De când primul om a întărit piatra ascuțită la capătul suliței, 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.
Cele patru forțe de bază care acționează pe o mașină în timpul conducerii oferă elementele de bază ale calculelor de tracțiune pentru conducerea mașinilor pe drumuri: rezistență la aer, rezistență la rulare, rezistență la ridicare și forțe inerțiale. Se observă că principalele sunt doar primele două. Rezistența la rulare a unei roți auto depinde în principal de deformarea anvelopei și a drumului în zona de contact. Dar chiar și la o viteză de 50-60 km / h, forța de rezistență a aerului depășește oricare alta, iar la viteze peste 70-100 km / h, depășește toate acestea luate împreună. Pentru a demonstra această afirmație, este necesar să se dea următoarea formulă aproximativă: Px \u003d Cx * F * v2, unde: Px - forța de rezistență la aer; v - viteza vehiculului (m / s); F este aria proiecției vehiculului pe un plan perpendicular pe axa longitudinală a vehiculului sau zona celei mai mari secțiuni transversale a vehiculului, adică zona frontală (m2); Cx - coeficient de rezistență la aer (coeficient de fluidizare). Fii atent. Viteza în formulă este pătrată și asta înseamnă că atunci când este crescută, de exemplu, de două ori, forța rezistenței aerului crește de patru ori.
În același timp, puterea necesară pentru a o depăși crește de opt ori! În cursele Nascar, unde vitezele depășesc 300 km / h, s-a constatat experimental că pentru a crește viteza maximă cu doar 8 km / h, este necesară creșterea puterii motorului cu 62 kW (83 CP) sau reducerea Cx cu 15% . Există un alt mod - de a reduce zona frontală a mașinii. Multe supercaruri de mare viteză sunt semnificativ mai mici decât mașinile convenționale. Acesta este doar un semn de muncă pentru reducerea zonei frontale. 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, eficientizarea este una dintre problemele principale care apar atunci când proiectează o mașină. Desigur, nu numai viteza mașinii și parametrii geometrici ai acesteia afectează rezistența. De exemplu, cu cât densitatea fluxului de aer este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. La rândul său, densitatea aerului depinde direct de temperatură și altitudine. Odată cu creșterea temperaturii, densitatea aerului (și, prin urmare, vâscozitatea lui) crește, iar în munți, aerul este mai rar, iar densitatea sa este mai mică, etc. Există o mulțime de astfel de nuanțe.
Dar înapoi la forma mașinii. Ce element are cel mai bun proces de eficientizare? Răspunsul la această întrebare este cunoscut aproape oricărui student (care nu a dormit la orele de fizică). O picătură de apă căzută ia forma cea mai potrivită din punctul de vedere al aerodinamicii. Adică, o suprafață frontală rotunjită și o spate lungă ușor conică (raportul cel mai bun este o lungime de 6 ori lățimea). Coeficientul de rezistență este o valoare experimentală. Numeric, este egal cu forța rezistenței aerului în Newton creată atunci când se deplasează cu o viteză de 1 m / s pe 1 m2 de suprafață frontală. Pentru o unitate de referință, se consideră a fi Cx a unei plăci plane \u003d 1. Deci, pentru o picătură de apă, Cx \u003d 0,04. Acum imaginați-vă o mașină de această formă. Prostii, nu? Nu numai că un astfel de lucru pe roți va arăta oarecum caricaturizat, dar nu va fi foarte convenabil să folosiți această mașină în scopul prevăzut. Prin urmare, designerii sunt obligați să caute un compromis între aerodinamica mașinii și ușurința de utilizare. Încercările constante de reducere a coeficientului de rezistență a aerului au condus la faptul că unele mașini moderne au Cx \u003d 0,28-0,25. Ei bine, mașinile record de mare viteză se pot lăuda cu Cx \u003d 0,2-0,15.
Forțele de rezistență
Acum trebuie să vorbești puțin despre proprietățile aerului. După cum știți, orice gaz este format din molecule. Sunt în mișcare constantă și interacțiune unul cu celălalt. Se formează așa-numitele forțe Van der Waals - forțele de atracție reciprocă ale moleculelor care împiedică mișcarea lor unele față de altele. Unii dintre ei încep să se lipească mai puternic de restul. Și odată cu creșterea mișcării haotice a moleculelor, efectul unui strat de aer asupra altuia crește și viscozitatea crește. Și acest lucru se întâmplă datorită creșterii temperaturii aerului, iar acest lucru poate fi cauzat atât de încălzirea directă de la soare, cât și indirect de frecarea aerului de pe orice suprafață sau pur și simplu de straturile sale între ele. Aici o afectează viteza de mișcare. Pentru a înțelege cum se reflectă acest lucru în mașină, nu trebuie decât să încercați să vă fluturați mâna cu o palmă deschisă. Dacă o faceți încet, nu se întâmplă nimic, dar dacă vă bateți mâna mai tare, palma percepe deja clar o anumită rezistență. Dar aceasta este doar o componentă.
Când aerul se deplasează pe o suprafață fixă \u200b\u200b(de exemplu, un corp de mașină), aceleași forțe Van der Waals fac ca cel mai apropiat strat de molecule să înceapă să-l adere. Iar acest strat „blocat” încetinește următorul. Și deci strat după strat, iar moleculele de aer se deplasează mai repede, cu cât sunt mai departe de o suprafață fixă. În cele din urmă, viteza lor este egalizată cu viteza fluxului principal de aer. Un strat în care particulele se mișcă lent se numește strat limită și apare pe orice suprafață. Cu cât valoarea energiei de suprafață a materialului de acoperire a mașinii este mai mare, cu atât suprafața sa interacționează la nivel molecular cu aerul din jur și cu atât mai multă energie trebuie să fie cheltuită pentru distrugerea acestor forțe. Acum, bazându-ne pe calculele teoretice de mai sus, putem spune că rezistența aerului nu este doar vântul care suflă în parbriz. Acest proces are mai multe componente.
Rezistență la formă
Aceasta este partea cea mai semnificativă - până la 60% din toate pierderile aerodinamice. Adesea se numește rezistență la presiune sau tracțiune. Când conduceți, mașina comprimă fluxul de aer care vine și depășește efortul de a împinge moleculele de aer în afară. Rezultatul este o zonă de înaltă presiune. În continuare, aerul curge în jurul suprafeței mașinii. În procesul căruia se produce o defalcare a jeturilor de aer cu formarea de vortice. Starea finală a fluxului de aer din spatele mașinii creează o zonă de presiune redusă. Rezistența din față și efectul de aspirație din partea din spate a mașinii creează o rezistență foarte serioasă. Acest fapt obligă designerii și constructorii să caute modalități de a oferi corpului. Imprastiati pe rafturi.
Acum trebuie să luați în considerare forma mașinii, așa cum se spune, „de la bara de protecție la bara de protecție”. Care dintre piese și elemente au un impact mai mare asupra aerodinamicii generale a mașinii. Partea din față a corpului. Prin experimente într-un tunel de vânt, s-a constatat că pentru o aerodinamică mai bună, partea din față a corpului trebuie să fie joasă, largă și să nu aibă colțuri ascuțite. În acest caz, nu există o separare a fluxului de aer, ceea ce este foarte benefic pentru eficientizarea mașinii. Gratarul radiatorului este adesea nu numai funcțional, ci și decorativ. La urma urmei, radiatorul și motorul trebuie să aibă un flux de aer eficient, deci acest element este foarte important. Unii producători auto studiază ergonomia și distribuția fluxurilor de aer în compartimentul motorului la fel de serios ca și aerodinamica generală a unei mașini. Înclinarea parbrizului este un exemplu foarte izbitor de schimb de raționalizare, ergonomie și performanță. Înclinația sa insuficientă creează o rezistență excesivă, și excesivă - crește praful și masa paharului în sine, vizibilitatea scade brusc la amurg, este necesară creșterea dimensiunii ștergătorului, etc. Trecerea de la sticlă la peretele lateral trebuie să fie lină.
Dar nu te poți îndepărta de curbura excesivă a paharului - acest lucru poate crește denaturarea și poate afecta vizibilitatea. Efectul structurii parbrizului asupra tragerii aerodinamice depinde foarte mult de poziția și forma parbrizului, precum și de forma capătului frontal. Dar, lucrând la forma cremalierei, nu trebuie să uităm de protejarea geamurilor din față împotriva ploii și a murdăriei, aruncată departe de parbriz, menținând un nivel acceptabil de zgomot aerodinamic extern, etc. Acoperișul. O creștere a volumului acoperișului poate duce la scăderea coeficientului de tracțiune. Dar o creștere semnificativă a volanului poate intra în conflict cu designul general al mașinii. În plus, dacă creșterea volumului este însoțită de o creștere simultană a zonei de tracțiune, atunci forța de tracțiune crește. Și pe de altă parte, dacă încercați să mențineți înălțimea inițială, atunci parbrizul și geamurile din spate vor trebui să pătrundă pe acoperișuri, deoarece vizibilitatea nu ar trebui să se deterioreze. Acest lucru va duce la o creștere a costului ochelarilor, dar scăderea forței de rezistență a aerului în acest caz nu este atât de semnificativă.
Suprafețe laterale. Din punct de vedere al aerodinamicii unei mașini, suprafețele laterale au un efect redus asupra creării unui flux irotational. Dar nu pot fi rotunjite prea mult. În caz contrar, va fi dificil să intri într-o astfel de mașină. Pe cât posibil, ochelarii trebuie să fie integri cu suprafața laterală și trebuie să fie în conformitate cu conturul exterior al vehiculului. Orice trepte și salturi creează obstacole suplimentare în trecerea aerului, apar răsuciri nedorite. Puteți vedea că jgheaburile, care au fost prezente anterior pe aproape orice mașină, nu mai sunt folosite. Există și alte soluții de proiectare care nu au un impact atât de mare asupra aerodinamicii mașinii.
Partea din spate a mașinii are cel mai mare impact asupra raportului de fluidizare. Explicația este simplă. În spate, fluxul de aer se desparte și formează turbulențe. Partea din spate a mașinii este aproape imposibil de făcut la fel de eficientă ca dirijabilul (lungimea de 6 ori lățimea). Prin urmare, lucrează mai atent la forma sa. Unul dintre parametrii principali este unghiul de înclinare a spatelui mașinii. Un exemplu de mașină rusă Moskvich-2141 a devenit deja un manual, unde decizia nereușită a spatelui a fost înrăutățirea semnificativă a aerodinamicii generale a mașinii. Dar, pe de altă parte, luneta din moscovit a rămas întotdeauna curată. Un compromis din nou. De aceea, atât de multe elemente suplimentare cu balamale sunt realizate special pe partea din spate a mașinii: aripă, spoilere, etc. Alături de unghiul de înclinare din spate, coeficientul de tracțiune aerodinamic este puternic influențat de designul și forma marginii laterale din spate a mașinii. De exemplu, dacă priviți aproape orice mașină modernă din partea de sus, puteți vedea imediat că caroseria este mai lată în față decât în \u200b\u200bspate. Aceasta este, de asemenea, aerodinamica. Partea inferioară a mașinii.
După cum poate părea la început, această parte a corpului nu poate afecta aerodinamica. Dar aici există un astfel de aspect precum forța de muncă. Stabilitatea mașinii depinde de ea și de cât de corect este organizat fluxul de aer sub partea de jos a mașinii, ca urmare, rezistența „lipirii” ei pe drum depinde. Adică, dacă aerul de sub mașină nu se oprește, ci curge rapid, atunci presiunea redusă care apare acolo va apăsa mașina împotriva carosabilului. Acest lucru este important în special pentru mașinile obișnuite. Cert este că în mașinile de curse care concurează pe suprafețe uniforme și de înaltă calitate, puteți seta o gardă atât de scăzută încât va începe să apară efectul „perna de pământ”, în care forța de forță crește și dragajul scade. Pentru mașinile normale, garda la sol mică este inacceptabilă. Prin urmare, designerii au încercat recent să netezească cât mai mult partea de jos a mașinii, să acopere elemente inegale precum conductele de evacuare, pârghiile de suspensie etc. Apropo, nișele roților au un impact foarte mare asupra aerodinamicii mașinii. Nișele proiectate incorect pot crea forță de ridicare suplimentară.
Și din nou vântul
Nu este necesar să spunem că puterea motorului necesară, prin urmare, consumul de combustibil (adică portofelul) depinde de eficientizarea mașinii. Cu toate acestea, aerodinamica afectează nu numai viteza și eficiența. Nu ultimul loc este ocupat de sarcinile de a asigura o stabilitate direcțională bună, controlabilitatea mașinii și reducerea zgomotului în timpul deplasării sale. Cu zgomotul, totul este clar: cu cât este mai bună fluidizarea mașinii, calitatea suprafețelor, cu atât este mai mic decalajul și numărul de elemente proeminente etc., cu atât este mai puțin zgomot. Designerii trebuie să se gândească la un astfel de aspect ca un moment de cotitură. Acest efect este bine cunoscut de majoritatea șoferilor. Oricine a trecut pe lângă „camionul” cu viteză mare sau doar a condus cu un traverse puternic, ar fi trebuit să simtă rostogolirea sau chiar o ușoară rostogolire a mașinii. Nu are sens să explici 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 frunte”, ci și din diferite unghiuri și în direcții diferite. Și toate acestea au un impact asupra gestionabilității și siguranței. Acestea sunt doar câteva dintre principalele aspecte care afectează rezistența generală a rezistenței la aer. Este imposibil să calculați toți parametrii. Formulele existente nu oferă o imagine completă. Prin urmare, proiectanții studiază aerodinamica mașinii și își ajustează forma folosind un instrument atât de scump precum tunelul de vânt. Firmele occidentale nu economisesc bani pentru construcția lor. Costurile acestor centre de cercetare se pot ridica la milioane de dolari. De exemplu: Daimler-Chrysler a investit 37,5 milioane USD în crearea unui complex specializat pentru îmbunătățirea aerodinamicii mașinilor sale. În prezent, tunelul eolian este instrumentul cel mai semnificativ pentru studierea forțelor de rezistență la aer care afectează mașina.
Vă invităm astăzi să aflați ce este, de ce este nevoie și în ce an a apărut prima dată tehnologia pe lume.
Fără aerodinamică, mașinile și avioanele și chiar bobocii sunt doar obiecte care mișcă vântul. Dacă nu există aerodinamică, atunci vântul se mișcă ineficient. Știința studierii eficienței eliminării fluxurilor de aer se numește aerodinamică. Pentru a crea un vehicul care să devieze efectiv fluxurile de aer, reducând tracțiunea, aveți nevoie de un tunel de vânt, în care inginerii verifică eficacitatea tragerii aerodinamice a aerului pieselor auto.
Se crede greșit că aerodinamica a apărut de la inventarea tunelului eolian. Dar nu este așa. A apărut de fapt în anii 1800. Originea acestei științe a început în 1871, cu frații Wright, care sunt proiectanții și creatorii primelor aeronave din lume. Datorită lor, aeronautica a început să se dezvolte. Scopul a fost unul - încercarea de a construi un avion.
La început, frații și-au condus testele în tunelul feroviar. Dar capacitatea tunelului de a studia fluxurile de aer a fost limitată. Prin urmare, nu au fost capabili să creeze o aeronavă reală, deoarece pentru aceasta a fost necesar ca corpul aeronavei să îndeplinească cele mai stricte cerințe aerodinamice.
Prin urmare, în 1901, frații și-au construit propriul tunel de vânt. Ca urmare, conform unor rapoarte, au fost testate în acest tub aproximativ 200 de aeronave și prototipuri individuale de diferite forme. Au fost necesari fraților câțiva ani în urmă pentru a construi primul avion real din istorie. Astfel, în 1903, frații Wright au efectuat un test de succes al primului mondial, care a durat în aer 12 secunde.
Ce este un tunel de vânt?
Acesta este un dispozitiv simplu care constă dintr-un tunel închis (capacitate uriașă) prin care circulă aerul prin ventilatoare puternice. Un obiect este plasat în tunelul de vânt, pe care încep să se hrănească. De asemenea, în tunelurile eoliene moderne, specialiștii au posibilitatea să aplice fluxuri de aer direcționate anumitor elemente ale caroseriei sau ale oricărui vehicul.
Testarea tunelului eolian a câștigat popularitate în masă în timpul Marelui Război Patriotic din anii 40. În întreaga lume, departamentele militare au efectuat cercetări în domeniul aerodinamicii asupra echipamentelor și munițiilor militare. După război, cercetările aerodinamice militare s-au redus. Dar atenția a fost acordată aerodinamicii de către ingineri care proiectează mașini de curse sportive. Atunci această modă a fost ridicată de designeri și mașini.
Invenția tunelului eolian a permis specialiștilor să testeze vehiculele care stau în staționare. Apoi curge aer și se creează același efect care se observă atunci când mașina se mișcă. Chiar și la testarea aeronavelor, obiectul rămâne nemișcat. Este reglementat doar pentru a simula o viteză specifică a vehiculului.
Datorită aerodinamicii, atât sportul, cât și mașinile simple au început să dobândească în loc de forme pătrate linii mai netede și elemente rotunjite ale caroseriei.
Uneori este posibil ca întreaga mașină să nu fie necesară pentru cercetare. Adesea, poate fi utilizat un aspect convențional de dimensiuni complete. Drept urmare, experții determină nivelul de rezistență la vânt.
Prin modul în care vântul se deplasează în interiorul conductei, se determină coeficientul de tracțiune al vântului.
Tunelurile moderne de vânt, de fapt, sunt un uscător de păr uriaș pentru mașina ta. De exemplu, unul dintre celebrele tuneluri eoliene este situat în Carolina de Nord, SUA, unde se desfășoară cercetări de asociere. Datorită acestei conducte, inginerii simulează mașini capabile să se deplaseze cu o viteză de 290 km / h.
Aproximativ 40 de milioane de dolari au fost investiți în această facilitate. Conducta și-a început activitatea în 2008. Principalii investitori sunt NASCAR Racing Association și proprietarul cursei Gene Haas.
Iată un videoclip al testului tradițional din acest tub:
De la apariția primului tunel eolian din istorie, inginerii și-au dat seama cât de importantă este această invenție pentru toată lumea. Drept urmare, designerii auto au atras atenția asupra ei, care a început să dezvolte tehnologii pentru studierea fluxurilor de aer. Dar tehnologia nu stă nemișcată. În zilele noastre, multe studii și calcule au loc pe un computer. Cel mai uimitor lucru este că chiar și teste aerodinamice sunt efectuate în programe speciale de computer.
Un model de mașină virtuală 3D este utilizat ca subiect de testare. În continuare, computerul reproduce diverse condiții pentru testarea aerodinamicii. Aceeași abordare a început să se dezvolte pentru testele de avarie. , care nu numai că poate economisi bani și nu poate ține cont de mulți parametri la testare.
La fel ca și teste reale de avarie, construirea unui tunel eolian și testarea acestuia este foarte scumpă. Pe un computer, costul poate fi de doar câțiva dolari.
Adevărat, bunicii și adepții tehnologiilor vechi vor continua să spună că lumea reală este mai bună decât computerele. Dar secolul XXI este secolul XXI. Prin urmare, este inevitabil ca în viitorul apropiat multe teste reale să fie complet efectuate pe un computer.
Deși este demn de remarcat faptul că nu suntem împotriva computerelor, sperăm că testele reale într-un tunel al vântului și testele de avarie obișnuite vor rămâne în continuare în industria auto.
Pachet software pentru aerodinamica computerizata si hidrodinamica FlowVision Proiectat pentru purjarea aerodinamică virtuală a diferitelor obiecte tehnice sau naturale. Obiectele pot include produse de transport, instalații energetice, produse militar-industriale și altele. FlowVision vă permite să simulați debitul la viteze diferite ale fluxului de intrare și la diferite grade ale perturbației sale (grad de turbulență).
Procesul de modelare se desfășoară strict într-o formulare spațială tridimensională a problemei și se desfășoară în conformitate cu principiul „așa cum este”, ceea ce implică posibilitatea studierii unui model geometric pe deplin al obiectului unui utilizator fără nicio simplificare. Sistemul de prelucrare creat pentru geometria tridimensională importată vă permite să lucrați fără durere cu modele de orice grad de complexitate, în care utilizatorul, de fapt, alege nivelul de detaliu al obiectului său - dorește să sufle printr-un model simplificat de netezire contur extern sau un model complet cu toate elementele structurale, până la capetele bolțului pe discurile de roată și sigla producătorului sub forma unei figuri pe nasul mașinii.
Distribuția vitezei în vecinătatea caroseriei auto.
Toate detaliile sunt luate în considerare - spițele roților, influența asimetriei spițelor de direcție asupra modelului de curgere.
FlowVision creat de echipa de dezvoltare rusă (compania TESIS, Rusia) în urmă cu mai bine de 10 ani și se bazează pe dezvoltarea școlii fundamentale și matematice naționale. Sistemul a fost creat cu așteptarea ca utilizatorii celor mai variate calificări să lucreze cu acesta - studenți, profesori, designeri și oameni de știință. Puteți rezolva în mod eficient atât sarcini simple, cât și complexe.
Produsul este utilizat în diverse sectoare ale industriei, științei și educației - aviație, spațiu, energie, construcții navale, automobile, ecologie, inginerie, prelucrare și industria chimică, medicină, industrie nucleară și sectorul apărării și are cea mai mare bază de instalare din Rusia.
În 2001, printr-o decizie a Consiliului principal al Ministerului Federației Ruse, FlowVision a fost recomandat pentru includerea în programa pentru predarea mecanicii de fluid și gaze la universitățile ruse. În prezent, FlowVision este folosit ca parte integrantă a procesului educațional al universităților de frunte din Rusia - MIPT, MPEI, SPbSTU, Universitatea Vladimir, UNN și altele.
În 2005, FlowVision a fost testat și a primit un certificat de conformitate de la Gosstandart al Federației Ruse.
Caracteristici cheie
În inima FlowVision principiul legii conservării masei constă - cantitatea de substanță care intră în volumul complet umplut și închis este egală cu cantitatea de substanță care scade din aceasta (a se vedea Fig. 1).
Fig. 1 Principiul legii conservării masei
Soluția la această problemă apare prin găsirea valorii medii într-un volum dat pe baza datelor la granițe (teorema Ostrogradsky-Gauss).
Fig. 2 Integrarea volumului pe baza valorilor de graniță
Pentru a obține o soluție mai exactă, volumul inițial calculat este împărțit în volume mai mici.
Fig. 3 Grosire grilă
Se numește procedura de împărțire a volumului inițial în volume mai mici CONSTRUCȚIA UNUI GRUP DE SETARE , iar matricea volumelor rezultate este SETAREA GRADULUI . Fiecare volum obținut în timpul construcției grilei de calcul este denumit CELUL DE CALCULARE , în fiecare din care se observă echilibrul maselor de intrare și ieșire. Volumul închis în care are loc construcția rețelei de calcul este numit ZONA DE BAZĂ .
arhitectură
ideologie FlowVision construită pe baza unei arhitecturi distribuite, unde o unitate de program care efectuează calcule aritmetice poate fi localizată pe orice computer din rețea - pe un cluster sau laptop performant. Arhitectura complexului software este modulară, ceea ce vă permite să faceți fără durere îmbunătățiri și funcționalități noi în el. Modulele principale sunt PrePostProcessor și unitatea de rezolvare, precum și mai multe unități auxiliare care efectuează diferite operații concepute pentru monitorizare și reglare.
Distribuția presiunii pe caroseria mașinii sport
Scopul funcțional al Preprocesorului include importul geometriei domeniului de calcul din sistemele de modelare geometrice, definirea unui model mediu, aranjarea condițiilor inițiale și de graniță, editarea sau importarea grilei de calcul și setarea criteriilor de convergență, după care controlul este transferat către Solver, care începe procesul de construcție a grilei de calcul și se calculează conform setarea parametrilor. În procesul de numărare, utilizatorul are posibilitatea de a efectua monitorizarea vizuală și cantitativă a calculului cu instrumentele Postprocesor și de a evalua procesul de dezvoltare a soluției. La atingerea valorii cerute a criteriului de convergență, procesul de numărare poate fi oprit, după care rezultatul devine pe deplin disponibil pentru utilizator, care poate utiliza instrumentele Postprocesor pentru a prelucra datele - vizualiza rezultatele și cuantifică-le și apoi le salvează în formate de date externe.
Grila de calcul
FlowVision se utilizează o grilă de calcul dreptunghiulară, care se adaptează automat la limitele domeniului de calcul și soluție. Apropierea limitelor curbe cu un grad ridicat de precizie este asigurată prin utilizarea metodei de rezoluție subgrid a geometriei. Această abordare vă permite să lucrați cu modele geometrice formate din suprafețe de orice grad de complexitate.
Zona de facturare a sursei
Plasa ortogonală suprapusă zonei
Tunderea grilei inițiale cu granițele regiunii
Grila de calcul finală
Construcția automată a unei grile de calcul ținând cont de curbura suprafeței
Dacă este necesar, pentru a clarifica soluția la graniță sau la locul potrivit al volumului estimat, puteți efectua o adaptare dinamică a grilei de decontare. Adaptarea este fragmentarea celulelor de nivel inferior în celule mai mici. Adaptarea poate fi în funcție de condiția de delimitare, de volum și de decizie. Adaptarea grilei se efectuează la limita specificată, la locația specificată în domeniul de calcul sau prin decizie, luând în considerare modificările variabilei și a gradientului. Adaptarea se realizează atât în \u200b\u200bdirecția de măcinare a ochiurilor, cât și în sens invers - fuzionarea celulelor mici în cele mai mari, până la ochiurile nivelului inițial.
Tehnologia de adaptare a rețelei
Corpuri în mișcare
Tehnologia unui corp în mișcare vă permite să plasați un corp cu o formă geometrică arbitrară în interiorul domeniului de calcul și să-i dați mișcare de translație și / sau de rotație. Legea mișcării poate fi constantă sau variabilă în timp și spațiu. Mișcarea corpului este definită în trei moduri principale:
Explicit prin setarea vitezei corpului;
- prin sarcina forței care acționează asupra corpului și schimbându-l din punctul de plecare
Prin expunerea din mediul în care este plasat corpul.
Toate cele trei metode pot fi combinate între ele.
Descărcarea unei rachete într-un flux nesigur din cauza gravitației
Reproducerea experienței Mach: mișcare a bilei cu viteză de 800 m / s
Calcul paralel
Una dintre caracteristicile cheie ale pachetului software FlowVision tehnologii de calcul paralele, când mai multe procesoare sau nuclee de procesor sunt utilizate pentru a rezolva o problemă, ceea ce vă permite să accelerați calculul în proporție cu numărul lor.
Accelerarea calculului sarcinii, în funcție de numărul de nuclee implicate
Procesul paralel de pornire este complet automatizat. Utilizatorul trebuie să specifice doar numărul de nuclee sau procesoare pe care se va lansa sarcina. Algoritmul va efectua toate acțiunile suplimentare pentru a împărți domeniul de calcul în părți și a schimba date între ele în mod independent, alegând cei mai buni parametri.
Descompunerea celulelor de suprafață în 16 procesoare pentru sarcini cu două mașini
Echipa FlowVision menține legături strânse cu reprezentanții comunității interne și străine HPC (High Performance Computing) și participă la proiecte comune care vizează realizarea de noi oportunități în domeniul creșterii productivității în modul de calcul paralel.
În 2007, FlowVision, împreună cu Centrul Științific și de Cercetare al Universității de Stat din Moscova, au devenit un membru al programului federal de creare a unui sistem național de așezări paralele teraflop. Ca parte a programului, echipa de dezvoltare adaptează FlowVision pentru a efectua calcule la scară largă pe cea mai modernă tehnologie. Clusterul SKIF-Chebyshev instalat la Centrul Științific și de Cercetare al Universității de Stat din Moscova este utilizat ca platformă hardware de testare.
Clusterul SKIF-Chebyshev Instalat la Centrul de Cercetări Științifice al Universității de Stat din Moscova
În strânsă colaborare cu specialiștii Centrului științific și de cercetare din cadrul Universității de Stat din Moscova (sub conducerea corespondentului docentului Academiei Ruse de Științe. Științe fizice Vl.V. Voevodina), complexul software și hardware SKIF este optimizat FlowVision pentru a crește eficiența calculului paralel. În iunie 2008, primele calcule practice au fost efectuate pe 256 noduri de proiectare în paralel.
În 2009, echipa FlowVision, împreună cu Centrul Științific și de Cercetare al Universității de Stat din Moscova, Sigma Technology și TsAGI State Research Center, au devenit participanți la programul federal țintă pentru crearea algoritmilor de soluționare a problemelor de optimizare paralelă în probleme aerodinamice și hidrodinamice.
text, ilustrații: compania 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 luptător, un submarin sau un tren electric de mare viteză - toate experimentează influența forțelor aerodinamice. Precizia determinării mărimii acestor forțe afectează în mod direct caracteristicile tehnice ale acestor obiecte și capacitatea lor de a îndeplini anumite sarcini. În cazul general, forțele de frecare determină nivelul de putere al sistemului de propulsie, iar forțele transversale afectează controlabilitatea obiectului.
Într-o schemă de proiectare tradițională, pentru determinarea forțelor se folosesc defecțiuni în tunelurile de vânt (de obicei modele mai mici), teste la piscină și teste la scară completă. Cu toate acestea, toate studiile experimentale sunt o modalitate destul de costisitoare de a obține astfel de cunoștințe. Pentru a testa un dispozitiv model, trebuie să faceți mai întâi, apoi să întocmiți un program de testare, să pregătiți un stand și, în final, să efectuați o serie de măsurători. Mai mult, în majoritatea cazurilor, fiabilitatea rezultatelor testelor va fi afectată de ipotezele cauzate de o abatere de la condițiile reale de exploatare 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 în spații închise, 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 țineți cont de modificarea numărului Reynolds (așa-numitul efect de scară).
În unele cazuri, denaturarea poate fi cauzată de o nepotrivire fundamentală între condițiile reale ale fluxului din jurul corpului și cele simulate în conductă. De exemplu, atunci când suflați mașini sau trenuri de mare viteză, absența unei suprafețe orizontale în mișcare în tunelul eolian modifică grav imaginea generală a fluxului din jurul său și afectează, de asemenea, echilibrul forțelor aerodinamice. Acest efect este asociat cu o creștere a stratului de delimitare.
Metodele de măsurare introduc, de asemenea, erori în valorile măsurate. Dispunerea incorectă a senzorilor pe obiect sau orientarea incorectă a pieselor de lucru poate duce la rezultate incorecte.
Accelerarea proiectării
În prezent, principalele companii din industrie aflate în stadiul de proiectare preliminară folosesc pe scară largă tehnologiile de modelare computerizată CAE. Acest lucru vă permite să luați în considerare un număr mai mare de opțiuni atunci când căutați un design optim.
Nivelul actual de dezvoltare a pachetului software ANSYS CFX extinde semnificativ domeniul de aplicare al acestuia: de la modelarea fluxurilor laminare la fluxurile turbulente cu anisotropie puternică a parametrilor.
Gama largă de modele de turbulență utilizate include modelele tradiționale RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), care au cel mai bun raport viteză-precizie, modelul de turbulență SST (Shear Stress Transport) (modelul cu două straturi al lui Menter), care combină cu succes avantajele modelelor ke turbulență. și kw. Pentru fluxurile cu anizotropie dezvoltată, modelele de tip RSM (Reynolds Stress Model) sunt mai potrivite. Un calcul direct al parametrilor turbulenței în direcții ne permite să determinăm mai precis caracteristicile fluxului de vortex.
În unele cazuri, se recomandă utilizarea de modele construite pe teorii de vortex: DES (Simularea Eddy detașabilă) și LES (Simularea Eddy mare). În special în cazurile în care contabilitatea proceselor de tranziție laminar-turbulent este deosebit de importantă, modelul de turbulență de tranziție a fost dezvoltat, care se bazează pe tehnologia SST bine dovedită. Modelul a fost supus unui amplu program de testare la diferite obiecte (de la autoutilitare la aeronave de pasageri) și a arătat o corelație excelentă cu datele experimentale.
aviație
Crearea de aeronave civile de luptă și civile este imposibilă fără o analiză profundă a tuturor caracteristicilor sale în faza inițială de proiectare. Economia aeronavei, viteza și manevrabilitatea acesteia depind direct de studierea atentă a formei suprafețelor de rulment și a contururilor.
Astăzi, toți marii producători de aeronave într-un anumit grad sau altul folosesc analiza computerizată în dezvoltarea de noi produse.
Investigatorii modelului de turbulență tranzitorie, care analizează corect regimurile de curgere apropiate de laminar, fluxurile cu zone dezvoltate de separare și atașare a fluxului, oferă oportunități excelente pentru analiza fluxurilor complexe. Acest lucru reduce în continuare diferența dintre rezultatele calculelor numerice și modelul fluxului real.
producția de automobile
O mașină modernă ar trebui să aibă o eficiență sporită cu o putere ridicată. Și, desigur, principalele componente determinante sunt motorul și caroseria.
Pentru a asigura eficacitatea tuturor sistemelor de motoare, companiile occidentale de top folosesc de mult timp tehnologii de simulare a calculatorului. De exemplu, Robert Bosch Gmbh (Germania), producător al unei game largi de componente pentru mașinile diesel moderne, a folosit ANSYS CFX (pentru a îmbunătăți performanța injecției) atunci când a dezvoltat un sistem de alimentare cu combustibil Common Rail.
BMW, ale cărui motoare au câștigat titlul de International Engine of the Year timp de câțiva ani la rând, folosește ANSYS CFX pentru modelarea proceselor în camerele de combustie ICE.
Aerodinamica externă este, de asemenea, un mijloc de creștere a eficienței puterii motorului. De obicei vorbim nu numai despre reducerea coeficientului de tracțiune, ci și despre echilibrul forței de muncă cerut de orice mașină de mare viteză.
Ca expresie finală a acestor caracteristici sunt mașinile de curse din diferite clase. Fără excepție, toți participanții la campionatul F1 folosesc o analiză computerizată a aerodinamicii mașinilor lor. Realizările sportive demonstrează clar avantajele acestor tehnologii, multe dintre ele fiind deja utilizate pentru crearea de mașini de producție.
În Rusia, pionier în acest domeniu este echipa Active-Pro Racing: o mașină de curse Formula 1600 are o viteză de peste 250 km / h și este punctul culminant al motorului rusesc cu motor. Utilizarea complexului ANSYS CFX (Fig. 4) pentru proiectarea unui nou penaj aerodinamic al unei mașini a făcut posibilă reducerea semnificativă a numărului de opțiuni de proiectare atunci când se caută soluția optimă.
Comparația datelor calculate și rezultatele suflarii în tunelul eolian au arătat diferența preconizată. Se explică prin podeaua nemișcată a conductei, care a determinat o creștere a grosimii stratului de delimitare. Prin urmare, elementele aerodinamice localizate destul de scăzute, funcționau în condiții neobișnuite.
Cu toate acestea, modelul computerului a fost pe deplin în concordanță cu condițiile reale de mișcare, ceea ce a permis îmbunătățirea semnificativă a eficienței penajului mașinii.
construcție
Astăzi, arhitecții sunt mai liberi să abordeze aspectul clădirilor proiectate decât acum 20 sau 30 de ani. Creațiile futuriste ale arhitecților moderni, de regulă, au forme geometrice complexe pentru care valorile coeficienților aerodinamici (necesare pentru a aloca sarcinile de vânt calculate structurilor de susținere) nu sunt cunoscute.
În acest caz, pentru a obține caracteristicile aerodinamice ale clădirii (și factorii de forță de influență), pe lângă testele tradiționale în tunelurile eoliene, instrumentele CAE sunt din ce în ce mai utilizate. Un exemplu de astfel de calcul în ANSYS CFX este prezentat în Fig. 5.
În plus, ANSYS CFX este utilizat în mod tradițional pentru modelarea sistemelor de ventilație și încălzire în spații industriale, clădiri de birouri, birouri și complexe sportive și de divertisment.
Pentru a analiza regimul de temperatură și natura fluxului de aer în arena de gheață a IC Krylatskoye (Moscova), inginerii Olof Granlund Oy (Finlanda) au folosit pachetul software ANSYS CFX. Standurile stadionului pot găzdui aproximativ 10 mii de spectatori, iar sarcina de căldură de la ei poate fi mai mare de 1 MW (bazată pe 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.
Fig. 5. Distribuția presiunii pe suprafața structurilor
Pentru a rezuma
După cum vedeți, tehnologiile de calcul în aerodinamică au atins un astfel de nivel pe care nu l-am putut visa decât acum 10 ani. În același timp, modelarea computerului nu trebuie contrastată cu cercetarea experimentală - este mult mai bine dacă aceste metode se completează reciproc.
Complexul ANSYS CFX permite inginerilor să rezolve astfel de probleme complexe, cum ar fi, de exemplu, determinarea deformațiilor structurale sub influența încărcărilor aerodinamice. Aceasta contribuie la o declarație mai corectă a multor probleme atât din punct de vedere aerodinamic intern, cât și extern: de la problemele flutterului mașinilor cu lama până la impactul vântului și al undelor asupra structurilor din larg.
Toate capacitățile calculate ale complexului ANSYS CFX sunt de asemenea disponibile în mediul ANSYS Workbench.
Reglementarea actuală permite echipelor să testeze modele de tunel eolian de autovehicule care nu depășesc 60% din cantitatea. Într-un interviu acordat F1Racing, fostul director tehnic al echipei Renault, Pat Symonds, a vorbit despre caracteristicile acestei lucrări ...
Pat Symonds: „Astăzi, toate echipele lucrează cu modele la scară de 50% sau 60%, dar acest lucru nu a fost întotdeauna cazul. Primele teste aerodinamice din anii 80 au fost efectuate cu machete de 25% din valoarea reală - puterea tunelului eolian de la Universitatea din Southampton și Imperial College din Londra nu a permis mai mult - doar că a existat posibilitatea de a instala modelele în mișcare. Apoi au existat tuneluri eoliene în care era posibil să lucreze cu modele în 33% și 50%, iar acum, din cauza necesității limitării costurilor, echipele au convenit să testeze modelele nu mai mult de 60% la un debit de aer de maximum 50 de metri pe secundă.
La alegerea scării modelului, echipele pornesc din capacitățile tunelului eolian existent. Pentru a obține rezultate exacte, dimensiunile modelului nu trebuie să depășească 5% din suprafața de lucru a conductei. Producția de modele mai mici este mai ieftină, dar modelul este mai mic, cu atât este mai dificil să se mențină precizia necesară. Ca și în multe alte întrebări privind dezvoltarea mașinilor cu Formula 1, aici trebuie să căutați compromisul optim.
Pe vremuri, modelele erau fabricate din lemnul arborelui Dier care crește în Malaezia, care are o densitate mică, acum se folosește echipament pentru stereolitografie cu laser - fasciculul cu infraroșu laser polimerizează materialul compozit, primind o ieșire cu caracteristicile specificate. Această metodă vă permite să verificați eficacitatea unei noi idei de inginerie într-un tunel eolian în doar câteva ore.
Cu cât este executat mai exact modelul, cu atât mai fiabile sunt informațiile obținute prin purjarea acestuia. Fiecare lucru important este important aici, chiar și prin conductele de evacuare fluxul de gaz trebuie să treacă la aceeași viteză ca pe o mașină reală. Echipele încearcă să obțină precizia maximă posibilă pentru echipamentele existente în simulare.
Timp de mai mulți ani, în loc să folosească anvelope, copii pe scară largă ale acestora au fost realizate din nylon sau fibră de carbon, s-au realizat progrese serioase atunci când Michelin a realizat copii mai mici ale pneurilor sale de curse. Modelul mașinii este echipat cu mulți 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 decât costul mașinilor reale - de exemplu, costă mai mult decât mașinile GP2 reale. Aceasta este de fapt o soluție ultra-sofisticată. Un cadru de bază cu senzori costă aproximativ 800 de mii de dolari, poate fi folosit timp de câțiva ani, dar de obicei echipele au două seturi pentru a nu opri munca.
Fiecare rafinare a elementelor caroseriei sau suspensie duce la necesitatea realizării unei noi versiuni a trusei, care costă încă un sfert de milion. În același timp, lucrarea 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 plătesc. O creștere a forței de muncă cu 1% vă permite să redați o zecime de secundă pe o piesă reală. În condiții de reglementare stabilă, inginerii joacă cam o lună, astfel încât doar în departamentul de modelare, fiecare zecime costă o echipă un milion și jumătate de dolari. "