Obliczanie aerodynamiki samochodu. Wirtualny tunel aerodynamiczny FlowVision

Odkąd pierwszy człowiek wzmocnił zaostrzony kamień na końcu włóczni, ludzie zawsze starali się znaleźć najlepszy kształt dla obiektów poruszających się w powietrzu. Ale samochód okazał się bardzo złożoną układanką aerodynamiczną.

Cztery podstawowe siły działające na samochód podczas jazdy oferują podstawy obliczeń trakcji podczas jazdy samochodem po drogach: opór powietrza, opór toczenia, opór podnoszenia i siły bezwładności. Należy zauważyć, że główne są tylko dwie pierwsze. Opór toczenia koła samochodu zależy głównie od deformacji opony i drogi w strefie kontaktu. Ale nawet przy prędkości 50–60 km / h siła oporu powietrza przewyższa wszelkie inne, a przy prędkościach powyżej 70–100 km / h przekracza wszystkie razem wzięte. Aby udowodnić to stwierdzenie, należy podać następujący przybliżony wzór: Px \u003d Cx * F * v2, gdzie: Px - siła oporu powietrza; v - prędkość pojazdu (m / s); F to obszar rzutu pojazdu na płaszczyznę prostopadłą do osi wzdłużnej pojazdu lub obszar największego przekroju pojazdu, tj. Powierzchnia czołowa (m2); Cx - współczynnik oporu powietrza (współczynnik usprawnienia). Zwróć uwagę Prędkość we wzorze jest podniesiona do kwadratu, a to oznacza, że \u200b\u200bgdy jest zwiększana, na przykład dwukrotnie, siła oporu powietrza wzrasta czterokrotnie.

Jednocześnie moc potrzebna do jej pokonania rośnie osiem razy! W wyścigach Nascar, w których prędkości przekraczają 300 km / h, eksperymentalnie stwierdzono, że aby zwiększyć maksymalną prędkość tylko o 8 km / h, konieczne jest zwiększenie mocy silnika o 62 kW (83 KM) lub zmniejszenie Cx o 15% . Istnieje inny sposób - zmniejszenie przedniej części samochodu. Wiele szybkich supersamochodów jest znacznie niższych niż samochody konwencjonalne. To tylko znak pracy nad zmniejszeniem obszaru czołowego. Jednak tę procedurę można przeprowadzić do określonych limitów, w przeciwnym razie korzystanie z takiego samochodu nie będzie możliwe. Z tego i innych powodów usprawnienie jest jednym z głównych problemów pojawiających się przy projektowaniu samochodu. Oczywiście nie tylko prędkość samochodu i jego parametry geometryczne wpływają na wytrzymałość oporu. Na przykład im wyższa gęstość przepływu powietrza, tym większy opór. Z kolei gęstość powietrza zależy bezpośrednio od jego temperatury i wysokości. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie gęstość powietrza (a zatem i jego lepkość), a wysoko w górach powietrze staje się coraz rzadsze, a jego gęstość mniejsza i tak dalej. Istnieje wiele takich niuansów.

Ale wracając do kształtu samochodu. Który przedmiot ma najlepsze usprawnienie? Odpowiedź na to pytanie jest znana prawie każdemu uczniowi (który nie spał na lekcjach fizyki). Kropla wody spada w formie najbardziej odpowiedniej z punktu widzenia aerodynamiki. Oznacza to, że zaokrąglona przednia powierzchnia i gładko zwężające się długie plecy (najlepszy stosunek to długość 6 razy szersza). Współczynnik oporu jest wartością eksperymentalną. Liczbowo jest równy sile oporu powietrza w niutonach powstającej, gdy porusza się on z prędkością 1 m / s na 1 m2 powierzchni czołowej. Dla jednostki odniesienia przyjmuje się, że Cx płaskiej płyty \u003d 1. Tak więc, dla kropli wody, Cx \u003d 0,04. Teraz wyobraź sobie samochód o takim kształcie. Bzdury, prawda? Taka rzecz na kołach będzie nie tylko wyglądać karykaturalnie, ale nie będzie zbyt wygodnie używać tego samochodu zgodnie z jego przeznaczeniem. Dlatego projektanci zmuszeni są szukać kompromisu między aerodynamiką samochodu a łatwością obsługi. Ciągłe próby obniżenia współczynnika oporu powietrza doprowadziły do \u200b\u200btego, że niektóre nowoczesne samochody mają Cx \u003d 0,28-0,25. Samochody z rekordowymi prędkościami mogą pochwalić się Cx \u003d 0,2-0,15.

Siły oporu

Teraz musisz trochę porozmawiać o właściwościach powietrza. Jak wiadomo, każdy gaz składa się z cząsteczek. Są w ciągłym ruchu i interakcji ze sobą. Powstają tak zwane siły Van der Waalsa - siły wzajemnego przyciągania się cząsteczek, które utrudniają ich wzajemny ruch. Niektóre z nich zaczynają silniej przylegać do reszty. Wraz ze wzrostem chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta również skuteczność działania jednej warstwy powietrza na drugą, a także lepkość. Dzieje się tak ze względu na wzrost temperatury powietrza, a może to być spowodowane zarówno bezpośrednim ogrzewaniem od słońca, jak i pośrednim tarciem powietrza na dowolnej powierzchni lub po prostu między jej warstwami. Tutaj wpływa na to prędkość ruchu. Aby zrozumieć, jak odbija się to w samochodzie, po prostu machaj ręką z otwartą dłonią. Jeśli robisz to powoli, nic się nie dzieje, ale jeśli mocniej machasz ręką, dłoń wyraźnie wyczuwa pewien opór. Ale to tylko jeden element.

Kiedy powietrze porusza się po pewnej stałej powierzchni (na przykład karoserii), te same siły Van der Waalsa powodują, że najbliższa warstwa cząsteczek zaczyna do niej przylegać. Ta „zablokowana” warstwa spowalnia następną. I tak warstwa po warstwie i im szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, tym dalej są od stałej powierzchni. Ostatecznie ich prędkość jest zrównana z prędkością głównego przepływu powietrza. Warstwa, w której cząstki poruszają się powoli, nazywana jest warstwą graniczną i pojawia się na dowolnej powierzchni. Im większa wartość energii powierzchniowej materiału powłokowego samochodu, tym silniej jego powierzchnia oddziałuje na poziomie molekularnym z otaczającym powietrzem i tym więcej energii musi zostać wydane na zniszczenie tych sił. Teraz, opierając się na powyższych obliczeniach teoretycznych, możemy powiedzieć, że opór powietrza to nie tylko wiatr wiejący w przednią szybę. Ten proces ma więcej składników.

Odporność na kształt

Jest to najważniejsza część - do 60% wszystkich strat aerodynamicznych. Często nazywa się to odpornością na nacisk lub oporem. Podczas jazdy samochód kompresuje nadciągający przepływ powietrza i pokonuje wysiłek rozepchnięcia cząsteczek powietrza. Rezultatem jest strefa wysokiego ciśnienia. Następnie powietrze przepływa po powierzchni samochodu. W trakcie którego dochodzi do awarii dysz powietrznych z tworzeniem się wirów. Ostatni przeciąg powietrza z tyłu samochodu tworzy strefę obniżonego ciśnienia. Opór z przodu i efekt ssania z tyłu samochodu tworzą bardzo poważny opór. Ten fakt zobowiązuje projektantów i konstruktorów do poszukiwania sposobów na oddanie ciała. Półka

Teraz musisz wziąć pod uwagę kształt samochodu, jak mówią „od zderzaka do zderzaka”. Które z części i elementów mają większy wpływ na ogólną aerodynamikę maszyny. Przód ciała. Dzięki eksperymentom w tunelu aerodynamicznym stwierdzono, że dla lepszej aerodynamiki przód ciała powinien być niski, szeroki i nie powinien mieć ostrych narożników. W tym przypadku nie ma oddzielenia przepływu powietrza, co jest bardzo korzystne dla usprawnienia samochodu. 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 studiują ergonomię i rozkład przepływu powietrza w komorze silnika równie poważnie, jak ogólna aerodynamika samochodu. Pochylenie przedniej szyby jest bardzo uderzającym przykładem kompromisu między usprawnieniem, ergonomią i wydajnością. Jego niewystarczające nachylenie powoduje nadmierny opór, a nadmierny - zwiększa zapylenie i masę samego szkła, widoczność gwałtownie zmniejsza się o zmierzchu, konieczne jest zwiększenie rozmiaru wycieraczki itp. Przejście ze szkła do ściany bocznej powinno być gładkie.

Ale nie można dać się ponieść nadmiernej krzywizny szkła - może to zwiększyć zniekształcenie i pogorszyć widoczność. Wpływ rozpórki przedniej szyby na opór aerodynamiczny jest bardzo zależny od położenia i kształtu przedniej szyby, a także od kształtu przodu. Ale pracując nad formą bagażnika, nie wolno nam zapominać o ochronie przednich szyb bocznych przed deszczem i brudem, zdmuchniętych z przedniej szyby, utrzymując akceptowalny poziom zewnętrznego hałasu aerodynamicznego itp. Dach. Wzrost wybrzuszenia dachu może prowadzić do zmniejszenia współczynnika oporu. Ale znaczny wzrost wypukłości może kolidować z ogólną konstrukcją samochodu. Ponadto, jeśli wzrostowi wybrzuszenia towarzyszy jednoczesny wzrost obszaru oporu, wówczas siła oporu wzrasta. Z drugiej strony, jeśli spróbujesz zachować pierwotną wysokość, przednia szyba i tylne okna będą musiały penetrować dachy, ponieważ widoczność nie powinna się pogorszyć. Doprowadzi to do wzrostu kosztu okularów, ale spadek siły oporu powietrza w tym przypadku nie jest tak znaczący.

Powierzchnie boczne Z punktu widzenia aerodynamiki samochodu powierzchnie boczne mają niewielki wpływ na tworzenie przepływu bez wirów. Ale nie można ich zaokrąglić za bardzo. W przeciwnym razie trudno będzie dostać się do takiego samochodu. Szyby powinny, w miarę możliwości, być integralne z powierzchnią boczną i powinny być zgodne z zewnętrznym konturem pojazdu. Wszelkie kroki i skoczki tworzą dodatkowe przeszkody w przepływie powietrza, pojawiają się niepożądane skręty. Widać, że rynny, które były wcześniej obecne w prawie każdym samochodzie, nie są już używane. Istnieją inne rozwiązania konstrukcyjne, które nie mają tak dużego wpływu na aerodynamikę samochodu.

Być może największy wpływ na usprawnienie ma tył samochodu. Wyjaśnienie jest proste. Z tyłu przepływ powietrza zrywa się i tworzy turbulencje. Oparcie samochodu jest prawie niemożliwe do wykonania tak opływowego jak sterowiec (długość 6-krotna szerokość). Dlatego pracują nad jego formą ostrożniej. Jednym z głównych parametrów jest kąt nachylenia tyłu samochodu. Przykład rosyjskiego samochodu Moskvich-2141 stał się już podręcznikiem, w którym to nieudana decyzja tyłu znacznie pogorszyła ogólną aerodynamikę samochodu. Ale z drugiej strony tylne okno Moskali zawsze pozostawało czyste. Znowu kompromis. Dlatego tak wiele dodatkowych elementów mocujących jest wykonanych specjalnie z tyłu samochodu: skrzydło, spoilery itp. Wraz z kątem nachylenia tyłu, na aerodynamiczny współczynnik oporu ma duży wpływ konstrukcja i kształt bocznej krawędzi tyłu samochodu. Na przykład, patrząc na prawie każdy nowoczesny samochód z góry, od razu widać, że nadwozie jest szersze z przodu niż z tyłu. To także aerodynamika. Dno samochodu.

Jak może się początkowo wydawać, ta część ciała nie może wpływać na aerodynamikę. Ale tutaj jest taki aspekt jak docisk. Od tego zależy stabilność samochodu i tego, jak prawidłowo zorganizowany jest przepływ powietrza pod dnem samochodu, w wyniku czego zależy siła jego „przyczepiania się” do drogi. Oznacza to, że jeśli powietrze pod samochodem nie zatrzymuje się, ale płynie szybko, wówczas występujące tam zmniejszone ciśnienie spowoduje dociśnięcie samochodu do jezdni. Jest to szczególnie ważne w przypadku zwykłych samochodów. Faktem jest, że w samochodach wyścigowych, które rywalizują na wysokiej jakości, równych powierzchniach, możesz ustawić tak niski prześwit, że zacznie pojawiać się efekt „poduszki ziemnej”, w którym siła docisku rośnie, a opór maleje. W przypadku zwykłych samochodów niski prześwit jest niedopuszczalny. Dlatego projektanci próbowali ostatnio maksymalnie wygładzić dolną część samochodu, aby osłonić tak nierówne elementy, jak rury wydechowe, wahacze itp. Nawiasem mówiąc, nisze kół mają bardzo duży wpływ na aerodynamikę samochodu. Nieprawidłowo zaprojektowane nisze mogą wytworzyć dodatkową siłę podnoszenia.

I znowu wiatr

Nie trzeba mówić, że wymagana moc silnika, dlatego zużycie paliwa (tj. Portfel) zależy od usprawnienia samochodu. Jednak aerodynamika wpływa nie tylko na szybkość i wydajność. Nie ostatnie miejsce zajmują zadania polegające na zapewnieniu dobrej stabilności kierunkowej, sterowności samochodu i redukcji hałasu podczas jego ruchu. W przypadku hałasu wszystko jest jasne: im lepsze usprawnienie samochodu, jakość powierzchni, im mniejsza szczelina i liczba wystających elementów itp., Tym mniej hałasu. Projektanci muszą pomyśleć o takim aspekcie, jak punkt zwrotny. Ten efekt jest dobrze znany większości kierowców. Każdy, kto przejechał obok „ciężarówki” z dużą prędkością lub po prostu jechał z silnym bocznym wiatrem, powinien wyczuć przechylenie lub nawet niewielki przechył samochodu. Wyjaśnienie tego efektu nie ma sensu, ale właśnie taki jest problem aerodynamiki.

Właśnie dlatego współczynnik Cx nie jest jedynym. W końcu powietrze może wpływać na samochód nie tylko „na czole”, ale także pod różnymi kątami i w różnych kierunkach. A wszystko to ma wpływ na łatwość zarządzania i bezpieczeństwo. To tylko kilka głównych aspektów, które wpływają na ogólną siłę oporu powietrza. Nie można 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 oszczędzają pieniędzy na budowę. Koszt takich ośrodków badawczych może wynosić miliony dolarów. Na przykład: Daimler-Chrysler zainwestował 37,5 miliona dolarów w stworzenie specjalistycznego kompleksu w celu poprawy aerodynamiki swoich samochodów. Obecnie tunel aerodynamiczny jest najważniejszym narzędziem do badania sił oporu powietrza wpływających na samochód.

Zapraszamy dzisiaj, aby dowiedzieć się, co to jest, dlaczego jest potrzebne i w którym roku technologia po raz pierwszy pojawiła się na świecie.

Bez aerodynamiki samochody i samoloty, a nawet bobsleje, to tylko obiekty, które poruszają wiatrem. Jeśli nie ma aerodynamiki, wiatr porusza się nieefektywnie. Nauka badania skuteczności usuwania przepływów powietrza nazywa się aerodynamiką. Aby stworzyć pojazd, który skutecznie kierowałby strumienie powietrza, zmniejszając opór, potrzebujesz tunelu aerodynamicznego, w którym inżynierowie sprawdzają skuteczność aerodynamicznego oporu powietrza części samochodowych.

Błędnie uważa się, że aerodynamika pojawiła się od czasu wynalezienia tunelu aerodynamicznego. Ale tak nie jest. Właściwie pojawił się w 1800 roku. Początki tej nauki rozpoczęły się w 1871 roku od braci Wright, którzy są projektantami i twórcami pierwszego na świecie samolotu. Dzięki nim aeronautyka zaczęła się rozwijać. Cel był jeden - próba zbudowania samolotu.

Najpierw bracia przeprowadzili testy w tunelu kolejowym. Ale zdolność tunelu do badania przepływu powietrza była ograniczona. Dlatego nie byli w stanie stworzyć prawdziwego samolotu, ponieważ w tym celu konieczne było, aby korpus samolotu spełniał najbardziej rygorystyczne wymagania aerodynamiczne.

Dlatego w 1901 roku bracia zbudowali własny tunel aerodynamiczny. W rezultacie, według niektórych raportów, w tej tubie przetestowano około 200 samolotów i poszczególnych prototypowych skrzynek o różnych kształtach. Kilka lat zajęło braciom zbudowanie pierwszego prawdziwego samolotu w historii. Tak więc w 1903 roku Bracia Wright przeprowadzili udany test pierwszego na świecie, który trwał w powietrzu przez 12 sekund.

Co to jest tunel aerodynamiczny?

Jest to proste urządzenie, które składa się z zamkniętego tunelu (ogromna pojemność), przez który powietrze przepływa przez potężne wentylatory. Obiekt umieszcza się w tunelu aerodynamicznym, na którym zaczynają się karmić. Ponadto w nowoczesnych tunelach aerodynamicznych specjaliści mają możliwość zastosowania ukierunkowanych przepływów powietrza do niektórych elementów karoserii lub dowolnego pojazdu.

Testy w tunelu aerodynamicznym zyskały popularność podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej w latach 40. Na całym świecie departamenty wojskowe prowadziły badania aerodynamiczne sprzętu wojskowego i amunicji. Po wojnie wojskowe badania aerodynamiczne uległy ograniczeniu. Ale inżynierowie projektujący samochody wyścigowe zwracali uwagę na aerodynamikę. Następnie tę modę wybrali projektanci i samochody.

Wynalezienie tunelu aerodynamicznego umożliwiło specjalistom testowanie pojazdów, które się nie poruszają. Następnie powietrze przepływa i powstaje ten sam efekt, który obserwuje się podczas ruchu maszyny. Nawet podczas testowania samolotu obiekt pozostaje nieruchomy. Jest regulowany tylko w celu symulacji określonej prędkości pojazdu.

Dzięki aerodynamice zarówno samochody sportowe, jak i proste zaczęły nabierać gładkich linii i zaokrąglonych elementów nadwozia zamiast kwadratowych kształtów.

Czasami cały samochód może nie być potrzebny do badań. Często można zastosować pełnowymiarowy konwencjonalny układ. W rezultacie eksperci określają poziom odporności na wiatr.

Przez sposób, w jaki wiatr porusza się wewnątrz rury, określa się współczynnik oporu wiatru.

Nowoczesne tunele aerodynamiczne to w rzeczywistości gigantyczna suszarka do włosów dla Twojego samochodu. Na przykład jeden ze słynnych tuneli aerodynamicznych znajduje się w Karolinie Północnej w USA, gdzie prowadzone są badania stowarzyszeniowe. Dzięki tej rurze inżynierowie symulują samochody zdolne do poruszania się z prędkością 290 km / h.

W ten obiekt zainwestowano około 40 milionów dolarów. Rura rozpoczęła pracę w 2008 roku. Głównymi inwestorami są NASCAR Racing Association i właściciel wyścigu Gene Haas.

Oto wideo z tradycyjnego testu w tej tubie:

Od czasu pojawienia się pierwszego tunelu aerodynamicznego w historii inżynierowie zdali sobie sprawę, jak ważny jest ten wynalazek dla wszystkich. W rezultacie projektanci motoryzacyjni zwrócili na nią uwagę, która zaczęła opracowywać technologie badania przepływu powietrza. Ale technologia nie stoi w miejscu. Obecnie wiele badań i obliczeń odbywa się na komputerze. Najbardziej niesamowite jest to, że nawet testy aerodynamiczne są przeprowadzane w specjalnych programach komputerowych.

Model maszyny wirtualnej 3D jest używany jako przedmiot testu. Następnie komputer odtwarza różne warunki testowania aerodynamiki. To samo podejście zaczęło się rozwijać w przypadku testów zderzeniowych. , co pozwala nie tylko zaoszczędzić pieniądze, ale także uwzględnić wiele parametrów podczas testowania.

Oprócz prawdziwych testów zderzeniowych budowa tunelu aerodynamicznego i testowanie go jest bardzo kosztowne. Na komputerze koszt może wynosić tylko kilka dolarów.

To prawda, że \u200b\u200bdziadkowie i wyznawcy starych technologii nadal będą mówić, że prawdziwy świat jest lepszy niż komputery. Ale XXI wiek to XXI wiek. Dlatego jest nieuniknione, że w najbliższej przyszłości wiele prawdziwych testów zostanie całkowicie przeprowadzonych na komputerze.

Chociaż warto zauważyć, że nie jesteśmy przeciwko komputerom, mamy nadzieję, że prawdziwe testy w tunelu aerodynamicznym i zwykłe testy zderzeniowe pozostaną w branży motoryzacyjnej.

Pakiet oprogramowania do aerodynamiki obliczeniowej i hydrodynamiki Flowvision Zaprojektowany do wirtualnego czyszczenia aerodynamicznego różnych obiektów technicznych lub naturalnych. Obiekty mogą obejmować produkty transportowe, urządzenia energetyczne, produkty wojskowo-przemysłowe i inne. Flowvision    pozwala symulować przepływ przy różnych prędkościach przepływu przychodzącego i przy różnych stopniach jego zakłóceń (stopień turbulencji).

Proces modelowania jest przeprowadzany ściśle w trójwymiarowym przestrzennym sformułowaniu problemu i przebiega zgodnie z zasadą „jak jest”, co implikuje możliwość zbadania pełnego modelu geometrycznego obiektu użytkownika bez żadnych uproszczeń. Stworzony system przetwarzania dla importowanej trójwymiarowej geometrii pozwala bezboleśnie pracować z modelami o dowolnym stopniu złożoności, w których użytkownik w rzeczywistości wybiera poziom szczegółowości swojego obiektu - czy chce przedmuchać uproszczony wygładzony model konturów zewnętrznych lub kompletny model ze wszystkimi elementami strukturalnymi, aż do głów śrub na tarczach kół i logo producenta w postaci figury na przedniej części samochodu.

  Rozkład prędkości w pobliżu karoserii samochodu wyścigowego.

Uwzględniane są wszystkie szczegóły - szprychy kół, wpływ asymetrii szprych sterujących na przebieg.

Flowvision    utworzony przez rosyjski zespół programistów (firma TESIS, Rosja) ponad 10 lat temu i jest oparty na rozwoju krajowej szkoły podstawowej i matematycznej. System został stworzony z myślą o pracy z użytkownikami o najróżniejszych kwalifikacjach - uczniami, nauczycielami, projektantami i naukowcami. Możesz równie skutecznie rozwiązywać zarówno proste, jak i złożone zadania.

Produkt jest stosowany w różnych sektorach przemysłu, nauki i edukacji - lotnictwie, kosmosie, energetyce, przemyśle stoczniowym, motoryzacyjnym, ekologii, inżynierii, przetwórstwie i przemyśle chemicznym, medycynie, przemyśle nuklearnym i sektorze obronnym oraz ma największą bazę instalacyjną w Rosji.

W 2001 r. Decyzją Rady Głównej Ministerstwa Federacji Rosyjskiej FlowVision został zalecony do włączenia do programu nauczania mechaniki płynów i gazów na rosyjskich uniwersytetach. Obecnie FlowVision jest wykorzystywany jako integralna część procesu edukacyjnego wiodących rosyjskich uniwersytetów - MIPT, MPEI, SPbSTU, Vladimir University, UNN i innych.

W 2005 roku FlowVision został przetestowany i otrzymał certyfikat zgodności z Gosstandart z Federacji Rosyjskiej.

Najważniejsze cechy

W sercu Flowvision zasada prawa zachowania masy leży - ilość substancji wchodzącej do wypełnionej, zamkniętej obliczonej objętości jest równa ilości substancji zmniejszającej się z niej (patrz ryc. 1).

Ryc. 1 Zasada prawa zachowania masy

Rozwiązanie tego problemu polega na znalezieniu wartości średniej w danym wolumenie na podstawie danych na granicach (twierdzenie Ostrogradsky-Gaussa).

Ryc. 2 Integracja objętości na podstawie wartości granicznych

Aby uzyskać dokładniejsze rozwiązanie, początkową objętość obliczoną dzieli się na mniejsze objętości.

Ryc. 3 Pogrubienie siatki

Nazywa się procedurę dzielenia oryginalnego woluminu na mniejsze BUDOWA SIATKI USTAWIANIA    , a tablica wynikowych woluminów to USTAWIANIE SIATKI    . Każda objętość uzyskana podczas budowy siatki obliczeniowej jest nazywana KOMÓRKA OBLICZENIOWA    , w każdym z nich obserwuje się również równowagę mas przychodzących i wychodzących. Nazywa się zamknięty wolumin, w którym występuje konstrukcja siatki obliczeniowej OBSZAR PODSTAWOWY .

Architektura

Ideologia Flowvision    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 kompleksu oprogramowania jest modułowa, co pozwala bezboleśnie wprowadzać w nim ulepszenia i nowe funkcje. Główne moduły to PrePostProcessor i jednostka solver, a także kilka jednostek pomocniczych, które wykonują różne operacje przeznaczone do monitorowania i dostrajania.

Rozkład ciśnienia na karoserii samochodu sportowego

Funkcjonalny cel Preprocesora obejmuje importowanie geometrii domeny obliczeniowej z systemów modelowania geometrycznego, definiowanie modelu średniego, aranżowanie warunków początkowych i brzegowych, edytowanie lub importowanie siatki obliczeniowej i ustawianie kryteriów konwergencji, po czym kontrola jest przenoszona do Solvera, który rozpoczyna proces konstruowania siatki obliczeniowej i oblicza zgodnie z ustawić parametry. W trakcie zliczania użytkownik ma możliwość wizualnego i ilościowego monitorowania obliczeń za pomocą narzędzi Postprocessor i oceny procesu opracowywania rozwiązania. Po osiągnięciu wymaganej wartości kryterium konwergencji proces liczenia można zatrzymać, po czym wynik staje się w pełni dostępny dla użytkownika, który może korzystać z narzędzi Postprocesora do przetwarzania danych - wizualizować wyniki i kwantyfikować je, a następnie zapisać w zewnętrznych formatach danych.

   Siatka obliczeniowa

W Flowvision    używana jest prostokątna siatka obliczeniowa, która automatycznie dostosowuje się do granic domeny obliczeniowej i rozwiązania. Przybliżenie zakrzywionych granic o wysokim stopniu dokładności zapewnia metoda rozdzielczości podsiatki geometrii. Takie podejście pozwala pracować z modelami geometrycznymi składającymi się z powierzchni o dowolnym stopniu złożoności.

Źródło Obszar rozliczeniowy

Siatka ortogonalna nałożona na obszar

Przycinanie początkowej siatki granicami regionu

   Ostateczna siatka obliczeń

Automatyczna konstrukcja siatki obliczeniowej z uwzględnieniem krzywizny powierzchni

Jeśli to konieczne, aby wyjaśnić rozwiązanie na granicy lub we właściwym miejscu szacowanego wolumenu, możesz przeprowadzić dynamiczną adaptację siatki osadniczej. Adaptacja to fragmentacja komórek niższego poziomu na mniejsze komórki. Dostosowanie może odbywać się według warunków brzegowych, objętości i decyzji. Dostosowanie siatki odbywa się na określonej granicy, w określonej lokalizacji w domenie obliczeniowej lub na podstawie decyzji, biorąc pod uwagę zmiany zmiennej i gradientu. Adaptacja odbywa się zarówno w kierunku mielenia siatki, jak i w przeciwnym kierunku - łącząc małe komórki w większe, aż do siatki początkowego poziomu.

Technologia adaptacji siatki

Ruchome ciała

Technologia ruchomego ciała pozwala umieścić ciało o dowolnym kształcie geometrycznym w domenie obliczeniowej i nadać mu ruch translacyjny i / lub obrotowy. Prawo ruchu może być stałe lub zmienne w czasie i przestrzeni. Ruch ciała definiuje się na trzy główne sposoby:

Wyraźnie poprzez ustawienie prędkości ciała;
   - poprzez zadanie siły działającej na ciało i przesuwającej go z punktu początkowego

Poprzez narażenie ze środowiska, w którym ciało jest umieszczone.

Wszystkie trzy metody można ze sobą łączyć.

   Wyładowanie rakiety w niestabilnym przepływie spowodowanym grawitacją

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

  Obliczenia równoległe

Jedna z kluczowych cech pakietu oprogramowania Flowvision    równoległe technologie obliczeniowe, gdy kilka procesorów lub rdzeni procesorów jest używanych do rozwiązania jednego problemu, co pozwala przyspieszyć obliczenia proporcjonalnie do ich liczby.

Przyspieszenie obliczeń zadania, w zależności od liczby zaangażowanych rdzeni

Proces uruchamiania równoległego jest w pełni zautomatyzowany. Użytkownik musi jedynie określić liczbę rdzeni lub procesorów, na których zadanie zostanie uruchomione. Algorytm przeprowadzi wszystkie dalsze działania, aby podzielić domenę obliczeniową na części i wymieniać dane między nimi niezależnie, wybierając najlepsze parametry.

Rozkład komórek powierzchniowych na 16 procesorów do zadań z dwoma samochodami

Zespół Flowvision    utrzymuje bliskie więzi z przedstawicielami krajowej i zagranicznej społeczności HPC (High Performance Computing) i uczestniczy we wspólnych projektach mających na celu uzyskanie nowych możliwości w zakresie zwiększenia wydajności w trybie obliczeń równoległych.

W 2007 roku FlowVision, wraz z Centrum Naukowo-Badawczym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, stał się członkiem federalnego programu mającego na celu utworzenie krajowego systemu równoległych rozliczeń teraflop. W ramach programu zespół programistów dostosowuje FlowVision do wykonywania dużych obliczeń na najnowocześniejszej technologii. Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Centrum Naukowo-Badawczym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego służy jako platforma testowa.

  Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Centrum Badań Naukowych Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego

W 2009 r. Zespół FlowVision wraz z Centrum Naukowo-Badawczym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, Sigma Technology i Państwowym Centrum Badawczym TsAGI stały się uczestnikami federalnego programu docelowego do tworzenia algorytmów rozwiązywania równoległych problemów optymalizacyjnych w problemach aerodynamicznych i hydrodynamicznych.

tekst, ilustracje: firma TESIS

W wielu obszarach nauki i technologii związanych z prędkością często konieczne jest obliczenie sił działających na obiekt. Nowoczesny samochód, myśliwiec, okręt podwodny lub szybki pociąg elektryczny - wszystkie one odczuwają wpływ sił aerodynamicznych. Dokładność określenia wielkości tych sił wpływa bezpośrednio na charakterystykę techniczną tych obiektów i ich zdolność do wykonywania określonych zadań. W ogólnym przypadku siły tarcia określają poziom mocy układu napędowego, a siły poprzeczne wpływają na sterowalność obiektu.

W tradycyjnym schemacie projektowym do określania sił stosuje się przedmuchy w tunelach aerodynamicznych (zwykle w mniejszych modelach), testy w basenie i testy w pełnej skali. Jednak wszystkie badania eksperymentalne są dość drogim sposobem na uzyskanie takiej wiedzy. Aby przetestować urządzenie modelowe, musisz je najpierw wykonać, a następnie opracować program testowy, przygotować stanowisko i wreszcie przeprowadzić serię pomiarów. Ponadto w większości przypadków na wiarygodność wyników testu będą miały wpływ założenia wynikające z odstępstwa od rzeczywistych warunków eksploatacji obiektu.

  Eksperyment czy obliczenia?

Rozważmy bardziej szczegółowo przyczyny rozbieżności między wynikami eksperymentów a rzeczywistym zachowaniem obiektu.

Podczas badania modeli w ograniczonych przestrzeniach, na przykład w tunelach aerodynamicznych, powierzchnie graniczne mają znaczący wpływ na strukturę przepływu wokół obiektu. Zmniejszenie skali modelu pozwala rozwiązać ten problem, należy jednak wziąć pod uwagę zmianę liczby Reynoldsa (tzw. Efekt skali).

W niektórych przypadkach zniekształcenia mogą być spowodowane zasadniczym niedopasowaniem między rzeczywistymi warunkami przepływu wokół ciała a tymi symulowanymi w rurze. Na przykład podczas dmuchania szybkich samochodów lub pociągów brak ruchomej powierzchni poziomej w tunelu aerodynamicznym poważnie zmienia ogólny obraz przepływu wokół niego, a także wpływa na równowagę sił aerodynamicznych. Ten efekt jest związany ze wzrostem warstwy granicznej.

Metody pomiarowe wprowadzają również błędy w mierzonych wartościach. Nieprawidłowe ustawienie czujników na obiekcie lub nieprawidłowe ustawienie ich części roboczych może prowadzić do nieprawidłowych wyników.

  Przyspieszenie projektowania

Obecnie wiodące firmy z branży na etapie wstępnego projektowania szeroko stosują technologie modelowania komputerowego CAE. Pozwala to wziąć pod uwagę większą liczbę opcji podczas wyszukiwania optymalnego projektu.

Obecny poziom rozwoju pakietu oprogramowania ANSYS CFX znacznie rozszerza zakres jego zastosowania: od modelowania przepływów laminarnych do przepływów turbulentnych z silną anizotropią parametrów.

Szeroka gama używanych modeli turbulencji obejmuje tradycyjne modele RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), które mają najlepszy stosunek prędkości do dokładności, model turbulencji SST (transport naprężeń ścinających) (model dwuwarstwowy Mentera), który z powodzeniem łączy zalety kluczowych modeli turbulencji i kw. W przypadku przepływów z rozwiniętą anizotropią bardziej odpowiednie są modele typu RSM (model stresu Reynoldsa). Bezpośrednie obliczenie parametrów turbulencji w kierunkach pozwala nam dokładniej określić charakterystykę przepływu wirowego.

W niektórych przypadkach zaleca się stosowanie modeli opartych na teoriach wirowych: DES (Symulacja wirów wirowych) i LES (Symulacja wirów wirowych). Zwłaszcza w przypadkach, w których szczególnie ważne jest uwzględnianie procesów przejścia laminarno-turbulentnego, opracowano model turbulencji przejściowej, który jest oparty na sprawdzonej technologii SST. Model przeszedł szeroko zakrojony program testowania różnych obiektów (od łopatek po samoloty pasażerskie) i wykazał doskonałą korelację z danymi eksperymentalnymi.

  Lotnictwo

Stworzenie nowoczesnych samolotów bojowych i cywilnych jest niemożliwe bez głębokiej analizy wszystkich jego cech na początkowym etapie projektowania. Oszczędność samolotu, jego prędkość i zwrotność zależą bezpośrednio od starannego zbadania kształtu powierzchni nośnych i konturów.

Obecnie wszyscy główni producenci samolotów w takim czy innym stopniu korzystają z analizy komputerowej przy opracowywaniu nowych produktów.

Badacze modelu przejściowego turbulencji, który poprawnie analizuje reżimy przepływu zbliżone do laminarnego, przepływy z rozwiniętymi strefami separacji i przyłączenia przepływu, oferują ogromne możliwości analizy przepływów złożonych. To dodatkowo zmniejsza różnicę między wynikami obliczeń numerycznych a rzeczywistym wzorcem przepływu.

  Motoryzacyjny

Nowoczesny samochód powinien mieć zwiększoną wydajność przy wysokiej wydajności energetycznej. I oczywiście głównymi elementami determinującymi są silnik i nadwozie.

Aby zapewnić skuteczność wszystkich układów silnika, wiodące firmy zachodnie od dawna stosują technologie symulacji komputerowych. Na przykład Robert Bosch Gmbh (Niemcy), producent szerokiej gamy komponentów do nowoczesnych samochodów z silnikiem Diesla, zastosował ANSYS CFX podczas opracowywania układu zasilania paliwem Common Rail (w celu poprawy wydajności wtrysku).

BMW, którego silniki od kilku lat zdobywają tytuł Międzynarodowego Silnika Roku, wykorzystuje model ANSYS CFX do modelowania procesów w komorach spalania ICE.

Zewnętrzna aerodynamika jest również sposobem na zwiększenie wydajności silnika. Zwykle mówimy nie tylko o zmniejszeniu współczynnika oporu, ale także o równowadze siły docisku wymaganej przez każdy szybki samochód.

Ostatecznym wyrazem tych cech są samochody wyścigowe różnych klas. Bez wyjątku wszyscy uczestnicy mistrzostw F1 korzystają z komputerowej analizy aerodynamiki swoich samochodów. Osiągnięcia sportowe wyraźnie pokazują zalety tych technologii, z których wiele jest już wykorzystywanych do tworzenia samochodów produkcyjnych.

W Rosji pionierem w tej dziedzinie jest zespół Active-Pro Racing: samochód wyścigowy Formuły 1600 ma prędkość ponad 250 km / hi jest szczytem rosyjskiego sportu motorowego. Zastosowanie kompleksu ANSYS CFX (ryc. 4) do zaprojektowania nowego aerodynamicznego upierzenia samochodu umożliwiło znaczne zmniejszenie liczby opcji projektowych przy poszukiwaniu optymalnego rozwiązania.

Porównanie obliczonych danych i wyników dmuchania w tunelu aerodynamicznym wykazało oczekiwaną różnicę. Wyjaśnia to nieruchoma podłoga w rurze, która spowodowała wzrost grubości warstwy granicznej. Dlatego elementy aerodynamiczne umieszczone dość nisko działały w nietypowych warunkach.

Model komputerowy był jednak w pełni zgodny z rzeczywistymi warunkami ruchu, co pozwoliło znacznie poprawić efektywność upierzenia samochodu.

  Konstrukcja

Dziś architekci mają większą swobodę w podejściu do wyglądu zaprojektowanych budynków niż 20 lub 30 lat temu. Futurystyczne dzieła współczesnych architektów mają z reguły złożone kształty geometryczne, dla których wartości współczynników aerodynamicznych (niezbędne do przypisania obliczonych obciążeń wiatrem do konstrukcji wsporczych) są nieznane.

W tym przypadku, w celu uzyskania właściwości aerodynamicznych budynku (i czynników siły oddziaływania), oprócz tradycyjnych testów w tunelach aerodynamicznych, coraz częściej stosuje się narzędzia CAE. Przykład takiego obliczenia w ANSYS CFX pokazano na ryc. 5

Ponadto ANSYS CFX jest tradycyjnie wykorzystywany do modelowania systemów wentylacji i ogrzewania w obiektach przemysłowych, budynkach biurowych, biurach oraz kompleksach sportowych i rozrywkowych.

Aby przeanalizować reżim temperaturowy i charakter przepływu powietrza na arenie lodowej IC Krylatskoye (Moskwa), inżynierowie z Olof Granlund Oy (Finlandia) wykorzystali pakiet oprogramowania ANSYS CFX. Trybuny stadionowe mieszczą około 10 tysięcy widzów, a obciążenie cieplne z nich może wynosić ponad 1 MW (w oparciu o 100-120 W / osobę). Dla porównania: do podgrzania 1 litra wody od 0 do 100 ° C potrzeba nieco ponad 4 kW energii.

Ryc. 5. Rozkład ciśnienia na powierzchni konstrukcji

  Podsumowując

Jak widać, technologie obliczeniowe w aerodynamice osiągnęły poziom, o którym moglibyśmy tylko pomarzyć 10 lat temu. Jednocześnie modelowania komputerowego nie należy zestawiać z badaniami eksperymentalnymi - znacznie lepiej, jeśli metody te się uzupełniają.

Kompleks ANSYS CFX pozwala inżynierom rozwiązać tak złożone problemy, jak na przykład określenie deformacji konstrukcyjnych pod wpływem obciążeń aerodynamicznych. Przyczynia się to do poprawniejszego sformułowania wielu problemów zarówno aerodynamiki wewnętrznej, jak i zewnętrznej: od problemów trzepotania maszyn łopatowych po uderzenia wiatru i fal w konstrukcje morskie.

Wszystkie obliczone możliwości kompleksu ANSYS CFX są również dostępne w środowisku ANSYS Workbench.

Obecna regulacja zezwala zespołom na testowanie w tunelu aerodynamicznym modeli samochodów, które nie przekraczają 60% skali. W wywiadzie dla F1Racing były dyrektor techniczny zespołu Renault Pat Symonds mówił o cechach 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. przeprowadzono z makietami o wartości 25% rzeczywistej wartości - moc tunelu aerodynamicznego na University of Southampton i Imperial College w Londynie nie pozwoliła na więcej - tylko była możliwość zainstalowania modeli na bieżąco. Potem były tunele aerodynamiczne, w których możliwa była praca z modelami w 33% i 50%, a teraz, ze względu na potrzebę ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się przetestować modele nie więcej niż 60% przy prędkości przepływu powietrza nie większej niż 50 metrów na sekundę.

Wybierając skalę modelu, zespoły opierają się na możliwościach istniejącego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% powierzchni roboczej rury. Produkcja mniejszych modeli jest tańsza, ale im mniejszy model, tym trudniej jest zachować niezbędną dokładność. Podobnie jak w wielu innych kwestiach dotyczących rozwoju samochodów Formuły 1, musisz poszukać optymalnego kompromisu.

W dawnych czasach modele wytwarzano z drewna drzewa Dier rosnącego w Malezji, które ma niską gęstość, obecnie stosuje się sprzęt do stereolitografii laserowej - wiązka laserowa w podczerwieni polimeryzuje materiał kompozytowy, uzyskując moc wyjściową o określonych właściwościach. Ta metoda pozwala sprawdzić skuteczność nowego pomysłu inżynieryjnego w tunelu aerodynamicznym w ciągu zaledwie kilku godzin.

Im dokładniej model jest wykonywany, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane przez jego oczyszczenie. Każda drobiazg jest tutaj ważna, nawet przez rury wydechowe przepływ gazu musi przepływać z taką samą prędkością jak na prawdziwej maszynie. Zespoły starają się osiągnąć maksymalną możliwą dokładność dla istniejącego sprzętu w symulacji.

Przez wiele lat, zamiast opon, ich duże kopie były wytwarzane z nylonu lub włókna węglowego, osiągnięto poważny postęp, gdy Michelin produkował dokładnie mniejsze kopie opon wyścigowych. Model maszyny jest wyposażony w wiele czujników do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system umożliwiający zmianę wagi.

Modele, w tym zainstalowane na nich urządzenia pomiarowe, są nieco niższe w porównaniu do rzeczywistych maszyn - na przykład kosztują więcej niż prawdziwe maszyny GP2. To jest naprawdę bardzo zaawansowane rozwiązanie. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 tysięcy dolarów, może być używana przez kilka lat, ale zwykle zespoły mają dwa zestawy, aby nie przerywać pracy.

Każde udoskonalenie elementów nadwozia lub zawieszenia powoduje konieczność stworzenia nowej wersji zestawu nadwozia, która kosztuje kolejne ćwierć miliona. Jednocześnie sama praca tunelu aerodynamicznego kosztuje około tysiąca dolarów za godzinę i wymaga obecności 90 pracowników. Poważne zespoły wydają na badania około 18 milionów dolarów na sezon.

Koszty się zwracają. Wzrost siły docisku o 1% pozwala odtworzyć jedną dziesiątą sekundy na prawdziwym torze. W warunkach stabilnej regulacji inżynierowie grają około miesiąca, tak że tylko w dziale modelowania co dziesiąty kosztuje zespół półtora miliona dolarów. ”