CFD-Simulation des Luftwiderstandes: Fortschrittliche Berechnungen zur Verbesserung der Aerodynamik
Einleitung....
Die Auswirkungen von Wärmefahnen außerhalb des Gebäudes sind aufgrund der verschiedenen Variablen, die Planungsingenieure und Architekten nicht kontrollieren können, schwer vorherzusagen . Zu diesen Variablen gehören die Windgeschwindigkeit, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die Windrichtung und andere Aktivitäten rund um das Gebäude. Diese Phänomene wirken sich jedoch auf die Leistung von Geräten aus, die im Freien positioniert sind.
EOLIOS begleitet Sie bei der Untersuchung der Auswirkungen dieser Problematik, um einen optimalen Betrieb unter allen Umständen, auch unter den extremsten, zu gewährleisten.
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Was ist ein Schleppnetz?
Definitionen
DerLuftwiderstand ist eine Widerstandskraft, die der Bewegung eines Objekts entgegenwirkt, wenn es sich in einer Flüssigkeit wieLuft oderWasser bewegt.
Er wird durch dieWechselwirkung zwischen dem Objekt und der Flüssigkeit erzeugt und tritt als Flüssigkeitsreibungs- und Druckkraft auf.
Der Luftwiderstand wird in der Regel in Newton (N) ausgedrückt und oft mit Hilfe einer Größe quantifiziert, die als Luftwiderstandskoeffizient bezeichnet wird.
DieVerwendung des Luftwiderstandskoeffizienten reicht Jahrhunderte zurück, mit den ersten Beobachtungen und Bemühungen, die Widerstandskräfte im aerodynamischen Kontext zu verstehen.
Jahrhundert begannen Wissenschaftler wie George Gabriel Stokes, das Konzept zu formalisieren und mathematische Theorien zur Quantifizierung des Luftwiderstandes zu entwickeln. Seitdem haben die Forschung und der Fortschritt im Bereich desLuftwiderstandes eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Bereichen wie derLuftfahrt, demAutomobilbau, dem Gebäudedesign und verschiedenen sportlichen Aktivitäten gespielt.
Kurz gesagt ist der Luftwiderstand eine Widerstandskraft, die bei der Bewegung eines Objekts in einer Flüssigkeit auftritt.
Der Luftwiderstand wird durch den Luftwiderstandskoeffizienten quantifiziert.
Das Verständnis und die Beherrschung des Luftwiderstands ist daher entscheidend für die Optimierung der Leistung,Effizienz und Sicherheit von Objekten, die sich bewegen oder sich in einer Flüssigkeitsströmung befinden.
Die Bedeutung des Luftwiderstandsbeiwerts
Der Luftwiderstandskoeffizient ist ein Maß , mit dem der Widerstand der Luft oder einer Flüssigkeit gegen die Bewegung eines Objekts quantifiziert werden kann. Sie spielt eine Schlüsselrolle in vielen Bereichen, wie z.B. in derLuftfahrt, imAutomobilbau, bei Gleitsportarten und sogar in derArchitektur von Gebäuden. Das Verständnis und die Beherrschung dieser Widerstandskraft ist entscheidend für die Optimierung der Leistung undEffizienz vieler Anwendungen.
In derLuftfahrt beispielsweise ist die Verringerung desLuftwiderstandes ein wichtiges Anliegen.
Durch die Minimierung des Luftwiderstandes können Ingenieure die Geschwindigkeit und dieEnergieeffizienz von Flugzeugen erhöhen, den Treibstoffverbrauch senken und die Reichweite verbessern.
Auch bei derVerbesserung des Auftriebs vonFlugzeugen wurden Fortschritte erzielt,aufdie wir im weiteren Verlauf des Artikels eingehen werden.
Dies hat zu bedeutenden Fortschritten bei der Konstruktion von Flugzeugflügeln geführt.
DieAutomobilindustrie versucht ebenfalls, diesen Luftwiderstand zu minimieren , um den Energieverbrauch der Autos zu senken und damit die Reichweite zu erhöhen.
Dieses Problem ist mit demAufkommen von Elektrofahrzeugen nochaktueller geworden.
Der Motorsport (wie die Formel 1) versucht, die Aerodynamik zu maximieren, um die Straßenlage, die Stabilität und die Leistung der Rennwagen zu verbessern.
Auch bei Gleitsportarten wie Alpinski, Snowboarding und sogar beim Radfahren ermöglicht die Verringerung des Luftwiderstandeshöhere Geschwindigkeiten, da die Widerstandskräfte minimiert und die Luftdurchdringung optimiert werden.
Dies führt zu Fortschritten bei der Entwicklung von Fahrradhelmen und anderen Sportgeräten, um den Luftwiderstand zu minimieren und die Leistung des Sportlers zu maximieren.
DieArchitektur von Gebäuden wird ebenfalls von den Prinzipien des Luftwiderstandes beeinflusst.
Durch den Entwurf aerodynamischer Strukturen können Architekten die durch starke Winde ausgeübten Kräfte reduzieren und so die Sicherheit und Stabilität von Bauwerken (z.B. Brücken ) verbessern.
Der Luftwiderstandskoeffizient ist daher ein entscheidendes Maß in vielen Bereichen, in denen eine Interaktion zwischeneinem Objekt und einer Flüssigkeit erforderlich ist. Das Verständnis und die Beherrschung dieser Widerstandskräfte ist entscheidend für die Optimierung der Leistung,Effizienz und Sicherheit vieler aerodynamischer Anwendungen.
Berechnung des Luftwiderstandsbeiwertes
Definition
Die Luftwiderstandskraft, die mit D (Drag) bezeichnet wird, ergibt sich aus der folgenden Formel: D = ½ρCxSv²
In welchem :
- ρ ist die Dichte der Flüssigkeit,
- v ist die relative Geschwindigkeit zwischen dem untersuchten Objekt und der Flüssigkeit,
- S ist die Bezugsfläche des Objekts, d.h. die Projektion des Objekts auf eine Ebene senkrecht zur Hauptrichtung der Strömung,
- Cx ist der Luftwiderstandskoeffizient (manchmal auch als C_D bezeichnet).
Diese Kraft hängt also von den Eigenschaften der Flüssigkeit (Dichte), desObjekts ( Form und Rauheit) und der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Flüssigkeit ab.
Der Luftwiderstandskoeffizient Cx ist eine Größe , mit der sich der aerodynamische Widerstand eines Objekts in einem sich bewegenden Fluid genau quantifizieren lässt.
Er wird ermittelt, indem die vom Objekt erlittene Widerstandskraft zum dynamischen Druck und zur entsprechenden Bezugsfläche in Beziehung gesetzt wird: Cx = 2D/ρSv².
Es ist zu beachten, dass der Luftwiderstandskoeffizient keine konstante Größe ist, sondern von den Eigenschaften des strömenden Mediums, der Form des Objekts und der Rauheit der Oberfläche abhängt.
Weiterhin zeigen wir, dass der Koeffizient C_D von der Reynolds-Zahl abhängt.
Hinweis: Der Auftriebskoeffizient (oder in einigen Fällen derStützkoeffizient ) wird auf die gleiche Weise definiert: F_L = ½ ρ C_L S v²
In dieser Formel :
- ρ ist die Dichte der Flüssigkeit,
- v ist die relative Geschwindigkeit zwischen dem untersuchten Objekt und der Flüssigkeit,
- S ist die Bezugsfläche des Objekts, d.h. die Projektion des Objekts auf eine Ebene senkrecht zur Hauptrichtung der Strömung,
- C_L ist der Auftriebskoeffizient(L für Lift ).
In manchen Fällen spricht man auch von Auftrieb(F_L > 0) oder Auflagerkraft(F_L < 0).
Luftwiderstandsbeiwert und Reynolds-Zahl
Die Reynolds-Zahl (Re) ist eine dimensionslose Größe, die das Fließverhalten einer Flüssigkeit charakterisiert.
Sie wird berechnet, indem das Produkt aus der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, der charakteristischen Länge (z.B. Durchmesser eines Zylinders) und der Dichte der Flüssigkeit durch ihre kinematische Viskosität dividiert wird:
Re = ρvL/μ
Wo :
- v ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit,
- L ist die charakteristische Länge,
- ρ ist die Dichte der Flüssigkeit,
- μ ist die kinematische Viskosität der Flüssigkeit.
Die Reynolds-Zahl bestimmt, ob es sich um eine laminare(niedrigeRe) oder turbulente(hohe Re) Strömung handelt.
Eine laminare Strömung hat eine niedrige Reynolds-Zahl, was bedeutet, dass sich die Flüssigkeitsteilchen in regelmäßigen und geordneten Schichten um das Objekt herum bewegen.
Im Gegensatz dazu ist eine turbulente Strömung durch eine hohe Reynolds-Zahl gekennzeichnet, bei der sich die Flüssigkeitsteilchen in chaotischen und unregelmäßigen Schichten bewegen.
Wir zeigen, dass der Luftwiderstandskoeffizient von der Reynolds-Zahl abhängt.
Nehmen wir als Beispiel ein Objekt mit einer einfachen Geometrie.
Am Beispiel einer glatten Kugel (rote Kurve in der Abbildung unten) sehen wir zunächst, dass der Luftwiderstandsbeiwert(Cx) mit steigender Reynoldszahl abnimmt und sich dann bei einem etwa konstanten Wert einpendelt.
Es gibt einen kleineren Bereich bei hohen Reynoldszahlen, in dem der Cx abfällt und dann wieder ansteigt , um erneut einen ungefähr konstanten Wert zu erreichen.
Dieses Phänomen wird als Schleppkrise bezeichnet und markiert den Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung.
Genauer gesagt ist dies mit einem späteren Abheben der Grenzschicht von der Oberfläche des Objekts verbunden.
Nehmen wir das Beispiel des Golfballs: Die Dellen auf der Oberfläche des Balls begünstigen den Übergang zur Turbulenz und ermöglichen eine Neubildung der Grenzschicht.
Bei einem Reynolds zwischen 10⁴ und 10⁵ bringt dies den Golfball in den Bereich der Schleppkrise, wie die Kurve anzeigt, und ermöglicht es dem Ball daher, größere Entfernungen zurückzulegen.
Einfluss der Form eines Körpers auf den Luftwiderstand
Die Form eines Körpers hat einen großen Einfluss auf die auf ihn ausgeübte Luftwiderstandskraft.
Objekte mit einer stromlinienförmigen oder aerodynamischen Form, wie Flugzeuge oder Rennwagen, haben in der Regel einen niedrigeren Luftwiderstandskoeffizienten.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Fläche, auf der die Luft mit dem Objekt in Berührung kommt, kleiner ist und eine glattere und laminarere Luftströmung auf der Oberfläche des Objekts erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu haben Objekte mit einer flacheren oder eckigeren Form, wie die meisten LKWs oder Gebäude, im Allgemeinen einen höheren Luftwiderstandskoeffizienten.
Diese Formen erzeugen mehr Turbulenzen und Luftwirbel, was den Strömungswiderstand und den Luftwiderstand erhöht.
Aerodynamik von Fahrzeugen
Begriff der Grenzschicht
Die Grenzschicht ist ein dünner Bereich in der Nähe der Oberfläche eines Objekts, in dem die Auswirkungen der Viskosität der Flüssigkeit wichtig werden.
Mit anderen Worten, es ist ein Bereich, in dem die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Nähe der Oberfläche des Objekts aufgrund der Reibung mit dieser Oberfläche verlangsamt wird.
Sie spielt eine entscheidende Rolle bei vielen Strömungsphänomenen, insbesondere beim Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung und bei der Bildung von Kielwasser hinter sich bewegenden Objekten.
Das Konzept der Grenzschicht, das 1905 von Ludwig Prandtl entwickelt wurde, muss an verschiedene praktische Situationen angepasst werden, insbesondere wennturbulente Strömungen vor einem Körper oder in der Grenzschicht auftreten.
Diese Bedingungen führen zu einer erheblichen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeitsprofile mit dem Auftreten einer turbulenten Grenzschicht.
Wenn feste Körper schlecht profiliert sind, kann es außerdem zum Abheben der Grenzschichten kommen, was zu einem turbulenten Sog stromabwärts des Körpers führt.
In diesen Szenarien verhält sich dieresultierende Strömung nicht mehr wie ein perfektes Fluid, was zu einer erheblichen Zunahme der Energiedissipation und des Luftwiderstandes auf den Körper führt.
Flugzeugflügel - Grenzschichtkontrolle
Die wichtigste aerodynamische Kraft für einen Flugzeugflügel ist die Auftriebskraft.
Diese Kraft wird durch den Magnus-Effekt erzeugt, der durch die Zirkulation der Geschwindigkeit um den Flügel entsteht.
Um das Flugzeug in der Luft zu halten, muss die Auftriebskraft(F_L oder L für Lift ) das Gewicht des Flugzeugs kompensieren.
Diese Kraft wächst proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit(v) und nimmt linear mit demAnstellwinkel(α) zu, wenn dieser klein ist.
Wir zeigen, dass die Auftriebskraft für einen Flugzeugflügel in der Größenordnung von :
F_L ∼ ρ b l v² sinα
Wo :
- ρ ist die Dichte der Flüssigkeit,
- b ist dieSpannweite des Flügels,
- l ist die Sehne des Flügels,
- v ist die Geschwindigkeit des Flügels in der Luft (also die Geschwindigkeit des Flugzeugs),
- α ist derEinfallswinkel.
Es ist zu erkennen, dass mit zunehmendemWinkel α der Auftrieb zunimmt.
Das ist dergewünschte Effekt bei einem Flügel.
Wenn α jedoch zu stark ansteigt und einen kritischen Wert α_c erreicht, tritt das Phänomen des Strömungsabrisses auf: der Auftrieb nimmt stark ab und die obige Formel ist daher nicht mehr gültig.
Sie sollte daher insbesondere in derzivilen Luftfahrt vermieden werden.
Zwei gängige Ansätze zur Verbesserung der Leistung von Flügeln sind die Erhöhung des kritischen Anstellwinkels durch die Verwendung von Vorflügeln an der Vorderkante und die Erhöhung des Auftriebskoeffizienten bei einem gegebenen Anstellwinkel durch die Verwendung von Klappen an der Hinterkante.
-
Die Vorderkantenschnäbel vergrößern denkritischen Anstellwinkel, indem sie die Grenzschicht auf derOberseite durchEinblasen von tangentialer Luft von derUnterseite reaktivieren und so die Wirkung des umgekehrten Druckgradienten bei hohem Anstellwinkel verringern.
- Hinterkantenklappen erhöhen die Zirkulation um das Flügelprofil, was zu einer Erhöhung des Auftriebs in Abhängigkeit von einem bestimmten Anstellwinkel führt.
Bei großen Flugzeugen können diese Klappen in Reiheeingesetzt werden , um den Auftrieb beim Start und bei derLandung zu erhöhen.
Sie reaktivieren die Grenzschicht auf der Unterseite und bewirken eine starke Abwärtsbewegung der Strömungsgeschwindigkeit, was den Auftrieb und die Zirkulation erhöht.
Fall von Landfahrzeugen
Herausforderungen
Bei Landfahrzeugen ist die Minimierung des Luftwiderstandes ein entscheidendes Ziel für die Verbesserung derEnergieeffizienz von Fahrzeugen.
Der Luftwiderstand wird hauptsächlich durch den Druckunterschied zwischenVorder- und Hinterteil des Fahrzeugs erzeugt, wenn es sich durch die Luft bewegt.
Im Gegensatz zu Flugzeugen, bei denen die Reibung mit der Luft den größten Beitrag zum Luftwiderstand leistet, spielt bei Landfahrzeugen wie Autos der Druck eine vorherrschende Rolle.
CFD-Simulation der thermo-lufttechnischen Effekte einer Industrie in einem städtischen Gebiet
Ein wichtiges Merkmal von Autos ist, dass die Auftriebskraft nach unten gerichtet sein muss, um eine gute Haftung der Reifen auf der Straße zu erhalten.
Dies trägt zu einer besseren Straßenlage bei, aber es ist auch entscheidend, dass der Auftrieb nicht zu stark ist, da dies zu vorzeitigem Verschleiß der Reifen und zu übermäßiger Reibung führen kann. Die richtige Balance zwischen der Reduzierung des Luftwiderstandes und der Aufrechterhaltung eines ausreichenden Auftriebs, um die Sicherheit und Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten, ist daher eine Herausforderung für die Automobilingenieure.
Verringerung des Luftwiderstandes
Die Bemühungen, den Luftwiderstand zu reduzieren, konzentrieren sich insbesondere auf das Design von aerodynamischeren Karosserieformen.
Im Laufe der Jahre ist es den Automobilherstellern gelungen, den Luftwiderstandsbeiwert(C_x oder C_D) von über 0,5 bei älteren Autos auf unter 0,3 bei modernen Fahrzeugen zu senken.
Diese Reduzierung des C_D trägt zur Verbesserung derKraftstoffeffizienz von Fahrzeugen bei, indem sie den Luftwiderstand verringert, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.
Die Reduzierung des Luftwiderstandes muss jedoch mit anderen Designanforderungen, wie z.B. derBewohnbarkeit des Fahrzeugs, in Einklang gebracht werden.
Beispielsweise könnten bestimmte Karosserieformen, die den Luftwiderstand weiter reduzieren könnten, denInnenraum oder die Sicht für den Fahrer beeinträchtigen, was Kompromisse bei der Konstruktion erfordert.
Ein großer Teil des Luftwiderstands wird amHeck des Fahrzeugs erzeugt, wo komplexe Phänomene wie Grenzschichtabhebungen und Wirbelbildung den Luftwiderstand beeinflussen.
Ingenieure verwenden Standardmodelle wie den Ahmed-Körper, um diese Phänomene zu modellieren und die Auswirkungen verschiedener Designparameter, wie denWinkel der Heckscheibe, auf den Luftwiderstand zu untersuchen.
Studien über die Aerodynamik von Fahrzeugen haben gezeigt, dass der Luftwiderstand nicht monoton mit demNeigungswinkel variiert.
So kann beispielsweise bei kleinen Winkeln der Beitrag der Querzirkulation reduziert werden, während die Wirkung der axialen Wirbel verstärkt wird.
Dies unterstreicht die Komplexität der Aerodynamik von Fahrzeugen und die Notwendigkeit, eine Vielzahl von Faktoren bei der Konstruktion zu berücksichtigen, um die Gesamtleistung zu optimieren.
Schließlich ist es entscheidend, einen ausreichenden negativen Auftrieb aufrechtzuerhalten, um eine gute Straßenlage zu gewährleisten, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten.
Dies gewährleistet einen ausreichenden Reifendruck auf der Straße für eine optimale Bodenhaftung.
Daher müssen die Automobilhersteller ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Reduzierung des Luftwiderstands und der Aufrechterhaltung der Stabilität und Sicherheit des Fahrzeugs bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Fahrbedingungen finden.
Für Rennwagen wie die Formel 1, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 250 km/h fahren, werden Systeme zur Verbesserung desaerodynamischen Abtriebs eingesetzt, wie z.B. Querruder.
Es ist jedoch zu beachten, dass diese Systeme den Luftwiderstand erhöhen.
Aktive oder passive Kontrolle des Luftwiderstandes oder des Auftriebs
Aerodynamische Verbesserungen, wie z.B.Dachspoiler bei LKWs oder Änderungen an der Form der Spiegel, können den Luftwiderstand passiv, ohne Energiezufuhr, reduzieren.
Bei der aktiven Steuerung wird die Aktion in Echtzeit an die Strömungsbedingungen angepasst, entweder manuell durch den Piloten in einem offenen Regelkreis oder automatisch durch einen Computer in einem geschlossenen Regelkreis.
Um beispielsweise die Ablösung von Grenzschichten zu verhindern, kann Luft in der Nähe der Wand angesaugt oder eingeblasen werden, um eine stabile Strömung aufrechtzuerhalten, obwohl dies zusätzliche Leistung erfordert und in der Praxis kaum genutzt wird.
Die reaktive Steuerung mit geschlossenem Regelkreis, die sich noch in der Forschungsphase befindet, beinhaltet Geräte wie motorisierte Wirbelgeneratoren zur Verringerung des Luftwiderstands und zeigt damit potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Luftfahrt.
Berechnung des Luftwiderstandsbeiwertes in CFD-Simulationen
Vorteile der CFD-Simulation
Die Verwendung der numerischen Strömungsdynamik (CFD) bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Windkanaltests.
Zunächst einmal ermöglicht CFD die Durchführung virtueller Simulationen, wodurch die Kosten und der Zeitaufwand für den Bau und den Betrieb physischer Windkanäle vermieden werden.
Windkanaltests erfordern spezielle Einrichtungen mit teuren Modellen und präzisen Messgeräten.
CFD hingegen wird auf Computern durchgeführt, was die Kosten und den Zeitaufwand erheblich reduziert.
Zweitens ermöglicht CFD eine größere Flexibilität bei der Gestaltung und den Studienparametern.
Es ist einfacher, die Geometrie des Objekts, die Strömungsbedingungen oder die Fluideigenschaften in einer CFD-Simulation zu ändern als in einem realen Windkanal.
Dies ermöglicht eine größere Anzahl von Szenarien und die Erforschung verschiedener Konfigurationen, was zu einer effizienterenOptimierung des Designs führt.
Darüber hinaus bietet die CFD eine bessere Visualisierung und eine detailliertere Analyse der Ergebnisse.
Die numerische Simulation ermöglichtdie Visualisierung von Strömungslinien, Turbulenzzonen, Druckgradienten usw. und liefert damit detaillierte Informationen über die Strömung in und um das untersuchte Objekt.
Dies ermöglicht ein besseres Verständnis der aerodynamischen Phänomene unddie Identifizierung von Bereichen, in denen Verbesserungen möglich sind.
Schließlich kann mit CFDein breiteres Spektrum an Strömungsbedingungenuntersucht werden.
Während Windkanaltests durch die Kapazität der Ausrüstung und die Bedingungen der Umgebungsluft begrenzt sind, können mit CFD extreme Bedingungen, hohe Geschwindigkeiten, unterschiedliche Temperaturen usw. simuliert werden.
Dies bietet eine größere Flexibilität, um die Leistung des Objekts unter realen Bedingungen zu testen und zu validieren, was Eolios in der Lage ist zu tun.
Bestimmung der aerodynamischen Koeffizienten
Um den Luftwiderstandskoeffizienten (und den Auftriebskoeffizienten) zu bestimmen, sei es durch CFD-Simulation oder durch experimentelle Methoden, müssen Sie die Druckverteilung über die Körperoberfläche verstehen.
Die viskosen Scherkräfte müssen ebenfalls überdie gesamte Oberfläche des untersuchten Objekts berücksichtigt werden.
Dies hilft bei der Optimierung der Leistung in Bezug auf Auftrieb oderUnterstützung, Luftwiderstand und Stabilität.
Durch die Integration der Druckverteilung auf der Oberfläche des Objekts können wir auf die Luftwiderstandskraft und den Luftwiderstandskoeffizienten des Objekts zurückgreifen.
Durch den Einsatz von CFD-Software kann der Wert der aerodynamischen Koeffizienten direkt nach der Simulation vorhergesagt werden.
Die Bestimmung der aerodynamischen Koeffizienten ist ein entscheidender Schritt bei der Konstruktion undOptimierung eines jeden Objekts, das aerodynamischen Kräften ausgesetzt ist.
Diese Informationen helfen,die Leistung in Bezug auf Luftwiderstand, Auftrieb und Stabilität zuverbessern und sind in vielen Bereichen wie derLuftfahrt, demAutomobilbau und dem Sport von entscheidender Bedeutung.
CFD-Simulation einer Formel 1
Kontext
Die Aerodynamik spielt eine entscheidende Rolle bei der Leistung von Formel-1-Autos, bei denen jede Millisekunde im Wettbewerb zählt.
Ein aerodynamisch gut gestaltetes Auto kann einen hohen Abtrieb erzeugen, was dieHaftung der Reifen verbessert und höhere Kurvengeschwindigkeiten ermöglicht.
Außerdem kann das Auto durch die Reduzierung des aerodynamischen Widerstands höhere Spitzengeschwindigkeiten auf den Geraden erreichen, was die Gesamtleistung verbessert.
In diesem Zusammenhang ist die CFD-Simulation zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Formel-1-Teams geworden.
CFD ermöglicht es den Ingenieuren, das Verhalten des Luftstroms um das Auto herum numerisch zu modellieren, wobei Parameter wie Geschwindigkeit, Druck und Turbulenz berücksichtigt werden.
Diese genaue und detaillierte Modellierung liefert entscheidende Informationen darüber, wie sich verschiedene aerodynamische Konfigurationen auf die Leistung des Fahrzeugs auswirken.
Die Simulation liefert genaue Werte für die aerodynamischen Koeffizienten und die Kräfte, die auf das Auto einwirken.
In diesem Zusammenhang führte Eolios Simulationen an einem Formel 1 Wagen durch, um die Werte dieser aerodynamischen Koeffizienten zu bestimmen und die Phänomene aufzuzeigen, die für die verschiedenen Kräfte, die auf das Auto einwirken, verantwortlich sind.
Geschwindigkeitsfeld
In den obigen Abbildungen ist dieHauptbeobachtung, dass die Anwesenheit des Autos das umgebende Geschwindigkeitsfeld erheblich stört.
Diese Störung ist vor allemhinter dem Auto bemerkenswert, wo das Geschwindigkeitsfeld als„stark gestört und ungeordnet“ beschrieben wird, was typisch für eine turbulente Strömung ist.
Turbulente Strömungen zeichnen sich durch ihre Unregelmäßigkeit und Komplexität aus, die sich aus der Bildung von Wirbeln, Druckschwankungen und chaotischen Bewegungen von Flüssigkeitsteilchen ergeben.
Im Zusammenhang mit fahrenden Fahrzeugen kann turbulente Strömung durch die Trennung der Grenzschicht um die Karosserie, durch Strömungswellen aufgrund der Fahrzeugkonturen sowie durch Wechselwirkungen mit der umgebenden Luft erzeugt werden.
Diese Eigenschaften der turbulenten Strömung können verschiedene Auswirkungen haben, einschließlich eines erhöhten aerodynamischen Widerstands, einer verringerten Energieeffizienz und einer erhöhten Instabilität des Fahrzeugs bei hohen Geschwindigkeiten.
Daher ist das Verständnis und die Modellierung der turbulenten Strömung von entscheidender Bedeutung für die Optimierung des Fahrzeugdesigns und die Verbesserung der Leistung in Bezug auf Aerodynamik, Energieeffizienz und Stabilität.
Luftwiderstandskraft
In den folgenden Abbildungen werden die Druckebenen dargestellt, um die Wirkung des Drucks auf das Auto zu zeigen, mit anderen Worten, um die Luftwiderstandskraft auf das Formel-1-Auto zu verdeutlichen.
Hinter dem Auto ist eine Unterdruckzone zu erkennen, die einen Großteil des Luftwiderstandes verursacht.
Wir sehen, dass dieWirbelströmung hinter der Formel für die Aerodynamik schädlich ist und darauf zurückzuführen ist, dass die Luft Schwierigkeiten hat, das Objekt zu umströmen.
In der Tat erzeugt diese Schwierigkeit einen Überdruck vor dem Auto und einen Unterdruck hinter der Platte.
In der Formel 1 nutzen die Fahrer auf geraden Strecken den Unterdruck hinter dem vorausfahrenden Fahrzeug zum Überholen, da das überholende Fahrzeug die Luft nicht mehr wie das vorausfahrende Fahrzeug “ zerschneiden “ muss und der Druckunterschied zwischen vorne und hinten und damit der Luftwiderstand verringert wird.
Man sagt, dass das Auto den “ Sog “ nutzt, um zu überholen.
Mit Hilfe der CFD-Simulationssoftware werden die Werte der auf das Auto wirkenden Kräfte und die Werte der aerodynamischen Koeffizienten ermittelt.
In den von uns durchgeführten Simulationen wurde der Luftwiderstandskoeffizient auf etwa 0,92 geschätzt, was der Standardwert für ein Formel-1-Auto ist.
Der Wert der Luftwiderstandskraft beträgt: F = 1900N.
Wenn Sie die theoretische Berechnung mit der folgenden Formel durchführen:
F = ½ ρ Cx S v²
Und bei einer Fläche S = 1,5 m² ergibt sich Fd = 2070 N, was in etwa dem Wert entspricht, den die Software während der Simulation berechnet hat, wobei zu beachten ist, dass die Fläche S, die zur Berechnung dieser theoretischen Größenordnung verwendet wurde, nicht exakt, sondern nur annähernd ist.
Vorticity
Die Vorticity misst die Rotation einer Flüssigkeit um eine lokale Achse.
Wenn ein Objekt, wie z.B. ein Auto, durch eine Flüssigkeit wie Luft oder Wasser fährt, stört es die Strömung.
Dies erzeugt Wirbel, in denen sich die Geschwindigkeit und die Richtung der Flüssigkeit ändern.
Diese Wirbel erzeugen Vorticity, die dieStärke und den Ort der Rotation anzeigt.
Im Zusammenhang mit den gezeigten Plänen, die die Vorticity anzeigen, kann man visuell beobachten, wie die Anwesenheit des Autos die Strömung der Flüssigkeit um das Auto herum beeinflusst.
Bereiche mit hoher Vorticity sind in der Regel die Stellen, an denen die Wirbel am stärksten sind, oft stromabwärts und seitlich des Autos.
Dievisuelle Analyse, die wir mit Hilfe dieser Simulationen durchgeführt haben, ermöglicht ein besseres Verständnis derInteraktion zwischen dem fahrenden Auto und der umgebenden Flüssigkeit, was in vielen Bereichen, wie z.B. derAerodynamik der Formel 1, von entscheidender Bedeutung ist.
Sogwirkung: Simulation eines Formel-1-Rennwagens in der Überholphase
In einer anderen Simulation wird die Luftwiderstandskraft eines Rennwagens geschätzt, wenn er kurz vor dem Überholen von einem vorausfahrenden Fahrzeug angesaugt wird.
Die untersuchte Konfiguration ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wenn ein Formel 1 Auto ein anderes überholt, werden die aerodynamischen Kräfte, die auf jedes Auto wirken, stark von ihrer relativen Position beeinflusst.
Das überholende Auto profitiert von einer erheblichen Verringerung des Luftwiderstands, da es von derSogwirkung des Autos profitiert, das es zu überholen versucht.
Diese Verringerung des Luftwiderstands, die oft durch eine Verringerung des Luftwiderstandskoeffizienten gemessen wird, ermöglicht es dem Auto, schnellerzu fahren, währendes weniger Kraft benötigt, um die Beschleunigung aufrechtzuerhalten.
Das überholte Auto erfährt außerdem einen Anstieg des Luftwiderstandskoeffizienten aufgrund der Störung des Luftstroms, die durch die Nähe des Autos hinter ihm verursacht wird.
Diese Phänomene zeigen, wie eng die Renndynamik mit den aerodynamischen Interaktionen zwischen den Fahrzeugen verbunden ist und unterstreichen dieentscheidende Bedeutung der Positionierung und des Luftwiderstandsmanagements in der gesamten Überholstrategie der Formel 1.
Bilanz
Aerodynamische Kräfte, insbesondere derLuftwiderstand, spielen in vielen Bereichen eine entscheidende Rolle, von derLuft- undRaumfahrt über den Sport bis hin zuAutomobilen und Gebäuden.
Das Verständnis und die Minimierung dieser Kräfte kann dieEffizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit von Fahrzeugen und Strukturen verbessern.
Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) entwickelt sich zu einem wichtigen Werkzeug, das einen wesentlich zugänglicheren und kostengünstigeren Ansatz als Windkanaltests bietet.
Sie ermöglicht eine detaillierte Analyse der aerodynamischen Phänomene und ebnet so den Weg für bessere Designs und schnellere Innovationen in verschiedenen Sektoren.
