Как проверить аэродинамику автомобиля без аэродинамической трубы

Аэродинамическую трубу заменила радуга в мониторах

В июле 2010 года, в начале работ над седаном XE, инженеры Jaguar попробовали то, что раньше не пробовали. Они не стали клеить полноразмерную модель из жесткой пены для испытаний в аэродинамической трубе. Вместо этого инженеры воспользовались научной разработкой, имя которой Computational Fluid Dynamics (CFD) или "Вычислительная гидродинамика". Вычислительная гидродинамика - это подраздел механики сплошных сред. В ней используют физические, математические, численные методы высчитывания характеристик потоковых процессов.

Как работает Computational Fluid Dynamics на компьютере

1. В компьютер закладывают условия, при которых будет использоваться автомобиль. Условия включают температуру воздуха, сопротивление покрышек, силу и направление ветра, скорость движения автомобиля, плотность воздуха, геометрию автомобиля.
2. Затем программа делает вычисления и рисует наглядную картинку с разноцветными потоками воздуха и результатами вычислений.
3. По картинке и цифровым вычислениям видно какой элемент кузова в наибольшей степени сопротивляется воздушному потоку. Дизайнер меняет рисунок кузова, и процедура повторяется.

С цифровой имитацией моделей, вместо традиционных физических прототипов из пены, удалось ускорить и удешевить работу с аэродинамическими качествами автомобиля.

История аэродинамических труб

Первую трубу в 1871 году собрал член Совета Королевского авиационного общества Великобритании Фрэнсис Гербер Уэнхем, для проверки аэродинамических свойств крыла. Вторую построил русский военный инженер В. А. Пашкевичем, для тестирования аэродинамических свойств артиллерийских снарядов. В 1901 году Братья Райт использовали трубу для подбора пропеллера нужного размера изобретая Wright Flyer. Wright Flyer - первый самолет поднявшийся в воздух на тяге двигателя с человеком внутри и сумевший приземлится. Гюстав Эйфель провел тысячи испытаний в аэродинамических трубах, которые построил на Марсовом поле и в Отее под Парижем. На основании экспериментов Г. Эйфель выдвигал гипотезы по влиянию аэродинамики на твердые тела и возможности строительства самолета тяжелее воздуха. Под Эйфелевой башней построена миниатюрная аэродинамическая труба в честь создателя.

Сегодня аэродинамические трубы — это палочка-выручалочка для автокомпаний, добивающихся экономии топлива автомобилей за счет снижения сопротивления воздуха. Успехи, достигнутые Jaguar и Tesla в испытании аэродинамических свойств автомобилей с CFD, дают сигнал, что скоро аэродинамические трубы уйдут в историю.

Когда начали применять CFD

CFD уже полвека, но применять для тестирования автомобилей ее начали только недавно за счет появления сверхмощных компьютеров. В симуляциях CFD молекулы воздуха текут по линиям тока, которые проходят над, под или через гипотетический автомобиль. Каждое изменение импульса молекулы при движении вокруг автомобиля приводит к небольшому усилию, приложенному к транспортному средству. CFD суммирует эти изменения импульса и их направления для количественной оценки общей силы нагрузки в горизонтальной плоскости (аэродинамического сопротивления), и изменений в нагрузках на колеса (аэродинамического подъема), плюс другую полезную информацию.

Jaguar и Tesla пользуются программным обеспечением PowerFLOW (PF) CFD, разработанным компанией Exa. Компания базируется с 1991 года в Бостоне и создает инструменты моделирования для разработчиков автомобилей. «Внутри» суперкомпьютера, PF передает цифровой поток воздуха по детализированной математической модели транспортного средства, чтобы измерить сопротивление машины. Помимо определения числового значения аэродинамического сопротивления и подъема, PF сочетается с другим программным обеспечением Exa, которое способно измерить уровень внутреннего и внешнего шума, связанного с воздушным потоком, эффективность охлаждения трансмиссии и компонентов шасси, хорошо ли кондиционер охлаждает кабину. О том, как компьютеры помогают избежать попадания дефектной детали в автомобиль или как прогнозируют поведение машины в краш-тесте, уже писали здесь.

CFD дает наглядное понимание того, что происходит с автомобилем, чего не видят глаза. Цветная картинка показывает инженеру, как работают общие характеристики конструкции с точки зрения коэффициентов сопротивления и подъема. Указывает ему как распределяется давление и структуры потока, лежащие в основе аэродинамики. Благодаря этому можно быстро вносить изменения и быстрей приходить к намеченной цели, чем с аэродинамической трубой.

Дополнительные возможности CFD

С помощью CFD можно посмотреть достаточно ли охлаждается трансмиссия, тормоза, соответствует ли диаметр шин нагрузкам, которые придется испытать автомобилю. Кроме аэродинамических и тепловых результатов, CFD оказался полезным для моделирования потока дождевой воды над автомобилем. Окуная машину в голографический дождь, инженеры смотрят как справляются стеклоочистители с работой, плюс определяют степень налипания грязи на кузов автомобиля при езде по бездорожью.

Как проектировали Jaguar XE c CFD

Математическую модель нового XE получили, отсканировав глиняный прототип автомобиля, созданный скульпторами. Получившийся файл содержал миллионы точек, описывающих внешние линии XE, включая шины. Математические модели двигателя, трансмиссии, подвески, тормозов и колес, добавили в описательный файл XE отдельно. Программами компьютерного проектирования дизайна (CAD) и компьютерного проектирования инженерных свойств автомобиля (CAE) оценили напряжение и деформацию цельного кузова XE, сопротивление отдельных элементов при столкновении, определили сколько будет весить готовый автомобиль. CAD и CAE также полезны для проектирования емкостей, необходимых для отливки блока двигателя, бамперов, штамповки панелей кузова. При помощи математического моделирования моделей и испытаний на компьютере, проектировка нового автомобиля сокращается на годы.

С математической моделью XE в руках, инженеры Jaguar использовали программу PF для точной прорисовки форм автомобиля с наилучшими аэродинамическими качествами. Первой значительной проблемой, с которой столкнулись разработчики был, обдув передних тормозов достаточным потоком охлаждающего воздуха. Решили задачу путем установки воздуховодов, направивших потоки ветра через облицовку кузова к суппортам и роторам.

Чтобы укрепить уверенность в полученных математических результатах, инженеры Jaguar сравнили результаты CFD с традиционными измерениями в аэродинамической трубе. Корреляция была превосходной, поэтому работу с программами Exa продолжили.

После 1200 корректировок с помощью CFD, инженеры Jaguar сократили коэффициент аэродинамического сопротивления XE до 0,26. Это лучший результат за все время существования модели. Без сверхмощных компьютеров инженерам потребовалось бы 8 миллионов вычислительных часов (что эквивалентно 8000 часам испытаний в аэродинамической трубе).

Серийный Jaguar XE выпущен 13 апреля 2015 года.

Как использовали CFD в Tesla

Инженеры Tesla Model S, обнаружили, что программа для моделирования PF полезна для изучения и улучшения воздушного потока в передних крыльях и колесных арках. Когда поток воздуха сталкивается с колесом под углом, то боковая сторона шины действует как ведро захватывающее воздух, создавая значительное сопротивление. Инженерам Tesla удалось смоделировать кузов автомобиля так чтобы встречный воздух соприкасался с передними колесами не под углом, а перпендикулярно, сокращая сопротивление. С помощь программы PF в Tesla удалось также минимизировать сопротивление и шум, возникающий внутри кабины при открытом люке и опущенных окнах.

Моделирование кузова пошло быстрее, чем при испытаниях в аэродинамической трубе, и дало больше информации. Ранняя концепция дизайна модели Tesla S имела коэффициент сопротивления 0,32. Первоначальные глобальные изменения формы кузова снизили сопротивление до 0,27, а последующие мелкие штрихи до 0,24.

Вице-президент Exa доктор Алесь Алайбегович объясняет: «Аэродинамические трубы показывают, что происходит с автомобилем при соприкосновении с потоками воздуха, сообщая коэффициент аэродинамического сопротивления. Но они не отвечают на вопрос "почему так происходит и как это изменить?". На дороге автомобили испытывают боковой ветер и турбулентность, которую туннели не могут точно смоделировать. Значит, некоторые воздушные дефлекторы и воздуховоды, разработанные в аэродинамической трубе, могут не работать на дороге. Программное обеспечение PF помогает этого избежать».

Итог

Инструменты CFD, такие как программа PF, учитывают дополнительные дорожные условия при тестировании и разработке автомобилей. В аэродинамической трубе эти условия учесть невозможно. Аэродинамические испытания в трубах и тоннелях это трудозатратно, дорого и не так эффективно, как с математической моделью в компьютере. Математическое моделирование при помощи CFD определит аэродинамическое сопротивление автомобиля, учтет погоду, покрытие дороги, размер колес, плотность воздуха, боковой ветер, наглядно покажет прорехи в аэродинамике автомобиля. Аэродинамическая труба лишь сообщит коэффициент сопротивления воздуху, а значит проиграет CFD в сухую.

Тестирование аэродинамики в компьютере помогает уменьшить сопротивление воздуху автомобилем, а значит уменьшить расход топлива, снизить себестоимость разработки за счет снижения бюджета на тестирование модели, ускорить проектировку и сборку машины.