Meandry rozwoju aerodynamiki w historii motoryzacji są niezwykle ciekawym tematem. Aerodynamika, początkowo w niełasce firm produkujących samochody, obecnie jest jednym z ważniejszych aspektów branych pod uwagę w procesie projektowania. Decyduje o poziomie zużycia paliwa, istotnym parametrze, którym kierują się kierowcy przy kupnie samochodów osobowych. Dla samochodów sportowych problem jest bardziej skomplikowany. Współczynnik oporu aerodynamicznego decyduje o prędkości maksymalnej, ale nie o zdolności do szybkiego pokonywania zakrętów. O tym decydują inne własności aerodynamiczne. Aerodynamika w znaczącym stopniu decyduje również o bezpieczeństwie jazdy. Klasyczną metodą badania aerodynamiki pojazdu są niezwykle kosztowne badania tunelowe. Erę symulacji numerycznej opływu powietrza wokół samochodu zapoczątkował zespół Benetton. Obecnie większość producentów samochodów stosuje symulację jako narzędzie służące do optymalizacji aerodynamiki. Ich śladami podążyła ostatnio również polska firma Arrinera Automotive S.A.
Adam Piechna
Pierwszy pokaz prototypu supersamochodu Arrinera odbył się w czerwcu 2011. Od tamtej pory minęło sporo czasu i geometria nadwozia Hussarya projektu Pavlo Burkatsky’ego doczekała się szeregu zmian. Część zmian oparta została o symulacje numeryczne wykonane przez konsorcjum złożone z Politechniki Warszawskiej (wydział MEiL) i firmy SymKom (partnera firmy ANSYS w Polsce).
Rys. 1. Koncepcyjny rysunek samochodu Arrinera Hussarya
Symulacje były wykonane pod kierunkiem prof. dr hab. Janusza Piechny, a moja skromna osoba była zaangażowana w proces przygotowania geometrii i siatki numerycznej. W niniejszym artykule chciałbym przedstawić kulisy przygotowania modelu do obliczeń CFD skupiając się na aspekcie przygotowania geometrii i generacji siatki obliczeniowej.
Geometria samochodu sportowego o tak agresywnym kształcie jest niezwykle skomplikowana. Przed wykonaniem obliczeń opływu nadwozia sposób opisu jego powierzchni musi być dopasowany do wymagań jakie stawiają programy siatkujące.
Tab. 1 Porównanie strategii siatkowania
W geometrii występuje szereg powierzchni i krawędzi schodzących się względem siebie pod ostrymi kątami. Oczywiście jest to najczęściej spotykany i najbardziej komplikujący generację siatki problem (patrz: tabela 2). Na etapie analizy geometrii należy podjąć najważniejszą decyzję dotyczącą wyboru strategii siatkowania: wybór stosowanych elementów siatki obliczeniowej, jak i algorytmu siatkowania (patrz: tabela 1).
Tab. 1 Porównanie strategii siatkowania
W geometrii występuje szereg powierzchni i krawędzi schodzących się względem siebie pod ostrymi kątami. Oczywiście jest to najczęściej spotykany i najbardziej komplikujący generację siatki problem (patrz: tabela 2). Na etapie analizy geometrii należy podjąć najważniejszą decyzję dotyczącą wyboru strategii siatkowania: wybór stosowanych elementów siatki obliczeniowej, jak i algorytmu siatkowania (patrz: tabela 1).
Generacja siatki heksaedralnej przy użyciu techniki blokowania lub dekompozycji nie wchodzi w grę przy tak dużej komplikacji geometrii. Można próbować wykorzystać metodę cut-cell, jednak podjęto decyzję na zastosowanie klasycznego podejścia przetestowanego w tego typu symulacjach, a więc generację siatki tetraedralnej z warstwą przyścienną. Kolejnym etapem jest wybór algorytmu siatkowania implikujący metodykę przygotowania modelu geometrycznego. Zastosowano równolegle dwa podejścia. Pierwszym była klasyczna siatka tetraedralna generowana przy użyciu algorytmu Delanuay na odpowiednio przygotowanej geometrii samochodu z filtracją detali określonym wymiarem. Jest to czasochłonne podejście, gdyż wymaga odpowiedniego przygotowania geometrii samochodu, jednak zapewnia największą kontrolę nad jakością siatki i szczegółowością odwzorowania geometrii samochodu przez siatkę numeryczną. Jako drugie podejście wykorzystano technikę wrappingu (przy braku polski terminu-odpowiednika można zaproponować termin owijanie lub opakowanie). Posłużyła ona do szybkiej generacji siatki do pierwszych pilotowych symulacji (Rys. 2).
Rys. 2 Generacja siatki metodą wrappingu (owijania lub opakowania). Model geometryczny samochodu został przetworzony do formatu fasetowego. Kluczowe dla odwzorowania kształtu samochodu krawędzie zostały nazwane. Następnie przeprowadzono wrapping, który polega on na obłożeniu bazowej siatki trójkątów drugą siatką o określonym wymiarze lub zakresie wymiarów. W rezultacie otrzymano siatkę powierzchniową o wysokiej jakości, na podstawie której wygenerowano siatkę objętościową metodą Delanuay z warstwą przyścienną.
Rys. 2 Generacja siatki metodą wrappingu (owijania lub opakowania). Model geometryczny samochodu został przetworzony do formatu fasetowego. Kluczowe dla odwzorowania kształtu samochodu krawędzie zostały nazwane. Następnie przeprowadzono wrapping, który polega on na obłożeniu bazowej siatki trójkątów drugą siatką o określonym wymiarze lub zakresie wymiarów. W rezultacie otrzymano siatkę powierzchniową o wysokiej jakości, na podstawie której wygenerowano siatkę objętościową metodą Delanuay z warstwą przyścienną.
W wyniku symulacji numerycznej uzyskano rozkłady pól prędkości i ciśnień na - i wokoło samochodu. Na rysunku 3 przedstawiono rozkład ciśnienia przy napływie powietrza z przodu samochodu. Na rysunku 4 pokazano linie prądu przy napływie powietrza z przodu samochodu dla różnych prędkości oraz przy obecności wiatru bocznego.
Rys. 3. Rozkład współczynnika ciśnienia na powierzchni samochodu.
Na podstawie analizy przestrzennych map barwnych ciśnień i prędkości można wskazać miejsca, które obniżają doskonałość aerodynamiczną pojazdu, a następnie dokonać ich modyfikacji. Z przeprowadzonych symulacji można również uzyskać liczbowe parametry takie jak: współczynniki oporu (współczynniki doskonałości aerodynamicznej), współczynniki unoszenia (szczególnie istotne dla bezpieczeństwa jazdy przy dużych prędkościach), naciski na poszczególne osie itp.
Tab. 2 Czyszczenie i naprawa geometrii
Przeprowadzono również analizę hałasu generowanego przez przepływ powietrza. Wyniki symulacji numerycznych pozwalają na wskazanie modyfikacji pozwalających uzyskać założone własności aerodynamiczne nadwozia. Z drugiej strony, jak zawsze w tego rodzaju projektach pojawia się konflikt pomiędzy wymaganiami stawianymi przez aerodynamików a ideami projektantów.
Rys. 4. Przebieg linii prądu przy napływie powietrza od przodu pojazdu oraz przy wietrze bocznym dla różnych prędkości.
Sugestie aerodynamików muszą być dopasowane do stylistyki proponowanej przez projektanta, światowych trendów, ograniczeń konstrukcyjnych i ekonomicznych. Tym niemniej, obliczenia numeryczne opływu pozwalają na budowę szybszych, zwrotniejszych i bezpieczniejszych samochodów.
Adam Piechna
