Tuneli virtual i erës FlowVision. Si funksionon aerodinamika e automobilave? Si të llogarisni një model makine për një tunel me erë

Paketa softuerike për aerodinamikën kompjuterike dhe hidrodinamike Flow Vision projektuar për goditje virtuale aerodinamike të objekteve të ndryshme teknike ose natyrore. Produktet e transportit, objektet energjetike, produktet ushtarako-industriale dhe të tjera mund të shërbejnë si objekte. Flow Vision bën të mundur simulimin e rrjedhës përreth me shpejtësi të ndryshme të rrjedhës së ardhshme dhe në shkallë të ndryshme të shqetësimit të saj (shkalla e turbulencës).

Procesi i modelimit kryhet rreptësisht në një formulim hapësinor tredimensional të problemit dhe vazhdon sipas parimit "siç është", i cili nënkupton mundësinë e studimit të një modeli të plotë gjeometrik të objektit të përdoruesit pa asnjë thjeshtësim. Sistemi i krijuar për përpunimin e gjeometrisë tre-dimensionale të importuar ju lejon të punoni pa dhimbje me modele të çdo shkalle kompleksiteti, ku përdoruesi, në fakt, zgjedh nivelin e detajeve të objektit të tij - nëse dëshiron të fryjë përmes një modeli të thjeshtuar të zbutur të konturet e jashtme ose një model i plotë me praninë e të gjithë elementëve strukturorë, deri në kokat e bulonave në buzët e rrotave dhe logon e prodhuesit në formën e një figurine në hundën e makinës.

Shpërndarja e shpejtësisë në afërsi të trupit të një makine garash.

Janë marrë parasysh të gjitha detajet - foletë e rrotave, efekti i asimetrisë së foleve të timonit në modelin e rrjedhës.

Flow Vision u krijua nga një ekip zhvillimi rus (TESIS, Rusi) më shumë se 10 vjet më parë dhe bazohet në zhvillimet e shkollës themelore dhe matematikore ruse. Sistemi u krijua me shpresën se përdoruesit e kualifikimeve shumë të ndryshme do të punojnë me të - studentë, mësues, stilistë dhe shkencëtarë. Ju mund të zgjidhni në mënyrë të barabartë në mënyrë efektive si problemet e thjeshta ashtu edhe ato komplekse.

Produkti përdoret në industri të ndryshme, shkencë dhe arsim - aviacion, kozmonautikë, energji, ndërtim anijesh, automobila, ekologji, inxhinieri mekanike, përpunim dhe industri kimike, mjekësi, industri bërthamore dhe sektorin e mbrojtjes dhe ka bazën më të madhe të instalimit në Rusi.

Në vitin 2001, me vendim të Këshillit Kryesor të Ministrisë së Federatës Ruse, FlowVision u rekomandua për t'u përfshirë në kurrikulën e mësimdhënies së mekanikës së lëngjeve dhe gazit në universitetet ruse. Aktualisht, FlowVision përdoret si pjesë integrale e procesit arsimor të universiteteve kryesore ruse - Instituti i Fizikës dhe Teknologjisë në Moskë, MPEI, Universiteti Teknik Shtetëror i Shën Petersburgut, Universiteti Vladimir, UNN dhe të tjerët.

Në vitin 2005, FlowVision u testua dhe mori një certifikatë konformiteti nga Standardi Shtetëror i Federatës Ruse.

Karakteristikat kryesore

Në thelb Flow Vision Parimi i ligjit të ruajtjes së masës qëndron - sasia e substancës që hyn në vëllimin e llogaritur të mbyllur të mbushur është e barabartë me sasinë e substancës që zvogëlohet prej saj (shih Fig. 1).

Oriz. 1 Parimi i ligjit të ruajtjes së masës

Zgjidhja për një problem të tillë ndodh duke gjetur vlerën mesatare të një sasie në një vëllim të caktuar bazuar në të dhënat në kufijtë (teorema Ostrogradsky-Gauss).

Oriz. 2 Integrimi i vëllimit bazuar në vlerat kufitare

Për të marrë një zgjidhje më të saktë, vëllimi fillestar i llogaritur ndahet në vëllime më të vogla.

Oriz. 3 Trashja e rrjetit llogaritës

Procedura për ndarjen e vëllimit origjinal në vëllime më të vogla quhet NDËRTIMI I RRJETIT LLOGARIK , dhe grupi i vëllimeve që rezultojnë është RRJETI LLOGARITES . Çdo vëllim i marrë në procesin e ndërtimit të rrjetit llogaritës quhet QELIZË E LLOGARITUR , në secilën prej të cilave vërehet edhe baraspesha e masës hyrëse dhe dalëse. Vëllimi i mbyllur në të cilin është ndërtuar rrjeti i llogaritjes quhet FUSHA E LLOGARITJES .

Arkitekturë

Ideologjia Flow Visionështë ndërtuar mbi bazën e një arkitekture të shpërndarë, ku njësia e softuerit që kryen llogaritjet aritmetike mund të vendoset në çdo kompjuter në rrjet - në një grup ose laptop me performancë të lartë. Arkitektura e paketës softuerike është modulare, e cila lejon përmirësime pa dhimbje dhe funksionalitet të ri që të futen në të. Modulet kryesore janë PrePostProcessor dhe blloku zgjidhës, si dhe disa blloqe ndihmëse që kryejnë operacione të ndryshme për monitorim dhe akordim.

Shpërndarja e presionit mbi trupin e një makine sportive

Qëllimi funksional i Paraprocesorit përfshin importimin e gjeometrisë së domenit llogaritës nga sistemet e modelimit gjeometrik, vendosjen e modelit të mjedisit, vendosjen e kushteve fillestare dhe kufitare, modifikimin ose importimin e rrjetit llogaritës dhe vendosjen e kritereve të konvergjencës, pas së cilës kontrolli transferohet në Zgjidhës, i cili fillon procesin e ndërtimit të rrjetit llogaritës dhe kryen llogaritjen sipas parametrave të dhënë. Gjatë procesit të llogaritjes, përdoruesi ka mundësinë të kryejë monitorim vizual dhe sasior të llogaritjes dhe të vlerësojë procesin e zhvillimit të zgjidhjeve duke përdorur mjetet e Postprocesorit. Kur arrihet vlera e kërkuar e kriterit të konvergjencës, procesi i numërimit mund të ndërpritet, pas së cilës rezultati bëhet plotësisht i disponueshëm për përdoruesin, i cili, duke përdorur mjetet e postprocesorit, mund të përpunojë të dhënat - të vizualizojë rezultatet dhe të përcaktojë sasinë me ruajtjen e mëvonshme në formatet e të dhënave të jashtme.

Rrjeti i llogaritjes

V Flow Vision përdoret një rrjet kompjuterik drejtkëndor, i cili automatikisht përshtatet me kufijtë e domenit llogaritës dhe zgjidhjes. Përafrimi i kufijve kurvilinear me një shkallë të lartë saktësie sigurohet duke përdorur metodën e zgjidhjes së gjeometrisë së nënrrjetit. Kjo qasje ju lejon të punoni me modele gjeometrike që përbëhen nga sipërfaqe të çdo shkalle kompleksiteti.

Domeni fillestar llogaritës

Rrjeti ortogonal i mbivendosur në zonë

Prerja e rrjetës fillestare sipas kufijve të rajonit

Rrjeti përfundimtar llogaritës

Ndërtimi automatik i rrjetit llogaritës, duke marrë parasysh lakimin e sipërfaqes

Nëse është e nevojshme të rafinohet zgjidhja në kufirin ose në vendin e duhur të vëllimit llogaritës, është e mundur që në mënyrë dinamike të përshtatet rrjeti llogaritës. Përshtatja është ndarja e qelizave të nivelit më të ulët në qeliza më të vogla. Përshtatja mund të jetë sipas gjendjes kufitare, sipas vëllimit dhe zgjidhjes. Rrjeti përshtatet në kufirin e specifikuar, në vendndodhjen e specifikuar në domenin llogaritës, ose me vendim, duke marrë parasysh ndryshimin në variablin dhe gradientin. Përshtatja kryhet si në drejtim të përsosjes së rrjetës, ashtu edhe në drejtim të kundërt - bashkimi i qelizave të vogla në ato më të mëdha, deri në rrjetën e nivelit të hyrjes.

Teknologjia e përshtatjes së rrjetit

Trupa të lëvizshëm

Teknologjia e trupit në lëvizje bën të mundur vendosjen e një trupi me formë arbitrare gjeometrike brenda fushës llogaritëse dhe t'i japë atij lëvizje përkthimore dhe/ose rrotulluese. Ligji i lëvizjes mund të jetë konstant ose i ndryshueshëm në kohë dhe hapësirë. Lëvizja e trupit përcaktohet në tre mënyra kryesore:

Në mënyrë eksplicite përmes vendosjes së shpejtësisë së trupit;
- nëpërmjet vendosjes së forcës që vepron mbi trup dhe zhvendosjes së tij nga pika e fillimit

Nëpërmjet ndikimit të mjedisit në të cilin ndodhet trupi.

Të tre metodat mund të kombinohen me njëra-tjetrën.

Hedhja e një rakete në një rrjedhë të paqëndrueshme nën veprimin e gravitetit

Riprodhimi i përvojës Mach: lëvizja e topit me një shpejtësi prej 800 m / s

Llogaritja paralele

Një nga karakteristikat kryesore të paketës softuerike Flow Vision teknologjitë e llogaritjes paralele, kur disa procesorë ose bërthama procesori përdoren për të zgjidhur një detyrë, gjë që lejon përshpejtimin e llogaritjes në përpjesëtim me numrin e tyre.

Përshpejtimi i llogaritjes së detyrës, në varësi të numrit të bërthamave të përfshira

Procedura e nisjes në modalitetin paralel është plotësisht e automatizuar. Përdoruesi duhet vetëm të specifikojë numrin e bërthamave ose procesorëve në të cilët do të ekzekutohet detyra. Të gjitha veprimet e mëtejshme për ndarjen e domenit llogaritës në pjesë dhe shkëmbimin e të dhënave ndërmjet tyre do të kryhen nga algoritmi në mënyrë të pavarur, duke zgjedhur parametrat më të mirë.

Zbërthimi i qelizave afër sipërfaqes në 16 procesorë për problemet me dy makina

Ekipi Flow Vision mban lidhje të ngushta me përfaqësuesit e komunitetit HPC (High Performance Computing) vendas dhe të huaj dhe merr pjesë në projekte të përbashkëta që synojnë arritjen e mundësive të reja në fushën e përmirësimit të performancës në informatikë paralele.

Në vitin 2007, FlowVision, së bashku me Qendrën e Kërkimit dhe Zhvillimit të Universitetit Shtetëror të Moskës, u bënë pjesëmarrëse në programin federal për të krijuar një sistem kombëtar të vendbanimeve paralele teraflop. Si pjesë e programit, ekipi i zhvillimit është duke përshtatur FlowVision për llogaritje në shkallë të gjerë në teknologjinë më moderne. Grupi SKIF-Chebyshev i instaluar në Qendrën e Kërkimit dhe Zhvillimit të Universitetit Shtetëror të Moskës përdoret si një platformë harduerike testuese.

Cluster SKIF-Chebyshev instaluar në Qendrën e Kërkimit dhe Zhvillimit të Universitetit Shtetëror të Moskës

Në vitin 2009, ekipi FlowVision, së bashku me Qendrën e Kërkimit dhe Zhvillimit të Universitetit Shtetëror të Moskës, kompaninë Sigma Technology dhe qendrën shkencore shtetërore TsAGI, u bënë pjesëmarrës në programin federal të synuar për të krijuar algoritme për zgjidhjen e problemeve të optimizimit paralel në problemet e aeroplanit. - dhe hidrodinamika.

teksti, ilustrimet: kompania TESIS

Rregulloret aktuale lejojnë ekipet të testojnë në një tunel me erë modele makinash që nuk kalojnë 60% të shkallës. Në një intervistë për F1Racing, ish-drejtori teknik i ekipit të Renault, Pat Symonds foli për specifikat e kësaj pune…

Pat Symonds: “Sot, të gjitha ekipet punojnë me modele të shkallës 50% ose 60%, por nuk ka qenë gjithmonë kështu. Testet e para aerodinamike në vitet '80 u kryen me modele prej 25% të vlerës reale - fuqia e tuneleve të erës në Universitetin e Southampton dhe Imperial College në Londër nuk lejoi më shumë - vetëm atje ishte e mundur të instaloheshin modele në një bazë e lëvizshme. Pastaj u shfaqën tunele me erë, në të cilat ishte e mundur të punohej me modele në 33% dhe 50%, dhe tani, për shkak të nevojës për të kufizuar kostot, ekipet ranë dakord të testonin modelet jo më shumë se 60% me një shpejtësi të rrjedhës së ajrit jo më shumë se 50 metra në sekondë.

Kur zgjedhin shkallën e modelit, ekipet bazohen në aftësitë e tunelit të disponueshëm të erës. Për të marrë rezultate të sakta, dimensionet e modelit nuk duhet të kalojnë 5% të zonës së punës së tubit. Modelet në shkallë më të vogël janë më të lira për t'u prodhuar, por sa më i vogël të jetë modeli, aq më e vështirë është të ruhet saktësia e kërkuar. Ashtu si me shumë çështje të tjera në zhvillimin e makinave të Formula 1, këtu duhet të kërkoni kompromisin më të mirë.

Në të kaluarën, modelet janë bërë nga druri i pemës Dier, e cila rritet në Malajzi, e cila ka një densitet të ulët, tani përdoren pajisje stereolithografike me lazer - një rreze lazer infra të kuqe polimerizon një material të përbërë, duke rezultuar në një pjesë me karakteristika të specifikuara. Kjo metodë ju lejon të testoni efektivitetin e një ideje të re inxhinierike në një tunel me erë në pak orë.

Sa më saktë të bëhet modeli, aq më i besueshëm është informacioni i marrë gjatë fryrjes së tij. Çdo gjë e vogël është e rëndësishme këtu, edhe përmes tubave të shkarkimit, rrjedha e gazit duhet të kalojë me të njëjtën shpejtësi si në një makinë të vërtetë. Ekipet po përpiqen të arrijnë saktësinë më të lartë të mundshme për pajisjet ekzistuese në simulim.

Për shumë vite, në vend të gomave janë përdorur kopje najloni ose fibër karboni, por përparim i rëndësishëm është bërë kur Michelin bëri kopje të gomave të tyre të garave. Modeli i makinës është i pajisur me shumë sensorë për matjen e presionit të ajrit dhe një sistem që ju lejon të ndryshoni ekuilibrin.

Modelet, duke përfshirë pajisjet matëse të instaluara në to, nuk janë shumë më pak të shtrenjta se makinat e vërteta - për shembull, ato kushtojnë më shumë se makinat e vërteta GP2. Kjo është në fakt një zgjidhje ultra-komplekse. Një kornizë bazë me sensorë kushton rreth 800,000 dollarë dhe mund të përdoret për disa vite, por zakonisht ekipet kanë dy grupe për të vazhduar punën.

Çdo rishikim i karrocerisë ose pezullimi çon në nevojën për të prodhuar një version të ri të kompletit të trupit, i cili kushton një çerek milioni tjetër. Në të njëjtën kohë, vetë funksionimi i tunelit të erës kushton rreth një mijë dollarë në orë dhe kërkon praninë e 90 punonjësve. Ekipet serioze shpenzojnë rreth 18 milionë dollarë në sezon për këto studime.

Shpenzimet shpërblehen. Një rritje e forcës së përmbysjes me 1% ju lejon të rifitoni një të dhjetën e sekondës në një pistë të vërtetë. Me një orar të qëndrueshëm, inxhinierët luajnë rreth aq shumë në muaj, kështu që vetëm në departamentin e modelimit, çdo e dhjeta i kushton ekipit një milion e gjysmë dollarë.

Asnjë makinë e vetme nuk do të kalojë nëpër një mur me tulla, por çdo ditë kalon nëpër mure nga ajri, i cili gjithashtu ka dendësi.

Askush nuk e percepton ajrin apo erën si mur. Me shpejtësi të ulët, në mot të qetë, është e vështirë të shihet se si rrjedha e ajrit ndërvepron me automjetin. Por me shpejtësi të madhe, në erëra të forta, rezistenca e ajrit (forca në një objekt që lëviz nëpër ajër - referuar gjithashtu si zvarritje) ndikon shumë në mënyrën se si makina përshpejton, sa e trajton, si përdor karburantin.

Këtu hyn në lojë shkenca e aerodinamikës, duke studiuar forcat e krijuara si rezultat i lëvizjes së objekteve në ajër. Makinat moderne janë të dizajnuara duke pasur parasysh aerodinamikën. Një makinë mirë aerodinamike përshkon një mur ajri si një thikë përmes gjalpit.

Për shkak të rezistencës së ulët ndaj rrjedhës së ajrit, një makinë e tillë përshpejton më mirë dhe konsumon më mirë karburantin, pasi motori nuk duhet të shpenzojë energji shtesë për të "shtyrë" makinën përmes murit të ajrit.

Për të përmirësuar aerodinamikën e makinës, forma e trupit është e rrumbullakosur në mënyrë që kanali i ajrit të rrjedhë rreth makinës me rezistencën më të vogël. Në makinat sportive, forma e trupit është krijuar për të drejtuar rrjedhën e ajrit kryesisht përgjatë pjesës së poshtme, do ta shihni më poshtë pse. Ata gjithashtu vendosin një krah ose spoiler në bagazhin e makinës. Krahu i pasmë shtyp në pjesën e pasme të makinës, duke parandaluar ngritjen e rrotave të pasme për shkak të rrjedhës së fortë të ajrit kur lëviz me shpejtësi të madhe, gjë që e bën makinën më të qëndrueshme. Jo të gjithë krahët e pasmë janë të njëjtë dhe jo të gjithë përdoren për qëllimin e tyre të synuar, disa shërbejnë vetëm si një element i dekorit të automobilave që nuk kryen një funksion të drejtpërdrejtë të aerodinamikës.

Shkenca e aerodinamikës

Para se të flasim për aerodinamikën e automobilave, le të kalojmë mbi bazat e fizikës.

Ndërsa një objekt lëviz nëpër atmosferë, ai zhvendos ajrin përreth. Objekti gjithashtu i nënshtrohet gravitetit dhe rezistencës. Rezistenca krijohet kur një objekt i ngurtë lëviz në një mjedis të lëngshëm - ujë ose ajër. Rezistenca rritet me shpejtësinë e një objekti - sa më shpejt të lëvizë nëpër hapësirë, aq më shumë rezistencë përjeton.

Ne matim lëvizjen e një objekti me faktorët e përshkruar në ligjet e Njutonit - masa, shpejtësia, pesha, forca e jashtme dhe nxitimi.

Rezistenca ndikon drejtpërdrejt në përshpejtimin. Nxitimi (a) i një objekti = pesha e tij (W) minus zvarritja e tij (D) pjesëtuar me masën e tij (m). Kujtoni se pesha është produkt i masës së trupit dhe përshpejtimit të rënies së lirë. Për shembull, në Hënë, pesha e një personi do të ndryshojë për shkak të mungesës së gravitetit, por masa do të mbetet e njëjtë. E thënë thjesht:

Ndërsa një objekt përshpejtohet, shpejtësia dhe zvarritja rriten deri në pikën përfundimtare ku zvarritja bëhet e barabartë me peshën - objekti nuk do të përshpejtohet më. Le të imagjinojmë se objekti ynë në ekuacion është një makinë. Ndërsa makina lëviz më shpejt dhe më shpejt, gjithnjë e më shumë ajër kundërshton lëvizjen e saj, duke e kufizuar makinën në përshpejtimin maksimal me një shpejtësi të caktuar.

Ne i afrohemi numrit më të rëndësishëm - koeficienti i tërheqjes aerodinamike. Ky është një nga faktorët kryesorë që përcakton se sa lehtë një objekt lëviz nëpër ajër. Koeficienti i tërheqjes (Cd) llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:

Cd = D / (A * r * V/2)

Ku D është rezistenca, A është zona, r është dendësia, V është shpejtësia.

Koeficienti i tërheqjes në një makinë

Kuptuam se koeficienti i tërheqjes (Cd) është një vlerë që mat forcën e rezistencës së ajrit të aplikuar në një objekt, siç është një makinë. Tani imagjinoni që forca e ajrit po e shtyn makinën ndërsa ajo udhëton në rrugë. Me një shpejtësi prej 110 km / orë, një forcë katër herë më e madhe vepron mbi të sesa me një shpejtësi prej 55 km / orë.

Aftësitë aerodinamike të një makine maten me koeficientin e tërheqjes. Sa më e ulët të jetë vlera e Cd, aq më e mirë është aerodinamika e makinës dhe aq më lehtë do të kalojë përmes murit të ajrit që e shtyp atë nga anët e ndryshme.

Le të shqyrtojmë treguesit Cd. I mbani mend Volvo-t me formë këndore nga vitet 1970, 80? Sedani i vjetër Volvo 960 ka një koeficient të tërheqjes prej 0.36. Trupat e rinj të Volvo janë të lëmuara dhe të lëmuara, falë të cilave koeficienti arrin 0.28. Format më të lëmuara dhe më të thjeshta tregojnë aerodinamikë më të mirë se ato këndore dhe katrore.

Arsyet pse Aerodinamika i pëlqen format e hijshme

Le të kujtojmë gjënë më aerodinamike në natyrë - një lot. Grisja është e rrumbullakët dhe e lëmuar nga të gjitha anët, dhe zvogëlohet në majë. Kur loti bie, ajri rrjedh rreth tij lehtësisht dhe pa probleme. Gjithashtu me makina, në një sipërfaqe të lëmuar, të rrumbullakosur, ajri rrjedh lirshëm, duke zvogëluar rezistencën e ajrit ndaj lëvizjes së një objekti.

Sot, shumica e modeleve kanë një koeficient mesatar të tërheqjes prej 0.30. SUV-të kanë një koeficient tërheqjeje prej 0,30 deri në 0,40 ose më shumë. Arsyeja e koeficientit të lartë në përmasa. Land Cruisers dhe Gelendvagens përshtaten më shumë pasagjerë, ata kanë më shumë hapësirë ​​ngarkese, grila të mëdha për të ftohur motorin, prandaj dizajni i ngjashëm me katrorin. Kamionët transportues të projektuar me një Cd katrore të qëllimshme më të madhe se 0,40.

Dizajni i trupit është i diskutueshëm, por makina ka një formë aerodinamike të dukshme. Koeficienti i tërheqjes së Toyota Prius është 0.24, kështu që konsumi i karburantit të makinës është i ulët jo vetëm për shkak të termocentralit hibrid. Mos harroni, çdo minus 0.01 në koeficient zvogëlon konsumin e karburantit me 0.1 litra për 100 kilometra.

Modelet me tërheqje të dobët aerodinamike:

Modele me tërheqje të mirë aerodinamike:

Metodat për përmirësimin e aerodinamikës janë të njohura për një kohë të gjatë, por u desh shumë kohë që prodhuesit e automjeteve të fillonin t'i përdornin ato kur krijonin automjete të reja.

Modelet e makinave të para që u shfaqën nuk kanë asnjë lidhje me konceptin e aerodinamikës. Hidhini një sy Modelit T të Fordit - makina duket më shumë si një karrocë e tërhequr me kuaj pa kalë - fituesja e një konkursi dizajni me kuti. Të them të drejtën, shumica e modeleve ishin pionierë dhe nuk kishin nevojë për dizajn aerodinamik, pasi ecnin ngadalë, nuk kishte asgjë për t'i rezistuar në një shpejtësi të tillë. Sidoqoftë, makinat e garave të fillimit të viteve 1900 filluan të ngushtohen pak për të fituar garat në kurriz të aerodinamikës.

Në vitin 1921, shpikësi gjerman Edmund Rumpler krijoi Rumpler-Tropfenauto, që do të thotë "makinë lot" në gjermanisht. I modeluar sipas formës më aerodinamike në natyrë, formës së lotit, ky model kishte një koeficient tërheqjeje prej 0.27. Dizajni Rumpler-Tropfenauto nuk gjeti kurrë pranim. Rumpler arriti të krijojë vetëm 100 njësi Rumpler-Tropfenauto.

Në Amerikë, kërcimi në dizajnin aerodinamik u bë në vitin 1930 me lëshimin e Chrysler Airflow. Të frymëzuar nga fluturimi i zogjve, inxhinierët bënë Airflow duke pasur parasysh aerodinamikën. Për të përmirësuar trajtimin, pesha e makinës u shpërnda në mënyrë të barabartë midis boshteve të përparme dhe të pasme - 50/50. Shoqëria, e lodhur nga Depresioni i Madh, nuk e pranoi pamjen jokonvencionale të Chrysler Airflow. Modeli u konsiderua si një dështim, megjithëse dizajni i thjeshtë i Chrysler Airflow ishte shumë përpara kohës së tij.

Vitet 1950 dhe 60 panë përparimet më të mëdha në aerodinamikën e automobilave që erdhën nga bota e garave. Inxhinierët filluan të eksperimentojnë me forma të ndryshme trupore, duke ditur se një formë e thjeshtë do të shpejtonte makinat. Kështu lindi forma e makinës së garave, e cila ka mbijetuar deri më sot. Spoilerët e përparme dhe të pasme, hundët e lopatës dhe kompletet e aeroplanit shërbyen të gjitha për të njëjtin qëllim, duke drejtuar rrjedhën e ajrit mbi çati dhe duke gjeneruar forcën e nevojshme poshtë në rrotat e përparme dhe të pasme.

Tuneli i erës kontribuoi në suksesin e eksperimenteve. Në pjesën tjetër të artikullit tonë, ne do t'ju tregojmë pse është e nevojshme dhe pse është e rëndësishme në hartimin e makinave.

Matja e tërheqjes në një tunel me erë

Për të matur efikasitetin aerodinamik të një makine, inxhinierët huazuan një mjet nga industria e aviacionit - tunelin e erës.

Një tunel me erë është një tunel me tifozë të fuqishëm që krijojnë rrymë ajri mbi një objekt brenda. Një makinë, aeroplan ose diçka tjetër, rezistenca e ajrit të së cilës matet nga inxhinierët. Nga një dhomë prapa tunelit, shkencëtarët vëzhgojnë se si ajri ndërvepron me objektin dhe si sillen rrymat e ajrit në sipërfaqe të ndryshme.

Makina ose avioni brenda tunelit të erës nuk lëviz, por për të simuluar kushtet reale, ventilatorët fryjnë ajrin me shpejtësi të ndryshme. Ndonjëherë makinat e vërteta as nuk hidhen poshtë - projektuesit shpesh mbështeten në modele të sakta të krijuara nga balta ose lëndë të tjera të para. Era fryn mbi makinë në tunelin e erës dhe kompjuterët llogaritin koeficientin e tërheqjes.

Tunelet e erës janë përdorur që nga fundi i viteve 1800, kur ata po përpiqeshin të krijonin një aeroplan dhe matën efektin e rrjedhës së ajrit në tunelet e erës. Edhe vëllezërit Wright kishin një bori të tillë. Pas Luftës së Dytë Botërore, inxhinierët e makinave të garave, në kërkim të një avantazhi ndaj konkurrencës, filluan të përdorin tunele me erë për të vlerësuar efektivitetin e elementëve aerodinamikë të modeleve të tyre. Më vonë, kjo teknologji u fut në botën e makinave të pasagjerëve dhe kamionëve.

Gjatë 10 viteve të fundit, tunele të mëdha me erë që kushtojnë disa milionë dollarë amerikanë janë përdorur gjithnjë e më pak. Modelimi kompjuterik po zëvendëson gradualisht këtë mënyrë të testimit të aerodinamikës së një makine (më shumë). Tunelet e erës funksionojnë vetëm për t'u siguruar që nuk ka llogaritje të gabuara në simulimet kompjuterike.

Ka më shumë koncepte në aerodinamikë sesa vetëm rezistenca e ajrit - ka edhe faktorë të ngritjes dhe të shtytjes. Ngritja (ose ngritja) është forca që vepron kundër peshës së një objekti, duke e ngritur dhe mbajtur objektin në ajër. Downforce, e kundërta e një ashensori, është forca që shtyn një objekt në tokë.

Kushdo që mendon se koeficienti i tërheqjes prej 320 km/h makinat e garave të Formula 1 është i ulët, e ka gabim. Një makinë tipike garash e Formula 1 ka një koeficient të tërheqjes prej rreth 0.70.

Arsyeja pse makinat e garave të Formula 1 kanë një koeficient të lartë të tërheqjes është se këto makina janë të dizajnuara për të gjeneruar sa më shumë forcë të mundshme. Me shpejtësinë me të cilën lëvizin topat e zjarrit, me peshën e tyre jashtëzakonisht të vogël, ata fillojnë të përjetojnë ngritjen me shpejtësi të madhe - fizika i bën ata të ngrihen në ajër si një aeroplan. Makinat nuk janë të dizajnuara për të fluturuar (megjithëse artikulli - një makinë transformatori fluturues pretendon të kundërtën), dhe nëse automjeti fillon të ngrihet në ajër, atëherë mund të prisni vetëm një gjë - një aksident shkatërrues. Prandaj, forca poshtë duhet të jetë maksimale për të mbajtur makinën në tokë me shpejtësi të madhe, që do të thotë se koeficienti i tërheqjes duhet të jetë i madh.

Makinat e Formula 1 arrijnë forcë të lartë shtytëse me ndihmën e pjesëve të përparme dhe të pasme të automjetit. Këta krahë drejtojnë rrjedhën e ajrit në mënyrë që ata të shtypin makinën në tokë - e njëjta forcë poshtë. Tani mund të rrisni me siguri shpejtësinë dhe të mos e humbni atë kur ktheni kthesën. Në të njëjtën kohë, forca poshtë duhet të balancohet me kujdes me ngritësin në mënyrë që makina të fitojë shpejtësinë e dëshiruar në vijë të drejtë.

Shumë vetura të prodhimit kanë shtesa aerodinamike për të krijuar forcë të kundërt. shtypi kritikoi për pamjen e jashtme. Dizajni i diskutueshëm. Kjo për shkak se i gjithë trupi i GT-R është projektuar për të drejtuar rrjedhën e ajrit mbi makinë dhe mbrapa përmes spoilerit të pasmë ovale, duke krijuar më shumë forcë poshtë. Askush nuk mendoi për bukurinë e makinës.

Jashtë qarkut të Formula 1, krahët e pasmë gjenden shpesh në makina të aksioneve, të tilla si sedanët Toyota dhe Honda. Ndonjëherë këta elementë të dizajnit shtojnë pak stabilitet me shpejtësi të lartë. Për shembull, Audi TT i parë nuk kishte fillimisht një spoiler, por Audi duhej të shtonte një kur u zbulua se forma e rrumbullakosur dhe pesha e lehtë e TT krijonin shumë ngritje, duke e bërë makinën të paqëndrueshme në shpejtësi mbi 150 km/h.

Por nëse makina nuk është një Audi TT, jo një makinë sportive, jo një makinë sportive, por një sedan ose hatchback i zakonshëm familjar, nuk ka nevojë të instaloni një spoiler. Një spoiler nuk do të përmirësojë trajtimin në një makinë të tillë, pasi "makina familjare" tashmë ka një forcë të lartë poshtë për shkak të Cx të lartë dhe nuk mund të shtrydhni shpejtësi mbi 180 mbi të. Një spoiler në një makinë të zakonshme mund të shkaktojë mbidrejtim ose, anasjelltas, hezitim për të hyrë në qoshe. Megjithatë, nëse edhe ju mendoni se spoileri gjigant Honda Civic është në vend, mos lejoni askënd t'ju bindë të kundërtën.

Sot ju ftojmë të zbuloni se çfarë është, pse është e nevojshme dhe në cilin vit kjo teknologji u shfaq për herë të parë në botë.

Pa aerodinamikë, makinat dhe aeroplanët, madje edhe bobslatorët, janë thjesht objekte që lëvizin erën. Nëse nuk ka aerodinamikë, atëherë era lëviz në mënyrë joefikase. Shkenca e studimit të efikasitetit të heqjes së rrjedhave të ajrit quhet aerodinamikë. Për të krijuar një automjet që devijon në mënyrë efektive rrjedhën e ajrit, duke zvogëluar zvarritjen, nevojitet një tunel me erë, në të cilin inxhinierët kontrollojnë efektivitetin e rezistencës aerodinamike të ajrit të pjesëve të makinave.

Konsiderohet gabimisht se aerodinamika u shfaq që nga shpikja e tunelit të erës. Por nuk është. Në fakt u shfaq në vitet 1800. Origjina e kësaj shkence filloi në vitin 1871, me vëllezërit Wright, të cilët janë projektuesit dhe krijuesit e avionit të parë në botë. Falë tyre, aeronautika filloi të zhvillohej. Qëllimi ishte një - një përpjekje për të ndërtuar një aeroplan.

Në fillim, vëllezërit kryen provat e tyre në tunelet hekurudhore. Por aftësia e tunelit për të studiuar rrymat e ajrit ishte e kufizuar. Prandaj, ata nuk arritën të krijonin një avion të vërtetë, pasi për këtë ishte e nevojshme që trupi i avionit të plotësonte kërkesat më të rrepta të aerodinamikës.

Prandaj, në vitin 1901, vëllezërit ndërtuan tunelin e tyre të erës. Si rezultat, sipas disa raporteve, në këtë tub u testuan rreth 200 avionë dhe trupa prototipe individuale të formave të ndryshme. Vëllezërit iu deshën edhe disa vite të tjera për të ndërtuar avionin e parë të vërtetë në histori. Kështu në vitin 1903, Vëllezërit Wright kryen një test të suksesshëm të të parit në botë, i cili zgjati në ajër për 12 sekonda.

Çfarë është një tunel me erë?

Kjo është një pajisje e thjeshtë që përbëhet nga një tunel i mbyllur (kapacitet i madh) përmes të cilit ajri rrjedh me ndihmën e ventilatorëve të fuqishëm. Një objekt vendoset në tunelin e erës, në të cilin ato fillojnë të aplikohen. Gjithashtu, në tunelet moderne të erës, specialistët kanë aftësinë të furnizojnë flukse të drejtuara ajri në disa elementë të trupit të makinës ose çdo mjeti.

Testimi i tunelit me erë fitoi popullaritet masiv gjatë Luftës së Madhe Patriotike në vitet 1940. Në të gjithë botën, departamentet ushtarake kryen kërkime mbi aerodinamikën e pajisjeve dhe municioneve ushtarake. Pas luftës, kërkimet ushtarake aerodinamike u kufizuan. Por vëmendja ndaj aerodinamikës u kthye nga inxhinierët që projektonin makina garash sportive. Pastaj kjo modë u kap nga stilistë dhe makina.

Shpikja e tunelit të erës ka lejuar ekspertët të testojnë automjetet që janë të palëvizshme. Më tej, flukset e ajrit furnizohen dhe krijohet i njëjti efekt që vërehet kur makina është në lëvizje. Edhe gjatë testimit të avionit, objekti mbetet i palëvizshëm. E rregullueshme vetëm për të simuluar një shpejtësi specifike të automjetit.

Falë aerodinamikës, si makinat sportive ashtu edhe ato të thjeshta filluan të fitojnë linja më të lëmuara dhe elemente të rrumbullakosura të trupit në vend të formave katrore.

Ndonjëherë e gjithë makina mund të mos jetë e nevojshme për kërkime. Shpesh, mund të përdoret një plan urbanistik i rregullt në përmasa reale. Si rezultat, ekspertët përcaktojnë nivelin e rezistencës së erës.

Koeficienti i tërheqjes së erës përcaktohet nga mënyra se si era lëviz brenda tubit.

Tunelet moderne të erës janë në thelb një tharëse flokësh gjigante për makinën tuaj. Për shembull, një nga tunelet e njohur të erës ndodhet në Karolinën e Veriut, SHBA, ku po kryhen kërkime të shoqatës. Falë këtij tubi, inxhinierët po modelojnë makina të afta të udhëtojnë me një shpejtësi prej 290 km/h.

Në këtë godinë janë investuar rreth 40 milionë dollarë. Tubi filloi punën e tij në 2008. Investitorët kryesorë janë shoqata e garave NASCAR dhe pronari i garave Gene Haas.

Këtu është një video e një prove tradicionale në këtë tub:

Që nga ardhja e tunelit të parë të erës në histori, inxhinierët e kanë kuptuar se sa e rëndësishme është kjo shpikje për të gjithë. Si rezultat, projektuesit e automobilave tërhoqën vëmendjen ndaj saj, të cilët filluan të zhvillojnë teknologji për studimin e rrjedhave të ajrit. Por teknologjia nuk qëndron ende. Në ditët e sotme, shumë studime dhe llogaritje kryhen në një kompjuter. Gjëja më e mahnitshme është se edhe testet aerodinamike kryhen në programe të veçanta kompjuterike.

Një model i makinës virtuale 3D përdoret si subjekt testimi. Më pas, kushte të ndryshme për testimin e aerodinamikës riprodhohen në kompjuter. E njëjta qasje filloi të zhvillohet për testimin e përplasjes. , e cila jo vetëm që mund të kursejë para, as të marrë parasysh shumë parametra gjatë testimit.

Ashtu si testet reale të përplasjes, ndërtimi i një tuneli me erë dhe testimi i tij është shumë i shtrenjtë. Në një kompjuter, kostoja mund të jetë aq e vogël sa disa dollarë.

Vërtetë, gjyshërit dhe adhuruesit e teknologjive të vjetra do të thonë akoma se bota reale është më e mirë se kompjuterët. Por shekulli i 21-të është shekulli i 21-të. Prandaj, është e pashmangshme që në të ardhmen e afërt shumë teste të botës reale do të kryhen tërësisht në një kompjuter.

Edhe pse vlen të theksohet se ne nuk jemi kundër testeve të kompjuterizuara, shpresojmë që testet e vërteta të tunelit të erës dhe testet konvencionale të përplasjes do të mbeten ende në industrinë e automobilave.

Në shumë fusha të shkencës dhe teknologjisë që lidhen me shpejtësinë, shpesh bëhet e nevojshme të llogariten forcat që veprojnë në një objekt. Një makinë moderne, një avion luftarak, një nëndetëse ose një tren elektrik me shpejtësi të lartë - të gjitha ato janë të prekura nga forcat aerodinamike. Saktësia e përcaktimit të madhësisë së këtyre forcave ndikon drejtpërdrejt në karakteristikat teknike të këtyre objekteve dhe aftësinë e tyre për të kryer detyra të caktuara. Në rastin e përgjithshëm, forcat e fërkimit përcaktojnë nivelin e fuqisë së sistemit të shtytjes, dhe forcat tërthore ndikojnë në kontrollueshmërinë e objektit.

Në skemën tradicionale të projektimit, goditjet në tunelet e erës (zakonisht modele më të vogla), testet në pishina dhe testet në shkallë të plotë përdoren për të përcaktuar forcat. Sidoqoftë, të gjitha kërkimet eksperimentale janë një mënyrë mjaft e shtrenjtë për të marrë një njohuri të tillë. Për të testuar një pajisje model, së pari duhet ta bëni atë, më pas të hartoni një program testimi, të përgatisni një stendë dhe, së fundi, të kryeni një sërë matjesh. Në të njëjtën kohë, në shumicën e rasteve, besueshmëria e rezultateve të testimit do të ndikohet nga supozimet e shkaktuara nga devijimet nga kushtet aktuale të funksionimit të objektit.

Eksperiment apo llogaritje?

Le të shqyrtojmë më në detaje arsyet e mospërputhjes midis rezultateve të eksperimenteve dhe sjelljes reale të objektit.

Kur studioni modele në kushte të hapësirës së kufizuar, për shembull, në tunele me erë, sipërfaqet kufitare kanë një efekt të rëndësishëm në strukturën e rrjedhës rreth objektit. Zvogëlimi i shkallës së modelit e zgjidh këtë problem, por ndryshimi në numrin Reynolds (i ashtuquajturi efekti i shkallës) duhet të merret parasysh.

Në disa raste, shtrembërimet mund të shkaktohen nga një mospërputhje thelbësore midis kushteve aktuale të rrjedhës rreth trupit dhe atyre të simuluara në tub. Për shembull, kur fryni makina ose trena me shpejtësi të lartë, mungesa e një sipërfaqeje horizontale lëvizëse në një tunel me erë ndryshon seriozisht modelin e përgjithshëm të rrjedhës dhe gjithashtu ndikon në ekuilibrin e forcave aerodinamike. Ky efekt shoqërohet me rritjen e shtresës kufitare.

Metodat e matjes sjellin gjithashtu gabime në sasitë e matura. Vendosja e gabuar e sensorëve në objekt ose orientimi i gabuar i pjesëve të tyre të punës mund të çojë në rezultate të pasakta.

Përshpejtimi i projektimit

Aktualisht, kompanitë kryesore të industrisë në fazën e projektimit paraprak përdorin gjerësisht teknologjitë e modelimit kompjuterik CAE. Kjo ju lejon të konsideroni më shumë opsione kur kërkoni dizajnin optimal.

Niveli aktual i zhvillimit të paketës softuerike ANSYS CFX zgjeron ndjeshëm fushën e aplikimit të tij: nga modelimi i flukseve laminare te rrjedhat turbulente me një anizotropi të fortë parametrash.

Një gamë e gjerë modelesh turbulence të përdorura përfshin modelet tradicionale RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), të cilat kanë raportin më të mirë të shpejtësisë ndaj saktësisë, modelin e turbulencës SST (Shear Stress Transport) (modeli Menter me dy shtresa), i cili kombinon me sukses avantazhet e modeleve të turbulencës “ke” dhe kw. Për rrjedhat me anizotropi të zhvilluar, modelet RSM (Reynolds Stress Model) janë më të përshtatshme. Një llogaritje e drejtpërdrejtë e parametrave të turbulencës në drejtime bën të mundur përcaktimin më të saktë të karakteristikave të lëvizjes së vorbullës së rrjedhës.

Në disa raste, rekomandohet përdorimi i modeleve të bazuara në teoritë e vorbullës: DES (Simulation Eddy të shkëputshme) dhe LES (Simulation Vërbullimi i Madh). Veçanërisht për rastet kur është veçanërisht e rëndësishme të merren parasysh proceset e tranzicionit laminar-turbulent, është zhvilluar Modeli i Turbulencës së Tranzicionit, i bazuar në teknologjinë e mirëpërcaktuar SST. Modeli kaloi përmes një programi të gjerë testimi në objekte të ndryshme (nga makinat me vozis tek avionët e pasagjerëve) dhe tregoi një korrelacion të shkëlqyer me të dhënat eksperimentale.

Aviacioni

Krijimi i avionëve modernë luftarakë dhe civilë është i pamundur pa një analizë të thellë të të gjitha karakteristikave të tij në fazën fillestare të projektimit. Efikasiteti i avionit, shpejtësia dhe manovrimi i tij varen drejtpërdrejt nga studimi i kujdesshëm i formës së sipërfaqeve dhe kontureve mbajtëse.

Sot, të gjitha kompanitë kryesore të prodhimit të avionëve përdorin analizat kompjuterike në një farë mase në zhvillimin e produkteve të reja.

Mundësi të mëdha për analizën e prurjeve komplekse u hapen studiuesve nga modeli i tranzicionit i turbulencës, i cili analizon saktë regjimet e rrjedhës afër laminare, rrjedhave me zona të zhvilluara të ndarjes dhe ribashkimit të rrjedhës. Kjo zvogëlon më tej diferencën midis rezultateve të llogaritjeve numerike dhe pamjes reale të rrjedhës.

Automobilistikë

Një makinë moderne duhet të ketë efikasitet të rritur me efikasitet të lartë të energjisë. Dhe sigurisht, komponentët kryesorë përcaktues janë motori dhe trupi.

Për të siguruar efikasitetin e të gjitha sistemeve të motorit, kompanitë kryesore perëndimore kanë përdorur prej kohësh teknologjitë e simulimit kompjuterik. Për shembull, Robert Bosch Gmbh (Gjermani), një prodhues i një game të gjerë komponentësh për automjetet moderne me naftë, përdori ANSYS CFX (për të përmirësuar performancën e injektimit) kur zhvillonte një sistem furnizimi me karburant të përbashkët hekurudhor.

BMW, motorët e së cilës janë emëruar Motori Ndërkombëtar i Vitit për disa vite me radhë, përdor ANSYS CFX për të simuluar proceset në dhomat e djegies së motorëve me djegie të brendshme.

Aerodinamika e jashtme është gjithashtu një mjet për të rritur efikasitetin e përdorimit të fuqisë së motorit. Zakonisht nuk bëhet fjalë vetëm për zvogëlimin e koeficientit të zvarritjes, por edhe për balancën e forcës së poshtme të nevojshme për çdo makinë me shpejtësi të lartë.

Makinat e garave të klasave të ndryshme shërbejnë si shprehja përfundimtare e këtyre karakteristikave. Pa përjashtim, të gjithë pjesëmarrësit në kampionatin F1 përdorin analiza kompjuterike të aerodinamikës së makinave të tyre. Arritjet sportive tregojnë qartë përfitimet e këtyre teknologjive, shumë prej të cilave tashmë po përdoren në krijimin e makinave të prodhimit.

Në Rusi, ekipi Active-Pro Racing është një pionier në këtë fushë: një makinë garash Formula 1600 me një shpejtësi maksimale mbi 250 km/h është kulmi i motorsportit rus. Përdorimi i kompleksit ANSYS CFX (Fig. 4) për hartimin e një bishti të ri aerodinamik të makinës bëri të mundur uljen e ndjeshme të numrit të opsioneve të projektimit kur kërkoni zgjidhjen optimale.

Krahasimi i të dhënave të llogaritura dhe rezultateve të goditjeve në një tunel me erë tregoi ndryshimin e pritur. Shpjegohet me dyshemenë e fiksuar në tub, e cila shkaktoi një rritje të trashësisë së shtresës kufitare. Prandaj, elementët aerodinamikë, të vendosur mjaft ulët, funksionuan në kushte të pazakonta për veten e tyre.

Sidoqoftë, modeli kompjuterik korrespondonte plotësisht me kushtet reale të drejtimit, gjë që bëri të mundur përmirësimin e ndjeshëm të efikasitetit të pendës së makinës.

Ndërtesa

Sot, arkitektët janë më të lirë t'i qasen pamjes së jashtme të ndërtesave të projektuara sesa 20 ose 30 vjet më parë. Krijimet futuriste të arkitektëve modernë, si rregull, kanë forma komplekse gjeometrike, për të cilat nuk dihen vlerat e koeficientëve aerodinamikë (të nevojshëm për caktimin e ngarkesave të projektimit të erës në strukturat mbajtëse).

Në këtë rast, përveç testimit tradicional të tunelit të erës, mjetet CAE përdoren gjithnjë e më shumë për të marrë karakteristikat aerodinamike të ndërtesës (dhe faktorët e forcës). Një shembull i një llogaritjeje të tillë në ANSYS CFX është paraqitur në fig. 5.

Përveç kësaj, ANSYS CFX përdoret tradicionalisht për të modeluar sistemet e ventilimit dhe ngrohjes për ambientet industriale, ndërtesat administrative, zyrat dhe komplekset sportive dhe argëtuese.

Inxhinierët Olof Granlund Oy (Finlandë) përdorën paketën softuerike ANSYS CFX për të analizuar regjimin e temperaturës dhe natyrën e rrjedhave të ajrit në arenën e akullit të kompleksit sportiv Krylatskoye (Moskë). Stendat e stadiumit mund të strehojnë rreth 10 mijë spektatorë, dhe ngarkesa e nxehtësisë prej tyre mund të jetë më shumë se 1 MW (në shkallën 100-120 W / person). Për krahasim: duhen pak më shumë se 4 kW energji për të ngrohur 1 litër ujë nga 0 në 100 ° C.

Oriz. 5. Shpërndarja e presionit në sipërfaqen e strukturave

Duke përmbledhur

Siç mund ta shihni, teknologjia llogaritëse në aerodinamikë ka arritur një nivel që ne mund të ëndërronim vetëm 10 vjet më parë. Në të njëjtën kohë, nuk duhet të kundërshtoni simulimin kompjuterik ndaj kërkimit eksperimental - është shumë më mirë nëse këto metoda plotësojnë njëra-tjetrën.

ANSYS CFX gjithashtu lejon inxhinierët të zgjidhin probleme komplekse, të tilla si përcaktimi i deformimit të një strukture kur ngarkesa aerodinamike aplikohen në të. Kjo kontribuon në një deklaratë më të saktë të shumë problemeve të aerodinamikës së brendshme dhe të jashtme: nga problemet e valëvitjes së makinerive me tehe deri tek veprimi i erës dhe valëve në strukturat në det të hapur.

Të gjitha aftësitë llogaritëse të kompleksit ANSYS CFX janë gjithashtu të disponueshme në mjedisin ANSYS Workbench.