Проектирование, рациональная оптимизация и численное моделирование (CFD-анализ) и оценка эффективности работы устройства для снижения аэродинамического сопротивления тягача с трейлером (2007 г.)
Область компетенции:
Отрасли промышленности:
|
|
Ключевые слова | Грузоперевозки, тягач, трейлер, внешняя аэродинамика, обтекание воздушным потоком (streaming), вихрегенераторы, проектирование, рациональная оптимизация, CFD-анализ, аэродинамическое сопротивление, снижение аэродинамического сопротивления, экономия топлива при грузоперевозках; метод конечных объемов, DHP*C - Distributive High Productivity Computing на основе CompMechLab-концепции, 26 млн ячеек |
Программное обеспечение | ANSYS ICEM CFD, ANSYS/CFX Parallel |
Период проведения | 2007 г. |
Лабораторией «Вычислительная механика» (CompMechLab) СПбГПУ в 2007 году были выполнены многовариантные расчеты пространственного обтекания грузового автомобиля с прицепом (типа Mercedes Actros) с целью исследования эффективности работы специальных устройств (вихрегенераторов), предназначенных для снижения аэродинамического сопротивления.
В работе была построена пространственная геометрическая модель тягача и трейлера с установленными на боковой поверхности обтекателей вихрегенераторами.
Рис. 1. Пространственная геометрическая модель тягача и трейлера с установленными на обтекателях вихрегенераторами
Вихрегенератор представляет собой элемент со сложной геометрической формой, при проектировании которого используется до 10-ти параметров конструирования, численные значения которых определяются в результате рациональной оптимизации на основе многовариантного CFD-анализа.
Вихрегенератор затем крепится на поверхности традиционного обтекателя (возможные варианты реализации - склейка, штамповка).
Рис. 2. Геометрическая модель и принцип работы вихрегенератора
Основной целью применения подобного устройства является создание направленных в сторону прицепа вихрей, создающих "преграду" для проникания потоков воздуха при обтекании автомобиля в "зазор" между кабиной тягача и трейлером.
Для выполнения CFD-анализа с помощью сеточного генератора ANSYS ICEM CFD была построена конечно-объемная модель (применен метод конечных объемов) воздушного пространства, окружающего трейлер с прицепом.
Конечно-объемная модель содержит примерно 26 миллионов ячеек. В расчетах была использована SST-модель турбулентности.
Расчет проводился при помощи многопроцессорной версии программной системы численного моделирования, предназначенной для решения задач гидро-/ аэро-/газо- динамики, - ANSYS/CFX.
Все расчеты были выполнны в рамках CompMechLab CAD/FEA/CFD/CAE–DHP*C–среды распределенных вычислений, основанной на проблемно-ориентированных специально генерируемых и произвольно масштабируемых вычислительных кластерах, построенных с помощью распределенных неоднородных вычислительных и телекоммуникационных ресурсов и являющуюся оптимальной по критерию “цена – качество”.
Рис. 3. Фрагменты конечно-объемной модели на поверхности обтекаемых тел
(общее число конечных объемов ~ 26 млн ячеек)
В рамках проведенных исследований кроме рациональной оптимизации формы вихрегенератора были выполнены следующие серии расчетов:
1. Численное моделирование лобового обтекания грузового автомобиля с прицепом потоком воздуха и исследование влияния установленных вихрегенераторов на общее аэродинамическое сопротивление
Рис. 4. Лобовое обтекание
2. Численное моделирование бокового обтекания грузового автомобиля с прицепом потоком воздуха и исследование влияния установленных вихрегенераторов на общее аэродинамическое сопротивление
Рис. 5. Боковое обтекание
Проведенные расчеты показали, что использование спроектированных вихрегенераторов эффективно как при лобовом, так и при боковом обтекании тягача с трейлером воздушным потоком.
Так, например, при боковом обтекании тягача с трейлером уменьшение аэродинамического сопротивления может достигать ~10%.
Проведенные за рубежом экспериментальные исследования подтвердили результаты CFD-анализа, выполненного в CompMechLab.