Поскольку проблема истощения запасов ископаемых видов топлива становится все острее, производители выводят на рынок более экономичные автомобили. Одним из главных факторов, влияющих на потребление топлива, является аэродинамическое сопротивление. Автомобили имеют сложную геометрическую форму, которую нелегко смоделировать, поэтому аэродинамическое сопротивление трудно определить путем вычислений. Тело Ахмеда — это стандартная модель, которая широко применяется в автомобильной промышленности для валидации средств моделирования. Форма тела Ахмеда достаточно проста для моделирования, при этом геометрически достаточно близка к корпусу автомобиля.
Зачем исследовать коэффициент сопротивления автомобилей?
Коэффициент сопротивления количественно выражает сопротивление объекта в текучей среде. Этот коэффициент не является абсолютной константой для той или иной формы тела, поскольку зависит от скорости и направления потока, формы и размеров объекта, плотности и вязкости текучей среды. Чем ниже коэффициент сопротивления объекта, тем меньше аэродинамическое или гидродинамическое сопротивление. Что касается автомобиля, то чем ниже коэффициент сопротивления, тем автомобиль экономичнее. Помимо максимальной скорости транспортного средства коэффициент сопротивления также влияет на его управляемость. Производители стремятся снизить коэффициент сопротивления, однако существенное его снижение уменьшает прижимную силу и может привести к потере сцепления с дорогой, что повышает риск автомобильных аварий.
Большинство автомобилей имеет средний коэффициент сопротивления в диапазоне 0,30—0,35. Автомобили с кузовом угловатой формы имеют более высокий коэффициент сопротивления: например, для HUMMER® H2 он равен 0,57. У более обтекаемых и маневренных автомобилей этот коэффициент ниже: например, у Mercedes-Benz® C-Class® — всего 0,24. С другой стороны, это всего лишь усредненные замеры. Точный коэффициент сопротивления автомобиля зависит от числа Рейнольдса и множества других факторов.
Существуют определенные способы доработки автомобиля для оптимизации его аэродинамики и уменьшения коэффициента сопротивления. Для придания большей обтекаемости внешней поверхности автомобиля можно удалить некоторые дополнительные элементы, такие как верхний багажник, брызговики, спойлеры и радиоантенну. Профессиональные автогонщики также снимают стеклоочистители и боковые зеркала заднего вида, но простым водителям пример с них брать не стоит! Чтобы снизить коэффициент сопротивления и заодно выделиться на фоне остальных автомобилей, можно также установить колесные колпаки, полузакрытую решетку радиатора, защиту картера, обтекаемые крылья и модифицированный передний бампер.
Что такое тело Ахмеда?
Тело Ахмеда было впервые создано С. Р. Ахмедом в рамках работы “Some Salient Features of the Time-Averaged Ground Vehicle Wake” («Некоторые характерные признаки усредненного по времени аэродинамического следа наземного транспортного средства») в 1984 году. С тех пор оно стало стандартом для средств аэродинамического моделирования. Простая геометрическая форма имеет длину 1,044 м, высоту 0,288 м и ширину 0,389 м. К днищу тела прикреплены цилиндрические ножки длиной 0,5 м, а его задняя поверхность скошена под углом 40 градусов.
Моделируем обтекание тела Ахмеда воздушным потоком
В верификационной модели Обтекание тела Ахмеда воздушным потоком наше тело Ахмеда имеет скос под углом 25 градусов и помещено в область размерами 8,352 х 2,088 х 2,088 м для расчета поля обтекания.
Передняя часть тела помещается на расстояние в две длины автомобиля (2L) от плоскости входа потока. Для снижения объема вычислений вводится плоскость симметрии, позволяющая рассчитывать только половину модели.
Поток для данной модели является турбулентным, что определяется числом Рейнольдса для данной длины тела и входной скорости. При моделировании помимо поля скоростей определяется кинетическая энергия турбулентности. В данном случае нам требуется сетка с более крупным размером ячеек, чем обычно используется для анализа турбулентного потока. Точнее мы используем более мелкую сетку ближе к выходу потока, чтобы точнее описать зону аэродинамического следа.
Поток для данной модели является турбулентным, что определяется числом Рейнольдса для данной длины тела и входной скорости. При моделировании помимо поля скоростей и давлений вычисляется кинетическая энергия турбулентности и рассеивание энергии.
Результаты
Ключевой искомой величиной для данной модели является коэффициент полного сопротивления тела Ахмеда. Этот коэффициент складывается из измерений коэффициента давления спереди, на скосе, в основании тела, а также поверхностного трения тела. Результаты моделирования показывают, что полный коэффициент сопротивления удается предсказать достаточно хорошо, однако отдельные измерения в той или иной мере отличаются от экспериментальных результатов.
Эти отклонения объясняются целым рядом факторов. Для передней части и крыши тела функции стенок, которые используются при моделировании, не позволяют эффективно прогнозировать переход ламинарного течения в турбулентное, наблюдаемый в ходе экспериментов.
Что касается данных для скошенной части, на рисунке ниже приведены линии тока у поверхности скоса. Толщина этих линий определяется кинетической энергией турбулентности.
Для экспериментальных данных линии показывают, что поток движется безотрывно вдоль скоса почти по всей его поверхности, а за телом образуются две небольшие зоны рециркуляции. В результатах моделирования этот эффект зафиксирован, однако протяженность зон рециркуляции завышена.
Коэффициент сопротивления в зоне скоса очень чувствителен к точной форме и расположению зон рециркуляции, что и приводит к отклонению при измерениях.
Хотя количественные данные не совпадают, в качественном отношении они соответствуют результатам экспериментов, поскольку коэффициенты полного сопротивления очень близки. Для небольшого ряда параметров имеются отдельные отклонения, однако модель хорошо описывает основные характеристики обтекания тела Ахмеда воздушным потоком. Эта модель хорошо подходит для расчета коэффициента полного сопротивления.
Верификационная модель: Обтекание тела Ахмеда воздушным потоком
* HUMMER — зарегистрированная торговая марка компании General Motors LLC.
* Mercedes-Benz и C-Class — зарегистрированные торговые марки корпорации Daimler AG.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol #автомобили