstandsbeiwert. Wenn Sie zum Beispiel fast jedes moderne Auto von oben betrachten, können Sie sofort erkennen, dass die vordere Karosserie breiter ist als die hintere. Auch das ist Aerodynamik. Die Unterseite des Autos.

Wie es auf den ersten Blick scheinen mag, kann dieser Körperteil die Aerodynamik nicht beeinflussen. Aber dann gibt es da noch so einen Aspekt wie Abtrieb. Die Stabilität des Autos hängt davon ab und wie gut der Luftstrom unter dem Boden des Autos organisiert ist, hängt davon ab, wie stark es an der Straße "haftet". Das heißt, wenn die Luft unter dem Auto nicht verweilt, sondern schnell fließt, drückt der dort auftretende Unterdruck das Auto auf die Fahrbahn. Dies ist besonders wichtig für gewöhnliche Autos. Fakt ist, dass man bei Rennwagen, die auf hochwertigen, ebenen Untergründen antreten, den Freigang so gering einstellen kann, dass der Effekt des „Erdpolsters“ einsetzt, bei dem der Abtrieb zunimmt und der Luftwiderstand abnimmt. Für normale Autos ist eine geringe Bodenfreiheit nicht akzeptabel. Daher versuchen Designer in letzter Zeit, den Fahrzeugboden so weit wie möglich zu glätten, unebene Elemente wie Auspuffrohre, Querlenker usw. mit Schilden abzudecken Radläufe haben übrigens einen sehr großen Einfluss auf die Aerodynamik von dem Auto. Falsch gestaltete Nischen können zusätzlichen Auftrieb erzeugen.

Und wieder der Wind

Dass die benötigte Motorleistung von der Stromlinienform des Autos und damit vom Spritverbrauch (also dem Geldbeutel) abhängt, muss nicht extra erwähnt werden. Die Aerodynamik wirkt sich jedoch nicht nur auf Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit aus. Nicht den letzten Platz nehmen die Aufgaben ein, eine gute Richtungsstabilität, Fahrzeugbeherrschbarkeit und Geräuschreduzierung während der Fahrt zu gewährleisten. Beim Lärm ist alles klar: Je besser die Stromlinienform des Autos, die Qualität der Oberflächen, je kleiner die Größe der Spalte und die Anzahl der hervorstehenden Elemente usw., desto weniger Lärm. Designer müssen über einen Aspekt wie das Wendemoment nachdenken. Dieser Effekt ist den meisten Autofahrern bekannt. Jeder, der schon einmal mit hoher Geschwindigkeit an einem „LKW“ vorbeigefahren ist oder einfach nur bei starkem Seitenwind gefahren ist, dürfte das Anscheinen eines Rollens oder sogar ein leichtes Drehen des Autos gespürt haben. Es macht keinen Sinn, diesen Effekt zu erklären, aber genau das ist das Problem der Aerodynamik.

Deshalb ist der Koeffizient Cx nicht eindeutig. Schließlich kann Luft dem Auto nicht nur „auf die Stirn“ treffen, sondern auch in unterschiedlichen Winkeln und in unterschiedlichen Richtungen. Und das alles wirkt sich auf Handling und Sicherheit aus. Dies sind nur einige der Hauptaspekte, die die Gesamtkraft des Luftwiderstands beeinflussen. Es ist unmöglich, alle Parameter zu berechnen. Bestehende Formeln geben kein vollständiges Bild. Daher studieren Designer die Aerodynamik des Autos und korrigieren seine Form mit Hilfe eines so teuren Werkzeugs wie einem Windkanal. Westliche Firmen sparen kein Geld für ihren Bau. Die Kosten für solche Forschungszentren können in die Millionen Dollar gehen. Zum Beispiel: Der Daimler-Chrysler-Konzern investierte 37,5 Millionen Dollar in die Schaffung eines spezialisierten Komplexes zur Verbesserung der Aerodynamik seiner Autos. Der Windkanal ist derzeit das bedeutendste Instrument, um die auf das Auto wirkenden Luftwiderstandskräfte zu untersuchen.

Softwarepaket für computergestützte Aero- und Hydrodynamik Flow-Vision entwickelt für virtuelle aerodynamische Blowdowns verschiedener technischer oder natürlicher Objekte. Als Objekte können Transportprodukte, Energieanlagen, militärisch-industrielle Produkte und andere dienen. Flow-Vision ermöglicht es, die Umströmung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Anströmung und bei unterschiedlichen Graden ihrer Störung (Turbulenzgrad) zu simulieren.

Der Modellierungsprozess wird streng in einer dreidimensionalen räumlichen Formulierung des Problems durchgeführt und verläuft nach dem „as is“-Prinzip, was die Möglichkeit beinhaltet, ein vollwertiges geometrisches Modell des Benutzerobjekts ohne Vereinfachungen zu studieren. Das erstellte System zur Verarbeitung importierter dreidimensionaler Geometrie ermöglicht es Ihnen, problemlos mit Modellen beliebiger Komplexität zu arbeiten, wobei der Benutzer tatsächlich den Detaillierungsgrad seines Objekts auswählt - ob er ein vereinfachtes geglättetes Modell durchblasen möchte oder nicht Außenkonturen oder ein vollwertiges Modell mit Vorhandensein aller Strukturelemente bis hin zu Schraubenköpfen an den Felgen und dem Herstellerlogo in Form einer Figur auf der Nase des Autos.

Geschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Karosserie eines Rennwagens.

Alle Details werden berücksichtigt - die Speichen der Räder, die Wirkung der Asymmetrie der Speichen des Lenkrads auf das Strömungsmuster.

Flow-Vision wurde vor mehr als 10 Jahren von einem russischen Entwicklerteam (TESIS, Russland) erstellt und basiert auf den Entwicklungen der russischen Grund- und Mathematikschule. Das System wurde in der Erwartung geschaffen, dass Nutzer mit sehr unterschiedlichen Qualifikationen damit arbeiten werden – Studenten, Lehrer, Designer und Wissenschaftler. Sie können sowohl einfache als auch komplexe Probleme gleichermaßen effektiv lösen.

Das Produkt wird in verschiedenen Branchen, Wissenschaft und Bildung eingesetzt - Luftfahrt, Kosmonautik, Energie, Schiffbau, Automobil, Ökologie, Maschinenbau, verarbeitende und chemische Industrie, Medizin, Nuklearindustrie und Verteidigungssektor und verfügt über die größte Installationsbasis in Russland.

Im Jahr 2001 wurde FlowVision auf Beschluss des Hauptrates des Ministeriums der Russischen Föderation zur Aufnahme in den Lehrplan für Fluid- und Gasmechanik an russischen Universitäten empfohlen. Derzeit wird FlowVision als integraler Bestandteil des Bildungsprozesses der führenden russischen Universitäten eingesetzt - Moskauer Institut für Physik und Technologie, MPEI, Staatliche Technische Universität St. Petersburg, Wladimir-Universität, UNN und andere.

Im Jahr 2005 wurde FlowVision vom staatlichen Standard der Russischen Föderation getestet und erhielt ein Konformitätszertifikat.

Hauptmerkmale

Im Kern Flow-Vision das Prinzip des Massenerhaltungsgesetzes liegt - die in das gefüllte geschlossene berechnete Volumen eintretende Stoffmenge ist gleich der davon abnehmenden Stoffmenge (siehe Abb. 1).

Reis. 1 Prinzip des Massenerhaltungsgesetzes

Die Lösung für ein solches Problem erfolgt, indem der Mittelwert einer Größe in einem bestimmten Volumen auf der Grundlage von Daten an den Grenzen ermittelt wird (das Ostrogradsky-Gauß-Theorem).

Reis. 2 Volumenintegration basierend auf Grenzwerten

Um eine genauere Lösung zu erhalten, wird das ursprünglich berechnete Volumen in kleinere Volumina unterteilt.

Reis. 3 Verdickung des Rechengitters

Die Prozedur zum Teilen des ursprünglichen Volumens in kleinere Volumen wird aufgerufen BAU DES RECHENGITTERS , und das Array der resultierenden Volumes ist BERECHNUNGSGITTER . Jedes Volumen, das beim Aufbau des Rechengitters erhalten wird, wird aufgerufen BERECHNETE ZELLE , bei denen jeweils auch das Gleichgewicht der ankommenden und abgehenden Masse beobachtet wird. Das geschlossene Volumen, in dem das Berechnungsgitter aufgebaut ist, wird genannt BERECHNUNGSBEREICH .

Die Architektur

Ideologie Flow-Vision basiert auf einer verteilten Architektur, bei der sich die Softwareeinheit, die arithmetische Berechnungen durchführt, auf jedem Rechner im Netzwerk befinden kann - auf einem Hochleistungscluster oder Laptop. Die Architektur des Softwarepakets ist modular, was die problemlose Einführung von Verbesserungen und neuen Funktionen ermöglicht. Die Hauptmodule sind der PrePostProcessor und der Solver-Block sowie mehrere Hilfsblöcke, die verschiedene Operationen zur Überwachung und Optimierung durchführen.

Druckverteilung über die Karosserie eines Sportwagens

Der funktionale Zweck des Vorprozessors umfasst das Importieren der Geometrie des Berechnungsbereichs aus geometrischen Modellierungssystemen, das Festlegen des Umgebungsmodells, das Festlegen der Anfangs- und Randbedingungen, das Bearbeiten oder Importieren des Berechnungsgitters und das Festlegen der Konvergenzkriterien, wonach die Steuerung an den übertragen wird Solver, der mit dem Aufbau des Rechengitters beginnt und die Berechnung gemäß den vorgegebenen Parametern durchführt. Während des Berechnungsprozesses hat der Benutzer die Möglichkeit, die Berechnung visuell und quantitativ zu überwachen und den Prozess der Lösungsentwicklung mit den Postprozessor-Tools zu bewerten. Wenn der erforderliche Wert des Konvergenzkriteriums erreicht ist, kann der Zählvorgang gestoppt werden, wonach das Ergebnis dem Benutzer vollständig zur Verfügung steht, der mit den Postprozessor-Tools die Daten verarbeiten - die Ergebnisse visualisieren und mit anschließendem Speichern quantifizieren kann externe Datenformate.

Berechnungsraster

IN Flow-Vision Es wird ein rechteckiges Rechengitter verwendet, das sich automatisch an die Grenzen des Rechengebiets und der Lösung anpasst. Eine Annäherung von krummlinigen Grenzen mit einem hohen Maß an Genauigkeit wird durch die Verwendung des Subgrid-Geometrie-Auflösungsverfahrens bereitgestellt. Mit diesem Ansatz können Sie mit geometrischen Modellen arbeiten, die aus beliebig komplexen Oberflächen bestehen.

Anfängliche Rechendomäne

Orthogonales Raster, das über die Fläche gelegt wird

Beschneiden des anfänglichen Rasters an den Grenzen der Region

Endgültiges Rechengitter

Automatische Konstruktion des Rechengitters unter Berücksichtigung der Krümmung der Oberfläche

Falls es notwendig ist, die Lösung am Rand oder an der richtigen Stelle des Rechenvolumens zu verfeinern, ist es möglich, das Rechengitter dynamisch anzupassen. Anpassung ist die Aufspaltung von untergeordneten Zellen in kleinere Zellen. Die Anpassung kann nach Randbedingung, nach Volumen und nach Lösung erfolgen. Das Gitter wird an der angegebenen Grenze, an der angegebenen Stelle im Rechengebiet oder durch Entscheidung unter Berücksichtigung der Änderung der Variablen und des Gradienten angepasst. Die Anpassung erfolgt sowohl in Richtung der Netzverfeinerung als auch in die entgegengesetzte Richtung - das Zusammenführen kleiner Zellen in größere bis zum Einstiegsnetz.

Netzanpassungstechnologie

Bewegliche Körper

Die Moving-Body-Technologie ermöglicht es, einen Körper beliebiger geometrischer Form innerhalb des Rechenbereichs zu platzieren und ihm eine Translations- und/oder Rotationsbewegung zu verleihen. Das Bewegungsgesetz kann zeitlich und räumlich konstant oder variabel sein. Körperbewegung wird auf drei Arten definiert:

Explizit durch Einstellen der Geschwindigkeit des Körpers;
- durch Einstellen der auf den Körper wirkenden Kraft und Verschieben vom Ausgangspunkt

Durch den Einfluss der Umgebung, in der sich der Körper befindet.

Alle drei Verfahren können miteinander kombiniert werden.

Fallenlassen einer Rakete in einer instabilen Strömung unter der Wirkung der Schwerkraft

Reproduktion des Mach-Erlebnisses: die Bewegung der Kugel mit einer Geschwindigkeit von 800 m/s

Paralleles Rechnen

Eines der Hauptmerkmale des Softwarepakets Flow-Vision parallele Rechentechnologien, wenn mehrere Prozessoren oder Prozessorkerne zur Lösung eines Problems verwendet werden, wodurch die Berechnung proportional zu ihrer Anzahl beschleunigt werden kann.

Beschleunigung der Aufgabenberechnung, abhängig von der Anzahl der beteiligten Kerne

Der Startvorgang im Parallelmodus ist vollständig automatisiert. Der Benutzer muss nur die Anzahl der Kerne oder Prozessoren angeben, auf denen die Aufgabe ausgeführt werden soll. Alle weiteren Aktionen zum Aufteilen der Rechendomäne in Teile und zum Austauschen von Daten zwischen ihnen werden vom Algorithmus unabhängig ausgeführt, wobei die besten Parameter ausgewählt werden.

Zerlegung von oberflächennahen Zellen in 16 Prozessoren für Zwei-Wagen-Probleme

Befehl Flow-Vision unterhält enge Beziehungen zu Vertretern der in- und ausländischen HPC-Community (High Performance Computing) und beteiligt sich an gemeinsamen Projekten, die darauf abzielen, neue Möglichkeiten im Bereich der Leistungssteigerung im parallelen Rechnen zu erschließen.

Im Jahr 2007 nahm FlowVision zusammen mit dem Forschungs- und Entwicklungszentrum der Moskauer Staatsuniversität am Bundesprogramm zur Schaffung eines nationalen Teraflop-Parallel-Abrechnungssystems teil. Im Rahmen des Programms passt das Entwicklungsteam FlowVision für Large-Scale-Computing auf modernster Technologie an. Als Testhardwareplattform wird der SKIF-Chebyshev-Cluster verwendet, der im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Moskauer Staatsuniversität installiert ist.

Cluster SKIF-Chebyshev installiert im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Staatlichen Universität Moskau

Im Jahr 2009 wurde das FlowVision-Team zusammen mit dem Forschungs- und Entwicklungszentrum der Moskauer Staatsuniversität, der Firma Sigma Technology und dem staatlichen Wissenschaftszentrum TsAGI Teilnehmer des föderalen Zielprogramms zur Entwicklung von Algorithmen zur Lösung von Problemen der parallelen Optimierung bei Problemen der Luftfahrt - und Hydrodynamik.

Text, Illustrationen: Firma TESIS

In vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik, die mit Geschwindigkeit zu tun haben, ist es oft notwendig, die auf ein Objekt wirkenden Kräfte zu berechnen. Ein modernes Auto, ein Kampfjet, ein U-Boot oder ein elektrischer Hochgeschwindigkeitszug – sie alle sind aerodynamischen Kräften ausgesetzt. Die Genauigkeit der Bestimmung der Größe dieser Kräfte wirkt sich direkt auf die technischen Eigenschaften dieser Objekte und ihre Fähigkeit aus, bestimmte Aufgaben auszuführen. Im allgemeinen bestimmen die Reibungskräfte das Leistungsniveau des Antriebssystems und die Querkräfte wirken sich auf die Steuerbarkeit des Objekts aus.

Im traditionellen Konstruktionsschema werden Blowdowns in Windkanälen (normalerweise kleinere Modelle), Tests in Pools und Tests in Originalgröße verwendet, um die Kräfte zu bestimmen. Allerdings ist jede experimentelle Forschung ein ziemlich teurer Weg, um solche Erkenntnisse zu erlangen. Um ein Modellgerät zu testen, müssen Sie es zunächst herstellen, dann ein Testprogramm erstellen, einen Ständer vorbereiten und schließlich eine Reihe von Messungen durchführen. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit der Testergebnisse in den meisten Fällen durch Annahmen beeinträchtigt, die durch Abweichungen von den tatsächlichen Betriebsbedingungen der Anlage verursacht werden.

Experiment oder Berechnung?

Betrachten wir die Gründe für die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen der Experimente und dem tatsächlichen Verhalten des Objekts genauer.

Bei der Untersuchung von Modellen unter beengten Platzverhältnissen, beispielsweise in Windkanälen, haben die Grenzflächen einen wesentlichen Einfluss auf die Struktur der Umströmung des Objekts. Eine Verkleinerung des Modells löst dieses Problem, allerdings sollte die Änderung der Reynolds-Zahl (der sogenannte Skaleneffekt) berücksichtigt werden.

In einigen Fällen können Verzerrungen durch eine grundlegende Abweichung zwischen den tatsächlichen Bedingungen der Umströmung des Körpers und den im Rohr simulierten Bedingungen verursacht werden. Wenn beispielsweise Hochgeschwindigkeitsautos oder -züge geblasen werden, verändert das Fehlen einer sich bewegenden horizontalen Oberfläche in einem Windkanal das gesamte Strömungsmuster ernsthaft und beeinflusst auch das Gleichgewicht der aerodynamischen Kräfte. Dieser Effekt ist mit dem Wachstum der Grenzschicht verbunden.

Messverfahren führen auch Fehler in die gemessenen Größen ein. Eine falsche Platzierung von Sensoren am Objekt oder eine falsche Ausrichtung ihrer Arbeitsteile kann zu falschen Ergebnissen führen.

Designbeschleunigung

Derzeit verwenden führende Industrieunternehmen in der Phase des vorläufigen Entwurfs in großem Umfang CAE-Computermodellierungstechnologien. Auf diese Weise können Sie bei der Suche nach dem optimalen Design mehr Optionen in Betracht ziehen.

Der aktuelle Entwicklungsstand des Softwarepakets ANSYS CFX erweitert den Anwendungsbereich erheblich: von der Modellierung laminarer Strömungen bis hin zu turbulenten Strömungen mit starker Anisotropie der Parameter.

Eine breite Palette von verwendeten Turbulenzmodellen umfasst traditionelle RANS-Modelle (Reynolds Averaged Navie-Stoks), die das beste Verhältnis von Geschwindigkeit zu Genauigkeit aufweisen, und das SST-Turbulenzmodell (Shear Stress Transport) (zweischichtiges Menter-Modell), das erfolgreich kombiniert wird die vorteile von „ke“ turbulenzmodellen und kw. Für Strömungen mit ausgeprägter Anisotropie sind RSM-Modelle (Reynolds-Spannungsmodell) besser geeignet. Eine direkte Berechnung der Turbulenzparameter in Richtungen ermöglicht es, die Eigenschaften der Wirbelbewegung der Strömung genauer zu bestimmen.

In einigen Fällen wird empfohlen, Modelle zu verwenden, die auf Wirbeltheorien basieren: DES (Detachable Eddy Simulation) und LES (Large Eddy Simulation). Speziell für Fälle, in denen es besonders wichtig ist, die Prozesse des laminar-turbulenten Übergangs zu berücksichtigen, wurde das Transition Turbulence Model entwickelt, basierend auf der bewährten SST-Technologie. Das Modell durchlief ein umfangreiches Testprogramm an verschiedenen Objekten (von Paddelmaschinen bis hin zu Passagierflugzeugen) und zeigte eine hervorragende Korrelation mit experimentellen Daten.

Luftfahrt

Die Entwicklung moderner Kampf- und Zivilflugzeuge ist ohne eine gründliche Analyse aller ihrer Eigenschaften in der ersten Entwurfsphase nicht möglich. Die Effizienz des Flugzeugs, seine Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit hängen direkt von der sorgfältigen Untersuchung der Form der Tragflächen und Konturen ab.

Heutzutage verwenden alle großen Flugzeughersteller bis zu einem gewissen Grad Computeranalysen bei der Entwicklung neuer Produkte.

Große Möglichkeiten zur Analyse komplexer Strömungen eröffnet den Forschern das Übergangsmodell der Turbulenz, das Strömungsregime nahe laminarer Strömungen mit ausgeprägten Zonen der Strömungsablösung und Wiederanlagerung korrekt analysiert. Dadurch wird der Unterschied zwischen den Ergebnissen numerischer Berechnungen und dem realen Bild der Strömung weiter verringert.

Automobil

Ein modernes Auto muss einen erhöhten Wirkungsgrad bei hoher Energieeffizienz aufweisen. Und natürlich sind die wichtigsten bestimmenden Komponenten der Motor und die Karosserie.

Um die Effizienz aller Motorsysteme sicherzustellen, setzen führende westliche Unternehmen seit langem Computersimulationstechnologien ein. Beispielsweise verwendete die Robert Bosch GmbH (Deutschland), ein Hersteller einer breiten Palette von Komponenten für moderne Dieselfahrzeuge, ANSYS CFX (zur Verbesserung der Einspritzleistung) bei der Entwicklung eines Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystems.

BMW, dessen Motoren mehrere Jahre in Folge zum International Engine of the Year gekürt wurden, nutzt ANSYS CFX, um Prozesse in Brennräumen von Verbrennungsmotoren zu simulieren.

Die äußere Aerodynamik ist auch ein Mittel zur Steigerung der Effizienz bei der Nutzung der Motorleistung. Normalerweise geht es nicht nur um die Reduzierung des Luftwiderstandsbeiwerts, sondern auch um die Abtriebsbalance, die für jedes Hochgeschwindigkeitsauto erforderlich ist.

Als ultimativer Ausdruck dieser Eigenschaften dienen Rennwagen verschiedener Klassen. Ausnahmslos alle Teilnehmer der F1-Meisterschaft nutzen Computeranalysen der Aerodynamik ihrer Autos. Sportliche Erfolge zeigen deutlich die Vorteile dieser Technologien, von denen viele bereits bei der Herstellung von Serienautos eingesetzt werden.

In Russland ist das Team Active-Pro Racing ein Pionier auf diesem Gebiet: Ein Formel-1600-Rennwagen mit einer Höchstgeschwindigkeit von über 250 km/h ist die Krönung des russischen Rundstrecken-Motorsports. Die Verwendung des ANSYS CFX-Komplexes (Abb. 4) für das Design eines neuen aerodynamischen Hecks des Autos ermöglichte es, die Anzahl der Designoptionen bei der Suche nach der optimalen Lösung erheblich zu reduzieren.

Der Vergleich der berechneten Daten mit den Ergebnissen von Blowdowns im Windkanal zeigte den erwarteten Unterschied. Dies wird durch den festen Boden im Rohr erklärt, der eine Zunahme der Dicke der Grenzschicht verursachte. Daher arbeiteten die recht niedrig angeordneten aerodynamischen Elemente unter ungewöhnlichen Bedingungen für sich.

Das Computermodell entsprach jedoch vollständig den realen Fahrbedingungen, wodurch die Effizienz des Gefieders des Autos erheblich verbessert werden konnte.

Konstruktion

Architekten können heute freier an das äußere Erscheinungsbild der entworfenen Gebäude herangehen als noch vor 20 oder 30 Jahren. Futuristische Kreationen moderner Architekten haben in der Regel komplexe geometrische Formen, für die die Werte der aerodynamischen Koeffizienten (die für die Zuordnung von Windlasten zu tragenden Strukturen erforderlich sind) unbekannt sind.

Dabei werden neben klassischen Windkanaltests zunehmend CAE-Tools eingesetzt, um die aerodynamischen Eigenschaften des Gebäudes (und Kraftfaktoren) zu erhalten. Ein Beispiel für eine solche Berechnung in ANSYS CFX ist in Abb. 2 dargestellt. fünf.

Darüber hinaus wird ANSYS CFX traditionell zur Modellierung von Lüftungs- und Heizsystemen für Industriegebäude, Verwaltungsgebäude, Büro-, Sport- und Unterhaltungskomplexe verwendet.

Die Ingenieure von Olof Granlund Oy (Finnland) verwendeten das Softwarepaket ANSYS CFX, um das Temperaturregime und die Art der Luftströmungen in der Eisarena des Krylatskoye-Sportkomplexes (Moskau) zu analysieren. Die Tribünen des Stadions können etwa 10.000 Zuschauer aufnehmen, und die Wärmebelastung von ihnen kann mehr als 1 MW betragen (bei einer Rate von 100-120 W/Person). Zum Vergleich: Um 1 Liter Wasser von 0 auf 100 °C zu erhitzen, werden etwas mehr als 4 kW Energie benötigt.

Reis. 5. Druckverteilung auf der Oberfläche von Strukturen

Zusammenfassen

Wie Sie sehen können, hat die Computertechnologie in der Aerodynamik ein Niveau erreicht, von dem wir vor 10 Jahren nur träumen konnten. Gleichzeitig sollte man der experimentellen Forschung die Computersimulation nicht entgegenstellen – viel besser ist es, wenn sich diese Methoden ergänzen.

ANSYS CFX ermöglicht es Ingenieuren auch, komplexe Probleme zu lösen, wie z. B. die Bestimmung der Verformung einer Struktur, wenn darauf aerodynamische Lasten einwirken. Dies trägt zu einer korrekteren Formulierung vieler Probleme sowohl der internen als auch der externen Aerodynamik bei: von Flatterproblemen von Blattmaschinen bis hin zu Wind- und Wellenbewegungen auf Offshore-Strukturen.

Alle Berechnungsfunktionen des ANSYS CFX-Komplexes sind auch in der ANSYS Workbench-Umgebung verfügbar.