Публикации
Да здравствуют обороты!
По мере утихания страстей на Тур де Франс и пока клубы пыли еще не развеялись в Рио после Олимпийских Игр 2016, велоспорт будет присутствовать в последних сводках новостей. В отличие от других видов спорта летней Олимпиады, велоспорт является одним из двух (второй – парусный спорт), где аэородинамика напрямую влияет на результат атлетов. Например, на скорости 50 км/ч, 90% энергии спортсмен тратит на преодоление силы сопротивления воздуха. Исследования аэродинимики в области велоспорта проводятся уже на протяжении многих лет и обычно принимают одну из трех следующих форм: испытания на треке (с использованием специальных измерителей мощности установленных на велосипеде), испытания в аэродинамической трубе с использованием манекенов (для прямого измерения силы сопротивления) и расчеты c помощью CFD кодов. Последний способ начал внедряться совсем недавно, в сравнении с другими методиками, - всего около 15 лет назад.
Однако, при использовании всех этих методов, существует множество факторов, влияющих на “воспроизводимость” результатов измерений: расхождения в посадке на велосипеде, физиологические отличия гонщиков, различия используемого допооборудования, и наконец, уникальность стендов для испытания аэродинамических характеристик. Обеспечив проектирование и установку аэродинамического стенда, я могу сказать, что отношусь к нему, как к ребенку – чрезмерно опекаю и забочусь о нем! Конструкторы сознательно используют принципиальные решения, которые позволяют им контролировать все условия проведения эксперимента и, поэтому, избегать любых непредвиденных ситуаций. CFD (вычислительная
Пользовательское дерево задачи исключительно полезно, когда Ваша задача содержит сотни сборок, частей геометрии и поверхностей, которыми Вам нужно манипулировать во время рабочего процесса.
Любой кто ставил и решал CFD задачу, вероятно ссылается к данному утверждению: “В теории нет разницы между теорией и практикой. На практике разница есть.”
гидродинамика) предлагат традиционным “физическим” тестам, не лишенным недостатков, увеличить повторяемость и расширить возможности для совместного анализа течения и действующих на гонщика сил, без учета приборов измерения и фиксирующих колес. В одном из экспериментов был использован будоражущий воображение движущийся манекен. Но в ходе исследования не удалось корректно измерить силы, действующие на модель, из-за двигателя, который приводил эту конструкцию в движение. CFD коды позволяют получить представление о потоке воздуха повсеместно, в том числе и непосредственно вблизи велосипедиста. С другой стороны, лазерные измерители скорости, используемые в аеродинамической трубе, делают спортивные костюмы гонщиков прозрачными, немало смущая людей, на которых они направлены. К тому же найдется мало желающих крутить педали, будучи обвешанным датчиками измерения давления. Как правило, требуется сочетание всех трех методов для понимания, количественного описания и оценки любой задачи.
Я считаю, что одной из областей, где CFD может в полной мере раскрыть свой потенциал является полностью движущаяся модель с предписанным (заданным) движением велосипедиста. Этот новый метод появился совсем недавно, когда появилась возможность извлекать информацию с помощью программ компьютерной анимации и применять полученные данные в процессе морфинга*, а также при использовании перекрывающихся сеток* (overset mesh) в STAR-CCM+. Это новая возможность, которая ждет своих исследователей! Вооружившись этой методикой, я, ведомый любопытством, сделал шаг в неизвестность. Обладая достаточным терпением, я освоил новое программное обеспечение в области анимации и создал кейс, который насчитывает 70 миллионов ячеек и использует k-Omega SST модель турбулентности (размер ячеек в области вокруг велогонщика и в области следа за ним был равен 4 мм). В этом кейсе с помощью морфинга моделируется движение ног велосипедиста при шаге перемещения кривошипа* равном 1.5 градуса и вращении педалей и колес. В результате было получено видео, показывающее структуру потока сзади гонщика на скорости 50 км/ч для пятого и шестого оборотов кривошипа. Особый интерес вызывают следующие вопросы:
-
Как морфер может деформировать сетку вблизи бедер и нижней части живота спортсмена, для повышения реализма, в противовес способу с перекрывающимися сетками (overset mesh), использующему наборы простых эллипсоидов?
-
Как взаимодействуют между собой вихревые структуры, которые образуются при срыве ветра с плеч, рук, локтей, ног, бедер и шлема спортсмена? При типичной для велогонщика посадке на велосипеде, вихри срывающиеся с плеч и бедер, как правило, взаимодействуют друг с другом.
-
Как выглядят вихревые “завитки”, формирующиеся сзади движущихся колес в результате их вращения и наличии колесных спиц?
-
Как разрушается разделение потока позади ноги гонщика, когда его нога перемещается в верхнее положение?
-
Значение коэффициента сопротивления в ходе расчета немного изменялось, но оставалось равным примерно 0.292. Максимальное значение было больше на 20% и наблюдалось в течение короткого промежутка времени каждый раз, когда одна из ног находилась в нижнем положении и была максимально разогнута.
-
Значение коэффициента сопротивления было постоянным, поскольку движения одной ноги компенсировались движениями второй. В аналогичных условиях в ходе испытаний на треке величина коэффициента сопротивления составила 0.276, а измерения в ходе тестов в аэродинамической трубе показали значение 0.296. Обе эти величины были получены с учетом усреднения по времени.
-
Вряд ли стоит повторять, что полученные результаты сильно зависят от конкретного гонщика и его посадки на конкретном велосипеде, а также скорости движения. Хотя у меня есть гораздо больше расчетных данных для анализа, я считаю, что первый шаг к “революции” в анализе аэродинамики в велоспорте с помощью STAR-CCM+ был сделан. И похоже, что вычислительная гидродинамика стала более “человечной” после этого.
*
1. Морфинг (morphing) – тип движения в STAR-CCM+, при котором происходит перераспределение вершин ячеек в результате перемещения контрольных точек.
2. Перекрывающиеся сетки (overset mesh) – используются для дискретизации расчетного домена с несколькими разоичными сетками, которые могут “накладываться” друг на друга произвольным образом. Используются в задачах, где моделируется движение нескольких тел.
3. Кривошип (велосипедный шатун) - это рычаг, передающий усилие с педалей велосипеда на вал каретки.
