Вивчаємо аеродинаміку автомобіля з використанням тіла Ахмеда

1. Навіщо досліджувати коефіцієнт опору автомобілів?
2. Що таке тіло Ахмеда?
3. Моделюємо обтікання тіла Ахмеда повітряним потоком
4. результати
5. завантажити модель

Оскільки проблема виснаження запасів викопних видів палива стає все гостріше, виробники виводять на ринок більш економічні автомобілі. Одним з головних факторів, що впливають на споживання палива, є аеродинамічний опір. Автомобілі мають складну геометричну форму, яку нелегко змоделювати, тому аеродинамічний опір важко визначити шляхом обчислень. Тіло Ахмеда - це стандартна модель, яка широко застосовується в автомобільній промисловості для валідації засобів моделювання. Форма тіла Ахмеда досить проста для моделювання, при цьому геометрично досить близька до корпусу автомобіля.

Навіщо досліджувати коефіцієнт опору автомобілів?

коефіцієнт опору кількісно виражає опір об'єкта в текучої середовищі. Цей коефіцієнт не є абсолютною константою для тієї чи іншої форми тіла, оскільки залежить від швидкості і напряму потоку, форми і розмірів об'єкта, щільності і в'язкості текучого середовища. Чим нижче коефіцієнт опору об'єкта, тим менше аеродинамічний або гідродинамічний опір. Що стосується автомобіля, то чим нижче коефіцієнт опору, тим автомобіль економічніше. Крім максимальної швидкості транспортного засобу коефіцієнт опору також впливає на його керованість. Виробники прагнуть знизити коефіцієнт опору, проте істотне його зниження зменшує притискну силу і може привести до втрати зчеплення з дорогою, що підвищує ризик автомобільних аварій.

більшість автомобілів має середній коефіцієнт опору в діапазоні 0,30-0,35. Автомобілі з кузовом незграбної форми мають більш високий коефіцієнт опору: наприклад, для HUMMER® H2 він дорівнює 0,57. У більш обтічних і маневрених автомобілів цей коефіцієнт нижче: наприклад, у Mercedes-Benz® C-Class® - всього 0,24. З іншого боку, це всього лише усереднені виміри. Точний коефіцієнт опору автомобіля залежить від числа Рейнольдса і безлічі інших чинників.

Існують певні способи доопрацювання автомобіля для оптимізації його аеродинаміки і зменшення коефіцієнта опору. Для надання більшої обтічності зовнішньої поверхні автомобіля можна видалити деякі додаткові елементи, такі як верхній багажник, бризковики, спойлери і радіоантену. Професійні автогонщики також знімають склоочисники і бічні дзеркала заднього виду, але простим водіям приклад з них брати не варто! Щоб знизити коефіцієнт опору і заодно виділитися на тлі інших автомобілів, можна також встановити колісні ковпаки, напівзакриту решітку радіатора, захист картера, обтічні крила і модифікований передній бампер.

Що таке тіло Ахмеда?

Тіло Ахмеда було вперше створено С. Р. Ахмедом в рамках роботи "Some Salient Features of the Time-Averaged Ground Vehicle Wake" ( «Деякі характерні ознаки усередненого за часом аеродинамічного сліду наземного транспортного засобу») в 1984 році. З тих пір воно стало стандартом для засобів аеродинамічного моделювання. Проста геометрична форма має довжину 1,044 м, висоту 0,288 м і ширину 0,389 м. До днища тіла прикріплені циліндричні ніжки довжиною 0,5 м, а його задня поверхня скошена під кутом 40 градусів.

Проста геометрія тіла Ахмеда.

Моделюємо обтікання тіла Ахмеда повітряним потоком

У верифікаційної моделі Обтікання тіла Ахмеда повітряним потоком наше тіло Ахмеда має скіс під кутом 25 градусів і поміщено в область розмірами 8,352 х 2,088 х 2,088 м для розрахунку поля обтікання.

Область розрахунку і граничні умови для моделювання потоку текучого середовища.

Передня частина тіла поміщається на відстань в дві довжини автомобіля (2L) від площини входу потоку. Для зниження обсягу обчислень вводиться площину симетрії, що дозволяє розраховувати тільки половину моделі.

Потік для даної моделі є турбулентним, що визначається числом Рейнольдса для даної довжини тіла і вхідний швидкості. При моделюванні крім поля швидкостей визначається кінетична енергія турбулентності. В даному випадку нам потрібно сітка з більшим розміром осередків, ніж зазвичай використовується для аналізу турбулентного потоку. Точніше ми використовуємо більш дрібну сітку ближче до виходу потоку, щоб точніше описати зону аеродинамічного сліду.

Потік для даної моделі є турбулентним, що визначається числом Рейнольдса для даної довжини тіла і вхідний швидкості. При моделюванні крім поля швидкостей і тисків обчислюється кінетична енергія турбулентності і розсіювання енергії.

результати

Ключовий шуканої величиною для даної моделі є коефіцієнт повного опору тіла Ахмеда. Цей коефіцієнт складається з вимірів коефіцієнта тиску спереду, на схилі, в основі тіла, а також поверхневого тертя тіла. Результати моделювання показують, що повний коефіцієнт опору вдається передбачити досить добре, проте окремі вимірювання в тій чи іншій мірі відрізняються від експериментальних результатів.

Ці відхилення пояснюються цілою низкою чинників. Для передньої частини і даху тіла функції стінок, які використовуються при моделюванні, не дозволяють ефективно прогнозувати перехід ламінарного течії в турбулентний , Спостережуваний в ході експериментів.

Що стосується даних для скошеної частини, на малюнку нижче наведені лінії струму у поверхні скоса. Товщина цих ліній визначається кінетичної енергією турбулентності.

Лінії струму за тілом Ахмеда мають товщину, пропорційну кінетичної енергії турбулентності.

Для експериментальних даних лінії показують, що потік рухається безвідривно уздовж скоса майже по всій його поверхні, а за тілом утворюються дві невеликі зони рециркуляції. У результатах моделювання цей ефект зафіксований, проте протяжність зон рециркуляції завищена.

Лінії струму, що показують зони рециркуляції за тілом Ахмеда.

Коефіцієнт опору в зоні скоса дуже чутливий до точної форми і розташуванню зон рециркуляції, що і призводить до відхилення при вимірах.

Хоча кількісні дані не збігаються, в якісному відношенні вони відповідають результатам експериментів, оскільки коефіцієнти повного опору дуже близькі. Для невеликого ряду параметрів є окремі відхилення, проте модель добре описує основні характеристики обтікання тіла Ахмеда повітряним потоком. Ця модель добре підходить для розрахунку коефіцієнта повного опору.

завантажити модель

HUMMER - зареєстрована торгова марка компанії General Motors LLC.
Mercedes-Benz і C-Class - зареєстровані торгові марки корпорації Daimler AG.