Każdy wie, czym jest aerodynamika samochodu. Im bardziej opływowe nadwozie, tym mniejsze opory ruchu i zużycie paliwa. Taki samochód nie tylko zaoszczędzi Ci pieniądze, ale także wyrzuci mniej śmieci do środowiska. Odpowiedź jest prosta, ale daleka od pełnej. Specjaliści od aerodynamiki, wykańczając karoserię nowego modelu, również:
- obliczyć rozkład wzdłuż osi windy, co jest bardzo ważne przy dużych prędkościach nowoczesnych samochodów,
- zapewnić dostęp powietrza do chłodzenia silnika i hamulców,
- zastanów się nad miejscami wlotu i wylotu powietrza dla systemu wentylacji przedziału pasażerskiego,
- dążyć do zmniejszenia poziomu hałasu w kabinie,
- zoptymalizuj kształt części karoserii, aby zmniejszyć zanieczyszczenie szkła, luster i sprzętu oświetleniowego.
Co więcej, rozwiązanie jednego zadania często stoi w sprzeczności z realizacją innego. Na przykład zmniejszenie współczynnika oporu powietrza poprawia sprawność, ale jednocześnie zmniejsza odporność pojazdu na podmuchy bocznego wiatru. Dlatego eksperci muszą szukać rozsądnego kompromisu.
Zmniejszony opór
Od czego zależy siła oporu? Decydujący wpływ na to mają dwa parametry – współczynnik oporu aerodynamicznego Cx oraz powierzchnia przekroju pojazdu (na śródokręciu). Możesz zmniejszyć sekcję tułowia, obniżając i zwężając karoserię, ale na takie auto nie ma zbyt wielu nabywców. Dlatego głównym kierunkiem poprawy aerodynamiki samochodu jest optymalizacja opływu nadwozia, czyli zmniejszenie Cx. Współczynnik oporu Cx jest wielkością bezwymiarową, którą wyznacza się doświadczalnie. W przypadku nowoczesnych samochodów mieści się w przedziale 0,26-0,38. W źródłach zagranicznych współczynnik oporu jest czasami oznaczany jako Cd (współczynnik oporu). Korpus w kształcie kropli, którego Cx jest równy 0,04, posiada idealne opływowe kształty. Podczas ruchu płynnie przecina prądy powietrza, które następnie bez przeszkód, bez przerw, zamykają się w jego „ogonie”.
Masy powietrza zachowują się inaczej, gdy samochód jest w ruchu. Tutaj opór powietrza składa się z trzech elementów:
- opór wewnętrzny, gdy powietrze przechodzi przez komorę silnika i wnętrze,
- opór tarcia prądów powietrza na zewnętrznych powierzchniach ciała i
- tworzą opór.
Trzeci składnik ma największy wpływ na aerodynamikę samochodu. W ruchu samochód kompresuje znajdujące się przed nim masy powietrza, tworząc obszar zwiększonego ciśnienia. Wokół ciała opływają prądy powietrza, a tam, gdzie się kończy, przepływ powietrza zostaje oddzielony, powstaje turbulencja i obszar zmniejszonego ciśnienia. W ten sposób obszar wysokiego ciśnienia z przodu zapobiega poruszaniu się pojazdu do przodu, a obszar niskiego ciśnienia z tyłu „zasysa” go z powrotem. Siła wirów i wielkość obszaru obniżonego ciśnienia są określone przez kształt tylnej części ciała.
Najlepsze osiągi aerodynamiczne wykazują samochody ze schodkową częścią tylną - sedany i coupe. Wyjaśnienie jest proste – strumień powietrza, który spadł z dachu, natychmiast opada na klapę bagażnika, gdzie normalizuje się, a następnie w końcu odrywa swój brzeg. Przepływy boczne padają również na bagażnik, co zapobiega tworzeniu się szkodliwych wirów za samochodem. Dlatego im wyższa i dłuższa pokrywa bagażnika, tym lepsze właściwości aerodynamiczne. W dużych sedanach i coupé czasami można nawet uzyskać ciągły przepływ wokół nadwozia. Lekkie zwężenie tyłu również pomaga obniżyć Cx. Krawędź pnia jest ostra lub w formie niewielkiego występu - zapewnia to oddzielenie strumienia powietrza bez turbulencji. W efekcie obszar podciśnienia za pojazdem jest niewielki.
Podwozie samochodu również wpływa na jego aerodynamikę. Wystające elementy zawieszenia i układu wydechowego zwiększają opór. Aby to zmniejszyć starają się maksymalnie wygładzić dno lub zakryć osłonami wszystko, co „wystaje” poniżej zderzaka. Czasami montowany jest mały przedni spojler. Spoiler ogranicza przepływ powietrza pod pojazdem. Ale tutaj ważne jest, aby wiedzieć, kiedy przestać. Duży spojler znacznie zwiększy opór, ale auto będzie lepiej "tulić się" do drogi. Ale więcej o tym w następnej sekcji.
Siła docisku
Konstruktorzy konwencjonalnych samochodów produkcyjnych nie muszą wymyślać żadnych specjalnych środków do walki z tym zjawiskiem, ponieważ to, co robi się w celu poprawy aerodynamiczności, jednocześnie zwiększa siłę docisku. Na przykład optymalizacja tylnej części zmniejsza strefę podciśnienia za pojazdem, a tym samym zmniejsza udźwig. Wypoziomowanie podwozia nie tylko zmniejsza opory ruchu powietrza, ale także zwiększa prędkość przepływu, a tym samym zmniejsza ciśnienie pod pojazdem. To z kolei prowadzi do spadku siły nośnej. Tylny spojler służy również dwóm celom. Nie tylko zmniejsza powstawanie wirów, poprawiając Cx, ale również jednocześnie wypycha samochód na drogę dzięki odpychającemu go strumieniowi powietrza. Czasami tylny spojler jest zaprojektowany wyłącznie w celu zwiększenia siły docisku. W tym przypadku jest duży i przechylony lub chowany, wchodząc do pracy tylko przy dużych prędkościach.
W przypadku modeli sportowych i wyścigowych opisane środki będą oczywiście nieskuteczne. Aby utrzymać je na drodze, musisz wytworzyć dużą siłę docisku. W tym celu zastosowano duży przedni spoiler, boczne progi i panele błotników. Ale montowane w samochodach produkcyjnych elementy te będą odgrywać jedynie rolę dekoracyjną, ciesząc dumę właściciela. Nie przyniosą żadnych praktycznych korzyści, a wręcz przeciwnie, zwiększą odporność na ruch. Nawiasem mówiąc, wielu kierowców myli spoiler ze skrzydłem, chociaż dość łatwo je odróżnić. Spoiler jest zawsze dociskany do karoserii, tworząc z nim jedną całość. Skrzydło jest zainstalowane w pewnej odległości od ciała.
Praktyczna aerodynamika
Przestrzeganie kilku prostych zasad pozwoli Ci uzyskać oszczędności z powietrza poprzez zmniejszenie zużycia paliwa. Jednak te wskazówki przydadzą się tylko tym, którzy często i dużo jeżdżą po autostradzie.
Podczas jazdy znaczna część mocy silnika jest zużywana na pokonanie oporów powietrza. Im wyższa prędkość, tym większy opór (a tym samym zużycie paliwa). Dlatego zmniejszając prędkość nawet o 10 km/h zaoszczędzisz nawet 1 litr na 100 km. W takim przypadku strata czasu będzie znikoma. Jednak ta prawda jest znana większości kierowców. Ale inne „aerodynamiczne” subtelności nie są wszystkim znane.
Zużycie paliwa uzależnione jest od współczynnika oporu i pola przekroju pojazdu. Jeśli uważasz, że te parametry są ustawione fabrycznie, a właściciel samochodu nie może ich zmienić, to się mylisz! Ich zmiana wcale nie jest trudna, a można osiągnąć zarówno pozytywne, jak i negatywne efekty.
Co zwiększa koszt? Obciążenie dachu nadmiernie „zjada” paliwo. A nawet usprawnione pudełko zajmie co najmniej litr na sto. Szyby i właz otwierane podczas ruchu spalają paliwo nieracjonalnie. Jeśli nosisz długi ładunek z lekko otwartym bagażnikiem, również zostaniesz przekroczony. Różne elementy dekoracyjne, takie jak owiewka na masce („swatter”), „kenguryatnik”, skrzydło i inne elementy własnoręcznego tuningu, choć przyniosą estetyczną przyjemność, sprawią, że wydasz dodatkowe pieniądze. Zajrzyj pod spód - będziesz musiał dodatkowo zapłacić za wszystko, co ugina się i wygląda poniżej linii progowej. Nawet tak drobiazg jak brak plastikowych nakładek na stalowych felgach zwiększa zużycie. Każdy z wymienionych czynników lub części z osobna nie zwiększa zbytnio zużycia - od 50 do 500 g na 100 km. Ale jeśli zsumujemy wszystko, znowu „przekroczy” około litra na sto. Obliczenia te obowiązują dla małych samochodów poruszających się z prędkością 90 km/h. Właściciele dużych samochodów i miłośnicy wyższych prędkości uwzględniają zwiększone zużycie.
Jeśli wszystkie powyższe warunki zostaną spełnione, unikniemy niepotrzebnych wydatków. Czy możliwe jest dalsze ograniczanie strat? Mogą! Będzie to jednak wymagało trochę zewnętrznego tuningu (mówimy oczywiście o profesjonalnie wykonanych elementach). Przedni aerodynamiczny body kit nie pozwala, aby przepływ powietrza "rozerwał się" pod dnem auta, nakładki na progi zakrywają wystającą część kół, spoiler zapobiega powstawaniu turbulencji za "rufą" auta. Chociaż spoiler jest już zwykle wkomponowany w konstrukcję nadwozia współczesnego samochodu.
Tak więc uzyskanie oszczędności z powietrza jest całkiem realne.
Obecne rozporządzenie pozwala zespołom testować modele samochodów w tunelu aerodynamicznym, które nie przekraczają 60% skali. W rozmowie z F1Racing były dyrektor zespołu Renault, Pat Symonds, opowiedział o specyfice tej pracy...
Pat Symonds: „Dzisiaj wszystkie zespoły pracują z modelami w skali 50% lub 60%, ale nie zawsze tak było. Pierwsze testy aerodynamiczne w latach 80-tych przeprowadzono z makietami 25% rzeczywistej wartości - moc tuneli aerodynamicznych na Uniwersytecie Southampton i Imperial College w Londynie nie pozwalała na więcej - tylko tam można było zainstalować modele na ruchomej podstawie. Potem pojawiły się tunele aerodynamiczne, w których można było pracować z modelami na poziomie 33% i 50%, a teraz, ze względu na konieczność ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się przetestować modele nie więcej niż 60% przy natężeniu przepływu powietrza nie ponad 50 metrów na sekundę.
Wybierając skalę modelu, ekipy opierają się na możliwościach istniejącego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% powierzchni roboczej rury. Wytwarzanie modeli w mniejszej skali jest tańsze, ale im mniejszy model, tym trudniej utrzymać wymaganą dokładność. Podobnie jak w przypadku wielu innych problemów związanych z rozwojem samochodu Formuły 1, tutaj musisz znaleźć najlepszy kompromis.
Dawniej modele wykonywano z drewna rosnącego w Malezji drzewa Diera, które ma niską gęstość, obecnie stosuje się sprzęt do stereolitografii laserowej – wiązka lasera podczerwonego polimeryzuje materiał kompozytowy, uzyskując przy wyjście. Metoda ta pozwala w ciągu kilku godzin przetestować skuteczność nowego pomysłu inżynierskiego w tunelu aerodynamicznym.
Im dokładniej model jest wykonywany, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane podczas jego czyszczenia. Tutaj każdy drobiazg jest ważny, nawet przez rury wydechowe, przepływ gazów musi przebiegać z taką samą prędkością, jak w prawdziwym samochodzie. Zespoły starają się osiągnąć najwyższą możliwą dokładność symulacji dla dostępnego sprzętu.
Przez wiele lat zamiast opon stosowano wielkoformatowe kopie nylonu lub włókna węglowego, a duży postęp poczyniono, gdy Michelin wykonał dokładne pomniejszone kopie swoich opon wyścigowych. Model maszyny wyposażony jest w różnorodne czujniki do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system pozwalający na zmianę balansu.
Modele, w tym zainstalowany na nich sprzęt pomiarowy, są nieco tańsze niż prawdziwe maszyny - na przykład są droższe niż prawdziwe maszyny GP2. To właściwie bardzo trudna decyzja. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 tys. dolarów, może służyć przez kilka lat, ale zazwyczaj ekipy mają dwa zestawy, żeby nie przestać działać.
Każda modyfikacja elementów nadwozia czy zawieszenia pociąga za sobą konieczność wyprodukowania nowej wersji body kitu, co kosztuje kolejne ćwierć miliona. Jednocześnie sama eksploatacja tunelu aerodynamicznego kosztuje około tysiąca dolarów za godzinę i wymaga obecności 90 pracowników. Poważne zespoły wydają na te badania około 18 milionów dolarów w sezonie.
Koszty się zwracają. Zwiększenie siły docisku o 1% pozwala na granie jednej dziesiątej sekundy na prawdziwym torze. W warunkach stabilnych przepisów inżynierowie grają o tyle miesięcznie, że tylko w dziale modelarskim co dziesiąty kosztuje zespół 1,5 miliona dolarów.”
Odkąd pierwszy człowiek przymocował zaostrzony kamień na końcu włóczni, ludzie zawsze starali się znaleźć najlepszy kształt dla obiektów poruszających się w powietrzu. Ale samochód okazał się bardzo skomplikowaną aerodynamiczną zagadką.
Podstawy obliczeń trakcyjnych dla ruchu pojazdów na drodze oferują nam cztery główne siły działające na pojazd podczas jazdy: opór powietrza, opór toczenia, opór podnoszenia i siły bezwładności. Należy zauważyć, że tylko dwa pierwsze są głównymi. Siła oporu toczenia koła samochodowego zależy głównie od odkształcenia opony i drogi w strefie styku. Ale już przy prędkości 50-60 km/h siła oporu powietrza przewyższa każdą inną, a przy prędkościach powyżej 70-100 km/h przewyższa je wszystkie razem. W celu udowodnienia tego twierdzenia należy podać następujący przybliżony wzór: Px = Cx * F * v2, gdzie: Px - siła oporu powietrza; v - prędkość pojazdu (m / s); F jest polem rzutu samochodu na płaszczyznę prostopadłą do osi podłużnej samochodu lub polem największego przekroju samochodu, czyli polem czołowym (m2); Cx - współczynnik oporu powietrza (współczynnik usprawnienia). Notatka. Prędkość we wzorze jest podniesiona do kwadratu, co oznacza, że przy np. dwukrotnym zwiększeniu siła oporu powietrza wzrasta czterokrotnie.
Jednocześnie zużycie energii potrzebne do jego pokonania rośnie ośmiokrotnie! W wyścigach Nascar, gdzie prędkości przekraczają granicę 300 km/h ustalono eksperymentalnie, że aby zwiększyć prędkość maksymalną tylko o 8 km/h, konieczne jest zwiększenie mocy silnika o 62 kW (83 KM) lub zmniejszenie Cx o 15%... Jest inny sposób - zmniejszyć przednią powierzchnię samochodu. Wiele supersamochodów o dużej prędkości jest znacznie niższych niż samochody konwencjonalne. To tylko znak pracy nad zmniejszeniem obszaru czołowego. Jednak tę procedurę można wykonać do pewnych granic, w przeciwnym razie korzystanie z takiego samochodu będzie niemożliwe. Z tego i innych powodów usprawnienie jest jednym z głównych problemów przy projektowaniu samochodu. Oczywiście na siłę oporu wpływa nie tylko prędkość auta i jego parametry geometryczne. Na przykład im wyższa gęstość powietrza, tym większy opór. Z kolei gęstość powietrza zależy bezpośrednio od jego temperatury i wysokości nad poziomem morza. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość powietrza (a tym samym jego lepkość), ale wysoko w górach powietrze jest bardziej rozrzedzone, a jego gęstość jest mniejsza i tak dalej. Jest wiele takich niuansów.
Wróćmy jednak do kształtu samochodu. Jaki temat ma najlepsze usprawnienie? Odpowiedź na to pytanie zna prawie każdy uczeń (który nie spał na lekcjach fizyki). Kropla spadającej wody przybiera najbardziej aerodynamiczny kształt. Oznacza to zaokrągloną powierzchnię czołową i gładko zwężający się długi tył (najlepszy stosunek to 6-krotność długości szerokości). Współczynnik oporu jest wartością eksperymentalną. Liczbowo jest to siła oporu powietrza w niutonach, która powstaje, gdy porusza się z prędkością 1 m/s na 1 m2 powierzchni czołowej. Jako jednostkę odniesienia zwyczajowo przyjmuje się, że Cx płaskiej płyty = 1. Tak więc kropla wody ma Cx = 0,04. Teraz wyobraź sobie samochód o takim kształcie. Nonsens, prawda? Takie coś na kołach nie tylko będzie wyglądało nieco karykaturalnie, ale korzystanie z tego samochodu zgodnie z jego przeznaczeniem nie będzie zbyt wygodne. Dlatego projektanci zmuszeni są do znalezienia kompromisu pomiędzy aerodynamiką auta a wygodą jego użytkowania. Ciągłe próby obniżenia współczynnika oporu powietrza doprowadziły do tego, że niektóre nowoczesne samochody mają Cx = 0,28-0,25. Cóż, szybkie rekordowe samochody mają Cx = 0,2-0,15.
Siły oporu
Teraz trzeba trochę opowiedzieć o właściwościach powietrza. Jak wiesz, każdy gaz składa się z cząsteczek. Są w ciągłym ruchu i interakcji ze sobą. Powstają tak zwane siły van der Waalsa - siły wzajemnego przyciągania cząsteczek, które uniemożliwiają ich poruszanie się względem siebie. Niektóre z nich zaczynają mocniej przyklejać się do pozostałych. A wraz ze wzrostem chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta skuteczność działania jednej warstwy powietrza na drugą, a lepkość wzrasta. A dzieje się tak za sprawą wzrostu temperatury powietrza, a przyczyną tego może być zarówno bezpośrednie nagrzewanie się słońca, jak i pośrednio tarcie powietrza o dowolną powierzchnię lub po prostu jej warstwy między sobą. Tutaj wpływa prędkość ruchu. Aby zrozumieć, jak to wpływa na samochód, po prostu spróbuj machnąć ręką otwartą dłonią. Jeśli robisz to powoli, nic się nie dzieje, ale jeśli pomachasz mocniej ręką, dłoń już wyraźnie wyczuwa pewien opór. Ale to tylko jeden składnik.
Kiedy powietrze porusza się po jakiejś nieruchomej powierzchni (np. karoserii samochodu), te same siły van der Waalsa powodują, że najbliższa warstwa molekuł zaczyna się do niej przyklejać. A ta „zablokowana” warstwa spowalnia następną. I tak, warstwa po warstwie, im szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, tym dalej znajdują się od nieruchomej powierzchni. Ostatecznie ich prędkość jest wyrównywana z prędkością głównego przepływu powietrza. Warstwa, w której cząstki poruszają się powoli, nazywana jest warstwą graniczną i pojawia się na dowolnej powierzchni. Im wyższa wartość energii powierzchniowej materiału powłoki samochodu, tym silniej jego powierzchnia oddziałuje na poziomie molekularnym z otaczającym środowiskiem powietrza i tym więcej energii trzeba wydać na zniszczenie tych sił. Teraz, na podstawie powyższych obliczeń teoretycznych, możemy powiedzieć, że opór powietrza to nie tylko wiatr uderzający w przednią szybę. Ten proces ma więcej elementów.
Odporność na formy
To najważniejsza część - do 60% wszystkich strat aerodynamicznych. Jest to często określane jako odporność na ciśnienie lub opór. Podczas jazdy samochód kompresuje napływający strumień powietrza i pokonuje wysiłek rozpychania cząsteczek powietrza. Rezultatem jest strefa zwiększonego ciśnienia. Ponadto powietrze opływa powierzchnię samochodu. W tym procesie dochodzi do rozpadu strumieni powietrza z tworzeniem się wirów. Ostateczne zatrzymanie przepływu powietrza z tyłu pojazdu tworzy strefę obniżonego ciśnienia. Opór z przodu i efekt ssania z tyłu pojazdu tworzą bardzo silną opozycję. Fakt ten zobowiązuje projektantów i konstruktorów do szukania sposobów nadania karoserii. Ułóż na półkach.
Teraz trzeba wziąć pod uwagę kształt samochodu, jak mówią „od zderzaka do zderzaka”. Które części i elementy mają większy wpływ na ogólną aerodynamikę samochodu? Przednia część ciała. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym wykazały, że dla lepszej aerodynamiki przód nadwozia powinien być niski, szeroki i nie mieć ostrych narożników. W tym przypadku nie dochodzi do separacji przepływu powietrza, co ma bardzo korzystny wpływ na usprawnienie auta. Kratka chłodnicy jest często nie tylko funkcjonalna, ale także dekoracyjna. W końcu chłodnica i silnik muszą mieć sprawny przepływ powietrza, więc ten element jest bardzo ważny. Niektórzy producenci samochodów analizują ergonomię i dystrybucję powietrza w komorze silnika równie poważnie, jak ogólną aerodynamikę samochodu. Nachylenie przedniej szyby jest bardzo wyraźnym przykładem kompromisu między aerodynamiką, ergonomią i osiągami. Niewystarczające nachylenie stwarza nadmierny opór, a nadmierne - zwiększa zapylenie i masę samego szkła, o zmierzchu widoczność gwałtownie spada, konieczne jest zwiększenie wielkości wycieraczki itp. Przejście ze szkła na ścianę boczną powinno odbywać się płynnie.
Nie należy jednak dać się ponieść nadmiernej krzywiźnie szkła – może to zwiększyć zniekształcenia i pogorszyć widoczność. Wpływ słupka przedniej szyby na opór w dużym stopniu zależy od położenia i kształtu przedniej szyby, a także od kształtu przodu. Jednak pracując nad kształtem słupka nie należy zapominać o zabezpieczeniu przednich bocznych szyb przed deszczem i brudem zdmuchniętym z szyby, przy zachowaniu akceptowalnego poziomu zewnętrznego hałasu aerodynamicznego itp. Dach. Wzrost wybrzuszenia dachu może prowadzić do obniżenia współczynnika oporu. Jednak znaczny wzrost wybrzuszenia może kolidować z ogólną konstrukcją pojazdu. Ponadto, jeśli wzrostowi wypukłości towarzyszy równoczesny wzrost obszaru oporu czołowego, wówczas wzrasta siła oporu powietrza. Z drugiej strony, jeśli starasz się zachować pierwotną wysokość, przednia i tylna szyba będą musiały być osadzone w dachach, ponieważ widoczność nie powinna się pogarszać. Doprowadzi to do wzrostu kosztu okularów, podczas gdy spadek siły oporu powietrza w tym przypadku nie jest tak duży.
Powierzchnie boczne. Z aerodynamicznego punktu widzenia pojazdu, powierzchnie boczne mają niewielki wpływ na tworzenie się swobodnego przepływu wirowego. Ale nie można ich za bardzo zaokrąglać. W przeciwnym razie trudno będzie wsiąść do takiego auta. Okulary powinny, jeśli to możliwe, być integralne z powierzchnią boczną i pokrywać się z zewnętrznym konturem pojazdu. Wszelkie stopnie i skoczki stwarzają dodatkowe przeszkody w przepływie powietrza i pojawiają się niepożądane turbulencje. Zauważysz, że rynny, które wcześniej były obecne w prawie każdym pojeździe, nie są już używane. Pojawiły się inne rozwiązania konstrukcyjne, które nie mają tak dużego wpływu na aerodynamikę auta.
Tył samochodu ma chyba największy wpływ na proporcje aerodynamiczne. Wyjaśnienie jest proste. Z tyłu przepływ powietrza odrywa się i tworzy wiry. Tył samochodu jest prawie niemożliwy do wykonania tak opływowego, jak sterowiec (6 razy większy). Dlatego ostrożniej pracują nad jego formą. Jednym z głównych parametrów jest kąt pochylenia tyłu auta. Przykładem rosyjskiego samochodu "Moskvich-2141" stał się już podręcznik, w którym to niefortunna decyzja tylnego pasa znacznie pogorszyła ogólną aerodynamikę samochodu. Ale z drugiej strony tylna szyba „Moskwicza” zawsze pozostawała czysta. Znowu kompromis. Dlatego tak wiele dodatkowych mocowań jest wykonywanych specjalnie na tył samochodu: spojlery, spojlery itp. Wraz z kątem nachylenia tyłu na współczynnik oporu aerodynamicznego duży wpływ ma konstrukcja i kształt krawędzi bocznej tył samochodu. Na przykład, jeśli spojrzysz na prawie każdy nowoczesny samochód z góry, od razu zobaczysz, że nadwozie jest szersze z przodu niż z tyłu. To także aerodynamika. Spód samochodu.
Jak na pierwszy rzut oka może się wydawać, ta część nadwozia nie ma wpływu na aerodynamikę. Ale tutaj jest taki aspekt jak siła docisku. Od tego zależy stabilność auta i jak prawidłowo zorganizowany jest przepływ powietrza pod spodem auta, w efekcie zależy siła jego „przyklejania się” do jezdni. Oznacza to, że jeśli powietrze pod samochodem nie zalega, ale przepływa szybko, wówczas powstające tam obniżone ciśnienie dociska samochód do jezdni. Jest to szczególnie ważne w przypadku pojazdów konwencjonalnych. Faktem jest, że w samochodach wyścigowych, które rywalizują na wysokiej jakości, równych nawierzchniach, można ustawić tak niski prześwit, że zaczyna pojawiać się efekt „poduszki ziemnej”, w której siła docisku wzrasta, a opór maleje. W przypadku normalnych pojazdów niski prześwit jest niedopuszczalny. Dlatego projektanci od niedawna starają się maksymalnie wygładzić spód auta, zakryć osłonami nierówne elementy takie jak rury wydechowe, wahacze itp. Swoją drogą nadkola mają bardzo duży wpływ na aerodynamikę samochód. Niewłaściwie zaprojektowane nisze mogą stworzyć dodatkową windę.
I znowu wiatr
Nie trzeba dodawać, że wymagana moc silnika zależy od opływowości auta, a co za tym idzie od zużycia paliwa (czyli portfela). Jednak aerodynamika wykracza poza prędkość i wydajność. Nie ostatnie miejsce zajmują zadania zapewnienia dobrej stabilności kierunkowej, sterowności pojazdu i redukcji hałasu podczas jego ruchu. Z hałasem wszystko jest jasne: im lepsza opływowość samochodu, jakość nawierzchni, im mniejszy rozmiar szczelin i ilość wystających elementów itp., tym mniej hałasu. Projektanci muszą pomyśleć o takim aspekcie, jak rozwijająca się chwila. Ten efekt jest dobrze znany większości kierowców. Każdy, kto choć raz przejechał z dużą prędkością obok „ciężarówki” lub po prostu jechał przy silnym bocznym wietrze, powinien poczuć wrażenie przechylenia lub nawet lekkiego skrętu samochodu. Nie ma sensu wyjaśniać tego efektu, ale to jest właśnie problem aerodynamiki.
Dlatego współczynnik Cx nie jest jedynym. W końcu powietrze może oddziaływać na samochód nie tylko „czołowo”, ale także pod różnymi kątami i w różnych kierunkach. A wszystko to ma wpływ na obsługę i bezpieczeństwo. To tylko kilka głównych aspektów, które wpływają na ogólną siłę oporu powietrza. Nie da się obliczyć wszystkich parametrów. Istniejące formuły nie dają pełnego obrazu. Dlatego projektanci badają aerodynamikę samochodu i dostosowują jego kształt za pomocą tak drogiego narzędzia, jak tunel aerodynamiczny. Zachodnie firmy nie szczędzą pieniędzy na ich budowę. Koszt takich ośrodków badawczych może sięgać milionów dolarów. Na przykład: koncern Daimler-Chrysler zainwestował 37,5 miliona dolarów w stworzenie specjalistycznego kompleksu poprawiającego aerodynamikę swoich samochodów. Obecnie tunel aerodynamiczny jest najważniejszym narzędziem do badania sił oporu powietrza oddziałujących na samochód.
Oprogramowanie do aerodynamiki obliczeniowej i hydrodynamiki FlowVision przeznaczony do wirtualnego dmuchania aerodynamicznego różnych obiektów technicznych lub przyrodniczych. Obiektami mogą być produkty transportowe, obiekty energetyczne, wyroby wojskowo-przemysłowe i inne. FlowVision pozwala na symulację przepływu przy różnych prędkościach napływającego przepływu i przy różnym stopniu jego zakłócenia (stopień turbulencji).
Proces modelowania realizowany jest stricte w trójwymiarowym przestrzennym ujęciu problemu i przebiega zgodnie z zasadą „tak jak jest”, co implikuje możliwość przestudiowania pełnowartościowego modelu geometrycznego obiektu użytkownika bez żadnych uproszczeń. Stworzony system przetwarzania importowanej geometrii trójwymiarowej pozwala na bezbolesną pracę z modelami o dowolnej złożoności, gdzie użytkownik tak naprawdę sam wybiera poziom szczegółowości swojego obiektu - czy chce przedmuchać uproszczony wygładzony model zewnętrznego kontury lub pełnoprawny model ze wszystkimi elementami konstrukcyjnymi, aż do łbów śrub na felgach i logo producenta w postaci figurki na nosie samochodu.
Rozkład prędkości w okolicach karoserii samochodu wyścigowego.
Wszystkie detale zostały wzięte pod uwagę - szprychy kierownicy, wpływ asymetrii szprych kierownicy na układ płynięcia.
FlowVision została stworzona przez rosyjski zespół programistów (firma TESIS, Rosja) ponad 10 lat temu i opiera się na osiągnięciach krajowej szkoły podstawowej i matematycznej. System powstał z oczekiwaniem, że będą z nim pracować użytkownicy o różnych kwalifikacjach – studenci, nauczyciele, projektanci i naukowcy. Równie skutecznie możesz rozwiązywać zarówno proste, jak i złożone problemy.
Produkt znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, nauce i edukacji – lotnictwie, kosmonautyce, energetyce, przemyśle stoczniowym, motoryzacji, ekologii, inżynierii mechanicznej, przemyśle przetwórczym i chemicznym, medycynie, przemyśle jądrowym i sektorze obronnym oraz posiada największą bazę instalacyjną w Rosji.
W 2001 roku decyzją Rady Głównej Ministerstwa Federacji Rosyjskiej FlowVision został zarekomendowany do włączenia do programu nauczania mechaniki płynów i gazów na rosyjskich uniwersytetach. Obecnie FlowVision jest wykorzystywany jako element procesu edukacyjnego wiodących uczelni w Rosji – MIPT, MPEI, St. Petersburg State Technical University, Vladimir University, UNN i innych.
W 2005 roku FlowVision przeszedł testy i otrzymał certyfikat zgodności Państwowej Normy Federacji Rosyjskiej.
Kluczowe cechy
W sercu FlowVision zasada zachowania masy leży - ilość materii wchodząca do wypełnionej zamkniętej objętości obliczonej jest równa ilości materii malejącej od niej (patrz ryc. 1).
Ryż. 1 Zasada zachowania masy
Rozwiązanie takiego problemu polega na znalezieniu średniej wartości wielkości w danej objętości na podstawie danych na granicach (twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa).
Ryż. 2 Całkowanie przez objętość w oparciu o wartości graniczne
Aby uzyskać dokładniejsze rozwiązanie, pierwotną obliczoną objętość dzieli się na mniejsze objętości.
Ryż. 3 Pogrubienie siatki obliczeniowej
Procedura dzielenia oryginalnej objętości na mniejsze objętości nazywa się KONSTRUOWANIE SIATKI OBLICZENIOWEJ , a tablica wynikowych tomów to SIATKA OBLICZEŃ ... Każda objętość uzyskana w procesie budowy siatki obliczeniowej nazywa się KOMÓRKA OBLICZENIOWA , w każdym z których obserwuje się również równowagę mas przychodzących i wychodzących. Zamknięta objętość, w której zbudowana jest siatka obliczeniowa, nazywa się OBSZAR OBLICZENIOWY .
Architektura
Ideologia FlowVision jest zbudowany w oparciu o architekturę rozproszoną, w której jednostka programowa wykonująca obliczenia arytmetyczne może znajdować się na dowolnym komputerze w sieci - na wysokowydajnym klastrze lub laptopie. Architektura pakietu oprogramowania jest modułowa, co pozwala na bezbolesne wprowadzanie do niego usprawnień i nowych funkcjonalności. Główne moduły to PrePostProcessor i blok solvera, a także kilka bloków pomocniczych, które wykonują różne operacje monitorowania i strojenia.
Rozkład nacisku na karoserię samochodu sportowego
Funkcjonalny cel Preprocesora obejmuje import geometrii domeny obliczeniowej z systemów modelowania geometrycznego, ustawienie modelu środowiska, umieszczenie warunków początkowych i brzegowych, edycję lub import siatki obliczeniowej oraz ustawienie kryteriów zbieżności, po czym kontrola jest przekazywana do Solvera , który rozpoczyna proces konstruowania siatki obliczeniowej i wykonuje obliczenia według określonych parametrów. W procesie kalkulacji użytkownik ma możliwość przeprowadzenia wizualnego i ilościowego monitoringu kalkulacji za pomocą narzędzi Postprocesora oraz oceny procesu rozwoju rozwiązania. Po osiągnięciu wymaganej wartości kryterium zbieżności proces liczenia może zostać zatrzymany, po czym wynik staje się w pełni dostępny dla użytkownika, który za pomocą narzędzi Postprocesora może przetwarzać dane - wizualizować wyniki i kwantyfikować wyniki z kolejnymi zapisywanie do zewnętrznych formatów danych.
Siatka obliczeniowa
V FlowVision stosowana jest prostokątna siatka obliczeniowa, która automatycznie dostosowuje się do granic domeny obliczeniowej i rozwiązania. Aproksymacja granic krzywoliniowych z wysokim stopniem dokładności jest zapewniona przy użyciu metody rozdzielczości geometrii podsiatki. Takie podejście pozwala pracować z modelami geometrycznymi składającymi się z powierzchni o dowolnej złożoności.
Początkowa domena obliczeniowa
Ortogonalna siatka nałożona na obszar
Przycinanie siatki początkowej do granic regionu
Ostateczna siatka obliczeniowa
Automatyczne generowanie siatki obliczeniowej z uwzględnieniem krzywizny powierzchni
W przypadku konieczności doprecyzowania rozwiązania na granicy lub w odpowiednim miejscu obliczonej objętości istnieje możliwość dynamicznej adaptacji siatki obliczeniowej. Adaptacja to rozbicie komórek niższego poziomu na mniejsze komórki. Adaptacja może odbywać się na podstawie warunków brzegowych, objętości i decyzji. Siatka jest dostosowywana na określonej granicy, w określonej lokalizacji domeny obliczeniowej lub przez rozwiązanie, biorąc pod uwagę zmianę zmiennej i gradient. Adaptacja odbywa się zarówno w kierunku rozdrobnienia siatki, jak iw kierunku przeciwnym - scalania małych komórek w większe, aż do siatki początkowej.
Technologia adaptacji siatki obliczeniowej
Ciała ruchome
Technologia ruchomego ciała umożliwia umieszczenie ciała o dowolnym kształcie geometrycznym w domenie obliczeniowej i nadanie mu ruchu translacyjnego i/lub obrotowego. Prawo ruchu może być stałe lub zmienne w czasie i przestrzeni. Ruch ciała określany jest na trzy główne sposoby:
Wyraźnie poprzez ustawienie prędkości ciała;
- poprzez ustawienie siły działającej na ciało i przesunięcie go z punktu wyjścia
Poprzez oddziaływanie środowiska, w którym znajduje się ciało.
Wszystkie trzy metody można ze sobą łączyć.
Zrzucanie rakiety w niestabilnym strumieniu pod działaniem grawitacji
Odtworzenie eksperymentu Macha: ruch piłki z prędkością 800 m/s
Równoległe obliczenia
Jedna z kluczowych cech pakietu oprogramowania FlowVision technologie obliczeń równoległych, w których do rozwiązania jednego problemu wykorzystuje się kilka procesorów lub rdzeni procesorów, co umożliwia przyspieszenie obliczeń proporcjonalnie do ich liczby.
Przyspieszenie obliczania problemu w zależności od liczby zaangażowanych rdzeni
Procedura równoległego uruchamiania jest w pełni zautomatyzowana. Użytkownik musi jedynie określić liczbę rdzeni lub procesorów, na których zadanie zostanie uruchomione. Algorytm przeprowadzi wszystkie dalsze działania, aby podzielić dziedzinę obliczeniową na części i wymieniać między nimi dane, dobierając najlepsze parametry.
Rozkład komórek przypowierzchniowych na 16 procesorów w przypadku problemów z dwoma samochodami
Zespół FlowVision utrzymuje bliskie kontakty z przedstawicielami krajowych i zagranicznych środowisk HPC (High Performance Computing) oraz uczestniczy we wspólnych projektach mających na celu osiągnięcie nowych możliwości w zakresie zwiększania produktywności w przetwarzaniu równoległym.
W 2007 roku FlowVision, wraz z Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zostało uczestnikiem federalnego programu stworzenia krajowego systemu rozliczeń równoległych teraflopa. W ramach programu zespół programistów dostosowuje FlowVision do wykonywania obliczeń na dużą skalę z wykorzystaniem najnowszych technologii. Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego służy jako testowa platforma sprzętowa.
Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego
SKIF- FlowVision w celu poprawy wydajności obliczeń równoległych. W czerwcu 2008 r. przeprowadzono równolegle pierwsze obliczenia praktyczne w 256 węzłach projektowych.
W 2009 roku zespół FlowVision wraz z Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, firmą Sigma Technology oraz państwowym centrum naukowym TsAGI został uczestnikami federalnego programu docelowego tworzenia algorytmów rozwiązywania problemów optymalizacji równoległej w problemach aerodynamiki i hydrodynamika.
tekst, ilustracje: firma TESIS
W wielu dziedzinach nauki i techniki, które są związane z prędkością, często konieczne jest obliczenie sił działających na obiekt. Nowoczesny samochód, myśliwiec, łódź podwodna czy szybki pociąg elektryczny – na wszystkie działają siły aerodynamiczne. Dokładność określenia wielkości tych sił wpływa bezpośrednio na charakterystykę techniczną tych obiektów i ich zdolność do wykonywania określonych zadań. Ogólnie rzecz biorąc, siły tarcia określają poziom mocy układu napędowego, a siły boczne wpływają na sterowność obiektu.
Tradycyjny schemat projektowania wykorzystuje uderzenia w tunelu aerodynamicznym (zwykle modele pomniejszone), testy w basenie i testy w terenie w celu określenia sił. Jednak wszelkie badania eksperymentalne są dość kosztownym sposobem zdobycia takiej wiedzy. Aby przetestować urządzenie modelowe, należy je najpierw wykonać, następnie opracować program testowy, przygotować stanowisko, a na końcu przeprowadzić serię pomiarów. W takim przypadku w większości przypadków na wiarygodność wyników testów będą miały wpływ założenia spowodowane odchyleniami od rzeczywistych warunków pracy obiektu.
Eksperyment czy kalkulacja?
Rozważmy bardziej szczegółowo przyczyny rozbieżności między wynikami eksperymentów a rzeczywistym zachowaniem obiektu.
Podczas badania modeli w ograniczonej przestrzeni, na przykład w tunelach aerodynamicznych, powierzchnie graniczne mają istotny wpływ na strukturę opływu obiektu. Zmniejszenie skali modelu pozwala rozwiązać ten problem, jednak należy wziąć pod uwagę zmianę liczby Reynoldsa (tzw. efekt skali).
W niektórych przypadkach zniekształcenia mogą być spowodowane zasadniczą rozbieżnością między rzeczywistymi warunkami przepływu wokół ciała a tymi symulowanymi w rurze. Na przykład, gdy przedmuchiwane są szybkie samochody lub pociągi, brak ruchomej poziomej powierzchni w tunelu aerodynamicznym poważnie zmienia ogólny model przepływu, a także wpływa na równowagę sił aerodynamicznych. Efekt ten związany jest ze wzrostem warstwy przyściennej.
Metody pomiarowe wprowadzają również błędy w mierzonych wartościach. Nieprawidłowe umieszczenie czujników na obiekcie lub nieprawidłowa orientacja ich części roboczych może prowadzić do błędnych wyników.
Przyspieszenie projektowania
Obecnie wiodące firmy branżowe na etapie projektowania wstępnego szeroko wykorzystują technologie modelowania komputerowego CAE. Pozwala to na rozważenie większej liczby opcji przy poszukiwaniu optymalnego projektu.
Nowoczesny poziom rozwoju pakietu oprogramowania ANSYS CFX znacznie rozszerza zakres jego zastosowania: od modelowania przepływów laminarnych po przepływy turbulentne o silnej anizotropii parametrów.
Szeroka gama stosowanych modeli turbulencji obejmuje tradycyjne modele RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) o najlepszym stosunku prędkości do dokładności, model turbulencji SST (Shear Stress Transport) (model dwuwarstwowy Mentera), który z powodzeniem łączy zalety modele turbulencji ke i „kw”. W przypadku strumieni z rozwiniętą anizotropią bardziej odpowiednie są modele RSM (Reynolds Stress Model). Bezpośrednie obliczenie kierunkowych parametrów turbulencji umożliwia dokładniejsze określenie charakterystyk przepływu wirowego.
W niektórych przypadkach zaleca się stosowanie modeli opartych na teoriach wirów: DES (Detachable Eddy Simulation) i LES (Large Eddy Simulation). Szczególnie w przypadkach, w których szczególnie ważne jest uwzględnienie procesów przejścia laminarno-turbulentnego, opracowano Transition Turbulence Model w oparciu o sprawdzoną technologię SST. Model przeszedł szeroko zakrojony program testów na różnych obiektach (od łopat po samoloty pasażerskie) i wykazał doskonałą korelację z danymi eksperymentalnymi.
Lotnictwo
Stworzenie nowoczesnych samolotów wojskowych i cywilnych jest niemożliwe bez dogłębnej analizy wszystkich jego cech na początkowym etapie projektowania. Sprawność samolotu, jego prędkość i zwrotność zależą bezpośrednio od dokładnego przestudiowania kształtu powierzchni nośnych i konturów.
Obecnie wszyscy główni producenci samolotów wykorzystują do pewnego stopnia analizę komputerową przy opracowywaniu nowych produktów.
Model turbulencji przejściowych, który prawidłowo analizuje reżimy przepływów zbliżone do przepływów laminarnych z rozwiniętymi strefami separacji i ponownego przyłączenia, otwiera ogromne możliwości analizy przepływów złożonych. To dodatkowo zmniejsza różnicę między wynikami obliczeń numerycznych a rzeczywistym obrazem przepływu.
Automobilowy
Nowoczesny samochód musi być bardziej oszczędny i odznaczający się wysoką sprawnością energetyczną. I oczywiście głównymi elementami definiującymi są silnik i nadwozie.
Aby zapewnić sprawność wszystkich układów silnikowych, czołowe zachodnie firmy od dawna stosują technologie symulacji komputerowych. Na przykład Robert Bosch Gmbh (Niemcy), producent szerokiej gamy komponentów do nowoczesnych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi, zastosował ANSYS CFX (w celu poprawy charakterystyki wtrysku) w opracowaniu układu zasilania paliwem Common Rail.
BMW, które przez kilka kolejnych lat zdobywało nagrodę International Engine of the Year, wykorzystuje ANSYS CFX do symulacji komór spalania.
Aerodynamika zewnętrzna to także sposób na poprawę efektywności wykorzystania mocy silnika. Zwykle chodzi nie tylko o zmniejszenie współczynnika oporu, ale także o zrównoważenie siły docisku wymaganej przez każdy szybki samochód.
Ostatecznym wyrazem tych cech są samochody wyścigowe różnych klas. Wszyscy bez wyjątku uczestnicy mistrzostw F1 korzystają z komputerowej analizy aerodynamiki swoich samochodów. Osiągnięcia sportowe wyraźnie pokazują korzyści płynące z tych technologii, z których wiele jest już stosowanych w pojazdach produkcyjnych.
W Rosji pionierem w tej dziedzinie jest zespół Active-Pro Racing: samochód wyścigowy Formuły 1600 rozwija prędkość ponad 250 km/h i jest szczytowym osiągnięciem rosyjskiego toru wyścigowego. Wykorzystanie kompleksu ANSYS CFX (rys. 4) do zaprojektowania nowego ogona aerodynamicznego samochodu pozwoliło na znaczne ograniczenie liczby opcji projektowych przy poszukiwaniu optymalnego rozwiązania.
Porównanie obliczonych danych i wyników dmuchania w tunelu aerodynamicznym wykazało oczekiwaną różnicę. Tłumaczy się to nieruchomą podłogą w rurze, która powodowała wzrost grubości warstwy przyściennej. Dlatego też elementy aerodynamiczne, umieszczone dość nisko, pracowały w nieznanych warunkach.
Model komputerowy w pełni odpowiadał jednak realnym warunkom jazdy, co pozwoliło znacznie poprawić sprawność usterzenia auta.
Budynek
Dzisiejsi architekci czują się bardziej komfortowo z wyglądem zewnętrznym projektowanych budynków niż 20 czy 30 lat temu. Futurystyczne twory współczesnych architektów mają z reguły złożone kształty geometryczne, dla których nieznane są wartości współczynników aerodynamicznych (niezbędnych do przypisania projektowych obciążeń wiatrem do konstrukcji wsporczych).
W tym przypadku, oprócz tradycyjnych testów w tunelu aerodynamicznym, coraz częściej stosuje się narzędzia CAE do uzyskania charakterystyk aerodynamicznych budynku (i współczynników siły). Przykład takiego obliczenia w ANSYS CFX pokazano na rys. 5.
Ponadto ANSYS CFX jest tradycyjnie używany do symulacji systemów wentylacyjnych i grzewczych w obiektach przemysłowych, budynkach biurowych, biurowych oraz kompleksach sportowo-rozrywkowych.
Aby przeanalizować reżim temperaturowy i charakter przepływów powietrza na lodowisku kompleksu sportowego Krylatskoye (Moskwa), inżynierowie Olof Granlund Oy (Finlandia) wykorzystali pakiet oprogramowania ANSYS CFX. Trybuny stadionu mogą pomieścić około 10 tys. widzów, a obciążenie cieplne z nich może wynieść ponad 1 MW (w tempie 100-120 W/osobę). Dla porównania: do podgrzania 1 litra wody od 0 do 100°C potrzeba nieco ponad 4 kW energii.
Ryż. 5. Rozkład nacisku na powierzchnię konstrukcji
Podsumowując
Jak widać, technologia obliczeniowa w aerodynamice osiągnęła poziom, o którym 10 lat temu mogliśmy tylko pomarzyć. Jednocześnie nie należy przeciwstawiać modelowania komputerowego badaniom eksperymentalnym – znacznie lepiej, jeśli metody te się uzupełniają.
Kompleks ANSYS CFX pozwala również inżynierom rozwiązywać tak złożone problemy, jak np. określanie odkształceń konstrukcji pod wpływem obciążeń aerodynamicznych. Przyczynia się to do bardziej poprawnego sformułowania wielu problemów zarówno aerodynamiki wewnętrznej, jak i zewnętrznej: od problemów trzepotania maszyn łopatkowych po oddziaływanie wiatru i fal na konstrukcje przybrzeżne.
Wszystkie możliwości obliczeniowe kompleksu ANSYS CFX są również dostępne w środowisku ANSYS Workbench.