Действующий регламент разрешает командам тестирование в аэродинамической трубе моделей машин, не превышающих 60% масштаба. В интервью F1Racing бывший технический директор команды Renault Пэт Симондс рассказал об особенностях этой работы…

Пэт Симондс: «Сегодня все команды работают с моделями 50% или 60% масштаба, но так было не всегда. Первые аэродинамические тесты в 80-х проводились с макетами в 25% от реальной величины – большего не позволяли мощности аэродинамических труб в Университете Саутгемптона и Имперского Колледжа в Лондоне – только там была возможность установить модели на подвижную основу. Потом появились аэродинамические трубы, в которых можно было работать с моделями в 33% и 50%, а сейчас, из-за необходимости ограничения расходов, команды условились тестировать модели не более 60% при скорости воздушного потока не больше 50 метров в секунду.

При выборе масштаба модели команды исходят из возможностей имеющейся аэродинамической трубы. Для получения точных результатов габариты модели не должны превышать 5% части рабочей области трубы. Производство моделей меньшего масштаба стоит дешевле, но чем меньше модель, тем сложнее соблюсти необходимую точность. Как и во многих других вопросах разработки машин Формулы 1, здесь нужно искать оптимальный компромисс.

В прежние времена модели изготавливались из древесины произрастающего в Малайзии дерева Диера, имеющего малую плотность, сейчас используется оборудование для лазерной стереолитографии – луч инфракрасного лазера полимеризует композиционный материал, получая на выходе деталь с заданными характеристиками. Этот метод позволяет уже через несколько часов проверить эффективность новой инженерной идеи в аэродинамической трубе.

Чем точнее выполнена модель, тем более достоверна информация, полученная при её продувке. Здесь важна каждая мелочь, даже через выхлопные трубы поток газов должен проходить с той же скоростью, как и на реальной машине. Команды пытаются добиться предельно возможной для имеющегося оборудования точности при моделировании.

Многие годы вместо шин использовались их масштабные копии из нейлона или углепластика, серьёзного прогресса удалось добиться, когда компания Michelin изготовила точные уменьшенные копии своих гоночных шин. Модель машины оснащается множеством датчиков для измерения давления воздуха и системой, позволяющей менять баланс.

Модели, включая установленное на них измерительное оборудование, немногим уступают в стоимости реальным машинам – к примеру, они стоят дороже, чем реальные машины GP2. Это на самом деле ультрасложное решение. Базовый каркас с датчиками стоит около 800 тысяч долларов, он может использоваться несколько лет, но обычно команды имеют два комплекта, чтобы не останавливать работу.

Каждая доработка кузовных элементов или подвески приводит к необходимости изготовления новой версии обвеса, что обходится ещё в четверть миллиона. При этом работа самой аэродинамической трубы обходится примерно в тысячу долларов в час и требует присутствия 90 сотрудников. Серьёзные команды тратят на эти исследования около 18 миллионов долларов за сезон.

Затраты окупаются. Увеличение прижимной силы на 1% позволяет отыграть одну десятую секунды на реальной трассе. В условиях стабильного регламента инженеры примерно столько и отыгрывают в месяц, так что только в отделе моделирования каждая десятая обходится команде в полтора миллиона долларов».

С тех пор как первый человек укрепил на конце копья заточенный камень, люди всегда пытаются найти наилучшую форму предметам, двигающимся в воздушной среде. Но автомобиль оказался очень сложной аэродинамической головоломкой.

Основы тяговых расчетов движения автомобилей по дорогам предлагают нам четыре основные силы, действующие на автомобиль во время движения: сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление подъему и инерционные силы. При этом отмечается, что основными являются лишь первые две. Сила сопротивления качению автомобильного колеса в основном зависит от деформации шины и дороги в зоне контакта. Но уже при скорости движения 50-60 км/ч сила сопротивления воздуха превышает любую другую, а на скоростях свыше 70-100 км/ч превосходит их все вместе взятые. Для того чтобы доказать это утверждение, необходимо привести следующую приближенную формулу: Px=Cx*F*v2, где: Px – сила сопротивления воздуха; v – скорость автомобиля (м/сек); F – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля, или площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля, т. е. лобовая площадь (м2); Cx – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости). Обратите внимание. Скорость в формуле стоит в квадрате, и это означает, что при ее увеличении, например, в два раза сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза.

При этом затраты мощности, необходимые на ее преодоление, вырастают в восемь раз! В гонках Nascar, где скорости зашкаливают за отметку в 300 км/ч, экспериментальным путем установлено, что для увеличения максимальной скорости всего на 8 км/ч необходимо повысить мощность двигателя на 62 кВт (83 л. с.) или уменьшить Cx на 15%. Есть и иной путь – уменьшить лобовую площадь автомобиля. Многие скоростные суперкары значительно ниже обычных автомобилей. Это как раз и является признаком работ по снижению лобовой площади. Однако производить эту процедуру можно до определенных пределов, иначе таким автомобилем будет невозможно пользоваться. По этой и другим причинам обтекаемость является одним из основных вопросов, возникающих при проектировании автомобиля. Конечно, на силу сопротивления влияют не только скорость автомобиля и его геометрические показатели. К примеру, чем выше плотность воздушного потока, тем больше сопротивление. В свою очередь плотность воздуха напрямую зависит от его температуры и высоты над уровнем моря. При повышении температуры плотность воздуха (следовательно, и его вязкость) увеличивается, а высоко в горах воздух более разрежен, и плотность его ниже, и так далее. Таких нюансов великое множество.

Но вернемся к форме автомобиля. Какой предмет обладает самой хорошей обтекаемостью? Ответ на этот вопрос известен практически любому школьнику (кто не спал на уроках физики). Падающая вниз капля воды приобретает форму, наиболее приемлемую с точки зрения аэродинамики. То есть округлая фронтальная поверхность и плавно сужающаяся длинная задняя часть (лучшее соотношение – длина в 6 раз больше ширины). Коэффициент сопротивления – величина экспериментальная. Численно он равен силе сопротивления воздуха в ньютонах, создаваемой при его движении со скоростью 1 м/с на 1 м2 лобовой площади. За единицу отсчета принято считать Cx плоской пластины = 1. Так вот, у капли воды Cx = 0,04. А теперь представьте себе автомобиль такой формы. Нонсенс, не правда ли? Мало того что такая штуковина на колесах будет смотреться несколько карикатурно, использовать этот автомобиль по назначению будет не очень удобно. Поэтому конструкторы вынуждены искать компромисс между аэродинамикой автомобиля и удобством его использования. Постоянные попытки снизить коэффициент воздушного сопротивления привели к тому, что у некоторых современных автомобилей Cx = 0,28-0,25. Ну а скоростные рекордные автомобили могут похвастаться Cx = 0,2-0,15.

Силы сопротивления

Теперь необходимо немного рассказать о свойствах воздуха. Как известно, любой газ состоит из молекул. Они находятся в постоянном движении и взаимодействии друг с другом. Возникают так называемые силы Ван-дер-Ваальса – силы взаимного притяжения молекул, препятствующие их перемещению друг относительно друга. Некоторые из них начинают сильнее прилипать к остальным. А с увеличением хаотического движения молекул возрастает и эффективность воздействия одного слоя воздуха на другой, растет вязкость. А происходит это за счет повышения температуры воздуха, причем это может быть вызвано как прямым нагревом от солнца, так и косвенным от трения воздуха о какую-либо поверхность или просто его слоев между собой. Вот тут как раз влияет скорость перемещения. Для того чтобы понять, как это отражается на автомобиле, достаточно попробовать взмахнуть рукой с открытой ладонью. Если делать это медленно, ничего не происходит, но если взмахнуть рукой сильнее, ладонь уже явно воспринимает некоторое сопротивление. Но это только одна составляющая.

Когда воздух двигается над некоторой неподвижной поверхностью (например, кузовом автомобиля), те же силы Ван-дер-Ваальса способствуют тому, что ближайший слой молекул начинает прилипать уже к ней. И этот "прилипший" слой тормозит уже следующий. И так слой за слоем, и тем быстрее движутся молекулы воздуха, чем дальше они находятся от неподвижной поверхности. В конце концов их скорость уравнивается со скоростью основного воздушного потока. Слой, в котором частички движутся замедленно, называется приграничным, и появляется он на любой поверхности. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение этих сил. Теперь, опираясь на вышеописанные теоретические выкладки, можно сказать, что сопротивление воздуха – это не просто ветер, бьющий в лобовое стекло. У этого процесса больше составляющих.

Сопротивление формы

Это самая значительная часть – до 60% всех аэродинамических потерь. Часто она называется сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. При движении автомобиль сжимает набегающий на него поток воздуха и преодолевает усилие на то, чтобы раздвинуть молекулы воздуха. В результате возникает зона повышенного давления. Далее воздух обтекает поверхность автомобиля. В процессе чего происходит срыв воздушных струй с образованием завихрений. Окончательный срыв воздушного потока в задней части автомобиля создает зону пониженного давления. Сопротивление спереди и всасывающий эффект сзади автомобиля создают очень серьезное противодействие. Этот факт обязывает дизайнеров и конструкторов искать пути по приданию кузову. Разложить по полкам.

Теперь необходимо рассмотреть форму автомобиля, что называется, "от бампера до бампера". Какие из деталей и элементов оказывают большее влияние на общую аэродинамику машины. Передняя часть кузова. Экспериментами в аэродинамической трубе было установлено, что для лучшей аэродинамики передняя часть кузова должна быть низкой, широкой и не иметь острых углов. В этом случае не происходит отрыва воздушного потока, что очень благотворно сказывается на обтекаемости автомобиля. Решетка радиатора – элемент зачастую не только функциональный, но и декоративный. Ведь радиатор и двигатель должны иметь эффективный обдув, поэтому этот элемент имеет очень большое значение. Некоторые автоконцерны изучают эргономику и распределение воздушных потоков в подкапотном пространстве столь же серьезно, как и общую аэродинамику автомобиля. Наклон ветрового стекла – очень яркий пример компромисса обтекаемости, эргономики и эксплуатационных качеств. Недостаточный его наклон создает излишнее сопротивление, а чрезмерный – увеличивает запыленность и массу самого стекла, в сумерках резко падает обзорность, требуется увеличить размеры стеклоочистителя и т. д. Переход от стекла к боковине должен осуществляться плавно.

Но нельзя увлекаться излишней кривизной стекла – это может увеличить искажения и ухудшить видимость. Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. Но, работая над формой стойки, нельзя забывать о защите передних боковых стекол от попадания дождевой воды и грязи, сдуваемой с ветрового стекла, поддержании приемлемого уровня внешнего аэродинамического шума и др. Крыша. Увеличение выпуклости крыши может привести к уменьшению коэффициента аэродинамического сопротивления. Но значительное увеличение выпуклости может конфликтовать с общим дизайном автомобиля. Кроме того, если увеличение выпуклости сопровождается одновременным увеличением площади лобового сопротивления, то сила сопротивления воздуха возрастает. А с другой стороны, если попытаться сохранить первоначальную высоту, то ветровое и заднее стекла должны будут внедряться в крыши, поскольку обзорность ухудшаться не должна. Это приведет к удорожанию стекол, уменьшение же силы сопротивления воздуха в этом случае не столь значительно.

Боковые поверхности. С точки зрения аэродинамики автомобиля боковые поверхности оказывают небольшое влияние на создание безвихревого потока. Но округлять их слишком нельзя. Иначе трудно будет забираться в такой автомобиль. Стекла должны по возможности составлять единое целое с боковой поверхностью и располагаться на одной линии с наружным контуром автомобиля. Любые ступеньки и перемычки создают дополнительные препятствия для прохождения воздуха, появляются нежелательные завихрения. Можно заметить, что водосточные желоба, которые ранее присутствовали практически на любом автомобиле, уже не используются. Появились иные конструктивные решения, не оказывающие столь большого влияния на аэродинамику автомобиля.

Задняя часть автомобиля оказывает, пожалуй, наибольшее влияние на коэффициент обтекаемости. Объясняется это просто. В задней части воздушный поток отрывается и образует завихрения. Заднюю часть автомобиля практически невозможно сделать такой же обтекаемой, как дирижабль (длина в 6 раз больше ширины). Поэтому над ее формой работают более тщательно. Один из основных параметров – угол наклона задней части автомобиля. Уже хрестоматийным стал пример российского автомобиля "Москвич-2141", где именно неудачное решение задней части значительно ухудшило общую аэродинамику автомобиля. Но, с другой стороны, заднее стекло "москвича" всегда оставалось чистым. Снова компромисс. Именно поэтому так много дополнительных навесных элементов делается именно на заднюю часть автомобиля: антикрылья, спойлеры и т. д. Наряду с углом наклона задней части на коэффициент аэродинамического сопротивления сильно влияет оформление и форма боковой кромки задней части автомобиля. Например, если посмотреть практически на любой современный автомобиль сверху, сразу видно, что кузов спереди шире, чем сзади. Это тоже аэродинамика. Днище автомобиля.

Как может показаться поначалу, эта часть кузова не может оказать влияния на аэродинамику. Но тут возникает такой аспект, как прижимная сила. От нее зависит устойчивость автомобиля и то, насколько правильно организован поток воздуха под днищем автомобиля, зависит в итоге сила его "прилипания" к дороге. То есть если воздух под автомобилем не задерживается, а протекает быстро, то возникающее там пониженное давление будет прижимать автомобиль к дорожному полотну. Особенно это важно для обычных автомобилей. Дело в том, что у гоночных машин, которые соревнуются на качественных, ровных покрытиях, можно установить настолько малый клиренс, что начнет проявляться эффект "земной подушки", при котором прижимная сила увеличивается, а лобовое сопротивление уменьшается. Для нормальных автомобилей низкий дорожный просвет неприемлем. Поэтому конструкторы в последнее время стараются как можно больше сгладить днище автомобиля, закрыть щитками такие неровные элементы, как выхлопные трубы, рычаги подвески и т. д. Кстати, колесные ниши оказывают очень большое влияние на аэродинамику автомобиля. Неправильно спроектированные ниши могут создавать дополнительную подъемную силу.

И снова ветер

Нет необходимости говорить о том, что от обтекаемости автомобиля зависит требуемая мощность двигателя, следовательно, и расход топлива (т. е. кошелек). Однако аэродинамика влияет не только на скорость и экономичность. Не последнее место занимают задачи по обеспечению хорошей курсовой устойчивости, управляемости автомобиля и снижения шумов при его движении. С шумами все ясно: чем лучше обтекаемость автомобиля, качество поверхностей, чем меньше величина зазоров и количество выступающих элементов и т. п., тем меньше шумы. Конструкторам приходится думать и о таком аспекте, как разворачивающий момент. Этот эффект хорошо известен большинству водителей. Кто хоть раз проезжал на большой скорости мимо "фуры" или просто ездил при сильном боковом ветре, должен был почувствовать появление крена или даже небольшое разворачивание автомобиля. Нет смысла объяснять этот эффект, но это именно проблема аэродинамики.

Вот почему коэффициент Cx не единственный. Ведь воздух может воздействовать на автомобиль не только "в лоб", но и под разными углами и в разных направлениях. И все это оказывает влияние на управляемость и безопасность. Это лишь несколько основных аспектов, влияющих на общую силу сопротивления воздуха. Просчитать все параметры невозможно. Существующие формулы не дают полной картины. Поэтому конструкторы исследуют аэродинамику автомобиля и корректируют его форму при помощи такого дорогого инструмента, как аэродинамическая труба. Западные фирмы не жалеют денег на их строительство. Стоимость таких исследовательских центров может исчисляться миллионами долларов. К примеру: концерн Daimler-Chrysler вложил $37,5 млн. в создание специализированного комплекса по совершенствованию аэродинамики своих автомобилей. В настоящее время аэродинамическая труба – наиболее значимый инструмент исследования сил сопротивления воздуха, влияющих на автомобиль.

Во многих областях науки и техники, которые связаны со скоростью, часто возникает необходимость расчета сил, действующих на объект. Современный автомобиль, истребитель, подводная лодка или скоростной электропоезд - все они испытывают на себе влияние аэродинамических сил. Точность определения величины этих сил напрямую влияет на технические характеристики указанных объектов и на их способность выполнять те или иные задачи. В общем случае силы трения определяют уровень мощности двигательной установки, а поперечные силы влияют на управляемость объекта.

При традиционной схеме проектирования для определения сил используются продувки в аэродинамических трубах (как правило, уменьшенных моделей), испытания в бассейнах и натурные испытания. Однако все экспериментальные исследования - это достаточно дорогой способ получения подобных знаний. Для того чтобы испытать модельное устройство, необходимо сначала его изготовить, затем составить программу испытаний, подготовить стенд и, наконец, провести серию замеров. При этом в большинстве случаев на достоверность результатов испытаний будут влиять допущения, вызванные отступлением от реальных условий эксплуатации объекта.

Эксперимент или расчет?

Рассмотрим более подробно причины несовпадения результатов экспериментов с реальным поведением объекта.

При исследовании моделей в условиях ограниченного пространства, например в аэродинамических трубах, граничные поверхности оказывают существенное влияние на структуру течения около объекта. Уменьшение масштаба модели позволяет решить данную проблему, однако при этом следует учитывать изменение числа Рейнольдса (так называемый масштабный эффект).

В отдельных случаях искажения могут быть вызваны принципиальным несоответствием реальных условий обтекания тела и моделируемых в трубе. Например, при продувке скоростных автомобилей или поездов отсутствие в аэродинамической трубе подвижной горизонтальной поверхности серьезным образом изменяет общую картину обтекания, а также влияет на баланс аэродинамических сил. Данный эффект связан с нарастанием пограничного слоя.

Способы измерения также вносят погрешности в измеряемые величины. Неправильная схема размещения датчиков на объекте или неверная ориентация их рабочих частей, может привести к получению некорректных результатов.

Ускорение проектирования

В настоящее время ведущие отраслевые компании на этапе эскизного проектирования широко используют технологии компьютерного моделирования CAE. Это позволяет рассмотреть большее количество вариантов при поиске оптимальной конструкции.

Современный уровень развития программного комплекса ANSYS CFX значительно расширяет область его применения: от моделирования ламинарных течений до турбулентных потоков с сильной анизотропией параметров.

Широкий набор используемых моделей турбулентности включает традиционные модели RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), обладающие лучшим соотношением «скорость-точность», модель турбулентности SST (Shear Stress Transport) (двухслойная модель Ментера), удачно сочетающая в себе достоинства моделей турбулентности «k-e» и «k-w». Для потоков с развитой анизотропией больше подходят модели RSM (Reynolds Stress Model) типа. Прямой расчет параметров турбулентности по направлениям позволяет точнее определять характеристики вихревого движения потока.

В отдельных случаях рекомендуется применять модели, построенные на вихревых теориях: DES (Detachable Eddy Simulation) и LES (Large Eddy Simulation). Специально для случаев, где особенно важен учет процессов ламинарно-турбулентного перехода, разработана модель Transition Turbulence Model, созданная на основе хорошо зарекомендовавшей себя SST-технологии. Модель прошла обширную программу тестирования на различных объектах (от лопаточных машин до пассажирских самолетов) и показала прекрасную корреляцию с экспериментальными данными.

Авиация

Создание современных боевых и гражданских самолетов невозможно без глубокого анализа всех его характеристик еще на начальном этапе проектирования. От тщательной проработки формы несущих поверхностей и обводов напрямую зависит экономичность самолета, его скорость и маневренность.

Сегодня все крупные самолетостроительные компании в той или иной степени применяют компьютерный анализ при разработке новых изделий.

Большие возможности по анализу сложных течений открывает перед исследователями переходная модель турбулентности, которая корректно анализирует режимы течения, близкие к ламинарным, течения с развитыми зонами отрыва и присоединения потока. Это еще больше сокращает разницу между результатами численных расчетов и реальной картиной течения.

Автомобилестроение

Современный автомобиль должен обладать повышенной экономичностью при высокой эффективности использования мощности. И конечно, основными определяющими компонентами являются двигатель и кузов.

Для обеспечения эффективности всех систем двигателя ведущие западные компании уже давно используют технологии компьютерного моделирования. Например, компания Robert Bosch Gmbh (Германия), производитель широкого спектра узлов для современных дизельных автомобилей, при разработке системы подачи топлива Common Rail использовала ANSYS CFX (для усовершенствования характеристик впрыска).

Компания BMW, двигатели которой уже несколько лет подряд завоевывают звание «Лучший двигатель года» (International Engine of the Year), применяет ANSYS CFX для моделирования процессов в камерах сгорания ДВС.

Внешняя аэродинамика также является средством повышения эффективности использования мощности двигателя. Обычно речь идет не только о снижении коэффициента сопротивления, но и о балансе прижимной силы, необходимом любому скоростному автомобилю.

В качестве предельного выражения этих характеристик выступают гоночные автомобили различных классов. Все без исключения участники чемпионата F1 используют компьютерный анализ аэродинамики своих болидов. Спортивные достижения наглядным образом доказывают преимущества этих технологий, многие из которых уже применяются и при создании серийных автомобилей.

В России пионером в этой области является команда Active-Pro Racing: гоночный автомобиль класса «Формула-1600» развивает скорость свыше 250 км/ч и является вершиной российского кольцевого автоспорта. Использование комплекса ANSYS CFX (рис. 4) для проектирования нового аэродинамического оперения болида позволило значительно сократить количество вариантов конструкции при поиске оптимального решения.

Сравнение расчетных данных и результатов продувок в аэродинамической трубе показало ожидаемую разницу. Она объясняется неподвижным полом в трубе, который вызывал рост толщины пограничного слоя. Поэтому аэродинамические элементы, расположенные достаточно низко, работали в непривычных для себя условиях.

Однако компьютерная модель полностью соответствовала реальным условиям движения, что позволило значительно улучшить эффективность оперения болида.

Строительство

Сегодня архитекторы более свободно подходят к внешнему облику проектируемых зданий, чем 20 или 30 лет назад. Футуристические творения современных архитекторов, как правило, имеют сложные геометрические формы, для которых неизвестны значения аэродинамических коэффициентов (необходимых для назначения расчетных ветровых нагрузок на несущие конструкции).

В этом случае для получения аэродинамических характеристик здания (и силовых факторов воздействия), помимо традиционных испытаний в аэродинамических трубах, все чаще используются средства CAE. Пример такого расчета в ANSYS CFX показан на рис. 5.

Кроме того, ANSYS CFX традиционно используется для моделирования систем вентиляции и отопления производственных помещений, административных зданий, офисных и спортивно-развлекательных комплексов.

Для анализа температурного режима и характера воздушных потоков в помещении ледовой арены СК «Крылатское» (г. Москва) инженеры Olof Granlund Oy (Финляндия) использовали программный комплекс ANSYS CFX. Трибуны стадиона вмещают в себя около 10 тыс. зрителей, а тепловая нагрузка от них может составить более 1 МВт (из расчета 100-120 Вт/чел). Для сравнения: чтобы нагреть 1 л воды от 0 до 100 °С требуется чуть больше 4 кВт энергии.

Рис. 5. Распределение давления на поверхности сооружений

Подводя итоги

Как можно видеть, вычислительные технологии в аэродинамике достигли такого уровня, о котором мы могли только мечтать 10 лет назад. В то же время не стоит противопоставлять компьютерное моделирование экспериментальным исследованиям - гораздо лучше, если эти методы будут дополнять друг друга.

Комплекс ANSYS CFX позволяет инженерам решать и такие сложные задачи, как, например, определение деформаций конструкции при воздействии на нее аэродинамических нагрузок. Это способствует более корректной постановке многих задач как внутренней, так и внешней аэродинамики: от задач флаттера лопаточных машин до ветрового и волнового воздействия на морские сооружения.

Все расчетные возможности комплекса ANSYS CFX доступны и в среде ANSYS Workbench.

Вступление.

Добрый день, дорогие читатели. В данном посте я хочу рассказать, как посредствам внутреннего анализа во Flow simulation выполнить внешний анализ детали или конструкции на определения коэффициента аэродинамического сопротивления и результирующей силы. Так же рассмотреть создание локальной сетки и задание целей "цель-выражение" для упрощения и автоматизации расчетов. Приведу основные понятия по коэффициенту аэродинамического сопротивления. Все эти сведения помогут быстро и грамотно спроектировать бедующее изделия и в дальнейшем распечатать его для практического использования.

Матчасть.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (далее КАС) определяется экспериментально при испытаниях в аэродинамической трубе или испытаниях при движении накатом. Определение КАС приходит с формулой 1

формула 1

КАС разных форм колеблется в широком диапазоне. Рисунок 1 показывает эти коэффициенты для ряда форм. В каждом случае предполагается, что воздух, набегающий на тело, не имеет боковой компоненты (то есть движется прямо вдоль продольной оси транспортного средства). Обратите внимание, что простая плоская пластина имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 1.95. Этот коэффициент означает, что сила лобового сопротивления в 1.95 раза больше, чем динамическое давление, действующее на площадь пластины. Крайне большое сопротивление, создаваемое пластиной, связано с тем, что воздух, растекающийся вокруг пластины, создаёт область отрыва гораздо большую, чем сама пластина.

Рисунок 1.

В жизни в дополнение к составляющей ветра, вытекающей из скорости движения автомобиля, учитывают скрость находящего ветра на автомобиль. И того для определения скорости потока верно следующее утверждение V=Vавто+Vветра.
Если находящий ветер является попутным то скорость вычитается.
Коэффициент аэродинамического сопротивления нужен для определения аэродинамического сопротивления, но в данной статье будет рассматриваться только сам коэффициент.

Исходные данные.

Расчет выполнялся в Solidworks 2016, модуль Flow simulation (далее FS). В качестве исходных данных были взяты следующие параметры: скорость вытекающая из скорости движения автомобиля V=40 м/с, температура окружающей среды плюс 20 градусов Цельсия, плотность воздуха 1,204 кг/м3. Геометрическая модель автомобиля представлена упрощенно (см. рисунок 2).

Рисунок 2.

Шаги задания начальных и граничных условий во Flow simulation.

Процесс добавления модуля FS и общий принцип формирования задания на расчет описан в этой , я же опишу характерные особенности для внешнего анализа посредствам внутреннего.

1.На первом шаге добавляем модель в рабочее пространство.

Рисунок 2.

2. Далее моделируем аэродинамическую камеру прямоугольного сечения. Главная особенность при моделирование это отсутствие торцов, иначе мы не сможем задать граничные условия. Модель автомобиля должна находится в центре. Ширина трубы должна соответствовать 1,5* ширины модели в обе стороны, длина трубы 1,5*длины модели, от задней части модели и 2*длины автомобиля от бампера, высота трубы 1,5*высоты машины от плоскости на которой стоит машина.

Рисунок 3.

3. Входим в модуль FS. Задаём граничные условия на первой грани входной поток.

Рисунок 4.

Выбираем тип: расход/скорость->скорость на входе. Задаём нашу скорость. Выбираем параллельную грань к передней части авто. Нажимаем галочку.

Рисунок 5.

Задаём граничное условие на выходе. Выбираем тип: давление, всё оставляем по умолчанию. Жмём галку.

Итак, граничные условия заданы переходим к заданию на расчёт.

4. Нажимаем на мастер проекта и следуем инструкции по рисункам ниже.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

В пункте завершение оставляем всё без изменений. Нажимаем завершить.

5. На этом шаге займёмся управлением и созданием локальной сетки. Нажимаем на дереве элементов FS на пункт: сетка, правой кнопкой мыши и выбираем: добавить локальную сетку.

Рисунок 12.

Рисунок 13.

Здесь можно указать параметры и область локальной сетки, для сложных моделей так же задаётся угол кривизны и минимальный размер элемента. Минимальный размер задаётся в графе "закрытие узкие щели". Данная функция существенно сокращает время расчета и увеличивает точность полученных данных. В зависимости от того, насколько точно вы хотите получить результаты, выставляется параметр дробление сетки. Для внутреннего анализа вполне подходят стандартные настройки. Далее будет показана визуализация сетки на поверхности.

6.Перед тем как запустить расчет нужно задать цели расчета. Цели задаются в дереве FS цели. В начале задаём глобальные цели, выбираем силы по каждой компоненте.

Рисунок 14.

После нам нужно задать "цели-выражения". Для этого щелкаем правой кнопкой мыши в дереве FS на цели и выбираем "цель выражение". Для начала зададим уравнения для результирующей силы.

Рисунок 15.

Что бы компанента по силе использовалась в выражение нужно щёлкнуть на неё левой кнопкой мыши, ссылка на компоненту появится в формуле. Здесь вводим формулу 2. Нажимаем на галку.

Формула 2.

Создаём вторую "цель-выражение", записываем туда формулу 1.

Рисунок 16.

КАС расчтывается для лобового стекла. В данной модели лобовое стекло это наклонная грань, грань наклонена на 155 градусов, поэтому сила по X умножается на sin(155*(пи/180)). Нужно помнить, что расчет ведётся по системе си и соответственно площадь наклонной грани должна измеряться в метрах квадратных.

7. Теперь можно приступить к расчету, запускаем расчет.

Рисунок 17.

При запуске расчета программа предоставляет выбор на чем производить расчет, мы можем выбрать количество ядер участвующие в расчете и рабочие станции.

Рисунок 18.

Так как задача не сложная расчет проходит меньше чем за минуту, поэтому мы нажмём на паузу после его запуска.

Рисунок 19.

Теперь нажимаем на кнопку "вставить график", выбираем наши цели выражения.

Рисунок 20.

На графике будут показаны значения для наших выражений для каждой итерации.

Для наблюдения происходящего процесса во время расчета можно использовать "предварительный просмотр". При включении предварительного просмотра время нашего расчета увеличивается, а смысла от него мало, поэтому я не советую включать данную опцию, но покажу как это выглядит.

Рисунок 21.

Рисунок 22.

То что эпюра перевёрнута нет ни чего страшного, это зависит от ориентации модели.

Расчёт заканчивается когда все цели сошлись.

Рисунок 23.

Результаты должны загрузиться автоматически, если этого не произошло догрузите вручную: инструменты->FS->результаты->загрузить из файла

8. После расчета можно посмотреть сетку на модели.

Предлагаем вам сегодня узнать, что такое , зачем она нужна и в каком году впервые в мире появилась эта технология.

Без аэродинамики автомобили и самолеты, и даже бобслеисты, это просто объекты перемещающие ветер. Если нет аэродинамики, то ветер перемещается неэффективно. Наука об изучении эффективности отвода потоков воздуха и называется аэродинамика. Для того чтобы создать транспортное средство, которое бы эффективно отводило бы потоки воздуха, уменьшая сопротивление, необходима аэродинамическая труба, в которой инженеры проверяют эффективность аэродинамического сопротивления воздуха деталей автомобиля.

Ошибочно считается, что аэродинамика появилась с момента изобретения аэродинамической трубы. Но это не так. На самом деле появилась в 1800-х годах. Зарождение этой науки началось в 1871 году, с братьев Райт, которые являются проектировщиками и создателями первого в мире самолета. Благодаря им, начала развиваться аэронавтика. Цель была одна - попытка построить самолет.

Первое время братья проводили свои испытания в железнодорожном туннели. Но возможности туннеля для изучения потоков воздуха были ограничены. Поэтому им не удалось создать реальный летательный аппарат, так как для этого было необходимо, чтобы корпус самолета отвечал самым строгим требования аэродинамики.

Поэтому в 1901 году братья построили собственную аэродинамическую трубу. В итоге по некоторым данным в этой трубе было испытано около 200 летательных аппаратов и отдельные корпуса прототипов различной формы. На то чтобы построить первый в истории реальный самолет братьям потребовалось еще несколько лет. Так в 1903 году Братья Райт провели удачное испытание первого в мире, который продержался в воздухе в течение 12 секунд.

Что же такое аэродинамическая труба?

Это простое устройство, которое состоит из закрытого туннеля (огромной емкости) через который подаются потоки воздуха с помощью мощных вентиляторов. В аэродинамическую трубу помещают объект, на который и начинают подавать . Также в современных аэродинамических трубах специалисты имеют возможность подавать направленные потоки воздуха на определенные элементы кузова автомобиля или любого транспортного средства.

Тестирование в аэродинамических трубах приобрело массовую популярность во время Великой Отечественной войны в 40-е годы. Во всем мире военные ведомства вели исследование аэродинамики военной техники и боеприпасов. После войны военные аэродинамические исследования свернулись. Но внимание на аэродинамику обратили инженеры, проектирующие спортивные гоночные автомобили. Затем эту моду подхватили проектировщики и легковых автомобилей.

Изобретение аэродинамической трубы позволило специалистам тестировать транспортные средства, которые находятся в неподвижном состоянии. Далее подаются потоки воздуха и создается тот же эффект что наблюдается при движении машины. Даже при испытаниях самолетов объект остается не подвижным. Регулируется только , для того чтобы сымитировать определенную скорость транспортного средства.

Благодаря аэродинамики, как спортивные так и простые автомобили стали приобретать вместо квадратных форм более плавные линии и закругленные элементы кузова.

Иногда для исследования может быть не нужен и весь автомобиль. Часто , может использоваться обычный макет в натуральную величину. В итоге специалисты определяют уровень сопротивления ветра.

По тому, как движется ветер внутри трубы, определяется коэффициент лобового сопротивления ветра.

Современные аэродинамические трубы, по сути, представляют собой гигантский фен для вашего автомобиля. Например, одна из известных аэродинамических труб расположена в Северной Каролине США, где проводится исследования ассоциации . Благодаря этой трубе инженеры моделируют автомобили способные передвигаться со скоростью 290 км/ч.

В это сооружение было вложено около 40 млн. долларов. Труба начала свою работу в 2008 году. Главные инвесторы - это ассоциация гонок NASCAR и владелец гонок Джин Хаас.

Вот видео традиционного испытания в этой трубе:

С момента появления первой в истории аэротрубы инженеры поняли, насколько это изобретение важно для всей . В итоге на нее обратили внимание автомобильные проектировщики, которые стали развивать технологии исследования потоков воздуха. Но технологии не стоят на месте. В наши дни многие исследования и расчеты проходят в компьютере. Самое удивительное, что даже аэродинамические тесты проводятся в специальных компьютерных программах.

В качестве испытуемого используется 3D виртуальная модель машины. Далее на компьютере воспроизводятся различные условия для тестирования аэродинамики. Тот же подход начал развиваться и для проведения краш-тестов. , которые не только могут сэкономить деньги, ни учесть множество параметров при испытании.

Также как реальные краш-тесты строительство аэродинамической трубы и испытания в ней очень дорогое удовольствие. На компьютере себестоимость может составить всего несколько долларов.

Правда бабушки, дедушки и приверженцы старых технологий по-прежнему будут говорить, что реальный мир лучше, чем компьютеры. Но 21 век есть 21 век. Поэтому неизбежно, что в ближайшем будущем многие реальные испытания будут полностью проводиться на компьютере.

Хотя стоит отметить, что мы и не против компьютерных , но надеемся, что реальные тесты в аэротрубе и обычные краш-тесты по-прежнему останутся в автопромышленности.