Софтуерен пакет за изчислителна аеро- и хидродинамика Flow Visionпредназначени за виртуални аеродинамични удари на различни технически или природни обекти. Като обекти могат да служат транспортни продукти, енергийни съоръжения, военно-промишлени продукти и други. Flow Visionдава възможност да се симулира обтичането при различни скорости на насрещния поток и при различни степени на неговото смущение (степен на турбулентност).
Процесът на моделиране се извършва стриктно в триизмерна пространствена формулировка на проблема и протича в съответствие с принципа "както е", което предполага възможността за изучаване на пълноценен геометричен модел на обекта на потребителя без никакви опростявания. Създадената система за обработка на импортирана триизмерна геометрия ви позволява да работите безболезнено с модели с всякаква сложност, където потребителят всъщност избира нивото на детайлност на своя обект - дали иска да продуха през опростен изгладен модел на външни контури или пълноценен модел с наличието на всички структурни елементи, до главите на болтовете на колелата и логото на производителя под формата на фигурка на носа на автомобила.
Разпределение на скоростта в близост до купето на състезателна кола.
Всички детайли са взети под внимание - спиците на колелата, ефектът от асиметрията на спиците на волана върху модела на потока.
Flow Visionсъздадено руски отборразработчици (TESIS, Русия) преди повече от 10 години и се основава на разработките на местната фундаментална и математическа школа. Системата е създадена с очакването, че с нея ще работят потребители с много различни квалификации - студенти, учители, дизайнери и учени. Можете еднакво ефективно да решавате както прости, така и сложни проблеми.
Продуктът се използва в различни индустрии, наука и образование - авиация, космонавтика, енергетика, корабостроене, автомобилостроене, екология, машиностроене, преработваща и химическа промишленост, медицина, ядрена индустрия и отбранителен сектор и има най-голямата инсталационна база в Русия.
През 2001 г. с решение на Главния съвет на министерството Руска федерация, FlowVision беше препоръчан за включване в учебната програма за преподаване на механика на течности и газове в руските университети. В момента FlowVision се използва като неразделна част от образователния процес на водещите руски университети - Московския физико-технологичен институт, MPEI, Санкт Петербургския държавен технически университет, Владимирския университет, UNN и др.
През 2005 г. FlowVision беше тестван и получи сертификат за съответствие от Държавния стандарт на Руската федерация.
Основни функции
В основата Flow Visionлежи принципът на закона за запазване на масата - количеството вещество, което влиза в напълнения затворен изчислен обем, е равно на количеството вещество, което намалява от него (виж фиг. 1).
Ориз. 1 Принцип на закона за запазване на масата
Решението на такъв проблем възниква чрез намиране на средната стойност на количество в даден обем въз основа на данни на границите (теоремата на Остроградски-Гаус).
Ориз. 2 Обемна интеграция на базата на гранични стойности
За да се получи по-точно решение, първоначалният изчислен обем се разделя на по-малки обеми.
Ориз. 3 Удебеляване на изчислителната мрежа
Процедурата за разделяне на оригиналния обем на по-малки томове се нарича ИЗГРАЖДАНЕ НА ИЗЧИСЛИТЕЛНАТА МРЕЖА , а масивът от получени томове е ИЗЧИСЛИТЕЛНА МРЕЖА . Всеки обем, получен в процеса на изграждане на изчислителната мрежа, се нарича ИЗЧИСЛЕНА КЛЕТКА , във всяка от които също се спазва балансът на входящата и изходящата маса. Затвореният обем, в който е изградена изчислителната мрежа, се нарича ИЗЧИСЛИТЕЛНА ОБЛАСТ .
Архитектура
Идеология Flow Visionбазирана на разпределена архитектура, където програмен блок, който извършва аритметични изчисления, може да бъде разположен на всеки компютър в мрежата - на високопроизводителен клъстер или лаптоп. Архитектурата на софтуерния пакет е модулна, което позволява безболезнени подобрения и въвеждане на нови функционалности в него. Основните модули са PrePostProcessor и блокът Solver, както и няколко помощни блока, които извършват различни операции за наблюдение и настройка.
Разпределение на налягането върху тялото на спортен автомобил
Функционалното предназначение на препроцесора включва импортиране на геометрията на изчислителната област от системи за геометрично моделиране, задаване на модела на околната среда, задаване на начални и гранични условия, редактиране или импортиране на изчислителната мрежа и задаване на критериите за конвергенция, след което контролът се прехвърля към Solver, който стартира процеса на изграждане на изчислителната решетка и извършва изчислението по зададени параметри. По време на процеса на изчисление потребителят има възможност да извършва визуален и количествен мониторинг на изчислението и да оценява процеса на разработване на решение с помощта на постпроцесорните инструменти. Когато се достигне необходимата стойност на критерия за конвергенция, процесът на преброяване може да бъде спрян, след което резултатът става напълно достъпен за потребителя, който с помощта на инструментите на Postprocessor може да обработва данните - да визуализира резултатите и да ги количествено определи с последващо записване в външни формати на данни.
Изчислителна мрежа
IN Flow Visionизползва се правоъгълна изчислителна мрежа, която автоматично се адаптира към границите на изчислителната област и решението. Апроксимация на криволинейни граници с висока степенточността се осигурява чрез използване на метода за разрешаване на геометрията на подмрежата. Този подход ви позволява да работите с геометрични модели, състоящи се от повърхности с всякаква степен на сложност.
Първоначална изчислителна област
Ортогонална мрежа, насложена върху областта
Изрязване на първоначалната решетка по границите на региона
Окончателна изчислителна мрежа
Автоматично изграждане на изчислителната решетка, като се вземе предвид кривината на повърхността
Ако е необходимо да се прецизира решението на границата или на правилното място на изчислителния обем, е възможно динамично да се адаптира изчислителната мрежа. Адаптацията е фрагментирането на клетките по-ниско нивов по-малки клетки. Адаптирането може да бъде по гранично състояние, по обем и по разтвор. Адаптирането на мрежата се извършва на определената граница, в определено мястоизчислителна област или чрез решение, като се вземе предвид промяната в променливата и градиента. Адаптирането се извършва както в посока на усъвършенстване на мрежата, така и в обратна страна– обединяване на малки клетки в по-големи, до решетка от начално ниво.
Технология за адаптиране на мрежата
Подвижни тела
Технологията на движещото се тяло позволява да се постави тяло с произволна геометрична форма вътре в изчислителната област и да му се придаде транслационно и/или ротационно движение. Законът за движение може да бъде постоянен или променлив във времето и пространството. Движението на тялото се определя по три основни начина:
Изрично чрез задаване на скоростта на тялото;
- чрез задаване на силата, действаща върху тялото и изместването й от началната точка
Чрез влиянието на средата, в която е поставено тялото.
И трите метода могат да се комбинират един с друг.
Изпускане на ракета в нестабилен поток под действието на гравитацията
Възпроизвеждане на опита на Мах: движението на топката със скорост 800 m / s
Паралелно изчисление
Един от Основни функциисофтуерен пакет Flow Visionпаралелни изчислителни технологии, когато няколко процесора или процесорни ядра се използват за решаване на един проблем, което позволява да се ускори изчислението пропорционално на техния брой.
Ускоряване на изчисляването на задачите, в зависимост от броя на включените ядра
Процедурата за стартиране в паралелен режим е напълно автоматизирана. Потребителят трябва само да посочи броя на ядрата или процесорите, на които ще се изпълнява задачата. Всички по-нататъшни действия по разделянето на изчислителната област на части и обмена на данни между тях ще се извършват от алгоритъма независимо, като се избират най-добрите параметри.
Разлагане на клетки близо до повърхността на 16 процесора за проблеми с две коли
Екип Flow Visionподдържа тесни връзки с представители на местната и чуждестранна общност на HPC (High Performance Computing) и участва в съвместни проекти, насочени към постигане на нови възможности в областта на подобряването на производителността при паралелни изчисления.
През 2007 г. FlowVision, заедно с Центъра за изследване и развитие на Московския държавен университет, стана участник във федералната програма за създаване на национална терафлопова паралелна система за сетълмент. Като част от програмата, екипът за разработка адаптира FlowVision за извършване на широкомащабни изчисления на самото място модерна технология. Като тестова хардуерна платформа се използва клъстерът SKIF-Chebyshev, инсталиран в Центъра за изследване и развитие на Московския държавен университет.
Клъстерът СКИФ-Чебишев е инсталиран в Центъра за изследване и развитие на Московския държавен университет
В тясно сътрудничество със специалисти от Центъра за изследване и развитие на Московския държавен университет (под ръководството на член-кореспондента на Руската академия на науките, доктор по физико-математически науки Вл.В.Воеводин), софтуерно-хардуерният комплекс СКИФ- Flow Visionза подобряване на ефективността на паралелните изчисления. През юни 2008 г. бяха извършени първите практически изчисления на 256 сетълмент възли в паралелен режим.
През 2009 г. екипът на FlowVision, заедно с Центъра за изследване и развитие на Московския държавен университет, Sigma Technology и държавата научен център TsAGI станаха участници във федералната целева програма за създаване на алгоритми за решаване на задачи за паралелна оптимизация в проблемите на аеро- и хидродинамиката.
текст, илюстрации: фирма ТЕСИС
Защо се нуждаете от аеродинамика за кола, всеки знае. Колкото по-опростено е тялото му, толкова по-малко съпротивление при движение и разход на гориво. Такава кола не само ще ви спести пари, но и в заобикаляща средаИзхвърляйте по-малко боклук. Отговорът е лесен, но далеч не пълен. Специалистите по аеродинамика, довършващи каросерията на новия модел, също:
- изчислете разпределението по осите на повдигащата сила, което е много важно предвид значителните скорости на съвременните автомобили,
- осигурете достъп на въздух за охлаждане на двигателя и спирачните механизми,
- помислете за местата за всмукване и изпускане на въздух за вътрешната вентилационна система,
- стремят се да намалят нивото на шума в кабината,
- оптимизирайте формата на частите на тялото, за да намалите замърсяването на стъклото, огледалата и осветителното оборудване.
Освен това решението на една задача често противоречи на изпълнението на друга. Например намаляването на коефициента на съпротивление подобрява рационализацията, но в същото време влошава устойчивостта на автомобила на пориви на страничния вятър. Ето защо експертите трябва да търсят разумен компромис.
намаляване на съпротивлението
Какво определя силата на съпротивление? Два параметъра имат решаващо влияние върху него - аеродинамичният коефициент на съпротивление Cx и площта на напречното сечение на автомобила (в средата на кораба). Можете да намалите средната част, като направите тялото по-ниско и по-тясно, но е малко вероятно да има много купувачи за такава кола. Следователно основната посока за подобряване на аеродинамиката на автомобила е да се оптимизира потокът около тялото, с други думи, да се намали Cx. Коефициентът на аеродинамично съпротивление Cx е безразмерна величина, която се определя експериментално. За съвременните автомобили той е в диапазона 0,26-0,38. В чужди източници коефициентът на съпротивление понякога се нарича Cd (коефициент на съпротивление). Капкообразното тяло има идеална рационализация, Cx на което е равно на 0,04. Когато се движи, той плавно пресича въздушните течения, които след това безпроблемно, без прекъсвания, се затварят в неговата „опашка“.
Въздушните маси се държат различно, когато колата се движи. Тук въздушното съпротивление се състои от три компонента:
- вътрешно съпротивление по време на преминаването на въздуха през двигателното отделение и интериора,
- съпротивление на триене на въздушните потоци по външните повърхности на тялото и
- устойчивост на формата.
Третият компонент има най-голямо влияние върху аеродинамиката на автомобила. Движейки се, автомобилът компресира въздушните маси пред себе си, създавайки зона високо кръвно налягане. Въздушните потоци обикалят тялото и там, където свършва, въздушният поток се разделя, създават се турбуленции и зона понижено налягане. Така че областта високо наляганеотпред не позволява на автомобила да се движи напред, а зоната на ниско налягане отзад го "засмуква" обратно. Силата на турбуленцията и размерът на зоната на ниско налягане се определят от формата на задната част на тялото.
Най-доброто представяне на рационализация се демонстрира от автомобили със стъпаловидна задна част - седани и купета. Обяснението е просто - въздушният поток, излязъл от покрива, веднага удря капака на багажника, където се нормализира и след това накрая се отчупва от ръба му. Страничните потоци също падат върху багажника, което предотвратява възникването на вредни вихри зад колата. Следователно, колкото по-висок и по-дълъг е капакът на багажника, толкова по-добри са аеродинамичните характеристики. На големи седаниа купето понякога дори успява да постигне безпроблемно обливане на купето. Лекото стесняване на задната част също помага за намаляване на Cx. Ръбът на багажника е направен остър или под формата на малка издатина - това гарантира разделянето на въздушния поток без турбуленция. В резултат на това зоната за изпразване зад превозното средство е малка.
Дъното на автомобила също оказва влияние върху неговата аеродинамика. Изпъкналите части на окачването и изпускателната система увеличават съпротивлението. За да го намалят, те се опитват да изгладят дъното колкото е възможно повече или да покрият всичко, което „стърчи“ под бронята с щитове. Понякога се монтира малък преден спойлер. Спойлерът намалява въздушния поток под автомобила. Но тук е важно да знаете мярката. Голям спойлер значително ще увеличи съпротивлението, но колата ще бъде по-добре "прилепнала" към пътя. Но повече за това в следващия раздел.
Притискаща сила
Когато автомобилът се движи, въздушният поток под дъното му върви праволинейно, а горната част на потока обикаля каросерията, тоест изминава по-голямо разстояние. Следователно скоростта на горния поток е по-висока от долния. И според законите на физиката, колкото по-висока е скоростта на въздуха, толкова по-ниско е налягането. Следователно под дъното се създава зона с повишено налягане, а отгоре се създава по-ниска. Това създава подемна сила. И въпреки че стойността му е малка, проблемът е, че е неравномерно разпределен по осите. Ако предната ос е натоварена от струя, която притиска капака и Предно стъкло, тогава задната част се разтоварва допълнително от образуваната зад автомобила разтоварваща зона. Следователно, когато скоростта се увеличава, стабилността намалява и колата става склонна към поднасяне.
Няма нужда да се измислят някакви специални мерки за борба с това явление, тъй като това, което се прави за подобряване на рационализацията, в същото време увеличава притискащата сила. Например, оптимизирането на задната част намалява вакуумната зона зад автомобила и следователно намалява повдигането. Изравняването на дъното не само намалява съпротивлението на въздуха, но също така увеличава скоростта на потока и следователно намалява налягането под автомобила. А това от своя страна води до намаляване на повдигането. По същия начин две задачи се изпълняват от и заден спойлер. Той не само намалява образуването на вихри, подобрявайки Cx, но и едновременно с това притиска автомобила към пътя поради въздушния поток, отблъснат от него. Понякога задният спойлер е предназначен единствено за увеличаване на притискащата сила. В този случай той има големи размери и наклон или е направен прибиращ се, влизайки в работа само на високи скорости.
За спорт и състезателни моделиописаните мерки, разбира се, ще бъдат неефективни. За да ги задържите на пътя, трябва да създадете много притискаща сила. За това се използват голям преден спойлер, странични прагове и задни калници. Но инсталиран на производствени автомобили, тези елементи ще играят само декоративна роля, забавлявайки гордостта на собственика. Те няма да дадат никаква практическа полза, а напротив, ще увеличат устойчивостта на движение. Много автомобилисти, между другото, бъркат спойлер с крило, въпреки че е доста лесно да се направи разлика между тях. Спойлерът винаги е притиснат към тялото, съставлявайки едно цяло с него. Крилото е монтирано на известно разстояние от тялото.
Практическа аеродинамика
Спазването на няколко прости правила ще ви позволи да спестите от въздуха, като намалите разхода на гориво. Въпреки това, тези съвети ще бъдат полезни само за тези, които често и много шофират на пистата.
При движение значителна част от мощността на двигателя се изразходва за преодоляване на въздушното съпротивление. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-голямо е съпротивлението (оттам и разходът на гориво). Така ако намалите дори с 10 км/ч, спестявате до 1 литър на 100 км. В този случай загубата на време ще бъде незначителна. Тази истина обаче е известна на повечето шофьори. Но други "аеродинамични" тънкости не са известни на всички.
Разходът на гориво зависи от коефициента на съпротивление и площта на напречното сечение на автомобила. Ако мислите, че тези параметри са зададени фабрично и собственикът на автомобила не може да ги промени, тогава грешите! Смяната им не е никак трудна и можете да постигнете както положителни, така и отрицателни ефекти.
Какво увеличава консумацията? Неразумно "изяжда" натоварването с гориво на покрива. И дори една рационализирана кутия ще отнеме поне литър на сто. Нерационално е да се гори гориво при отворени прозорци и люкове по време на шофиране. Ако превозвате дълъг товар с открехнат багажник, също ще получите превишаване. различни декоративни елементикато обтекател на капака („мухобойка“), „кенгурятник“, крило и други елементи на домашно отглеждане, въпреки че ще донесат естетическо удоволствие, те ще ви накарат да се разходите допълнително. Погледнете под дъното - за всичко, което провисва и изглежда под линията на прага, ще трябва да платите допълнително. Дори нещо толкова малко като липсата пластмасови капачкиНа стоманени дискове, увеличава консумацията. Всеки изброен фактор или детайл поотделно увеличава разхода с малко - от 50 до 500 г на 100 км. Но ако обобщите всичко, то отново ще „влезе“, около литър на сто. Тези изчисления са валидни за малки коли със скорост 90 км/ч. Собствениците на големи автомобили и любителите на високите скорости, правят корекция към увеличаване на потреблението.
Ако всички горепосочени условия са изпълнени, можем да избегнем ненужни разходи. Възможно ли е допълнително намаляване на загубите? Мога! Но това ще изисква малка външна настройка (говорим, разбира се, за професионално направени елементи). Отпред аеродинамичен комплектне позволява на въздушния поток да "проникне" под дъното на автомобила, прагът покрива изпъкналата част на колелата, спойлерът предотвратява образуването на турбуленции зад "кормата" на автомобила. Въпреки че спойлерът, като правило, вече е включен в структурата на каросерията на модерен автомобил.
Така че получаването на спестявания от нищото е съвсем реалистично.
Никаква кола няма да мине тухлена стена, но ежедневно преминава през стените от въздуха, който също има плътност.
Никой не възприема въздуха или вятъра като стена. На ниски скорости, при тихо време е трудно да се види как въздушният поток взаимодейства с автомобила. Но при високи скорости, при силен вятър, съпротивлението на въздуха (силата върху обект, движещ се във въздуха - наричан също съпротивление) силно влияе върху това как колата се ускорява, колко се справя, как използва гориво.
Тук се намесва науката аеродинамика, която изучава силите, генерирани в резултат на движението на обекти във въздуха. Съвременните автомобили са проектирани с мисъл за аеродинамиката. Една добре аеродинамична кола прорязва стена от въздух като нож през масло.
В следствие ниско съпротивлениевъздушен поток, такава кола ускорява по-добре и консумира по-добре гориво, тъй като двигателят не трябва да изразходва допълнителна мощност, за да "избута" колата през въздушната стена.
За да се подобри аеродинамиката на автомобила, формата на каросерията е заоблена, така че въздушният канал да тече около автомобила с най-малко съпротивление. При спортните автомобили формата на каросерията е проектирана да насочва въздушния поток предимно в долната част, по-долу ще видите защо. Поставят и крило или спойлер на багажника на колата. Преси с крила обратноавтомобил, предотвратяващ повдигане задни колела, поради силния въздушен поток, когато се движи с висока скорост, което прави колата по-стабилна. Не всички задни крила са еднакви и не всички се използват по предназначение, някои служат само като елемент от автомобилния декор, който не изпълнява пряка функция на аеродинамиката.
Науката за аеродинамиката
Преди да говорим за автомобилната аеродинамика, нека да разгледаме основите на физиката.
Докато даден обект се движи през атмосферата, той измества околния въздух. Обектът също е обект на гравитация и съпротивление. Съпротивлението се генерира, когато твърд обект се движи в течна среда - вода или въздух. Съпротивлението се увеличава със скоростта на даден обект - колкото по-бързо се движи в пространството, толкова по-голямо съпротивление изпитва.
Ние измерваме движението на обект чрез факторите, описани в законите на Нютон - маса, скорост, тегло, външна сила и ускорение.
Съпротивлението пряко влияе върху ускорението. Ускорението (a) на обект = неговото тегло (W) минус съпротивлението (D), разделено на неговата маса (m). Спомнете си, че теглото е произведение от масата на тялото и ускорението на свободното падане. Например на Луната теглото на човек ще се промени поради липсата на гравитация, но масата ще остане същата. Просто казано:
Когато обектът се ускори, скоростта и съпротивлението се увеличават до крайната точка, където съпротивлението става равно на теглото - обектът няма да се ускорява повече. Нека си представим, че нашият обект в уравнението е кола. Тъй като колата се движи все по-бързо и по-бързо, все повече въздух се противопоставя на движението й, ограничавайки колата до максимално ускорение при определена скорост.
Приближаваме се до най-важното число - коефициента на аеродинамично съпротивление. Това е един от основните фактори, който определя колко лесно даден обект се движи във въздуха. Коефициентът на съпротивление (Cd) се изчислява по следната формула:
Cd = D / (A * r * V/2)
Където D е съпротивление, A е площ, r е плътност, V е скорост.
Коефициент на съпротивление в автомобил
Разбрахме, че коефициентът на съпротивление (Cd) е стойност, която измерва силата на въздушно съпротивление, приложена към обект, като например кола. Сега си представете, че силата на въздуха притиска колата, докато се движи по пътя. При скорост 110 км/ч върху него действа четири пъти по-голяма сила, отколкото при скорост 55 км/ч.
Аеродинамичните възможности на автомобила се измерват с коефициента на съпротивление. Колкото по-ниска е стойността на Cd, толкова по-добра е аеродинамиката на автомобила и толкова по-лесно ще премине през стената от въздух, която го притиска от различни страни.
Нека разгледаме индикаторите Cd. Спомняте ли си ъгловатите обемисти Volvo от 70-те, 80-те? Старият Volvo 960 седан има коефициент на съпротивление 0,36. Нов Каросерия на Волвогладко и гладко, поради това коефициентът достига 0,28. По-гладките и по-опростени форми показват по-добра аеродинамика от ъгловите и квадратните.
Причини аеродинамиката да обича елегантните форми
Да си припомним най-аеродинамичното нещо в природата – сълзата. Разкъсването е кръгло и гладко от всички страни и се стеснява към върха. Когато сълзата падне, въздухът се движи около нея лесно и гладко. Също така при автомобили, върху гладка, заоблена повърхност, въздухът тече свободно, намалявайки въздушното съпротивление при движението на обект.
Днес повечето модели имат среден коефициент на съпротивление 0,30. SUV имат коефициент на съпротивление от 0,30 до 0,40 или повече. Причината за високия коефициент в размерите. Land Cruisers и Gelendvagens побират повече пътници, те имат повече товарно пространство, големи решетки за охлаждане на двигателя, оттук и квадратният дизайн. Пикапи, проектирани с целенасочен квадрат Cd по-голям от 0,40.
Дизайнът на купето е спорен, но колата има разкриваща се аеродинамична форма. Коефициент на съпротивление Тойота Приус 0.24, така че разходът на гориво на колата е нисък, не само заради хибрида електроцентрала. Не забравяйте, че всеки минус 0,01 в коефициента намалява разхода на гориво с 0,1 литра на 100 километра.
Модели с лошо аеродинамично съпротивление:
Модели с добро аеродинамично съпротивление:
Методите за подобряване на аеродинамиката са известни отдавна, но отне много време на автомобилните производители да започнат да ги използват при създаването на нови превозни средства.
Моделите на първите автомобили, които се появиха, нямат нищо общо с концепцията за аеродинамика. Обърнете внимание на Ford Model T - колата прилича повече на конска каруца без кон - победител в конкурс за дизайн на кутия. Честно казано, повечето модели бяха пионери и не се нуждаеха от аеродинамичен дизайн, тъй като караха бавно, нямаше какво да се съпротивлява при такава скорост. Състезателните автомобили от началото на 1900 г. обаче започват да се стесняват малко, за да печелят състезания за сметка на аеродинамиката.
През 1921 г. немският изобретател Едмънд Румплер създава Rumpler-Tropfenauto, което на немски означава „разкъсваща кола“. Моделиран след най-аеродинамичната форма в природата, формата на сълза, този модел имаше коефициент на съпротивление от 0,27. Дизайнът на Rumpler-Tropfenauto никога не е бил приет. Rumpler успя да създаде само 100 единици Rumpler-Tropfenauto.
В Америка скок в аеродинамичния дизайн е направен през 1930 г., когато Модел Chryslerвъздушно течение. Вдъхновени от полета на птиците, инженерите направиха Airflow с мисъл за аеродинамиката. За да се подобри управлението, теглото на автомобила е равномерно разпределено между предния и задния мост - 50/50. Обществото, уморено от Голямата депресия, не прие нетрадиционния външен вид на Chrysler Airflow. Моделът беше смятан за провал, въпреки че рационализираният дизайн на Chrysler Airflow беше много по-напред от времето си.
През 50-те и 60-те години на миналия век се наблюдава най-големият напредък в автомобилната аеродинамика, дошъл от света на състезанията. Инженерите започнаха да експериментират с различни форми на каросерията, знаейки, че рационализираната форма ще ускори автомобилите. Така се ражда формата на състезателната кола, която е оцеляла и до днес. Предните и задните спойлери, лопатките и аеро китовете служеха за една и съща цел, насочвайки въздушния поток над покрива и генерирайки необходимата притискаща сила към предните и задните колела.
Аеродинамичният тунел допринесе за успеха на експериментите. В следващата част на нашата статия ще ви разкажем защо е необходим и защо е важен в дизайна на автомобила.
Измерване на съпротивлението в аеродинамичен тунел
За да измерят аеродинамичната ефективност на автомобил, инженерите са заимствали инструмент от авиационната индустрия - аеродинамичния тунел.
Аеродинамичният тунел е тунел с мощни вентилатори, които създават въздушен поток над предмет вътре. Кола, самолет или нещо друго, чието въздушно съпротивление се измерва от инженери. От стая зад тунела учените наблюдават как въздухът взаимодейства с обекта и как въздушните течения се държат на различни повърхности.
Автомобилът или самолетът в аеродинамичния тунел не се движи, но за да симулират реални условия, вентилаторите осигуряват въздушен поток с различна скорост. Понякога истински колидори не е закаран по тръбата - дизайнерите често разчитат точни моделисъздадени от глина или други суровини. Вятърът духа върху колата в аеродинамичния тунел и компютрите изчисляват коефициента на съпротивление.
Аеродинамичните тунели се използват от края на 1800 г., когато се опитват да създадат самолет и измерват ефекта от въздушния поток в аеродинамичните тунели. Дори братята Райт са имали такава тромпет. След Втората световна война инженери състезателни коли, в търсене на предимство пред конкурентите, започна да използва вятърни тунели, за да оцени ефективността на аеродинамичните елементи на разработваните модели. По-късно тази технология си проправи път в света на леките автомобили и камионите.
През последните 10 години големи аеродинамични тунели, струващи няколко милиона щатски долара, се използват все по-рядко. Компютърното моделиране постепенно измества този начин за тестване на аеродинамиката на автомобил (повече). Аеродинамичните тунели се пускат само за да се гарантира, че няма грешни изчисления в компютърните симулации.
Има повече понятия в аеродинамиката, отколкото само съпротивлението на въздуха - има също фактори за повдигане и притискане. Повдигането (или повдигането) е силата, която действа срещу теглото на обект, повдигайки и задържайки обекта във въздуха. Притискащата сила, обратното на асансьора, е силата, която избутва обект към земята.
Всеки, който мисли, че коефициентът на съпротивление на състезателните автомобили от Формула 1 с скорост от 320 км/ч е нисък, греши. Типичен състезателен автомобил от Формула 1 има коефициент на съпротивление около 0,70.
Причината за високия коефициент на въздушно съпротивление състезателни колиФормула 1 е, че тези автомобили са проектирани да създават възможно най-голяма притискаща сила. Със скоростта, с която се движат огнените топки, с изключително лекото си тегло, те започват да изпитват повдигане високи скорости- физиката ги кара да се издигат във въздуха като самолет. Автомобилите не са проектирани да летят (въпреки че статията - летяща трансформаторна кола твърди обратното) и ако превозното средство започне да се издига във въздуха, тогава можете да очаквате само едно нещо - опустошителен инцидент. Ето защо, притискаща силатрябва да бъде максимален, за да държи колата на земята при високи скорости, което означава, че коефициентът на съпротивление трябва да е голям.
Автомобилите от Формула 1 постигат висока притискаща сила с помощта на предните и задните части на автомобила. Тези крила насочват въздушния поток така, че да притискат колата към земята - същата притискаща сила. Сега можете безопасно да увеличите скоростта и да не я губите в завой. В същото време притискащата сила трябва да бъде внимателно балансирана с повдигането, за да може колата да набере желаната скорост по права линия.
Много производствени автомобили имат аеродинамични добавки за създаване на притискаща сила. пресата критикува за външния вид. Противоречив дизайн. И всичко, защото всички Каросерия GT-Rпроектиран да насочва въздушния поток над автомобила и обратно през овалния заден спойлер, създавайки повече притискаща сила. Никой не мислеше за красотата на колата.
Извън пистите на Формула 1, задните крила често се срещат на серийни коли, като седани. компании Toyotaи Хонда. Понякога тези дизайнерски елементи добавят малко стабилност при високи скорости. Например на първо аудиТТ първоначално нямаше спойлер, но AudiТрябваше да го добавя, когато се оказа, че заоблената форма и лекото тегло на ТТ създават твърде много повдигане, което прави колата нестабилна при скорости над 150 км/ч.
Но ако колата не е Audi TT, не е спортна кола, не е спортна кола, а обикновен семеен седан или хечбек, няма нужда да инсталирате спойлер. Спойлерът няма да подобри управлението на такава кола, тъй като „семейната кола“ вече има висока притискаща сила поради високия Cx и не можете да изстискате скорости над 180 върху нея. Включен спойлер обикновена коламоже да причини презавиване или, обратно, нежелание за влизане в завоите. Ако обаче и вие смятате, че гигантският спойлер на Honda Civic е на място, не позволявайте на никого да ви убеди в противното.
Настоящите разпоредби позволяват на екипите да тестват в аеродинамичен тунел модели автомобили, които не надвишават 60% от мащаба. В интервю за F1Racing бившият технически директор на отбора на Renault Пат Саймъндс говори за спецификата на тази работа...
Пат Саймъндс: „Днес всички екипи работят с модели от 50% или 60% мащаб, но това не винаги е било така. Първите аеродинамични тестове през 80-те години са извършени с макети на 25% от реалната стойност - мощността на аеродинамичните тунели в Университета на Саутхемптън и Имперския колеж в Лондон не позволяват повече - само там е възможно да се монтират модели на подвижна основа. Тогава се появиха вятърни тунели, в които беше възможно да се работи с модели на 33% и 50%, а сега, поради необходимостта от ограничаване на разходите, екипите се съгласиха да тестват модели не повече от 60% при скорост на въздушния поток от повече от 50 метра в секунда.
При избора на мащаба на модела екипите изхождат от възможностите на наличния аеродинамичен тунел. За да получите точни резултати, размерите на модела не трябва да надвишават 5% от работната площ на тръбата. Производството на по-малки модели е по-евтино, но от по-малък модел, толкова по-трудно е да се поддържа необходимата точност. Както при много други проблеми при разработването на болиди от Формула 1, тук трябва да търсите най-добрия компромис.
В миналото моделите са правени от дървесината на растящото в Малайзия дърво Diera, която е с ниска плътност, сега се използва оборудване за лазерна стереолитография - инфрачервен лазерен лъч полимеризира композитен материал, като се получава детайл със зададени характеристики . Този метод ви позволява да тествате ефективността на нова инженерна идея в аеродинамичен тунел за няколко часа.
Колкото по-прецизно е изработен моделът, толкова по-достоверна е информацията, получена при издухването му. Всяко малко нещо се брои тук, дори през изпускателни тръбипотокът от газове трябва да преминава със същата скорост, както в реална машина. Екипите се опитват да постигнат възможно най-висока точност за съществуващото оборудване в симулацията.
В продължение на много години гумите бяха заменени с умалени реплики от найлон или въглеродни влакна, но беше постигнат значителен напредък, когато Michelin направи точни умалени реплики на своите гуми. състезателни гуми. Моделът на автомобила е оборудван с много сензори за измерване на налягането на въздуха и система, която ви позволява да променяте баланса.
Моделите, включително инсталираното върху тях измервателно оборудване, са малко по-ниски по цена истински колиНапример, те са по-скъпи от истински коли GP2. Това всъщност е ултракомплексно решение. Основна рамка със сензори струва около $800 000 и може да се използва няколко години, но обикновено екипите разполагат с два комплекта, за да продължат работата.
Всяка ревизия елементи на тялотоили окачването води до необходимостта от производство нова версиябодикит, който струва още четвърт милион. В същото време експлоатацията на самия аеродинамичен тунел струва около хиляда долара на час и изисква присъствието на 90 служители. Сериозните отбори харчат около 18 милиона долара на сезон за тези проучвания.
Разходите се изплащат. Увеличаването на притискащата сила с 1% ви позволява да спечелите една десета от секундата на истинска писта. При стабилен график инженерите играят около толкова на месец, така че само в отдела за моделиране всяка десета струва на екипа милион и половина долара.
Откакто първият човек закрепи заострен камък на върха на копие, хората винаги са се опитвали да намерят най-добра формаобекти, движещи се във въздуха. Но колата се оказа много труден аеродинамичен пъзел.
Основите на изчисленията на сцеплението с пътя ни предоставят четири основни сили, действащи върху превозно средство, докато то е в движение: съпротивление на въздуха, съпротивление при търкаляне, съпротивление при изкачване и инерционни сили. Отбелязва се, че само първите две са основните. Сила на съпротивление при търкаляне автомобилно колелоосновно зависи от деформацията на гумата и пътя в контактната зона. Но вече при скорост от 50-60 km / h силата на въздушно съпротивление надвишава всяка друга, а при скорости над 70-100 km / h надминава всички тях взети заедно. За да се докаже това твърдение, е необходимо да се даде следната приблизителна формула: Px=Cx*F*v2, където: Px – сила на съпротивление на въздуха; v – скорост на превозното средство (m/s); F е площта на проекцията на автомобила върху равнина, перпендикулярна на надлъжната ос на автомобила, или площта на най-голямото напречно сечение на автомобила, т.е. челната площ (m2); Cx е коефициентът на въздушно съпротивление (коефициент на обтекаемост). Забележка. Скоростта във формулата е на квадрат и това означава, че ако се удвои например, силата на съпротивление на въздуха се учетворява.
В същото време разходите за електроенергия, необходими за преодоляването му, нарастват осем пъти! В състезания Наскар, където скоростите надхвърлят 300 км/ч, експериментално е установено, че за увеличаване максимална скоростсамо за 8 км/ч трябва да увеличите мощността на двигателя с 62 kW (83 к.с.) или да намалите Cx с 15%. Има и друг начин - да намалите предната част на автомобила. Много високоскоростни суперколи са значително по-ниски обикновени автомобили. Това е само знак за работа за намаляване на фронталната площ. Тази процедура обаче може да се извърши до определени граници, в противен случай ще бъде невъзможно да се използва такава кола. Поради тази и други причини рационализирането е един от основните проблеми, които възникват при проектирането на автомобил. Разбира се, силата на съпротивление се влияе не само от скоростта на автомобила и неговите геометрични параметри. Например, колкото по-висока е плътността на въздушния поток, толкова по-голямо е съпротивлението. От своя страна, плътността на въздуха зависи пряко от неговата температура и височина над морското равнище. С повишаването на температурата се увеличава плътността на въздуха (а оттам и неговият вискозитет), докато високо в планините въздухът е по-разреден и плътността му е по-ниска и т.н. Има много такива нюанси.
Но да се върнем към формата на колата. Кой елемент има най-добър поток? Отговорът на този въпрос е известен на почти всеки ученик (който не е спал в часовете по физика). Капка вода, падаща надолу, придобива форма, която е най-приемлива от гледна точка на аеродинамиката. Тоест заоблена предна повърхност и плавно стесняваща се дълга задна част (най-доброто съотношение е 6 пъти дължината на ширината). Коефициентът на съпротивление е експериментална стойност. Числено той равно на силавъздушно съпротивление в нютони, създадено при движение със скорост 1 m/s на 1 m2 челна площ. Обичайно е като референтна единица да се приема Cx на плоска чиния = 1. Така че за капка вода Cx = 0,04. Сега си представете кола като тази. Глупости, нали? Не само, че такава измишльотина на колела ще изглежда някак карикатурна, няма да е много удобно да използвате тази кола по предназначение. Ето защо дизайнерите са принудени да намерят компромис между аеродинамиката на автомобила и удобството при използването му. Постоянните опити за намаляване на коефициента на съпротивление на въздуха доведоха до факта, че някои съвременни автомобили имат Cx = 0,28-0,25. Е, бързо рекордни автомобилипохвали Cx = 0,2-0,15.
Съпротивителни сили
Сега трябва да поговорим малко за свойствата на въздуха. Както знаете, всеки газ се състои от молекули. Те са в постоянно движение и взаимодействие помежду си. Съществуват така наречените сили на Ван дер Ваалс - сили на взаимно привличане на молекули, които пречат на тяхното движение една спрямо друга. Някои от тях започват да се прилепват по-силно към другите. И с увеличаване на хаотичното движение на молекулите, ефективността на въздействието на един слой въздух върху друг се увеличава и вискозитетът се увеличава. И това се случва поради повишаване на температурата на въздуха и това може да бъде причинено както от директно нагряване от слънцето, така и косвено от триенето на въздуха върху всяка повърхност или просто нейните слоеве помежду си. Тук се намесва скоростта. За да разберете как това се отразява на колата, просто се опитайте да размахате ръката си с отворена длан. Ако го правите бавно, нищо не се случва, но ако махнете с ръка по-силно, дланта вече ясно усеща някакво съпротивление. Но това е само един компонент.
Когато въздухът се движи над някаква фиксирана повърхност (например каросерия на автомобил), същите сили на Ван дер Ваалс карат най-близкия слой от молекули да започне да се придържа към него. И този "заседнал" слой забавя следващия. И така слой по слой и колкото по-бързо се движат въздушните молекули, толкова по-далеч са от неподвижна повърхност. В крайна сметка скоростта им се изравнява със скоростта на основния въздушен поток. Слой, в който частиците се движат бавно, се нарича граничен слой и се появява на всяка повърхност. Колкото по-висока е стойността на повърхностната енергия на материала за покритие на превозното средство, толкова по-силно повърхността му взаимодейства на молекулярно ниво с околния въздух и толкова повече енергия трябва да се изразходва, за да се унищожат тези сили. Сега, въз основа на горните теоретични изчисления, можем да кажем, че съпротивлението на въздуха не е просто вятърът, който бие по предното стъкло. Този процес има повече компоненти.
Устойчивост на формата
Това е най-значимата част - до 60% от всички аеродинамични загуби. Често се нарича съпротивление при натиск или съпротивление. При шофиране автомобилът компресира въздушния поток върху него и преодолява усилието да раздалечи въздушните молекули. Резултатът е зона на високо налягане. След това въздухът обикаля повърхността на автомобила. В процеса въздушните струи се откъсват с образуването на турбуленции. Окончателното разделяне на въздушния поток в задната част на автомобила създава зона на ниско налягане. Съпротивлението отпред и ефектът на засмукване отзад на автомобила създават много силна реакция. Този факт задължава дизайнерите и дизайнерите да търсят начини за придаване на тялото. Подредете по рафтове.
Сега трябва да вземете предвид формата на колата, както се казва, "от броня до броня". Кои от частите и елементите имат по-голямо влияние върху общата аеродинамика на машината. Предната част на тялото. Експерименти в аеродинамичен тунел са установили, че за най-добра аеродинамика предната част на тялото трябва да е ниска, широка и да няма остри ъгли. В този случай няма разделяне на въздушния поток, което има много благоприятен ефект върху рационализирането на автомобила. Радиаторната решетка често е не само функционален елемент, но и декоративен. В крайна сметка радиаторът и двигателят трябва да имат ефективен въздушен поток, така че този елемент е много важен. Някои производители на автомобили изучават ергономията и разпределението на въздушния поток двигателен отсектолкова сериозен, колкото и цялостната аеродинамика на автомобила. Наклон предно стъкло- много забележителен пример за компромис между рационализация, ергономичност и производителност. Недостатъчният му наклон създава прекомерно съпротивление, а прекомерният му наклон увеличава запрашването и масата на самото стъкло, видимостта рязко пада при здрач, необходимо е да се увеличи размерът на чистачката и т.н. Преходът от стъкло към странична стена трябва да се извърши гладко.
Но не трябва да се увличате от прекомерната кривина на стъклото - това може да увеличи изкривяването и да влоши видимостта. Влиянието на колоната на предното стъкло върху аеродинамичното съпротивление зависи много от позицията и формата на предното стъкло, както и от формата на предния край. Но докато работим върху формата на багажника, не трябва да забравяме за защитата на предните странични прозорци от дъждовна вода и мръсотия, издухани от предното стъкло, поддържане на приемливо ниво на външен аеродинамичен шум и др. Покрив. Увеличаването на наклона на покрива може да доведе до намаляване на коефициента на съпротивление. Но значително увеличаване на изпъкналостта може да противоречи на цялостния дизайн на автомобила. Освен това, ако увеличаването на изпъкналостта е придружено от едновременно увеличаване на площта на съпротивлението, тогава силата на съпротивление на въздуха се увеличава. И от друга страна, ако се опитате да запазите първоначалната височина, тогава предното стъкло и задните прозорци ще трябва да бъдат въведени в покривите, тъй като видимостта не трябва да се влошава. Това ще доведе до увеличаване на цената на очилата, докато намаляването на силата на съпротивление на въздуха в този случай не е толкова значително.
странични повърхности. По отношение на аеродинамиката на автомобила странични повърхностиимат малък ефект върху създаването на безвъртежен поток. Но не можете да ги закръглите твърде много. В противен случай ще бъде трудно да влезете в такава кола. Стъклото по възможност трябва да образува едно цяло със страничната повърхност и да е разположено в съответствие с външния контур на автомобила. Всякакви стъпала и прегради създават допълнителни пречки за преминаването на въздуха, появяват се нежелани турбуленции. Може да забележите, че улуците, които преди са присъствали на почти всяка кола, вече не се използват. други Конструктивни решения, които не оказват толкова голямо влияние върху аеродинамиката на автомобила.
Задната част на автомобила има може би най-голямо влияние върху коефициента на рационализация. Обяснява се просто. Отзад въздушният поток се прекъсва и образува завихряния. Почти невъзможно е да се направи задната част на кола толкова опростена, колкото на дирижабъл (дължината е 6 пъти по-голяма от ширината). Затова те работят по-внимателно върху формата му. Един от основните параметри е ъгълът на наклон на задната част на автомобила. Примерът вече се е превърнал в учебник руска кола"Москвич-2141", където неудачното решение на задната част значително влоши цялостната аеродинамика на автомобила. Но по друг начин, задно стъкло"Москвич" винаги е оставал чист. Отново компромис. Ето защо толкова много допълнителни приставки са направени специално за задната част на автомобила: задни калници, спойлери и др. Заедно с ъгъла на наклон на задната част, дизайнът и формата на страничния ръб на задната част на автомобила оказват голямо влияние коефициентът на съпротивление. Например, ако погледнете почти всяка съвременна кола отгоре, веднага можете да видите, че предната част на тялото е по-широка от задната. Това също е аеродинамика. Дъното на колата.
Както може да изглежда на пръв поглед, тази част от тялото не може да повлияе на аеродинамиката. Но тогава има такъв аспект като притискаща сила. От това зависи стабилността на автомобила и колко правилно е организиран въздушният поток под дъното на автомобила, в резултат на което зависи силата на неговото "прилепване" към пътя. Тоест, ако въздухът под колата не се задържа, а тече бързо, тогава намаленото налягане, което възниква там, ще притисне колата към пътното платно. Това е особено важно за обикновените автомобили. Факт е, че за състезателни автомобили, които се състезават на висококачествени, равни повърхности, можете да настроите клиренса толкова ниско, че да започне да се появява ефектът на „земната възглавница“, при който притискащата сила се увеличава и съпротивлението намалява. За нормалните автомобили ниският просвет е неприемлив. Ето защо дизайнерите напоследък се опитват да изгладят дъното на колата колкото е възможно повече, да покрият с щитове такива неравни елементи като изпускателни тръби, рамена на окачването и др. калнициимат много голямо влияние върху аеродинамиката на автомобила. Неправилно проектираните ниши могат да създадат допълнително повдигане.
И отново вятърът
Излишно е да казвам, че необходимата мощност на двигателя зависи от рационализацията на автомобила и следователно от разхода на гориво (т.е. портфейла). Аеродинамиката обаче не влияе само на скоростта и икономичността. Не последно мястоизпълняват задачите за осигуряване на добра стабилност на посоката, управляемост на превозното средство и намаляване на шума по време на движението му. С шума всичко е ясно: колкото по-добра е рационализацията на автомобила, качеството на повърхностите, колкото по-малък е размерът на пролуките и броят на изпъкналите елементи и т.н., толкова по-малко шум. Дизайнерите трябва да помислят за такъв аспект като повратния момент. Този ефект е добре познат на повечето шофьори. Всеки, който някога е минавал покрай „камион“ с висока скорост или просто е карал при силен страничен вятър, трябва да е усетил появата на преобръщане или дори леко завъртане на колата. Няма смисъл да се обяснява този ефект, но това е точно проблемът на аеродинамиката.
Ето защо коефициентът Cx не е единствен. В крайна сметка въздухът може да повлияе на колата не само "на челото", но и под различни ъгли и в различни посоки. И всичко това оказва влияние върху управлението и безопасността. Това са само няколко от основните аспекти, които влияят обща силавъздушно съпротиление. Невъзможно е да се изчислят всички параметри. Съществуващите формули не дават пълна картина. Затова дизайнерите изучават аеродинамиката на автомобила и коригират формата му с помощта на такъв скъп инструмент като аеродинамичен тунел. Западните фирми не жалят средства за изграждането им. Цената на такива изследователски центрове може да достигне милиони долари. Например: концернът Daimler-Chrysler инвестира 37,5 милиона долара в създаването на специализиран комплекс за подобряване на аеродинамиката на своите автомобили. В момента аеродинамичният тунел е най-значимият инструмент за изследване на силите на въздушно съпротивление, които влияят на автомобила.
