Новости
Поиск компромисса между аэродинамикой и сопротивлением системы охлаждения автомобиля
Siemens PLM Software
Практически каждый из нас ценит красивый дизайн новой модели автомобиля. Однако, плавные черты нового автомобиля в равной степени связаны как с аэродинамической необходимостью, так и с эстетическим удовольствием.
При стандартном движении автомобиля класса седан в отсутствии трафика, 18% энергии топлива расходуется на покрытие аэродинамического сопротивления*. Исходя из того, что затрачиваемая мощность для преодоления лобового сопротивления растет пропорционально кубу скорости, чем быстрее Вы едете, тем больше топлива расходуете. (Если это кажется обманчиво низким, то потому, что процесс преобразования бензина в кинетическую энергию транспортного средства чрезвычайно неэффективен, «спасибо» второму закону термодинамики и тому факту, что энтропия - это существенная проблема).
Для увеличения запаса хода транспортного средства, хорошей идеей является уменьшение лобового сопротивления (и, как следствие, расхода топлива). Это особенно заботит водителей электрокаров, чей запас хода ограничен фиксированной емкостью батареи.
Конечно, не все затраты энергии на лобовое сопротивление безвозвратно потеряны. Часть потока воздуха умышленно направляется через решетку радиатора и под днище автомобиля для охлаждения двигателя, батареи и электроники (как следствия второго закона термодинамики). Несмотря на увеличение значения лобового сопротивления, это необходимо для повышения прочности и долговечности трансмиссии.
В течение последних лет, в условиях установившихся низких цен на нефть, индустрии поисково-разведочных работ и добычи претерпели множество значительных изменений.
Новые инструменты анализа, в совокупности с более реалистичной визуализацией, позволяют STAR-CCM+ v12.02 помочь инженерам глубже погрузиться в суть компьютерного моделирования и наполнить процесс жизнью.
В прошлом, физические тесты использовались, чтобы определить, достаточно ли аэродинамического охлаждения для отвода тепла от двигателя. Если устанавливалось, что агрегаты транспортного средства перегревались в ходе некоторых тестовых сценариев, то единственным решением было добавить бОльший теплообменник, больше вентиляторов или дополнительные воздуховоды, увеличивающие объем воздуха, проходимый через теплообменник. Приведенные выше методы имеют последствия в виде увеличения лобового сопротивления автомобиля и его массы, каждое из которых негативно влияет на расход топлива. Обычно такой тип модификаций используется на поздних этапах моделирования (когда проводится физический тест), внесение изменений в дизайн транспортного средства на данном этапе является дорогостоящим.
На сегодняшний день, физическое тестирование аэродинамики автомобиля и охлаждения практически полностью заменено на компьютерное моделирование, которое проводится на ранних этапах разработки дизайна для понимания и улучшения эффективности охлаждения подкапотного пространства. В отличие от физических тестов, компьютерное моделирование способно прогнозировать поведение автомобиля в широком диапазоне реальных условий (таких как движение в пробке или, например, буксирование в гору,). Понимая, как именно распределяется энергия в подкапотном пространстве и под днищем, инженеры-проектировщики могут максимизировать охлаждающее влияние потока воздуха, минимизируя при этом лобовое сопротивление.
Компьютерное моделирование используется для прогнозирования общего значения лобового сопротивления автомобиля, включая влияние таких элементов, как дворники и вращающиеся колеса (в том числе, протекторы шин, ободья колес и общий дизайн колес), которыми ранее пренебрегали в виду ресурсозатратности исследований. Теперь, с появлением доступных вычислительных мощностей, это стало возможным.
Совместно с исследованием дизайна, инженеры могут изучить связь между различными параметрами модели, например, для определения компромисса между общим значением лобового сопротивления и охлаждением.
Наименьшее сопротивление обычно наблюдается при закрытой решетке и без охлаждения воздухом, проходящим сквозь автомобиль. Однако, при таких условиях, двигатель или батарея могут быстрее перегреваться. Производители используют методику исследования дизайна модели для разработки динамического охлаждения, при котором решетка радиатора автоматически подстраивается под текущие условия, увеличивая расход воздуха через радиатор только в случае необходимости. Морфирование сетки используется для автоматического улучшения геометрии передней части автомобиля для обеспечения максимального потока воздуха при минимальных затратах.
Для электрокаров, достижение компромиссов в процессе проектирования может быть еще более сложной задачей, в следствии того, что для обеспечения комфорта пассажиров доступно меньшее количество энергии (в виду системы кондиционирования салона). Энергия растрачивается на поддержание комфортной температуры для каждого пассажира и водителя. Предварительное моделирование дизайна может быть выполнено связанными системами, использующими LMS Virtual.Labs Amesim. Далее, для оптимизации эффективности конфигурации и, следовательно, сокращения общего количества энергии, используемой автомобилем, моделирование системы может включать в себя такие компоненты как батареи, кабина или аэродинамика.
Благодаря возможностям проектирования, STAR-CCM+ позволяет определять наилучший дизайн быстрее. Моделирование нестационарных аэродинамических процессов помогает пользователям изучать комплексное взаимодействие с колесами. Технологии Red Cedar HEEDSTM помогают с исследованием дизайна для определения способов уменьшения затрат энергии.
*Для транспортных средств с коэффициентом лобового сопротивления Cd = 0.3 и лобовой площадью 2 м2 аэродинамическая сила равняется 330 Н при скорости 30 м/с (108 км/ч), для преодоления которой требуется порядка 10 кВт энергии. Соответственно, если экономия топлива автомобиля составляет примерно 4.7 л на 100 км, то для движения на скорости 30 м/с необходимо 60 кВт химической энергии.