Toată lumea știe ce este aerodinamica pentru o mașină. Cu cât corpul său este mai raționalizat, cu atât rezistența la mișcare și consumul de combustibil este mai mică. O astfel de mașină nu numai că vă va economisi bani, dar va arunca și mai puține gunoi în mediu. Răspunsul este simplu, dar departe de a fi complet. Specialistii aerodinamici, finisand caroseria noului model, mai:
- calculați distribuția de-a lungul axelor ascensorului, ceea ce este foarte important având în vedere vitezele considerabile ale mașinilor moderne,
- asigură acces la aer pentru răcirea motorului și a frânelor,
- gândiți-vă la locurile de admisie și evacuare a aerului pentru sistemul de ventilație al habitaclului,
- depuneți eforturi pentru a reduce nivelul de zgomot din cabină,
- optimizați forma părților corpului pentru a reduce contaminarea sticlei, oglinzilor și echipamentelor de iluminat.
Mai mult decât atât, rezolvarea unei sarcini contrazice adesea implementarea alteia. De exemplu, reducerea coeficientului de rezistență îmbunătățește raționalizarea, dar în același timp afectează rezistența vehiculului la rafale de vânt transversal. Prin urmare, experții trebuie să caute un compromis rezonabil.
Drag redusă
De ce depinde forța de tracțiune? Doi parametri au o influență decisivă asupra acestuia - coeficientul de rezistență aerodinamic Cx și aria secțiunii transversale a vehiculului (media navei). Puteți reduce secțiunea mediană făcând caroseria mai jos și mai îngustă, dar nu există foarte mulți cumpărători pentru o astfel de mașină. Prin urmare, direcția principală de îmbunătățire a aerodinamicii unei mașini este optimizarea fluxului în jurul caroseriei, cu alte cuvinte, reducerea Cx. Coeficientul de rezistență Cx este o mărime adimensională care este determinată experimental. Pentru mașinile moderne, se află în intervalul 0,26-0,38. În sursele străine, coeficientul de rezistență este uneori notat Cd (coeficient de rezistență). Un corp în formă de picătură, al cărui Cx este egal cu 0,04, posedă o raționalizare ideală. La deplasare, taie lin curenții de aer, care apoi nestingheriți, fără întreruperi, se închid în „coada”.
Masele de aer se comportă diferit atunci când mașina este în mișcare. Aici, rezistența aerului este alcătuită din trei componente:
- rezistență internă atunci când aerul trece prin compartimentul motor și interior,
- rezistenţa la frecare a curenţilor de aer pe suprafeţele exterioare ale corpului şi
- rezistență la formă.
A treia componentă are cel mai mare impact asupra aerodinamicii mașinii. În mișcare, mașina comprimă masele de aer din fața ei, creând o zonă de presiune crescută. Curenții de aer curg în jurul corpului, iar acolo unde se termină, fluxul de aer este separat, se creează turbulențe și o zonă de presiune redusă. Astfel, zona de înaltă presiune din față împiedică vehiculul să se deplaseze înainte, iar zona de joasă presiune din spate îl „suge” înapoi. Forța turbiilor și mărimea zonei de presiune redusă sunt determinate de forma spatelui corpului.
Cele mai bune performanțe aerodinamice sunt demonstrate de mașinile cu o secțiune spate treptată - sedanuri și coupe-uri. Explicația este simplă - fluxul de aer care a căzut de pe acoperiș cade imediat pe capacul portbagajului, unde se normalizează și apoi în cele din urmă se rupe de margine. Fluxurile laterale cad și pe portbagaj, ceea ce împiedică formarea de vortexuri dăunătoare în spatele mașinii. Prin urmare, cu cât capacul portbagajului este mai înalt și mai lung, cu atât performanța aerodinamică este mai bună. Pe sedanurile și coupe-urile mari, uneori este chiar posibil să se realizeze un flux continuu în jurul caroseriei. O ușoară înclinare a spatelui ajută și la scăderea Cx. Marginea trunchiului este făcută ascuțită sau sub forma unei mici proeminențe - aceasta asigură separarea fluxului de aer fără turbulențe. Ca urmare, zona de vid din spatele vehiculului este mică.
Partea inferioară a mașinii influențează și aerodinamica acestuia. Părțile proeminente ale suspensiei și ale sistemului de evacuare măresc rezistența. Pentru a o reduce, ei încearcă să netezească fundul cât mai mult posibil sau să acopere cu scuturi tot ceea ce „iese” sub bara de protecție. Uneori este montat un mic spoiler frontal. Spoilerul reduce fluxul de aer sub vehicul. Dar aici este important să știi când să te oprești. Un spoiler mare va crește semnificativ rezistența, dar mașina va fi mai bine să se „ghemuiască” pe drum. Dar mai multe despre asta în secțiunea următoare.
Forța aerodinamică
Proiectanții mașinilor de producție convenționale nu trebuie să inventeze măsuri speciale pentru a combate acest fenomen, deoarece ceea ce se face pentru îmbunătățirea raționalizării crește simultan forța aerodinamică. De exemplu, optimizarea secțiunii din spate reduce zona de vid din spatele vehiculului și, prin urmare, reduce liftul. Nivelarea caroseriei nu numai că reduce rezistența la mișcarea aerului, dar crește și debitul și, prin urmare, reduce presiunea sub vehicul. Aceasta, la rândul său, duce la o scădere a liftului. Eleronul din spate servește și el la două scopuri. Nu numai că reduce formarea vortexului, îmbunătățind Cx, dar și împinge simultan mașina spre drum datorită fluxului de aer care o respinge. Uneori, spoilerul din spate este proiectat exclusiv pentru a crește forța aerodinamică. În acest caz, este mare și înclinat sau făcut retractabil, intrând în lucru doar la viteze mari.
Pentru modelele sportive și de curse, măsurile descrise vor fi, desigur, ineficiente. Pentru a le menține pe drum, trebuie să creați multă forță aerodinamică. Pentru aceasta, se folosesc un spoiler frontal mare, praguri și panouri aripioare. Instalate însă pe mașinile de serie, aceste elemente vor juca doar un rol decorativ, mulțumind mândria proprietarului. Nu vor oferi niciun beneficiu practic, ci, dimpotrivă, vor crește rezistența la mișcare. Mulți șoferi, apropo, confundă un spoiler cu o aripă, deși este destul de ușor să distingem între ele. Spoilerul este întotdeauna apăsat pe corp, formând cu el un singur întreg. Aripa este instalată la o oarecare distanță de caroserie.
Aerodinamică practică
Respectarea câtorva reguli simple vă va permite să obțineți economii din aer prin reducerea consumului de combustibil. Cu toate acestea, aceste sfaturi vor fi utile doar celor care conduc des și mult pe autostradă.
Când conduceți, o parte semnificativă a puterii motorului este cheltuită pentru a depăși rezistența aerului. Cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare rezistența (și, prin urmare, consumul de combustibil). Prin urmare, dacă reduceți viteza chiar și cu 10 km/h, veți economisi până la 1 litru la 100 km. În acest caz, pierderea de timp va fi nesemnificativă. Cu toate acestea, acest adevăr este cunoscut de majoritatea șoferilor. Dar alte subtilități „aerodinamice” nu sunt cunoscute de toată lumea.
Consumul de combustibil depinde de coeficientul de rezistență și de aria secțiunii transversale a vehiculului. Dacă credeți că acești parametri sunt setați din fabrică, iar proprietarul mașinii nu îi poate schimba, atunci vă înșelați! Schimbarea lor nu este deloc dificilă și puteți obține atât efecte pozitive, cât și negative.
Ce crește cheltuiala? Sarcina de pe acoperiș „mâncă” excesiv de combustibil. Și chiar și o cutie raționalizată va lua cel puțin un litru la sută. Ferestrele și trapa deschise în timpul mișcării ard combustibil irațional. Dacă transportați o încărcătură lungă cu portbagajul ușor deschis, veți avea și o depășire. Diverse elemente decorative, cum ar fi un caren pe capotă („fly swatter”), „kenguryatnik”, o aripă și alte elemente de tuning de casă, deși vă vor aduce plăcere estetică, vă vor face să scoateți bani în plus. Uitați-vă sub partea de jos - va trebui să plătiți suplimentar pentru orice se lasă și se uită sub linia pragului. Chiar și un fleac precum absența capacelor de plastic pe jantele de oțel crește consumul. Fiecare dintre factorii sau părțile enumerate în mod individual nu crește consumul cu mult - de la 50 la 500 g la 100 km. Dar dacă adunăm totul, se va „deversa” din nou aproximativ un litru la sută. Aceste calcule sunt valabile pentru mașini mici cu o viteză de 90 km/h. Proprietarii de mașini mari și iubitorii de viteze mai mari fac indemnizații pentru un consum crescut.
Dacă toate condițiile de mai sus sunt îndeplinite, putem evita cheltuielile inutile. Este posibil să se reducă în continuare pierderile? Poate sa! Dar aceasta va necesita puțină reglare externă (vorbim, desigur, despre elemente executate profesional). Setul de caroserie aerodinamică din față nu permite fluxului de aer să „explodeze” sub partea de jos a mașinii, capacele pragului acoperă partea proeminentă a roților, spoilerul previne formarea de turbulențe în spatele „pupa” mașinii. Deși spoilerul este de obicei deja încorporat în structura caroseriei unei mașini moderne.
Deci, obținerea de economii din aer este destul de reală.
Actualul regulament permite echipelor să testeze modele de mașini într-un tunel de vânt care nu depășesc 60% din scară. Într-un interviu acordat F1Racing, fostul director al echipei Renault Pat Symonds a vorbit despre specificul acestui job...
Pat Symonds: „Astăzi, toate echipele lucrează cu modele la scară de 50% sau 60%, dar nu a fost întotdeauna cazul. Primele teste aerodinamice din anii 80 au fost efectuate cu machete 25% din valoarea reală - puterea tunelurilor de vânt de la Universitatea din Southampton și Imperial College din Londra nu a permis mai mult - doar acolo a fost posibil să se instaleze modele pe o bază mobilă. Apoi au apărut tunelurile de vânt, în care se putea lucra cu modele la 33% și 50%, iar acum, din cauza necesității de a limita costurile, echipele au convenit să testeze modele nu mai mult de 60% la un debit de aer de zero. mai mult de 50 de metri pe secundă.
Atunci când aleg scara modelului, echipele pornesc de la capacitățile tunelului de vânt existent. Pentru a obține rezultate precise, dimensiunile modelului nu trebuie să depășească 5% din suprafața de lucru a țevii. Este mai ieftin să produci modele la scară mai mică, dar cu cât modelul este mai mic, cu atât este mai dificil să menții precizia necesară. Ca și în cazul multor alte probleme de dezvoltare a mașinilor de Formula 1, aici trebuie să găsiți cel mai bun compromis.
Pe vremuri, modelele erau realizate din lemnul arborelui Diera care crește în Malaezia, care are o densitate scăzută, acum se folosesc echipamente pentru stereolitografia cu laser - un fascicul laser în infraroșu polimerizează materialul compozit, obținând o piesă cu caracteristici specificate la ieșire. Această metodă face posibilă testarea eficienței unei noi idei de inginerie într-un tunel de vânt în câteva ore.
Cu cât modelul este executat mai precis, cu atât informațiile obținute în timpul epurării sale sunt mai fiabile. Fiecare lucru mic este important aici, chiar și prin țevile de eșapament, fluxul de gaze trebuie să treacă cu aceeași viteză ca la o mașină adevărată. Echipele încearcă să obțină cea mai mare precizie posibilă de simulare pentru echipamentele disponibile.
De mulți ani, în locul anvelopelor s-au folosit copii la scară largă de nailon sau fibră de carbon și s-au făcut progrese serioase când Michelin a realizat copii exacte la scară redusă ale anvelopelor lor de curse. Modelul de mașină este echipat cu o varietate de senzori pentru măsurarea presiunii aerului și un sistem care vă permite să schimbați echilibrul.
Modelele, inclusiv echipamentele de măsurare instalate pe ele, sunt puțin mai mici ca cost față de mașinile reale - de exemplu, sunt mai scumpe decât mașinile GP2 reale. Aceasta este de fapt o decizie extrem de grea. Un cadru de bază cu senzori costă aproximativ 800 de mii de dolari, poate fi folosit câțiva ani, dar de obicei echipele au două seturi pentru a nu înceta să lucreze.
Fiecare modificare a elementelor caroseriei sau a suspensiei duce la necesitatea fabricării unei noi versiuni a trusei caroseriei, care costă încă un sfert de milion. În același timp, exploatarea tunelului eolian în sine costă aproximativ o mie de dolari pe oră și necesită prezența a 90 de angajați. Echipele serioase cheltuiesc aproximativ 18 milioane de dolari pe sezon pentru această cercetare.
Costurile se plătesc. O creștere cu 1% a forței de apăsare vă permite să jucați o zecime de secundă pe o piesă reală. În condițiile unor reglementări stabile, inginerii joacă cam atât de mult o lună, astfel încât numai în departamentul de modelare, fiecare zecime costă echipa 1,5 milioane de dolari.”
De când primul om a fixat o piatră ascuțită la capătul unei sulițe, oamenii au încercat întotdeauna să găsească cea mai bună formă pentru obiectele care se mișcă în aer. Dar mașina s-a dovedit a fi un puzzle aerodinamic foarte complex.
Bazele calculelor de tracțiune pentru deplasarea mașinilor pe șosea ne oferă patru forțe principale care acționează asupra unei mașini în timpul conducerii: rezistența la aer, rezistența la rulare, rezistența la ridicare și forțele inerțiale. Se observă că doar primele două sunt cele principale. Forța de rezistență la rulare a unei roți de mașină depinde în principal de deformarea anvelopei și a drumului în zona de contact. Dar deja la o viteză de 50-60 km/h, forța de rezistență a aerului o depășește pe oricare alta, iar la viteze de peste 70-100 km/h le depășește pe toate combinate. Pentru a demonstra această afirmație este necesar să se dea următoarea formulă aproximativă: Px = Cx * F * v2, unde: Px - forța de rezistență a aerului; v - viteza vehiculului (m/s); F este aria de proiecție a mașinii pe un plan perpendicular pe axa longitudinală a mașinii sau aria celei mai mari secțiuni transversale a mașinii, adică aria frontală (m2); Cx - coeficient de rezistență a aerului (coeficient de raționalizare). Notă. Viteza din formulă este pătrată, ceea ce înseamnă că atunci când este mărită, de exemplu, de două ori, forța de rezistență a aerului este de patru ori.
În același timp, consumul de energie necesar pentru a-l depăși crește de opt ori! În cursele Nascar, unde vitezele depășesc pragul de 300 km/h, s-a stabilit experimental că pentru a crește viteza maximă cu doar 8 km/h, este necesară creșterea puterii motorului cu 62 kW (83 CP) sau scăderea Cx cu 15%... Există o altă modalitate - de a reduce zona frontală a mașinii. Multe supermașini de mare viteză sunt semnificativ mai mici decât mașinile convenționale. Acesta este doar un semn de muncă pentru a reduce zona frontală. Cu toate acestea, această procedură poate fi efectuată până la anumite limite, altfel va fi imposibil să folosiți o astfel de mașină. Din acest motiv și din alte motive, raționalizarea este una dintre principalele probleme atunci când proiectați o mașină. Desigur, forța de rezistență este influențată nu numai de viteza mașinii și de parametrii săi geometrici. De exemplu, cu cât densitatea aerului este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. La rândul său, densitatea aerului depinde direct de temperatura și înălțimea acestuia deasupra nivelului mării. Pe măsură ce temperatura crește, densitatea aerului (și, prin urmare, vâscozitatea acestuia) crește, dar sus, la munte, aerul este mai rarefiat, iar densitatea lui este mai mică și așa mai departe. Există o mulțime de astfel de nuanțe.
Dar să revenim la forma mașinii. Ce subiect are cea mai bună simplificare? Răspunsul la această întrebare este cunoscut de aproape orice student (care nu a dormit la lecțiile de fizică). O picătură de apă care cade în jos capătă cea mai aerodinamică formă. Adică, o suprafață frontală rotunjită și un spate lung și ușor conic (cel mai bun raport este de 6 ori lungimea lățimii). Coeficientul de rezistență este o valoare experimentală. Din punct de vedere numeric, este egală cu forța de rezistență a aerului în newtoni, creată atunci când se deplasează cu o viteză de 1 m/s pe 1 m2 de suprafață frontală. Pentru o unitate de referință, se obișnuiește să se considere Cx al unei plăci plane = 1. Deci, o picătură de apă are Cx = 0,04. Acum imaginați-vă o mașină de această formă. Prostii, nu-i așa? Nu numai că așa ceva pe roți va arăta oarecum caricatural, dar nu va fi foarte convenabil să folosiți această mașină în scopul propus. Prin urmare, designerii sunt nevoiți să găsească un compromis între aerodinamica mașinii și confortul utilizării acesteia. Încercările constante de reducere a coeficientului de rezistență a aerului au dus la faptul că unele mașini moderne au Cx = 0,28-0,25. Ei bine, mașinile record de mare viteză se laudă cu Cx = 0,2-0,15.
Forțe de rezistență
Acum este necesar să spunem puțin despre proprietățile aerului. După cum știți, orice gaz este compus din molecule. Sunt în continuă mișcare și interacțiune unul cu celălalt. Apar așa-numitele forțe van der Waals - forțele de atracție reciprocă a moleculelor care le împiedică să se miște unele față de altele. Unii dintre ei încep să se lipească mai puternic de restul. Și odată cu creșterea mișcării haotice a moleculelor, eficiența acțiunii unui strat de aer asupra altuia crește, iar vâscozitatea crește. Și acest lucru se întâmplă din cauza creșterii temperaturii aerului, iar acest lucru poate fi cauzat atât de încălzirea directă de la soare, cât și indirect de frecarea aerului împotriva oricărei suprafețe sau pur și simplu a straturilor acesteia între ele. Aici afectează viteza de mișcare. Pentru a înțelege cum afectează acest lucru mașina, încercați doar să vă fluturați mâna cu palma deschisă. Dacă o faci încet, nu se întâmplă nimic, dar dacă fluturi mâna mai tare, palma percepe deja clar o oarecare rezistență. Dar aceasta este doar o componentă.
Când aerul se mișcă pe o suprafață staționară (de exemplu, caroseria unei mașini), aceleași forțe van der Waals contribuie la faptul că cel mai apropiat strat de molecule începe să se lipească de el. Și acest strat „blocat” îl încetinește pe următorul. Și astfel, strat cu strat, și cu cât moleculele de aer se mișcă mai repede, cu atât sunt mai departe de suprafața staționară. În final, viteza lor este egalată cu viteza fluxului principal de aer. Stratul în care particulele se mișcă încet se numește strat limită și apare pe orice suprafață. Cu cât este mai mare valoarea energiei de suprafață a materialului de acoperire a mașinii, cu atât suprafața acestuia interacționează mai puternic la nivel molecular cu mediul aerian înconjurător și cu atât mai multă energie trebuie cheltuită pentru distrugerea acestor forțe. Acum, pe baza calculelor teoretice de mai sus, putem spune că rezistența aerului nu este doar vântul care lovește parbrizul. Acest proces are mai multe componente.
Rezistența la formă
Aceasta este cea mai semnificativă parte - până la 60% din toate pierderile aerodinamice. Aceasta este adesea denumită rezistență la presiune sau rezistență la rezistență. Când conduceți, mașina comprimă fluxul de aer care intră și învinge efortul de a împinge moleculele de aer. Rezultatul este o zonă de presiune crescută. În plus, aerul curge în jurul suprafeței mașinii. În acest proces, are loc o defalcare a jeturilor de aer cu formarea de vârtejuri. Blocarea finală a fluxului de aer în spatele vehiculului creează o zonă de presiune redusă. Rezistența în față și efectul de aspirație în spatele vehiculului creează o opoziție foarte puternică. Acest fapt îi obligă pe designeri și constructori să caute modalități de a da caroseriei. Aranjați pe rafturi.
Acum este necesar să se ia în considerare forma mașinii, așa cum se spune, „de la bara de protecție la bara de protecție”. Ce piese și elemente au un impact mai mare asupra aerodinamicii generale a mașinii? Partea din față a corpului. Experimentele într-un tunel de vânt au arătat că, pentru o aerodinamică mai bună, capătul din față al caroseriei ar trebui să fie joasă, lată și să nu aibă colțuri ascuțite. În acest caz, nu există o separare a fluxului de aer, ceea ce are un efect foarte benefic asupra fluidizării mașinii. Grila radiatorului este adesea nu numai funcțională, ci și decorativă. La urma urmei, radiatorul și motorul trebuie să aibă un flux de aer eficient, deci acest element este foarte important. Unii producători de automobile studiază ergonomia și distribuția aerului în compartimentul motor la fel de serios ca aerodinamica generală a unei mașini. Înclinarea parbrizului este un exemplu foarte clar al compromisului dintre aerodinamică, ergonomie și performanță. Înclinarea insuficientă creează rezistență excesivă, iar excesivă - crește praful și masa sticlei în sine, vizibilitatea scade brusc la amurg, este necesară creșterea dimensiunii ștergătoarelor etc. Trecerea de la sticlă la peretele lateral trebuie efectuată fără probleme.
Dar nu ar trebui să vă lăsați purtat de curbura excesivă a sticlei - acest lucru poate crește distorsiunea și poate afecta vizibilitatea. Efectul stâlpului de parbriz asupra rezistenței la rezistență depinde în mare măsură de poziția și forma parbrizului, precum și de forma capătului din față. Dar, în timp ce lucrați la forma stâlpului, nu trebuie să uitați de protejarea geamurilor laterale față de apa de ploaie și murdăria aruncată de pe parbriz, menținerea unui nivel acceptabil de zgomot aerodinamic extern etc. Acoperiș. O creștere a umflăturii acoperișului poate duce la o scădere a coeficientului de rezistență. Dar o creștere semnificativă a umflăturii poate intra în conflict cu designul general al vehiculului. În plus, dacă creșterea convexității este însoțită de o creștere simultană a zonei rezistenței frontale, atunci forța rezistenței aerului crește. Pe de altă parte, dacă încercați să mențineți înălțimea inițială, atunci parbrizul și geamurile din spate vor trebui să fie încorporate în acoperișuri, deoarece vizibilitatea nu ar trebui să se deterioreze. Acest lucru va duce la o creștere a costului ochelarilor, în timp ce scăderea forței de rezistență a aerului în acest caz nu este atât de semnificativă.
Suprafetele laterale. Din punct de vedere aerodinamic al vehiculului, suprafețele laterale au o influență redusă asupra creării unui flux fără vortex. Dar nu le poți rotunji prea mult. În caz contrar, va fi dificil să intri într-o astfel de mașină. Ochelarii ar trebui, dacă este posibil, să fie integrali cu suprafața laterală și să fie aliniați cu conturul exterior al vehiculului. Orice pași și săritori creează obstacole suplimentare în calea trecerii aerului și apar turbulențe nedorite. Veți observa că jgheaburile, care anterior erau prezente pe aproape orice vehicul, nu mai sunt folosite. Au apărut și alte soluții de design care nu au un impact atât de mare asupra aerodinamicii mașinii.
Partea din spate a mașinii are, probabil, cel mai mare impact asupra raportului de raționalizare. Explicația este simplă. În spate, fluxul de aer se întrerupe și creează vortexuri. Partea din spate a unei mașini este aproape imposibil de realizat la fel de raționalizat ca o aeronavă (de 6 ori lățimea). Prin urmare, ei lucrează la forma sa mai atent. Unul dintre parametrii principali este unghiul de înclinare a spatelui mașinii. Exemplul mașinii rusești „Moskvich-2141” a devenit deja un manual, unde decizia nefericită a părții din spate a înrăutățit semnificativ aerodinamica generală a mașinii. Dar, pe de altă parte, luneta din spate a „moscovitului” a rămas mereu curată. Compromis din nou. De aceea, atât de multe atașamente suplimentare sunt realizate special pentru spatele mașinii: spoilere, spoilere etc. Alături de unghiul de înclinare al spatelui, coeficientul de rezistență aerodinamic este puternic influențat de designul și forma marginii laterale a partea din spate a mașinii. De exemplu, dacă te uiți la aproape orice mașină modernă de sus, poți vedea imediat că caroseria este mai lată în față decât în spate. Aceasta este și aerodinamică. Partea inferioară a mașinii.
După cum poate părea la început, această parte a corpului nu are niciun efect asupra aerodinamicii. Dar aici există un aspect precum forța aerodinamică. Stabilitatea mașinii depinde de aceasta și de cât de corect este organizat fluxul de aer sub partea inferioară a mașinii, ca urmare, depinde puterea „lipirii” acesteia de drum. Adică, dacă aerul de sub mașină nu persistă, ci curge rapid, atunci presiunea redusă care apare acolo va apăsa mașina pe carosabil. Acest lucru este deosebit de important pentru vehiculele convenționale. Cert este că, în mașinile de curse care concurează pe suprafețe de înaltă calitate, uniforme, puteți seta o gardă la sol atât de scăzută încât să înceapă să apară efectul de „pernă de pământ”, în care forța de apăsare crește și rezistența scade. Pentru vehiculele normale, garda la sol redusă este inacceptabilă. Prin urmare, designerii au încercat recent să netezească partea de jos a mașinii cât mai mult posibil, să acopere elemente neuniforme precum țevile de eșapament, brațele de suspensie etc., cu scuturi. Apropo, pasajele roților au un efect foarte mare asupra aerodinamicii o mașină. Nișele proiectate incorect pot crea o ridicare suplimentară.
Și din nou vântul
Inutil să spunem că puterea necesară a motorului depinde de raționalizarea mașinii și, prin urmare, de consumul de combustibil (adică portofelul). Cu toate acestea, aerodinamica merge dincolo de viteză și eficiență. Nu ultimul loc este ocupat de sarcinile de a asigura o bună stabilitate direcțională, controlabilitatea vehiculului și reducerea zgomotului în timpul mișcării sale. Cu zgomot, totul este clar: cu cât este mai bună raționalizarea mașinii, calitatea suprafețelor, cu atât mai mică dimensiunea golurilor și numărul de elemente proeminente etc., cu atât mai puțin zgomot. Designerii trebuie să se gândească la un astfel de aspect precum momentul de desfășurare. Acest efect este bine cunoscut de majoritatea șoferilor. Oricine a trecut măcar o dată pe lângă un „camion” cu viteză mare, sau pur și simplu a condus cu un vânt transversal puternic, ar fi trebuit să simtă aspectul unui rostogolire sau chiar o ușoară întoarcere a mașinii. Nu are sens să explicăm acest efect, dar tocmai aceasta este problema aerodinamicii.
Acesta este motivul pentru care coeficientul Cx nu este singurul. La urma urmei, aerul poate afecta mașina nu numai „în față”, ci și din diferite unghiuri și în direcții diferite. Și toate acestea au un impact asupra manevrării și siguranței. Acestea sunt doar câteva dintre principalele aspecte care afectează forța generală a rezistenței aerului. Este imposibil să se calculeze toți parametrii. Formulele existente nu oferă o imagine completă. Prin urmare, designerii studiază aerodinamica mașinii și îi ajustează forma folosind un instrument atât de scump precum un tunel de vânt. Firmele occidentale nu economisesc bani pentru construcția lor. Costul unor astfel de centre de cercetare poate ajunge la milioane de dolari. De exemplu: concernul Daimler-Chrysler a investit 37,5 milioane de dolari în crearea unui complex specializat pentru îmbunătățirea aerodinamicii mașinilor sale. În prezent, tunelul de vânt este cel mai important instrument pentru studierea forțelor de rezistență a aerului care afectează o mașină.
Software de aerodinamică computațională și hidrodinamică FlowVision conceput pentru suflarea aerodinamică virtuală a diferitelor obiecte tehnice sau naturale. Obiectele pot fi produse de transport, instalații energetice, produse militar-industriale și altele. FlowVision permite simularea fluxului la viteze diferite ale fluxului de intrare și la diferite grade de perturbare a acestuia (grad de turbulență).
Procesul de modelare se desfășoară strict într-o formulare spațială tridimensională a problemei și se desfășoară conform principiului „ca atare”, ceea ce implică posibilitatea de a studia un model geometric cu drepturi depline al obiectului utilizatorului fără nicio simplificări. Sistemul creat pentru procesarea geometriei tridimensionale importate vă permite să lucrați fără durere cu modele de orice complexitate, unde utilizatorul, de fapt, alege el însuși nivelul de detaliu al obiectului său - indiferent dacă dorește să sufle printr-un model simplificat netezit de exterior. contururi sau un model cu drepturi depline cu toate elementele structurale, până la capetele șuruburilor de pe jantele roților și logo-ul producătorului sub forma unei figurine pe nasul mașinii.
Distribuția vitezei în vecinătatea caroseriei mașinii de curse.
Au fost luate în considerare toate detaliile - spițele roții, influența asimetriei spițelor volanului asupra modelului de curgere.
FlowVision a fost creat de echipa de dezvoltare rusă (compania TESIS, Rusia) cu mai bine de 10 ani în urmă și se bazează pe evoluțiile școlii fundamentale și matematice interne. Sistemul a fost creat cu așteptarea ca utilizatorii de diferite calificări - studenți, profesori, designeri și oameni de știință - să lucreze cu el. Puteți rezolva atât sarcinile simple, cât și cele complexe la fel de eficient.
Produsul este utilizat în diverse industrii, știință și educație - aviație, astronautică, energie, construcții navale, auto, ecologie, inginerie mecanică, prelucrare și industria chimică, medicină, industria nucleară și sectorul apărării și are cea mai mare bază de instalare din Rusia.
În 2001, prin decizia Consiliului principal al Ministerului Federației Ruse, FlowVision a fost recomandat pentru includerea în programul de predare a mecanicii lichidelor și gazelor la universitățile ruse. În prezent, FlowVision este utilizat ca parte integrantă a procesului educațional al universităților de top din Rusia - MIPT, MPEI, Universitatea Tehnică de Stat din Sankt Petersburg, Universitatea Vladimir, UNN și altele.
În 2005, FlowVision a trecut testele și a primit un certificat de conformitate de la Standardul de Stat al Federației Ruse.
Caracteristici cheie
În inima FlowVision principiul legii conservării masei se află - cantitatea de materie care intră în volumul calculat umplut închis este egală cu cantitatea de materie care scade din acesta (vezi Fig. 1).
Orez. 1 Principiul legii conservării masei
Soluția pentru o astfel de problemă apare prin găsirea valorii medii a unei cantități dintr-un volum dat pe baza datelor de la granițe (teorema Ostrogradsky-Gauss).
Orez. 2 Integrare peste volum pe baza valorilor limită
Pentru a obține o soluție mai precisă, volumul inițial calculat este împărțit în volume mai mici.
Orez. 3 Îngroșarea grilei de calcul
Se numește procedura de împărțire a volumului inițial în volume mai mici CONSTRUIREA GRELEI DE CALCUL , iar matricea volumelor rezultate este GRILĂ DE CALCUL ... Fiecare volum obţinut în procesul de construire a grilei de calcul se numeşte CELULA DE CALCUL , în fiecare dintre care se observă și echilibrul maselor de intrare și de ieșire. Se numește volumul închis în care este construită grila de calcul ZONA DE CALCUL .
Arhitectură
Ideologie FlowVision este construit pe baza unei arhitecturi distribuite, unde o unitate de program care efectuează calcule aritmetice poate fi amplasată pe orice computer din rețea - pe un cluster sau laptop de înaltă performanță. Arhitectura pachetului software este modulară, ceea ce vă permite să introduceți fără durere îmbunătățiri și noi funcționalități în acesta. Modulele principale sunt PrePostProcessor și un bloc rezolvator, precum și câteva blocuri auxiliare care efectuează diverse operații de monitorizare și reglare.
Distribuția presiunii peste caroseria unei mașini sport
Scopul funcțional al Preprocesorului include importarea geometriei domeniului de calcul din sistemele de modelare geometrică, stabilirea modelului de mediu, plasarea condițiilor inițiale și limită, editarea sau importarea rețelei de calcul și stabilirea criteriilor de convergență, după care controlul este transferat către Solver. , care începe procesul de construire a rețelei de calcul și efectuează calcule după parametrii specificați. În procesul de calcul, utilizatorul are posibilitatea de a efectua o monitorizare vizuală și cantitativă a calculului cu instrumentele Postprocessor și de a evalua procesul de dezvoltare a soluției. Când se atinge valoarea cerută a criteriului de convergență, procesul de numărare poate fi oprit, după care rezultatul devine complet disponibil utilizatorului, care, folosind instrumentele Postprocesorului, poate prelucra datele - vizualiza rezultatele și cuantifica rezultatele cu ulterioare salvarea în formate de date externe.
Grilă de calcul
V FlowVision se folosește o grilă de calcul dreptunghiulară, care se adaptează automat la limitele domeniului de calcul și la soluție. Aproximarea limitelor curbilinii cu un grad ridicat de precizie este furnizată folosind metoda rezoluției geometriei subgrilei. Această abordare vă permite să lucrați cu modele geometrice constând din suprafețe de orice complexitate.
Domeniul de calcul inițial
Plasă ortogonală suprapusă pe zonă
Decuparea rețelei inițiale la limitele regiunii
Grila finală de calcul
Generarea automată a unei rețele de calcul ținând cont de curbura suprafeței
Dacă este necesară clarificarea soluției la limita sau în locul potrivit al volumului calculat, este posibilă adaptarea dinamică a grilei de calcul. Adaptarea este descompunerea celulelor de nivel inferior în celule mai mici. Adaptarea poate fi prin condiție la limită, după volum și prin decizie. Mesh-ul este adaptat la limita specificată, la locația specificată a domeniului de calcul sau prin soluție, ținând cont de modificarea variabilei și a gradientului. Adaptarea se realizează atât în direcția de rafinare a rețelei, cât și în direcția opusă - fuzionarea celulelor mici în altele mai mari, până la rețeaua entry-level.
Tehnologia de adaptare computațională a rețelei
Corpuri mobile
Tehnologia corpului în mișcare vă permite să plasați un corp de formă geometrică arbitrară în interiorul domeniului de calcul și să îi oferiți mișcare de translație și/sau rotație. Legea mișcării poate fi constantă sau variabilă în timp și spațiu. Mișcarea corpului este specificată în trei moduri principale:
În mod explicit prin setarea vitezei corpului;
- prin stabilirea fortei care actioneaza asupra corpului si deplasarea acesteia din punctul de plecare
Prin impactul mediului în care este plasat corpul.
Toate cele trei metode pot fi combinate între ele.
Aruncarea unei rachete într-un flux instabil sub acțiunea gravitației
Reproducerea experimentului Mach: mișcarea mingii la o viteză de 800 m/s
Calcul paralel
Una dintre caracteristicile cheie ale pachetului software FlowVision tehnologii de calcul paralel, atunci când se folosesc mai multe procesoare sau nuclee de procesor pentru a rezolva o problemă, ceea ce face posibilă accelerarea calculului proporțional cu numărul acestora.
Accelerarea calculului problemei, în funcție de numărul de nuclee implicate
Procedura de rulare paralelă este complet automatizată. Utilizatorul trebuie doar să specifice numărul de nuclee sau procesoare pe care va rula sarcina. Algoritmul va efectua toate acțiunile ulterioare pentru a împărți domeniul de calcul în părți și va face schimb de date între ele, alegând cei mai buni parametri.
Descompunerea celulelor aproape de suprafață în 16 procesoare pentru probleme cu două mașini
Echipă FlowVision menține legături strânse cu reprezentanții comunităților HPC (High Performance Computing) interne și străine și participă la proiecte comune care vizează obținerea de noi oportunități în domeniul creșterii productivității în calculul paralel.
În 2007, FlowVision, împreună cu Centrul de Calcul de Cercetare al Universității de Stat din Moscova, a devenit participant la programul federal de creare a unui sistem național de decontare paralelă teraflop. Ca parte a programului, echipa de dezvoltare adaptează FlowVision pentru a efectua calcule la scară largă pe cea mai recentă tehnologie. Clusterul SKIF-Chebyshev instalat la Centrul de Cercetare de Calcul al Universității de Stat din Moscova este folosit ca platformă hardware de testare.
Clusterul SKIF-Chebyshev instalat la Centrul de Cercetare de Calcul al Universității de Stat din Moscova
SKIF-ul FlowVision pentru a îmbunătăți eficiența calculului paralel. În iunie 2008, primele calcule practice au fost efectuate la 256 de noduri de proiectare în paralel.
În 2009, echipa FlowVision, împreună cu Centrul de Calcul de Cercetare al Universității de Stat din Moscova, compania Sigma Technology și centrul științific de stat TsAGI, au devenit participanți la programul țintă federal pentru crearea de algoritmi pentru rezolvarea problemelor de optimizare paralelă în probleme de aerodinamică și hidrodinamică.
text, ilustrații: firma TESIS
În multe domenii ale științei și tehnologiei care sunt legate de viteză, este adesea necesar să se calculeze forțele care acționează asupra unui obiect. O mașină modernă, un avion de luptă, un submarin sau un tren electric de mare viteză - toate sunt influențate de forțele aerodinamice. Precizia determinării mărimii acestor forțe afectează direct caracteristicile tehnice ale acestor obiecte și capacitatea lor de a îndeplini anumite sarcini. În general, forțele de frecare determină nivelul de putere al sistemului de propulsie, iar forțele laterale afectează controlabilitatea obiectului.
Schema tradițională de proiectare folosește lovituri de tunel de vânt (de obicei modele reduse), teste în bazin și teste pe teren pentru a determina forțele. Cu toate acestea, toate cercetările experimentale reprezintă o modalitate destul de costisitoare de a obține astfel de cunoștințe. Pentru a testa un dispozitiv model, trebuie mai întâi să îl realizați, apoi să întocmiți un program de testare, să pregătiți un stand și, în final, să efectuați o serie de măsurători. În acest caz, în majoritatea cazurilor, fiabilitatea rezultatelor testelor va fi afectată de ipotezele cauzate de abaterile de la condițiile reale de funcționare ale instalației.
Experiment sau calcul?
Să luăm în considerare mai detaliat motivele discrepanței dintre rezultatele experimentale și comportamentul real al obiectului.
Când se studiază modele într-un spațiu restrâns, de exemplu, în tunelurile de vânt, suprafețele de delimitare au un efect semnificativ asupra structurii fluxului din jurul obiectului. Reducerea scării modelului vă permite să rezolvați această problemă, cu toate acestea, ar trebui să luați în considerare modificarea numărului Reynolds (așa-numitul efect de scară).
În unele cazuri, distorsiunile pot fi cauzate de o discrepanță fundamentală între condițiile reale ale curgerii din jurul corpului și cele simulate în conductă. De exemplu, atunci când mașini sau trenuri de mare viteză sunt aruncate în aer, absența unei suprafețe orizontale mobile într-un tunel de vânt schimbă serios modelul general de curgere și afectează, de asemenea, echilibrul forțelor aerodinamice. Acest efect este asociat cu creșterea stratului limită.
Metodele de măsurare introduc și erori în valorile măsurate. Amplasarea incorectă a senzorilor pe obiect sau orientarea incorectă a părților lor de lucru poate duce la rezultate incorecte.
Accelerarea proiectării
În prezent, companiile de vârf din industrie în stadiul de proiectare preliminară folosesc pe scară largă tehnologiile de modelare computerizată CAE. Acest lucru vă permite să luați în considerare mai multe opțiuni atunci când căutați designul optim.
Nivelul modern de dezvoltare al pachetului software ANSYS CFX extinde semnificativ domeniul de aplicare al acestuia: de la modelarea fluxurilor laminare la fluxurile turbulente cu anizotropie puternică a parametrilor.
Gama largă de modele de turbulență utilizate include modelele tradiționale RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) cu cel mai bun raport viteză-precizie, modelul de turbulență SST (Shear Stress Transport) (modelul în două straturi Menter), care combină cu succes avantajele modelele de turbulență ke și „kw”. Pentru fluxurile cu anizotropie dezvoltată, modelele RSM (Reynolds Stress Model) sunt mai potrivite. Calculul direct al parametrilor de turbulență direcțională face posibilă determinarea mai precisă a caracteristicilor curgerii vortexului.
În unele cazuri, se recomandă utilizarea modelelor bazate pe teoriile vortexului: DES (Detachable Eddy Simulation) și LES (Large Eddy Simulation). Mai ales pentru cazurile în care este deosebit de important să se țină cont de procesele de tranziție laminar-turbulentă, a fost dezvoltat Modelul de Turbulență de Tranziție, creat pe baza tehnologiei SST bine dovedite. Modelul a fost supus unui program amplu de testare pe diverse obiecte (de la palete la aeronave de pasageri) și a demonstrat o corelație excelentă cu datele experimentale.
Aviaţie
Crearea aeronavelor militare și civile moderne este imposibilă fără o analiză profundă a tuturor caracteristicilor sale în etapa inițială de proiectare. Eficiența aeronavei, viteza și manevrabilitatea acesteia depind direct de studiul atent al formei suprafețelor și contururilor portante.
Astăzi, toți marii producători de avioane folosesc analiza computerizată într-o oarecare măsură în dezvoltarea de noi produse.
Modelul de turbulență tranzitorie, care analizează corect regimurile de curgere apropiate de laminare, fluxurile cu zone de separare și reatașare dezvoltate, deschide mari oportunități pentru analiza debitelor complexe. Acest lucru reduce și mai mult diferența dintre rezultatele calculelor numerice și imaginea reală a fluxului.
Automobile
O mașină modernă trebuie să fie mai economică, cu o eficiență energetică ridicată. Și, desigur, principalele componente definitorii sunt motorul și caroseria.
Pentru a asigura eficiența tuturor sistemelor de motoare, companiile vestice de vârf folosesc de mult timp tehnologii de simulare pe computer. De exemplu, Robert Bosch Gmbh (Germania), un producător al unei game largi de componente pentru vehicule diesel moderne, a folosit ANSYS CFX (pentru a îmbunătăți caracteristicile de injecție) în dezvoltarea unui sistem de alimentare cu combustibil Common Rail.
BMW, care a câștigat premiul International Engine of the Year de câțiva ani consecutivi, folosește ANSYS CFX pentru a simula camerele de ardere.
Aerodinamica externă este, de asemenea, un mijloc de îmbunătățire a eficienței utilizării puterii motorului. De obicei, nu este vorba doar de reducerea coeficientului de rezistență, ci și de echilibrul forței de apăsare cerute de orice mașină de mare viteză.
Expresia supremă a acestor caracteristici sunt mașinile de curse de diferite clase. Fără excepție, toți participanții la campionatul F1 folosesc o analiză computerizată a aerodinamicii mașinilor lor. Realizările sportive demonstrează în mod clar beneficiile acestor tehnologii, dintre care multe sunt deja utilizate în vehiculele de serie.
În Rusia, pionierul în acest domeniu este echipa Active-Pro Racing: o mașină de curse Formula 1600 dezvoltă o viteză de peste 250 km/h și este apogeul sportului cu motor din circuitul rusesc. Utilizarea complexului ANSYS CFX (Fig. 4) pentru proiectarea unei noi cozi aerodinamice a mașinii a făcut posibilă reducerea semnificativă a numărului de opțiuni de proiectare atunci când se caută o soluție optimă.
Compararea datelor calculate și a rezultatelor suflarii în tunelul de vânt a arătat diferența așteptată. Se explică prin podeaua staționară din țeavă, care a provocat o creștere a grosimii stratului limită. Prin urmare, elementele aerodinamice, situate destul de jos, au funcționat în condiții nefamiliare.
Cu toate acestea, modelul computerizat a corespuns pe deplin condițiilor reale de condus, ceea ce a făcut posibilă îmbunătățirea semnificativă a eficienței mașinii.
Clădire
Arhitecții de astăzi sunt mai confortabil cu aspectul exterior al clădirilor proiectate decât acum 20 sau 30 de ani. Creațiile futuriste ale arhitecților moderni, de regulă, au forme geometrice complexe pentru care nu se cunosc valorile coeficienților aerodinamici (necesarii pentru atribuirea sarcinilor de vânt de proiectare structurilor de susținere).
În acest caz, pe lângă testele tradiționale în tunelul vântului, instrumentele CAE sunt din ce în ce mai folosite pentru a obține caracteristicile aerodinamice ale clădirii (și factorii de forță). Un exemplu de astfel de calcul în ANSYS CFX este prezentat în Fig. 5.
În plus, ANSYS CFX este folosit în mod tradițional pentru a simula sistemele de ventilație și încălzire pentru spații industriale, clădiri de birouri, birouri și complexe sportive și de divertisment.
Pentru a analiza regimul de temperatură și natura fluxurilor de aer în arena de gheață a complexului sportiv Krylatskoye (Moscova), inginerii Olof Granlund Oy (Finlanda) au folosit pachetul software ANSYS CFX. Tribunele stadionului pot găzdui aproximativ 10 mii de spectatori, iar sarcina termică de la acestea poate fi mai mare de 1 MW (la o rată de 100-120 W/persoană). Pentru comparație: este nevoie de puțin mai mult de 4 kW de energie pentru a încălzi 1 litru de apă de la 0 la 100 ° C.
Orez. 5. Distribuția presiunii pe suprafața structurilor
Rezumând
După cum puteți vedea, tehnologia computațională în aerodinamică a atins un nivel la care am putea visa doar acum 10 ani. În același timp, nu ar trebui să opunem modelării pe computer cercetării experimentale - este mult mai bine dacă aceste metode se completează reciproc.
Complexul ANSYS CFX permite, de asemenea, inginerilor să rezolve astfel de probleme complexe, cum ar fi, de exemplu, determinarea deformațiilor unei structuri atunci când este expusă la sarcini aerodinamice. Acest lucru contribuie la o formulare mai corectă a multor probleme de aerodinamică atât internă, cât și externă: de la problemele flutterului mașinilor cu pale la acțiunea vântului și a valurilor pe structurile offshore.
Toate capabilitățile de calcul ale complexului ANSYS CFX sunt disponibile și în mediul ANSYS Workbench.