Softwarový balík pro výpočetní aero- a hydrodynamiku Flow Vision určené pro virtuální aerodynamické odfuky různých technických nebo přírodních objektů. Jako předměty mohou sloužit dopravní produkty, energetická zařízení, vojensko-průmyslové produkty a další. Flow Vision umožňuje simulovat proudění kolem při různých rychlostech nabíhajícího proudění a při různém stupni jeho narušení (stupeň turbulence).
Proces modelování probíhá striktně v trojrozměrné prostorové formulaci problému a probíhá podle principu „tak jak je“, z čehož vyplývá možnost studovat plnohodnotný geometrický model uživatelského objektu bez jakýchkoli zjednodušení. Vytvořený systém pro zpracování importované trojrozměrné geometrie umožňuje bezbolestně pracovat s modely libovolné složitosti, kdy si uživatel v podstatě sám volí míru detailu svého objektu – zda chce profouknout zjednodušený vyhlazený model vnějších obrysů nebo plnohodnotný model s přítomností všech konstrukční prvky, až po hlavy šroubů na discích kol a logo výrobce v podobě figurky na přídi vozu.
Rozložení rychlosti v blízkosti karoserie závodního vozu.
Zohledňují se všechny detaily - paprsky kol, vliv asymetrie paprsků volantu na průběh proudění.
Flow Vision vytvořené ruský tým vývojářů (TESIS, Rusko) před více než 10 lety a je založen na vývoji domácí základní a matematické školy. Systém vznikl v očekávání, že s ním budou pracovat uživatelé velmi rozdílné kvalifikace – studenti, učitelé, designéři a vědci. Můžete stejně efektivně řešit jednoduché i složité problémy.
Výrobek se používá v různých průmyslových odvětvích, vědě a školství - letectví, kosmonautika, energetika, stavba lodí, automobilový průmysl, ekologie, strojírenství, zpracovatelský a chemický průmysl, lékařství, jaderný průmysl a obranný sektor a má největší instalační základnu v Rusku.
V roce 2001 rozhodnutím Hlavní rady ministerstva Ruská Federace, byl FlowVision doporučen k zahrnutí do osnov výuky mechaniky tekutin a plynů na ruských univerzitách. V současné době je FlowVision využíván jako nedílná součást vzdělávacího procesu předních ruských univerzit – Moskevského fyzikálního a technologického institutu, MPEI, St. Petersburg State Technical University, Vladimir University, UNN a dalších.
V roce 2005 byl FlowVision testován a obdržel certifikát shody od Státního standardu Ruské federace.
Klíčové vlastnosti
V jádru Flow Vision princip zákona zachování hmotnosti spočívá - množství látky vstupující do naplněného uzavřeného vypočítaného objemu se rovná množství látky z něj ubývající (viz obr. 1).
Rýže. 1 Princip zákona zachování hmoty
Řešení takového problému nastává nalezením průměrné hodnoty veličiny v daném objemu na základě dat na hranicích (Ostrogradského-Gaussova věta).
Rýže. 2 Integrace objemu na základě hraničních hodnot
Pro získání přesnějšího řešení se původní vypočítaný objem rozdělí na menší objemy.
Rýže. 3 Ztluštění výpočetní sítě
Nazývá se postup pro rozdělení původního objemu na menší objemy KONSTRUKCE VÝPOČETNÍ SÍTĚ a pole výsledných svazků je VÝPOČETNÍ MŘÍŽKA . Každý objem získaný v procesu konstrukce výpočetní sítě se nazývá VYPOČÍTANÁ BUŇKA , v každém z nich je také dodržena rovnováha příchozí a odchozí hmoty. Uzavřený objem, ve kterém je sestavena výpočetní mřížka, se nazývá VÝPOČETNÍ OBLAST .
Architektura
Ideologie Flow Vision založené na distribuované architektuře, kde programový blok, který provádí aritmetické výpočty, může být umístěn na libovolném počítači v síti - na vysoce výkonném clusteru nebo notebooku. Architektura softwarového balíku je modulární, což umožňuje bezbolestná vylepšení a zavedení nových funkcí. Hlavními moduly jsou PrePostProcessor a blok řešiče, stejně jako několik pomocných bloků, které provádějí různé operace pro monitorování a ladění.
Rozložení tlaku po karoserii sportovního vozu
Funkční účel Preprocesoru zahrnuje import geometrie výpočetní domény ze systémů geometrického modelování, nastavení modelu prostředí, nastavení počátečních a okrajových podmínek, editaci nebo import výpočetní sítě a nastavení kritérií konvergence, po kterém je řízení přeneseno na Řešitel, který zahájí proces konstrukce výpočetní sítě a provede výpočet podle zadaných parametrů. Během procesu výpočtu má uživatel možnost provádět vizuální a kvantitativní sledování výpočtu a vyhodnocovat proces vývoje řešení pomocí nástrojů Postprocessor. Po dosažení požadované hodnoty konvergenčního kritéria lze proces počítání zastavit, po kterém je výsledek plně dostupný uživateli, který pomocí nástrojů Postprocessor může data zpracovávat - vizualizovat výsledky a kvantifikovat s následným uložením do externí datové formáty.
Výpočtová mřížka
V Flow Vision je použita pravoúhlá výpočetní mřížka, která se automaticky přizpůsobuje hranicím výpočetní oblasti a řešení. Aproximace křivočarých hranic s vysoký stupeň přesnost je zajištěna použitím metody rozlišení geometrie dílčí mřížky. Tento přístup umožňuje pracovat s geometrickými modely sestávajícími z povrchů libovolného stupně složitosti.
Počáteční výpočetní doména
Na ploše překryta ortogonální mřížka
Oříznutí počáteční mřížky podle hranic oblasti
Finální výpočetní mřížka
Automatická konstrukce výpočetní sítě, zohledňující zakřivení povrchu
Pokud je nutné řešení upřesnit na hranici nebo na správném místě výpočetního objemu, je možné dynamicky přizpůsobit výpočetní mřížku. Adaptace je fragmentace buněk nižší úroveň do menších buněk. Adaptace může být podle okrajových podmínek, podle objemu a podle řešení. Přizpůsobení sítě se provádí na zadané hranici, v určené místo výpočetní oblasti nebo řešením s přihlédnutím ke změně proměnné a gradientu. Adaptace se provádí jak ve směru zjemnění sítě, tak ve směru opačná strana– slučování malých buněk do větších, až po mřížku vstupní úrovně.
Technologie adaptace mřížky
Pohyblivá těla
Technologie pohyblivého tělesa umožňuje umístit těleso libovolného geometrického tvaru do výpočetní oblasti a dát mu translační a/nebo rotační pohyb. Zákon pohybu může být konstantní nebo proměnný v čase a prostoru. Pohyb těla je definován třemi hlavními způsoby:
Explicitně prostřednictvím nastavení rychlosti těla;
- nastavením síly působící na těleso a jeho posunutím z výchozího bodu
Prostřednictvím vlivu prostředí, ve kterém je tělo umístěno.
Všechny tři způsoby lze vzájemně kombinovat.
Svržení rakety v nestabilním toku pod působením gravitace
Reprodukce Machova zážitku: pohyb míče rychlostí 800 m/s
Paralelní počítání
Jeden z klíčové vlastnosti softwarový balík Flow Vision paralelní výpočetní technologie, kdy je k řešení jednoho problému použito více procesorů nebo procesorových jader, což umožňuje urychlit výpočet úměrně jejich počtu.
Zrychlení výpočtu úlohy v závislosti na počtu zapojených jader
Postup spouštění v paralelním režimu je plně automatizovaný. Uživatel potřebuje pouze zadat počet jader nebo procesorů, na kterých bude úloha běžet. Všechny další akce týkající se rozdělení výpočetní domény na části a výměny dat mezi nimi budou prováděny algoritmem nezávisle s výběrem nejlepších parametrů.
Rozklad buněk blízkého povrchu na 16 procesorů pro problémy dvou aut
tým Flow Vision udržuje úzké vazby se zástupci domácí i zahraniční HPC (High Performance Computing) komunity a podílí se na společných projektech zaměřených na dosažení nových příležitostí v oblasti zlepšování výkonu v paralelních počítačích.
V roce 2007 se FlowVision spolu s Výzkumným a vývojovým centrem Moskevské státní univerzity staly účastníky federálního programu na vytvoření národního teraflopového paralelního systému osídlení. V rámci programu vývojový tým přizpůsobuje FlowVision tak, aby mohl provádět rozsáhlé výpočty na samotném moderní technologie. Klastr SKIF-Chebyshev instalovaný ve Výzkumném a vývojovém centru Moskevské státní univerzity se používá jako testovací hardwarová platforma.
Cluster SKIF-Chebyshev instalován ve Výzkumném a vývojovém centru Moskevské státní univerzity
V úzké spolupráci s odborníky z Výzkumného a vývojového centra Moskevské státní univerzity (pod vedením člena korespondenta Ruské akademie věd, doktora fyzikální matematiky Vl.V.Voevodina) vznikl softwarový a hardwarový komplex SKIF- Flow Vision zlepšit efektivitu paralelních výpočtů. V červnu 2008 byly provedeny první praktické výpočty na 256 sídelních uzlech v paralelním režimu.
V roce 2009 tým FlowVision společně s Výzkumným a vývojovým centrem Moskevské státní univerzity, Sigma Technology a státem vědecké centrum TsAGI se stal účastníky federálního cíleného programu na vytvoření algoritmů pro řešení problémů paralelní optimalizace v problémech aero- a hydrodynamiky.
text, ilustrace: firma TESIS
Proč potřebujete aerodynamiku pro auto, každý ví. Čím efektivnější je jeho tělo, tím menší je odpor vůči pohybu a spotřebě paliva. Takové auto vám ušetří nejen peníze, ale i v životní prostředí Vyhazujte méně odpadků. Odpověď je jednoduchá, ale zdaleka ne úplná. Specialisté na aerodynamiku, dokončující karoserii nového modelu, také:
- vypočítat rozložení vztlakové síly podél os, což je velmi důležité vzhledem ke značným rychlostem moderních automobilů,
- zajistit přístup vzduchu pro chlazení motoru a brzdových mechanismů,
- promyslete místa nasávání a odvodu vzduchu pro vnitřní ventilační systém,
- snažit se snížit hladinu hluku v kabině,
- optimalizuje tvar částí karoserie, aby se snížilo znečištění skel, zrcátek a osvětlovacích zařízení.
Navíc řešení jednoho úkolu často odporuje realizaci jiného. Například snížení součinitele odporu zlepšuje proudění, ale zároveň zhoršuje odolnost vozu proti poryvům bočního větru. Odborníci proto musí hledat rozumný kompromis.
snížení odporu
Co určuje odporovou sílu? Rozhodující vliv na to mají dva parametry - koeficient aerodynamického odporu Cx a plocha průřezu vozu (střední loď). Střední část můžete zmenšit tím, že karoserii snížíte a zúžíte, ale je nepravděpodobné, že pro takové auto bude mnoho kupců. Hlavním směrem zlepšení aerodynamiky vozu je proto optimalizace proudění kolem karoserie, jinými slovy snížení Cx. Součinitel aerodynamického odporu Cx je bezrozměrná veličina, která se určuje experimentálně. U moderních vozů se pohybuje v rozmezí 0,26-0,38. V zahraničních zdrojích je součinitel odporu někdy označován jako Cd (součinitel odporu vzduchu). Kapkovité tělo má ideální proudění, jehož Cx se rovná 0,04. Při pohybu plynule protíná vzduchové proudy, které se pak plynule, bez přestávek, uzavírají ve svém „ocásku“.
Vzduchové hmoty se chovají jinak, když je vůz v pohybu. Zde se odpor vzduchu skládá ze tří složek:
- vnitřní odpor při průchodu vzduchu motorovým prostorem a interiérem,
- třecí odpor proudění vzduchu na vnějších plochách karoserie a
- tvarová odolnost.
Třetí složka má největší vliv na aerodynamiku vozu. Vůz při pohybu stlačuje vzduchové hmoty před sebou a vytváří plochu vysoký krevní tlak. Proudění vzduchu proudí kolem těla a tam, kde končí, se proud vzduchu odděluje, vznikají turbulence a oblast snížený tlak. Takže oblast vysoký tlak vpředu brání autu v pohybu dopředu a oblast nízkého tlaku vzadu ho „nasává“ zpět. Síla turbulence a velikost oblasti nízkého tlaku je dána tvarem zadní části těla.
Nejlepší aerodynamický výkon předvádějí vozy se stupňovitou zádí – sedany a kupé. Vysvětlení je prosté – proud vzduchu, který unikl ze střechy, okamžitě naráží na víko kufru, kde se normalizuje a následně definitivně odlomí jeho okraj. Boční proudy dopadají i na kufr, což zabraňuje vzniku škodlivých vírů za vozem. Proto čím vyšší a delší víko kufru, tím lepší aerodynamický výkon. Na velké sedany a kupé se občas podaří dosáhnout i bezproblémového obtékání karoserie. Ke snížení Cx napomáhá i mírné zúžení zadní části. Hrana kufru je ostrá nebo ve formě malého výstupku - to zajišťuje oddělení proudu vzduchu bez turbulencí. V důsledku toho je vypouštěcí plocha za vozidlem malá.
Spodek vozu má také vliv na jeho aerodynamiku. Vyčnívající části odpružení a výfukového systému zvyšují odpor. Aby jej zmenšili, snaží se dno co nejvíce uhladit nebo vše, co „trčí“ pod nárazníkem, zakryjí štíty. Někdy je instalován malý přední spoiler. Spoiler snižuje proudění vzduchu pod vozidlem. Zde je ale důležité znát míru. Velký spoiler sice výrazně zvýší odolnost, ale auto se bude lépe „přitulovat“ k silnici. Ale o tom více v další části.
Přítlak
Když je vůz v pohybu, proudění vzduchu pod jeho spodkem jde přímočaře a horní část proudu obchází karoserii, to znamená, že urazí delší vzdálenost. Proto je rychlost horního proudu vyšší než dolního. A podle fyzikálních zákonů platí, že čím vyšší rychlost vzduchu, tím nižší tlak. V důsledku toho se pod dnem vytvoří oblast zvýšeného tlaku a nahoře se vytvoří oblast nižší. To vytváří zvedací sílu. A i když je jeho hodnota malá, problémem je, že je nerovnoměrně rozložena podél os. Pokud je přední náprava zatížena proudem, který tlačí na kapotu a Čelní sklo, pak je záď dodatečně odlehčena výsypnou zónou vytvořenou za vozem. Proto se zvyšující se rychlostí klesá stabilita a auto je náchylné ke smyku.
Není třeba vymýšlet žádná zvláštní opatření pro boj s tímto jevem, protože to, co se dělá pro zlepšení racionalizace, současně zvyšuje přítlak. Například optimalizace zádi snižuje podtlakovou zónu za vozem, a tím snižuje vztlak. Vyrovnání dna nejen snižuje odpor vzduchu, ale také zvyšuje průtok a tím snižuje tlak pod vozidlem. A to zase vede ke snížení zdvihu. Podobně dva úkoly plní a zadní spoiler. Nejenže snižuje tvorbu víru, zlepšuje Cx, ale také současně přitlačuje vůz k vozovce v důsledku proudění vzduchu odpuzovaného od něj. Někdy je zadní spoiler navržen pouze pro zvýšení přítlaku. V tomto případě má velké rozměry a sklon nebo je vyrobena zatahovací a do práce vstupuje pouze na vysoké rychlosti.
Pro sport a závodní modely popsaná opatření budou samozřejmě neúčinná. Abyste je udrželi na silnici, musíte vytvořit velký přítlak. K tomu slouží velký přední spoiler, prahové lišty a zadní blatníky. Ale nainstalovaný produkční vozy, tyto prvky budou hrát pouze dekorativní roli a pobaví hrdost majitele. Neposkytnou žádný praktický užitek, ale naopak zvýší odolnost vůči pohybu. Mnoho motoristů si mimochodem plete spoiler s křídlem, i když je docela snadné je rozlišit. Spoiler je vždy přitlačen ke karoserii a tvoří s ním jeden celek. Křídlo je instalováno v určité vzdálenosti od těla.
Praktická aerodynamika
Dodržování několika jednoduchých pravidel vám umožní získat úspory ze vzduchu snížením spotřeby paliva. Tyto tipy však budou užitečné pouze pro ty, kteří často a hodně jezdí na trati.
Při jízdě je značná část výkonu motoru vynaložena na překonávání odporu vzduchu. Čím vyšší rychlost, tím vyšší odpor (a tedy i spotřeba paliva). Pokud tedy zpomalíte i o 10 km/h, ušetříte až 1 litr na 100 km. V tomto případě bude ztráta času zanedbatelná. Tuto pravdu však zná většina řidičů. Ale další "aerodynamické" jemnosti nejsou známy všem.
Spotřeba paliva závisí na koeficientu odporu vzduchu a průřezu vozidla. Pokud si myslíte, že tyto parametry jsou nastaveny ve výrobě a majitel vozu je nemůže změnit, jste na omylu! Jejich změna není vůbec náročná a můžete dosáhnout pozitivních i negativních účinků.
Co zvyšuje spotřebu? Bezdůvodně "sežere" zátěž paliva na střeše. A i aerodynamická bedna si vezme minimálně litr na sto. Je iracionální spalovat palivo, když jsou okna a střešní okna za jízdy otevřená. Pokud převážíte dlouhý náklad s pootevřeným kufrem, dostanete také přepad. Rozličný dekorativní prvky jako je kapotáž na kapotě („plácačka na mouchy“), „kenguryatnik“, křídlo a další prvky domácího ladění, přinesou sice estetický požitek, ale navíc vás rozdvojí. Podívejte se pod dno - za vše, co se propadá a vypadá pod prahovou hranicí, si budete muset připlatit. Dokonce i něco tak malého, jako je absence plastové uzávěry na ocelové disky, zvyšuje spotřebu. Každý uvedený faktor nebo detail individuálně zvyšuje spotřebu o malé množství - od 50 do 500 g na 100 km. Když si ale vše shrnete, zase to „naběhne“, asi litr na sto. Tyto výpočty platí pro malá auta při rychlosti 90 km/h. Majitelé velkých aut a milovníci vysokých rychlostí proveďte úpravu směrem ke zvýšení spotřeby.
Pokud jsou splněny všechny výše uvedené podmínky, můžeme se vyhnout zbytečnému utrácení. Je možné ztráty dále snižovat? Umět! To ale bude vyžadovat malé externí doladění (mluvíme samozřejmě o profesionálně vyrobených prvcích). Přední aerodynamický kit nedovoluje proudění vzduchu „pronikat“ pod spodek vozu, práh zakrývá vyčnívající část kol, spoiler zabraňuje vzniku turbulencí za „zádí“ vozu. I když je spoiler zpravidla již součástí struktury karoserie moderního automobilu.
Získání úspor z čistého nebe je tedy docela reálné.
Žádné auto tudy neprojede cihlová zeď, ale denně prochází stěnami ze vzduchu, který má také hustotu.
Nikdo nevnímá vzduch nebo vítr jako zeď. Na nízké rychlosti, za klidného počasí je obtížné zjistit, jak proudění vzduchu interaguje s vozidlem. Ale při vysokých rychlostech, v silném větru odpor vzduchu (síla působící na předmět pohybující se vzduchem – také označovaný jako odpor) výrazně ovlivňuje to, jak auto zrychluje, jak moc zvládá, jak využívá palivo.
Zde vstupuje do hry věda o aerodynamice, která studuje síly generované v důsledku pohybu objektů ve vzduchu. Moderní vozy jsou navrženy s ohledem na aerodynamiku. Dobře aerodynamický vůz prořízne stěnu vzduchu jako nůž máslem.
Z důvodu nízký odpor proudění vzduchu, takové auto lépe zrychluje a lépe spotřebovává palivo, protože motor nemusí vynakládat extra sílu na "protlačení" auta vzduchovou stěnou.
Pro zlepšení aerodynamiky vozu je tvar karoserie zaoblený tak, aby vzduchový kanál obtékal vůz s nejmenším odporem. U sportovních vozů je tvar karoserie navržen tak, aby směřoval proudění vzduchu převážně podél spodní části, níže uvidíte proč. Na kufr auta dali i křídlo nebo spoiler. Křídlové lisy zadní vůz bránící výtahu zadní kola, kvůli silnému proudění vzduchu, když se pohybuje vysokou rychlostí, díky čemuž je vůz stabilnější. Ne všechna zadní křídla jsou stejná a ne všechna se používají k zamýšlenému účelu, některá slouží pouze jako prvek automobilového dekoru, který neplní přímou funkci aerodynamiky.
Nauka o aerodynamice
Než budeme mluvit o automobilové aerodynamice, pojďme si projít základy fyziky.
Jak se objekt pohybuje atmosférou, vytlačuje okolní vzduch. Objekt také podléhá gravitaci a odporu. Odpor vzniká, když se pevný předmět pohybuje v kapalném prostředí – vodě nebo vzduchu. Odpor se zvyšuje s rychlostí předmětu – čím rychleji se pohybuje prostorem, tím větší odpor zažívá.
Pohyb objektu měříme faktory popsanými v Newtonových zákonech – hmotnost, rychlost, hmotnost, vnější síla a zrychlení.
Odpor přímo ovlivňuje zrychlení. Zrychlení (a) předmětu = jeho hmotnost (W) mínus jeho odpor (D) děleno jeho hmotností (m). Připomeňme, že hmotnost je součinem hmotnosti těla a zrychlení volného pádu. Například na Měsíci se změní váha člověka kvůli nedostatku gravitace, ale hmotnost zůstane stejná. Jednoduše řečeno:
Jak objekt zrychluje, rychlost a tažení se zvyšují až do koncového bodu, kdy se tažení rovná hmotnosti - objekt již nebude zrychlovat. Představme si, že naším objektem v rovnici je auto. Jak se vůz pohybuje rychleji a rychleji, stále více vzduchu brání jeho pohybu a omezuje vůz na maximální zrychlení při určité rychlosti.
Přibližujeme se k nejdůležitějšímu číslu – koeficientu aerodynamického odporu. To je jeden z hlavních faktorů, který určuje, jak snadno se objekt pohybuje vzduchem. Součinitel odporu vzduchu (Cd) se vypočítá podle následujícího vzorce:
Cd = D / (A * r * V/2)
Kde D je odpor, A je plocha, r je hustota, V je rychlost.
Koeficient odporu v autě
Zjistili jsme, že koeficient odporu vzduchu (Cd) je hodnota, která měří sílu odporu vzduchu aplikovanou na předmět, jako je auto. Nyní si představte, že síla vzduchu tlačí na auto, když se pohybuje po silnici. Při rychlosti 110 km/h na něj působí čtyřikrát větší síla než při rychlosti 55 km/h.
Aerodynamické schopnosti automobilu se měří koeficientem odporu vzduchu. Čím nižší je hodnota Cd, tím lepší je aerodynamika vozu a tím snadněji projde stěnou vzduchu, která na něj tlačí z různých stran.
Uvažujme indikátory Cd. Pamatujete na hranatá krabicovitá Volva ze 70., 80. let? Staré Volvo 960 sedan má koeficient aerodynamického odporu 0,36. Nový Karoserie Volvo hladký a hladký, díky tomu koeficient dosahuje 0,28. Hladší a efektivnější tvary vykazují lepší aerodynamiku než hranaté a hranaté.
Důvody, proč aerodynamika miluje elegantní tvary
Vzpomeňme na to nejaerodynamičtější v přírodě – slzu. Trhlina je kulatá a hladká na všech stranách a nahoře se zužuje. Když slza klesne dolů, vzduch ji snadno a plynule obtéká. Také u automobilů na hladkém, zaobleném povrchu vzduch volně proudí a snižuje odpor vzduchu vůči pohybu předmětu.
Dnes má většina modelů průměrný koeficient aerodynamického odporu 0,30. SUV mají koeficient aerodynamického odporu 0,30 až 0,40 nebo více. Důvodem je vysoký koeficient v rozměrech. Land Cruisery a Gelendvageny pojme více cestujících, mají více nákladový prostor, velké mřížky pro chlazení motoru, proto čtvercový design. Pickupy navržené s účelně čtvercovým Cd větším než 0,40.
Design karoserie je diskutabilní, ale auto má odhalující aerodynamický tvar. Koeficient odporu vzduchu Toyota Prius 0,24, takže spotřeba auta je nízká nejen kvůli hybridu elektrárna. Pamatujte, že každá mínus 0,01 v koeficientu snižuje spotřebu paliva o 0,1 litru na 100 kilometrů.
Modely se špatným aerodynamickým odporem:
Modely s dobrým aerodynamickým odporem:
Metody pro zlepšení aerodynamiky jsou známy již dlouhou dobu, ale trvalo dlouho, než je automobilky začaly používat při vytváření nových vozidel.
Modely prvních vozů, které se objevily, nemají s konceptem aerodynamiky nic společného. Podívejte se na Fordův Model T – auto vypadá spíše jako koňský povoz bez koně – vítěz krabicové soutěže o design. Abych řekl pravdu, většina modelů byla průkopníky a aerodynamický design nepotřebovala, jelikož jezdily pomalu, v takové rychlosti nebylo čemu vzdorovat. Závodní vozy z počátku 20. století se však začaly trochu zužovat, aby vyhrávaly soutěže na úkor aerodynamiky.
V roce 1921 vytvořil německý vynálezce Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, což v němčině znamená „trhací vůz“. Tento model, po vzoru nejaerodynamičtějšího tvaru v přírodě, tvaru slzy, měl koeficient odporu 0,27. Konstrukce Rumpler-Tropfenauto nikdy nenašla přijetí. Rumplerovi se podařilo vytvořit pouze 100 jednotek Rumpler-Tropfenauto.
V Americe došlo ke skoku v aerodynamickém designu v roce 1930, kdy Model Chrysler proud vzduchu. Inženýři, inspirovaní letem ptáků, vytvořili Airflow s ohledem na aerodynamiku. Pro zlepšení ovladatelnosti byla hmotnost vozu rovnoměrně rozložena mezi přední a zadní nápravu – 50/50. Společnost unavená z velké hospodářské krize neakceptovala netradiční vzhled Chrysler Airflow. Model byl považován za neúspěch, ačkoli zjednodušený design Chrysler Airflow daleko předběhl svou dobu.
V 50. a 60. letech minulého století došlo k největšímu pokroku v automobilové aerodynamice, který přišel ze světa závodů. Inženýři začali experimentovat s různými tvary karoserie, protože věděli, že aerodynamický tvar auta zrychlí. Tak se zrodil tvar závodního vozu, který se dochoval dodnes. Přední a zadní spoilery, rýčové přídě a aero sady sloužily stejnému účelu, směřovaly proudění vzduchu přes střechu a generovaly potřebný přítlak na přední a zadní kola.
K úspěchu experimentů přispěl aerodynamický tunel. V další části našeho článku vám prozradíme, proč je to potřeba a proč je to v designu aut důležité.
Měření odporu ve větrném tunelu
Pro měření aerodynamické účinnosti automobilu si inženýři vypůjčili nástroj z leteckého průmyslu – aerodynamický tunel.
Větrný tunel je tunel s výkonnými ventilátory, které vytvářejí proudění vzduchu nad objektem uvnitř. Auto, letadlo nebo něco jiného, jehož odpor vzduchu měří inženýři. Z místnosti za tunelem vědci pozorují, jak vzduch interaguje s objektem a jak se vzdušné proudy chovají na různých površích.
Auto nebo letadlo uvnitř aerodynamického tunelu se nepohybuje, ale pro simulaci reálných podmínek dodávají proudění vzduchu ventilátory jiná rychlost. Někdy skutečná auta ani sjet z potrubí - konstruktéři často spoléhají na přesné modely vytvořené z hlíny nebo jiných surovin. V aerodynamickém tunelu fouká vítr nad autem a počítače vypočítají koeficient odporu vzduchu.
Aerodynamické tunely se používají od konce 19. století, kdy se pokoušeli vytvořit letadlo a měřili vliv proudění vzduchu v aerodynamických tunelech. Dokonce i bratři Wrightové měli takovou trubku. Po 2. světové válce inženýři závodní auta, při hledání výhody před konkurenty, začal využívat aerodynamické tunely k hodnocení účinnosti aerodynamických prvků vyvíjených modelů. Později se tato technologie dostala do světa osobních a nákladních automobilů.
Během posledních 10 let byly velké aerodynamické tunely v ceně několika milionů amerických dolarů využívány stále méně a méně. Počítačové modelování postupně nahrazuje tento způsob testování aerodynamiky automobilu (více). Aerodynamické tunely jsou provozovány pouze proto, aby se zajistilo, že v počítačových simulacích nedojde k chybným výpočtům.
V aerodynamice existuje více pojmů než samotný odpor vzduchu – jsou zde také faktory vztlaku a přítlaku. Lift (neboli lift) je síla, která působí proti váze předmětu, zvedá a drží předmět ve vzduchu. Přítlak, opak výtahu, je síla, která tlačí předmět k zemi.
Kdo si myslí, že koeficient odporu 320 km/h závodních vozů Formule 1 je nízký, mýlí se. Typický závodní vůz Formule 1 má koeficient odporu kolem 0,70.
Důvodem je vysoký koeficient odporu vzduchu závodní auta Formule 1 spočívá v tom, že tyto vozy jsou navrženy tak, aby vytvářely co největší přítlak. S rychlostí, kterou se ohnivé koule pohybují, s jejich extrémně nízkou hmotností, začnou zažívat vztlak vysoké rychlosti- fyzika je nutí stoupat do vzduchu jako letadlo. Auta nejsou určena k létání (ačkoli článek - létající transformátorové auto tvrdí něco jiného), a pokud se vozidlo začne zvedat do vzduchu, pak můžete čekat jen jediné - zničující nehodu. Proto, přítlak musí být maximální, aby udrželo auto na zemi při vysokých rychlostech, což znamená, že koeficient odporu vzduchu musí být velký.
Vozy Formule 1 dosahují vysokého přítlaku pomocí přední a zadní části vozidla. Tato křídla usměrňují proudění vzduchu tak, že přitlačí auto k zemi – stejný přítlak. Nyní můžete bezpečně zvýšit rychlost a neztrácet ji v zatáčkách. Zároveň musí být přítlak pečlivě vyvážen se zdvihem, aby vůz nabral požadovanou přímočarou rychlost.
Mnoho sériových vozů má aerodynamické doplňky pro vytvoření přítlaku. tisk kritizoval za vzhled. Kontroverzní design. A to všechno, protože všechno karoserie GT-R navržený tak, aby nasměroval proudění vzduchu přes vůz a zpět přes oválný zadní spoiler a vytvořil tak větší přítlak. Nikdo nepřemýšlel o kráse auta.
Mimo okruh Formule 1 se zadní blatníky často vyskytují na sériových autech, jako jsou sedany. společnosti Toyota a Honda. Někdy tyto konstrukční prvky přidávají trochu stability ve vysokých rychlostech. Například na první Audi TT původně neměl spoiler, ale Audi Musel jsem to dodat, když se ukázalo, že zaoblený tvar a nízká hmotnost TT vytvářely příliš velký vztlak, což způsobilo nestabilitu vozu při rychlostech nad 150 km/h.
Ale pokud to auto není Audi TT, ne sporťák, ne sporťák, ale obyčejný rodinný sedan nebo hatchback, není potřeba instalovat spoiler. Spoiler ovladatelnost na takovém voze nezlepší, protože „rodinný vůz“ má již díky vysokému Cx vysoký přítlak a nelze na něm vymáčknout rychlost nad 180. Spoiler zapnutý běžné auto může způsobit přetáčivost nebo naopak neochotu vjíždět do zatáček. Pokud si však i vy myslíte, že obří spoiler Hondy Civic je na místě, nenechte se nikým přesvědčit o opaku.
Současné předpisy umožňují týmům testovat v aerodynamickém tunelu modely aut, které nepřesahují 60 % měřítka. V rozhovoru pro F1Racing bývalý technický ředitel týmu Renault Pat Symonds hovořil o specifikách této práce…
Pat Symonds: „Dnes všechny týmy pracují s modely v měřítku 50 % nebo 60 %, ale ne vždy tomu tak bylo. První aerodynamické testy v 80. letech byly provedeny s maketami 25% skutečné hodnoty - výkon aerodynamických tunelů na University of Southampton a Imperial College v Londýně neumožňoval více - pouze tam bylo možné nainstalovat modely na pohyblivém podstavci. Poté se objevily aerodynamické tunely, ve kterých bylo možné pracovat s modely na 33 % a 50 % a nyní se kvůli nutnosti omezit náklady týmy dohodly na testování modelů maximálně 60 % při rychlosti proudění vzduchu ne více než 50 metrů za sekundu.
Při volbě měřítka modelu týmy vycházejí z možností dostupného aerodynamického tunelu. Pro získání přesných výsledků by rozměry modelu neměly přesáhnout 5% pracovní plochy potrubí. Výroba menších modelů je levnější, ale než menší model, tím obtížnější je udržet požadovanou přesnost. Stejně jako u mnoha jiných záležitostí ve vývoji vozů Formule 1 je i zde třeba hledat ten nejlepší kompromis.
V minulosti se modely vyráběly ze dřeva stromu Diera, který roste v Malajsii, který má nízkou hustotu, nyní se používá zařízení pro laserovou stereolitografii - infračervený laserový paprsek polymeruje kompozitní materiál, výsledkem je díl se specifikovanými vlastnostmi . Tato metoda umožňuje otestovat účinnost nového inženýrského nápadu v aerodynamickém tunelu během několika hodin.
Čím přesněji je model vyroben, tím spolehlivější jsou informace získané při jeho foukání. Tady se počítá každá maličkost, dokonce i skrz výfukové potrubí proud plynů musí procházet stejnou rychlostí jako ve skutečném stroji. Týmy se snaží dosáhnout co nejvyšší přesnosti pro stávající zařízení v simulaci.
Po mnoho let byly pneumatiky nahrazovány zmenšenými replikami z nylonu nebo uhlíkových vláken, ale významného pokroku bylo dosaženo, když Michelin vytvořil přesné zmenšené repliky jejich pneumatik. závodní pneumatiky. Model vozu je vybaven mnoha senzory pro měření tlaku vzduchu a systémem, který umožňuje měnit vyvážení.
Modely, včetně měřicího zařízení, které je na nich instalováno, jsou cenově mírně nižší skutečná auta Jsou například dražší než skutečná auta GP2. Jedná se vlastně o ultrakomplexní řešení. Základní rám se senzory stojí asi 800 000 USD a lze jej používat několik let, ale obvykle mají týmy dvě sady, aby práce pokračovaly.
Každá revize tělesných prvků nebo suspenze vede k potřebě výroby nová verze body kit, který stojí dalších čtvrt milionu. Samotný provoz aerodynamického tunelu přitom stojí zhruba tisíc dolarů na hodinu a vyžaduje přítomnost 90 zaměstnanců. Seriózní týmy utratí za tyto studie asi 18 milionů dolarů za sezónu.
Náklady se vyplatí. Zvýšení přítlaku o 1 % vám umožní získat na skutečné trati jednu desetinu sekundy zpět. Při stabilním rozvrhu hrají inženýři zhruba tolik za měsíc, takže jen v oddělení modelování každý desátý stojí tým jeden a půl milionu dolarů.
Od doby, kdy první člověk připevnil nabroušený kámen na konec kopí, se lidé vždy snažili najít nejlepší forma předměty pohybující se ve vzduchu. Auto se ale ukázalo jako velmi obtížná aerodynamická hádanka.
Základy výpočtů silniční trakce nám poskytují čtyři základní síly působící na vozidlo, když je v pohybu: odpor vzduchu, valivý odpor, odpor stoupání a setrvačné síly. Je třeba poznamenat, že pouze první dva jsou hlavní. Síla valivého odporu kolo auta závisí především na deformaci pneumatiky a vozovky v kontaktní zóně. Ale již při rychlosti 50-60 km/h síla odporu vzduchu převyšuje jakoukoli jinou a při rychlostech nad 70-100 km/h je překonává všechny dohromady. Abychom toto tvrzení dokázali, je nutné uvést následující přibližný vzorec: Px=Cx*F*v2, kde: Px – odporová síla vzduchu; v – rychlost vozidla (m/s); F je plocha průmětu vozu na rovinu kolmou k podélné ose vozu nebo plocha největšího průřezu vozu, tedy čelní plocha (m2); Cx je koeficient odporu vzduchu (součinitel proudění). Poznámka. Rychlost ve vzorci je na druhou, a to znamená, že pokud se například zdvojnásobí, síla odporu vzduchu se zčtyřnásobí.
Náklady na energii potřebné k jeho překonání přitom rostou osmkrát! V závodech Nascar, kde rychlost přesahuje 300 km/h, bylo experimentálně zjištěno, že ke zvýšení nejvyšší rychlost na pouhých 8 km/h je třeba zvýšit výkon motoru o 62 kW (83 k) nebo snížit Cx o 15 %. Existuje další způsob - zmenšit přední plochu vozu. Mnoho vysokorychlostních superaut je výrazně nižších běžná auta. To je jen známka práce na zmenšení čelní plochy. Tento postup však lze provést do určitých limitů, jinak nebude možné takové auto použít. Z tohoto a dalších důvodů je zefektivnění jedním z hlavních problémů, které se objevují při navrhování automobilu. Na odporovou sílu má samozřejmě vliv nejen rychlost vozu a jeho geometrické parametry. Například čím vyšší je hustota proudění vzduchu, tím větší je odpor. Hustota vzduchu zase přímo závisí na jeho teplotě a výšce nad hladinou moře. Jak teplota stoupá, hustota vzduchu (a tím i jeho viskozita) roste, zatímco vysoko v horách je vzduch řidší a jeho hustota nižší a tak dále. Existuje mnoho takových nuancí.
Ale zpět k tvaru auta. Která položka má nejlepší průtok? Odpověď na tuto otázku zná téměř každý student (který nespal v hodinách fyziky). Kapka vody padající dolů nabývá tvaru, který je z hlediska aerodynamiky nejpřijatelnější. Tedy zaoblená přední plocha a plynule se zužující dlouhá záda (nejlepší poměr je 6násobek délky šířky). Součinitel odporu je experimentální hodnota. Číselně on rovnající se síle odpor vzduchu v newtonech vzniklý při jeho pohybu rychlostí 1 m/s na 1 m2 čelní plochy. Je obvyklé považovat za referenční jednotku Cx ploché desky = 1. Pro kapku vody je tedy Cx = 0,04. A teď si představte takové auto. Nesmysl, že? Nejen, že taková mašinka na kolech bude vypadat poněkud karikaturně, ale nebude příliš vhodné používat toto auto k zamýšlenému účelu. Proto jsou konstruktéři nuceni hledat kompromis mezi aerodynamikou vozu a pohodlností jeho používání. Neustálé pokusy o snížení koeficientu odporu vzduchu vedly k tomu, že některá moderní auta mají Cx = 0,28-0,25. No, rychle rekordní auta chlubit se Cx = 0,2-0,15.
Síly odporu
Nyní si musíme říci něco o vlastnostech vzduchu. Jak víte, každý plyn se skládá z molekul. Jsou v neustálém pohybu a vzájemné interakci. Existují tzv. van der Waalsovy síly – síly vzájemné přitažlivosti molekul, které brání jejich vzájemnému pohybu. Někteří z nich se začnou silněji držet ostatních. A s nárůstem chaotického pohybu molekul se zvyšuje účinnost dopadu jedné vrstvy vzduchu na druhou a zvyšuje se viskozita. A to se děje v důsledku zvýšení teploty vzduchu, což může být způsobeno jak přímým ohřevem sluncem, tak nepřímo třením vzduchu o jakýkoli povrch nebo jednoduše jeho vrstvy mezi sebou. Zde vstupuje do hry rychlost. Abyste pochopili, jak to ovlivňuje auto, zkuste mávnout rukou s otevřenou dlaní. Pokud to uděláte pomalu, nic se neděje, ale pokud rukou mávnete silněji, dlaň již zřetelně vnímá nějaký odpor. Ale to je jen jedna složka.
Když se vzduch pohybuje nad nějakým pevným povrchem (například karoserií auta), stejné van der Waalsovy síly způsobí, že se na něj začne lepit nejbližší vrstva molekul. A tato „přilepená“ vrstva zpomaluje další. A tak vrstvu po vrstvě a čím rychleji se molekuly vzduchu pohybují, tím jsou dále od stacionárního povrchu. Nakonec se jejich rychlost vyrovná s rychlostí hlavního proudu vzduchu. Vrstva, ve které se částice pohybují pomalu, se nazývá mezní vrstva a objevuje se na jakémkoli povrchu. Čím vyšší je hodnota povrchové energie potahového materiálu vozidla, tím silněji jeho povrch interaguje na molekulární úrovni s okolním vzduchem a tím více energie musí být vynaloženo na zničení těchto sil. Nyní, na základě výše uvedených teoretických výpočtů, můžeme říci, že odpor vzduchu není jen náraz větru na čelní sklo. Tento proces má více složek.
Tvarová odolnost
To je nejpodstatnější část – až 60 % všech aerodynamických ztrát. Často se označuje jako tlakový odpor nebo odpor. Auto na sebe při jízdě stlačuje proud vzduchu a překonává snahu roztlačit molekuly vzduchu od sebe. Výsledkem je zóna vysokého tlaku. Poté vzduch proudí po povrchu vozu. Přitom se proudy vzduchu odlamují za vzniku turbulencí. Konečné oddělení proudu vzduchu v zadní části vozidla vytváří zónu nízkého tlaku. Bránění vpředu a sací efekt v zadní části vozu vytvářejí velmi silnou reakci. Tato skutečnost zavazuje designéry a designéry hledat způsoby, jak dát tělu. Uspořádejte na police.
Nyní musíte zvážit tvar vozu, jak se říká, „od nárazníku k nárazníku“. Které z dílů a prvků mají větší vliv na celkovou aerodynamiku stroje. Přední část těla. Experimenty v aerodynamickém tunelu prokázaly, že pro nejlepší aerodynamiku by přední část karoserie měla být nízká, široká a neměla by mít ostré rohy. V tomto případě nedochází k oddělení proudění vzduchu, což má velmi příznivý vliv na zefektivnění vozu. Mřížka chladiče je často nejen funkčním prvkem, ale také dekorativním. Koneckonců, chladič a motor musí mít účinné proudění vzduchu, takže tento prvek je velmi důležitý. Některé automobilky studují ergonomii a distribuci vzduchu motorový prostor stejně vážné jako celková aerodynamika vozu. Naklonit čelní sklo- velmi nápadný příklad kompromisu zefektivnění, ergonomie a výkonu. Jeho nedostatečný sklon vytváří nadměrný odpor a jeho nadměrný sklon zvyšuje prašnost a hmotu samotného skla, viditelnost prudce klesá za soumraku, je nutné zvětšit velikost stěrače atd. Přechod ze skla na bočnici by měl být proveden hladce.
Ale neměli byste se nechat unést nadměrným zakřivením skla - to může zvýšit zkreslení a zhoršit viditelnost. Vliv sloupku čelního skla na aerodynamický odpor velmi závisí na poloze a tvaru čelního skla a také na tvaru přední části. Při práci na tvaru nosiče ale nesmíme zapomínat na ochranu předních bočních oken před dešťovou vodou a nečistotami sfouknutými z čelního skla, zachování přijatelné úrovně vnějšího aerodynamického hluku atd. Střecha. Zvětšení sklonu střechy může vést ke snížení součinitele odporu vzduchu. Ale výrazný nárůst vyboulení může být v rozporu s celkovým designem vozu. Kromě toho, pokud je nárůst vyboulení doprovázen současným zvýšením oblasti odporu, pak se síla odporu vzduchu zvyšuje. A na druhou stranu, pokud se budete snažit zachovat původní výšku, pak bude třeba čelní sklo a zadní okna zavést do střech, protože viditelnost by se neměla zhoršit. To povede ke zdražení brýlí, přičemž pokles síly odporu vzduchu v tomto případě není tak výrazný.
boční plochy. Z hlediska aerodynamiky vozu boční plochy mají malý vliv na vytvoření irotačního proudění. Nelze je ale příliš zaokrouhlit. Jinak se do takového auta bude jen těžko nastupovat. Sklo by mělo pokud možno tvořit jeden celek s boční plochou a mělo by být umístěno v linii s vnějším obrysem vozu. Případné stupně a překlady vytvářejí další překážky pro průchod vzduchu, objevují se nežádoucí turbulence. Můžete si všimnout, že okapy, které byly dříve téměř na každém autě, se již nepoužívají. jiný Konstruktivní rozhodnutí, které nemají tak velký vliv na aerodynamiku vozu.
Na koeficient proudění má snad největší vliv zadní část vozu. Je to vysvětleno jednoduše. V zadní části se proudění vzduchu přeruší a vytvoří víry. Je téměř nemožné vyrobit zadní část auta tak aerodynamickou jako vzducholoď (délka je 6krát větší než šířka). Na jeho podobě proto pracují pečlivěji. Jedním z hlavních parametrů je úhel sklonu zadní části vozu. Příklad se již stal učebnicí Ruské auto„Moskvič-2141“, kde právě nešťastné řešení zádi výrazně zhoršilo celkovou aerodynamiku vozu. Ale jinak, zadní sklo"Moskvič" vždy zůstal čistý. Opět kompromis. Proto se vyrábí tolik přídavných nástavců speciálně pro zadní část vozu: zadní blatníky, spoilery atd. Spolu s úhlem sklonu zádi výrazně ovlivňuje design a tvar boční hrany zádi vozu. koeficient odporu vzduchu. Když se například podíváte na téměř každé moderní auto shora, okamžitě vidíte, že přední část karoserie je širší než zadní. To je také aerodynamika. Spodní část auta.
Jak se může na první pohled zdát, tato část karoserie nemůže ovlivnit aerodynamiku. Ale pak je tu takový aspekt jako přítlak. Stabilita vozu závisí na tom a na tom, jak správně je organizován proud vzduchu pod spodkem vozu, v důsledku toho závisí síla jeho „přilnutí“ k vozovce. To znamená, že pokud vzduch pod autem nezdržuje, ale rychle proudí, pak snížený tlak, který se tam vyskytuje, přitlačí auto k vozovce. To je důležité zejména u běžných aut. Faktem je, že u závodních vozů, které soutěží na kvalitním rovném povrchu, můžete nastavit vůli tak nízko, že se začne projevovat efekt „zemního polštáře“, ve kterém se zvyšuje přítlak a klesá odpor. U běžných aut je nízká světlá výška nepřijatelná. Konstruktéři se proto v poslední době snaží co nejvíce vyhladit spodek vozu, zakrýt štíty takové nerovnosti, jako jsou výfuky, ramena zavěšení atd. Mimochodem, podběhy kol mají velký vliv na aerodynamiku vozu. Nesprávně navržené výklenky mohou vytvořit další výtah.
A zase vítr
Netřeba dodávat, že potřebný výkon motoru závisí na zefektivnění vozu, potažmo na spotřebě paliva (tedy peněžence). Aerodynamika však neovlivňuje pouze rychlost a hospodárnost. Ne poslední místo zastávají úkoly zajištění dobré směrové stability, ovladatelnosti vozidla a snížení hluku při jeho pohybu. S hlukem je vše jasné: čím lepší proudění vozu, kvalita povrchů, čím menší velikost mezer a počet vyčnívajících prvků atd., tím méně hluku. Designéři musí myslet na takový aspekt, jako je moment obratu. Tento efekt je většině řidičů dobře znám. Každý, kdo někdy projel kolem „náklaďáku“ vysokou rychlostí nebo prostě jel v silném bočním větru, měl cítit, že se auto převrátilo nebo dokonce lehce otočilo. Nemá smysl tento efekt vysvětlovat, ale to je právě problém aerodynamiky.
Proto koeficient Cx není jednoznačný. Vzduch totiž může auto působit nejen „na čelo“, ale také pod různými úhly a v různých směrech. A to vše má vliv na manipulaci a bezpečnost. To jsou jen některé z hlavních aspektů, které ovlivňují celkovou sílu odpor vzduchu. Není možné vypočítat všechny parametry. Stávající vzorce neposkytují úplný obrázek. Designéři proto studují aerodynamiku vozu a korigují jeho tvar pomocí tak drahého nástroje, jakým je aerodynamický tunel. Západní firmy na jejich výstavbu nešetří penězi. Náklady na taková výzkumná centra se mohou vyšplhat do milionů dolarů. Například: koncern Daimler-Chrysler investoval 37,5 milionu dolarů do vytvoření specializovaného komplexu na zlepšení aerodynamiky svých vozů. V současné době je aerodynamický tunel nejvýznamnějším nástrojem pro studium sil odporu vzduchu, které působí na automobil.
