SOLIDWORKS Flow Simulation: Aerodynamika zewnętrzna- czy tunel aerodynamiczny jest niezbędny?
W obecnych czasach można zaobserwować, że nowe auta posiadają znacznie bardziej opływowy kształt, niż ich poprzednicy. Dlaczego tak jest oraz jaki parametr mówi nam o tym, że dany kształt jest optymalny? Obecnie projektując auta wyścigowe wszyscy konstruktorzy korzystają z tuneli aerodynamicznych bądź symulacji CFD. Wykorzystują te narzędzia w celu poznania współczynnika oporu aerodynamicznego.
Czym jest ten parametr? Jest to bezwymiarowa liczba, często zapisywana jako Cx, która ma znaczący wpływ na wielkość oporu aerodynamicznego. Ponadto ten współczynnik zależy od liczby Reynoldsa oraz liczby Macha. Należy zdawać sobie sprawę, że w szerokim zakresie liczb Reynoldsa współczynnik Cx ma stałą wartość. Dla bardzo dużych Re (rzędu Re= 3*105) współczynnik Cx gwałtownie spada (tzw. kryzys oporu), po czym stopniowo łagodnie narasta. Parametr ten gwałtownie rośnie przy zbliżaniu się do prędkości dźwięku w płynie, co przyczyniło się do powstania określenia bariera dźwięku.
Wartość współczynnika oporu wyznaczana empirycznie bądź za pomocą symulacji numerycznych. Przewaga symulacji numerycznych polega na tym, że badania empiryczne są drogie oraz bardzo czasochłonne. Każda wprowadzona zmiana w model wymaga zbudowanie prototypu od nowa, co wymaga znacznego nakładu czasu. Natomiast dzięki symulacjom CFD, inżynier może w bardzo prosty sposób wprowadzić zmiany i wykonać jeszcze raz obliczenia. Takie podejście sprawia, że symulacje komputerowe odgrywają coraz większe znaczenie w trakcie projektowania nowych modeli samochodowych.
Naprzeciw oczekiwaniom klientów powstał program SOLIDWORKS Flow Simulation, który umożliwia między innymi przeprowadzanie symulacji związanych z aerodynamiką zewnętrzną. Na podstawie uzyskanych wyników można wyznaczyć wartość współczynnika oporu. Wzór, który go opisuje to:
Gdzie:
- Fd – siła oporu aerodynamicznego
- p – gęstość powietrza
- v – prędkość pojazdu
- A – pole powierzchni przedniej auta
- Cele globalne
- Cele punktowe
- Cele powierzchniowe
- Cele objętościowe
- Cele równania
Przykład symulacji, której celem jest wyznaczenie współczynnika oporu został przedstawiony poniżej. Badanym obiektem jest bolid formuły 1. Zgodnie z wytycznymi narzuconymi przez FIA na inżynierów bolidów, wartość parametru Cx ma się zawierać z przedziału [0,7;1,3]. Dlatego też w poniższej symulacji będziemy dążyć do tej wartości.
Założeniami symulacji jest stała wartość gęstości powietrza, która jest równa 1,225 kg/m3. Ponadto zakładam, że auto porusza się z prędkością 180 km/h (50 m/s). Kształt bolidu został przedstawiony poniżej.
Po stworzeniu geometrii należało przejść do stworzenia symulacji. Zgodnie z założeniami, typ analizy został wybrany jako zewnętrzny i uwzględniono w niej istnienie grawitacji, skierowanej wzdłuż osi OY.
Następnie zaznaczono powietrze jako ciecz, która będzie brała udział w symulacji. Ponadto jako warunki inicjalizujące, przypisano prędkość 50 m/s o zwrocie przeciwnym do osi OZ.
Po przejściu przez kreatora symulacji, zmieniono wymiary domeny obliczeniowej. Zdecydowano się znacznie przedłużyć domenę obliczeniową znajdującą się za samym autem.
Następnie postanowiono zdefiniować cele obliczeniowe symulacji. Czym one są oraz jakie mają znaczenie dla symulacji?
Głównym zastosowaniem celów obliczeniowych jest zdefiniowanie dla projektu parametrów, które są kluczowe dla symulacji. Niektóre przykłady mogą obejmować maksymalną prędkość w kierunku Y w całej domenie obliczeniowej lub średnią temperaturę komponentu. Po rozwiązaniu problemu i przejrzeniu wyników można bardzo szybko poprosić oprogramowanie o wyświetlenie tabeli swoich celów lub automatycznie utworzyć ją w arkuszu kalkulacyjnym Excel. Jest to świetne rozwiązanie do wizualnego podsumowania projektu.
Z tego względu, że równania rządzące przepływem płynu są wysoce nieliniowe, problem jest rozwiązywany iteracyjnie, gdy parametry są aktualizowane w każdej komórce obliczeniowej w każdym kroku rozwiązania. Dlatego też można na bieżąco podglądać, jak zmieniają się wartość celów obliczeniowych. Pozwala to na przeprowadzanie obliczeń tak długo, aż wartości tych parametrów nie uzyskają stałej wartości. Powoduje to, że kluczowe kryteria projektowe są określone z odpowiednią precyzją.
Istnieje 5 typów celów obliczeniowych:
Jak można się domyśleć, wszystkie cele są obliczane dla różnych powierzchni. Pierwszy z nich oblicza parametry fizyczne w całej domenie obliczeniowej, kiedy drugi typ jest określony tylko dla pojedynczego punktu. Dotyczy się to samo celów obliczeniowych powierzchniowych i objętościowych.
Najciekawszym typem są cele równań. Pozwalają one na definiowanie równań, które mogą wykorzystywać wszystkie z poprzednich typów celów. Ten typ zostanie wykorzystany w naszej symulacji.
Pierwszy cel, który został określony w badanej symulacji to cel globalny, który miał wyznaczyć wartość siły w kierunku osi OZ. Następnie zgodnie z równaniem opisanym na początku artykułu, zdefiniowano cel opisujący wartość współczynnika oporu aerodynamicznego.
Następnym krokiem po określeniu parametrów krytycznych było zdefiniowanie siatki obliczeniowej. Jako siatkę globalną ustawiono siatkę z poniższymi ustawieniami.
Ponadto postanowiono dodać dwie siatki lokalne. Pierwsza z nich została wygenerowana na powierzchniach, które mogły mieć znaczący wpływ na wartość siły. Zdecydowano się tam na zmienienie wartości „Refining Cells” zgodnie z poniższym rysunkiem.
Drugim obszarem, który zagęszczono lokalnie, był obszar znajdujący się zaraz za bolidem.
Tak samo jak wcześniej ustawiono te same parametry dla „Refining Cells”. Tak zdefiniowana siatka posiadała 1 000 000 komórek. Pomimo takiej ilości elementów siatki, należałoby znacznie bardziej zagęścić siatkę. Jednakże ze względu na znaczne wydłużenie trwania obliczeń, zdecydowano się nie wykonywać tego kroku.
Po tak ustawionych opcjach pre-processingu przeprowadzono obliczenia iteracyjne. Wyniki symulacji zostały pokazane poniżej.
Analiza wyników
Pierwszą rzeczą, którą wykonano po przeprowadzeniu obliczeń była wizualizacja siatki obliczeniowej. Jej wygląd został pokazany poniżej.
Po przedstawieniu siatki, skorzystano z opcji „Cut Plot”, która umożliwia przedstawienie wyników w poszczególnym przekroju. Zdecydowano się na przedstawienie rozkładu ciśnienia w dwóch widokach. Pierwszym z nich była oś symetrii bolidu wraz z liniami prądu, a drugi przekrojem był przekrój przechodzący przez przednie skrzydło bolidu.
Jak widać na powyższych rysunkach bolid jest dociskany do podłoża, co jest zgodne z przewidywaniami.
Kolejnym wykresem pozwalającym przeanalizować rozkład ciśnień jest opcja „Surface plot”, która pozawala na przedstawienie wyników na poszczególnych obiektach geometrii. W tym wypadku zdecydowano się na przedstawienie rozkładu ciśnienia na wszystkich powierzchniach. Wyniki zostały przedstawione poniżej.
Jak widać największe ciśnienie powstaje na skrzydłach oraz oponach bolidu. Wynika stąd, że także na tych obiektach jest wywierana największa siła. Ponadto zdecydowano się na przedstawienie rozkładu naprężeń ścinających na powierzchniach. Miejsca, gdzie wartość naprężeń jest równa zeru odpowiada miejscom oderwania przepływu.
Jak widać, kształt bolidu należałoby znacząco zoptymalizować.
Kolejną możliwością SOLIDWORKS Flow Simulation jest przedstawienie isopowierzchni, która przedstawia obszary, w których panują określone warunki. W tym wypadku zdecydowałem się na przedstawienie obszarów, gdzie występuje prędkość 127 km/h. Jak widać taki obszar znajduje się w znacznej mierze za samym bolidem.
Ostatnim narzędziem umożliwiającym przedstawienie wyników, jest śledzenie trajektorii przepływu. Jest to bardzo wdzięczne narzędzie, ponieważ pozwala ono zaobserwować to, co jest bardzo ciężko zaobserwować w przypadku rzeczywistych doświadczeń.
Jak widać powstają zawirowania przy sidepodach. Tak przepływające powietrze powoduje, że auto stawia większy opór aerodynamiczny. Ponadto warto zwrócić uwagę na linie prądu na przednim skrzydle. Jest to niezmiernie ważne, ponieważ przednie skrzydło jest najważniejszym elementem styku bolidu ze strugą powietrza. To jego kształt definiuje całą koncepcję aerodynamiczną samochodu. Porządkuje on wpadające powietrze i kieruje je na inne elementy aerodynamiczne.
Tak jak widać na poniższym rysunku, linie powietrza znacząco odrywają się od samego bolidu, przez co należy wnioskować, że bolid stawia znacznie większe opory powietrza, niż powinien.
Jak widać, można wyciągnąć wiele istotny wniosków na podstawie śledzenia trajektorii przepływu. Aby móc zobaczyć te same efekty, należałoby model bolidu przetestować w tunelu aerodynamicznym, co znacznie zwiększyłoby koszty badań.
Ostatnią możliwością programu SOLIDWORKS Flow Simulation jest przedstawienie wyników liczbowych. Wartość współczynnika oporu powietrza jest równa 0.68.
Jest to wartość oczekiwana. Jednakże należy zdawać sobie sprawę, że wynik ten jest obarczony pewnym błędem. Wynika on z zastosowania zgrubnej siatki obliczeniowej, która ma bezpośredni wpływ na wartość uzyskanej siły. Użycie dokładniejszej siatki spowodowałoby znaczną zmianę wartości uzyskanej siły.
To samo dotyczy się oczywiście wszystkich pozostałych wyników. Sam kształt linii przepływów mógłby wyglądać trochę inaczej, czy też wartości ciśnień mogłyby być inne, przy zastosowaniu gęstszej siatki.
Jednakże zastosowanie tańszej siatki pozwala na zorientowanie się, czy konstruktor podąża w odpowiednim kierunku. Jest to bardzo istotne i należy zdawać sobie sprawę, że symulacje na zgrubnej siatce też są bardzo istotne.
