Новости
Шлем Vorttice с низким сопротивлением от компаний Louis Garneau и Lx R&D
Поверхностная сетка шлема и велосипедиста
Каждый, кто когда-либо управлял велосипедом в ветреный день, подтвердит, что движение воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, сильно влияют на скорость движения велосипедиста. Возможно, велоспорт больше, чем какой-либо другой вид спорта зависит от аэродинамики; велосипедисты, одетые в обтекаемую одежду и шлемы, вынуждены принимать неудобное согнутое положение тела на велосипеде, минимизируя таким образом фронтальную поверхность и снижая воздействие потока встречного воздуха.
Эта зависимость особенно очевидна в гонках с раздельным стартом (Individual Time Trial – ITT), которые являются неотъемлемой частью триатлонных, шоссейных и трековых гонок. В ITT гонщики стартуют и едут поодиночке, стараясь преодолеть дистанцию на велосипеде за минимальное время. Поскольку минимизация сопротивления обеспечивает большую скорость движения, все велосипедисты, участвующие в велогонках на время, носят специально разработанные аэродинамические шлемы, которые направляют поток воздух вокруг головы. Без шлема голова велосипедиста представляла бы собой плохо обтекаемое тело.
Обычно для решения задач из области строительной индустрии проводится численное моделирование взаимодействия жидких и газообразных сред со строительной конструкцией.
Прототип Ле-Мана (Le Mans Prototype)Автомобили Le Mans Prototype (LMP) – самые быстрые на сегодняшний день гоночные автомобили с закрытыми колёсами, используемые в соревнованиях.
В велоспорте шлемы начали использоваться около 25 лет назад. С тех пор их разработчики находятся в постоянном поиске способов снижения сопротивления для облегчения езды велосипедиста. Однако велосипедный шлем не только должен иметь минимальное сопротивление. Он также должен обладать хорошей вентилируемостью (для защиты гонщика от перегрева при максимальных усилиях), ударостойкостью (для защиты головы гонщика при падениях и т.д.), и должен быть сделан из лёгких материалов.
Louis Garneau, одна из ведущих компаний-производителей аэродинамических товаров для велоспорта, воспользовалась средствами инженерного моделирования, чтобы создать поистине революционный шлем для гонок с раздельным стартом.
Впереди всех
Уже свыше 25 лет компания Louis Garneau является лидером по разработке и производству спортивного инвентаря. Основатель и главный исполнительный директор компании, в честь которого она и была названа – в прошлом успешный велогонщик, занимающийся велоспортом более тридцати лет и более 150 раз одерживающий победу в шоссейных и трековых гонках. Луи Гарно представлял Канаду на Олимпиаде в Лос-Анжелесе в 1984 году.
В 2002 году компания Louis Garneau выпустила шлем Prologue – первый аэродинамический шлем, который помимо аэродинамических преимуществ защищал голову от удара. До появления шлема Prologue шлемы для гонок с раздельным стартом являлись в основном простыми аэродинамическими обтекателями головы, не предполагающими никакой защиты гонщика в случае аварии. Prologue – первый аэродинамический шлем, прошедший сертификацию US CPSC по стандартам безопасности вело-шлемов. Это также означало, что Prologue был первым шлемом, который мог законно продаваться широкой общественности. И это не единичные случаи, когда компания Louis Garneau была впереди всех своих конкурентов. Два года спустя выпуска Prologue, руководящий орган велоспорта (Международный союз велосипедистов – United Cycling Institute, UCI) принял закон о том, что все шлемы, используемые в соревнованиях, должны соответствовать менее строгим европейским стандартам по безопасности вело-шлемов EN 1078.
Скорость воздуха во время движения велосипедиста
Велоспорт – это спорт, в котором каждая секунда на счету, и даже малые аэродинамические преимущества могут стать решающими в победе или поражении велогонщика. В 1989 году в Париже состоялась велогонка с раздельным стартом. Профессиональный американский велогонщик Грег Лемонд отставал от французского гонщика Лорана Финьона на 50 секунд за 24.5 км до финиша. Для большинства наблюдателей такой разрыв казался непреодолимым. Т.е. Лемонду необходимо было ехать каждый километр на две секунды быстрее, чем Финьону. В тот тёплый парижский день Лемонд был одет в специальный аэродинамический шлем и управлял специальным аэродинамическим велосипедом. В результате чего на последнем этапе гонок Лемонд отыграл 58 секунд у Финьона, ехавшего на обычном шоссейном велосипеде, и тем самым выиграл тур с финальным разрывом в 8 секунд. Последующий анализ велогонок позволил определить, что одного сопротивления от головы Финьона хватило, чтобы замедлить движение гонщика на критические восемь секунд, и Финьон проиграл гонку.
Цикл разработки
После четырёх последовательно выпущенных моделей (Prologue в 2004, Rocket в 2006, Rocket Air в 2007 и Superleggera в 2008) Louis Garneau продолжает развивать свою профессиональную линию шлемов; каждая модель была тщательно проработана с использованием традиционного подхода «проектирование-производство-испытание». Для каждой модели шлема создавалась глиняная модель, налаживалась производственная линия для изготовления прототипа шлема, выполнялись испытания в аэродинамической трубе и только после этого шлем выпускался на рынок. После создания прототипа шлема было очень сложно вносить какие-либо изменения в модель, поскольку для пере-налаживания производственной линии требовались дополнительные затраты и время. Время в велоспорте играет особо важную роль, т.к. шлемы должны быть изготовлены и поставлены заказчику вовремя, чтобы успеть к назначенным дням гонки.
Испытания в аэродинамической трубе из-за присущих им физических ограничений являются далеко не совершенным способом измерения воздушного потока, особенно внутри шлема, где располагаются вентиляционные каналы, охлаждающие голову велосипедиста, а также потока вокруг мелких элементов шлема, например, желобков на шлеме Superleggera 2008, влияние которых измерить очень сложно.
Чтобы получить наиболее полное представление об аэродинамике своего шлема, компания Louis Garneau обратилась к инжиниринг-консалтинговой фирме Lx Research & Development (Lx R&D), специализирующейся на инженерном моделировании и разработке продуктов современными инструментами инженерного моделирования, такими как STAR-CCM+ (программное обеспечение вычислительной гидродинамики от CD-adapco).
Визуализация турбулентности на шлеме
Разработка шлема Vorttice
Две компании, Lx Research & Development и Louis Garneau, объединили свои усилия для создания новой модели профессионального вело-шлема – Vorttice. Lx R&D интегрировала программное обеспечение вычислительной гидродинамики STAR-CCM+ в процесс разработки продукта. Чтобы доказать надёжность такого подхода, инженеры Lx R&D сначала рассчитали модель шлема Superleggera и представили результаты Louis Garneau. Для этого они отдельно отсканировали 3D-модель шлема Superleggera и велосипедиста, затем в условиях численной модели аэродинамической трубы Louis Garneau оба скана соединили вместе. Погрешность CFD-расчётов относительно испытаний в реальной аэродинамической трубе Louis Garneau составила 4%, что позволило судить Louis Garneau о надёжности и точности подхода Lx Research & Development.
Сразу же после расчёта шлема Superleggera Lx Research & Development и Louis Garneau приступили к разработке новой модели. На основе анализа Superleggera было предложено много идей по усовершенствованию шлема, например, уменьшение лобовой части шлема, изменение расположения воздухозаборников, добавление новых вентиляционных каналов в шлем для улучшения проходимости воздуха и охлаждаемости шлема, снижение восприимчивости шлема к углам атаки. В итоге, Lx Research & Development добавила в шлем вихре-генераторы, обычно используемые в других видах спорта, которые генерируют турбулентный поток в задней половине шлема, создавая более долгий пограничный слой и тем самым минимизируя сопротивление.
Компании могли ежедневно вносить небольшие изменения в модель, пользуясь данными по предыдущим моделям. При CFD-анализе шлема Superleggera выяснилось, что поток воздуха внутри шлема слабый. Поэтому компании изменили расположение воздухозаборников внутри шлема, и это новое расположение значительно повысило охлаждающую способность нового шлема. Каждый день (включая выходные) в течение месяца Lx Research & Development запускала на расчёт новый вариант конструкции,
используя изменённую модель шлема и сканированное тело велосипедиста при одних и тех же условиях аэродинамической трубы, прежде чем модель была оптимизирована в соответствии с требованиями Louis Garneau.
Поток воздуха, проходящий через шлем во время движения велосипедиста
CAD-модель вентиляционных каналов внутри шлема
Кроме того, компаниям удалось быстро проанализировать эффективность шлема при скоростях до 60км/ч и исследовать различные углы атаки шлема, что очень сложно проделать в реальной аэродинамической трубе, т.к. обычно велосипедист не может держать свою голову достаточно неподвижно, чтобы получить точные измерения.
Весь процесс разработки шлема занял месяц. В результате, за небольшой промежуток времени был создан превосходный шлем с минимальными затратами на процесс разработки. Кроме того, Louis Garneau получила намного больше данных и информации о своём новом шлеме из CFD-анализа, чем удалось бы собрать при испытаниях в аэродинамической трубе. Таким образом, компания имела более глубокое представление о потенциально возможных усовершенствованиях модели в будущем.
Поток воздуха вокруг шлема
Аэродинамический успех
В итоге, новый шлем Vorttice стал потрясающим успехом для компании Louis Garneau. Миранда Карфае, чемпионка мира по триатлону, протестировала на себе несколько моделей шлемов в аэродинамической трубе и среди всего множества выбрала шлем Vorttice. Свой выбор она обосновала превосходно низким сопротивлением и высокой вентилируемостью шлема. Шлем также зарекомендовал себя в гонках Tour de France как выбор гонщиков команды Europcar.
Несмотря на сложность конструкции, для итогового CFD-анализа использовалась объёмная сетка шлема и велогонщика в 10 млн. ячеек, что позволило значительно сэкономить вычислительные ресурсы. Весь процесс состоял из следующих шагов: 3D-CAD моделирование, итерации CFD/CAD, быстрое создание прототипа, испытания в аэродинамической трубе, налаживание производства. Компании Lx Research & Development удалось убрать ненужные элементы в CAD-модели с помощью инструмента замыкания поверхности (STAR-CCM+ wrapping tool), создать сетки и вывести результаты расчёта в течение одного дня, повторно используя только физические характеристики для каждого нового запуска. Затем эти результаты были предоставлены инженерам Louis Garneau для анализа и последующего процесса усовершенствования модели.
Компания Louis Garneau обратила внимание на чрезвычайно упрощённый процесс моделирования в STAR-CCM+ со значительной экономией средств и времени. Контракт между Louis Garneau и Lx R&D был обновлён для разработки следующей модели шлема. Обе компании планируют более полную интеграцию автоматизированных инструментов инженерного моделирования в процесс разработки. Программное обеспечение CFD изменило в лучшую сторону подход Louis Garneau к процессу разработки. Несомненно, конкурентам Louis Garneau также придётся поменять свои концепции разработки конечного продукта, чтобы не отставать от лидеров рынка.
