От гонок Формулы-1 и межпланетных миссий NASA до объектов гражданского строительства и проектирования ветряных турбин, эксперименты в аэродинамических трубах являются основным методом оценки аэродинамических характеристик конструкции во многих отраслях промышленности. Специально построенные трубы образуют контролируемую среду, в которой инженеры могут произвести оценку воздушного потока, подъёмных сил, сил сопротивления и других сил, которые воздействуют на конструкцию, тем самым предоставляя данные для оптимизации. Точная оценка аэродинамических характеристик может сыграть существенную роль для обеспечения победы одного из нескольких конкурирующих проектов.
Вебинар: Оценка климатической комфортности общественных, офисных и промышленных помещений в различных типах зданий по ГОСТ Р ИСО 7730/Ashrae 55
Комфортность пребывания людей в помещении – критически важная характеристика всех общественных, офисных и промышленных зданий. Для того, чтобы обеспечить адекватные обогрев, вентиляцию и кондиционирование, необходимо тщательно проработать соответствующие решения. Математическое моделирование позволяет оценить качество принятых решений ещё до ввода здания в эксплуатацию и оперативно устранить все возникающие проблемы.
Эксперименты в аэродинамических трубах
Трудоёмкий процесс
Аэродинамическая труба представляет собой огромную трубу, через которую проходит воздушный поток, генерируемый вентиляторами. В трубе воспроизводится влияние потока воздуха на объект, будь то человек, автомобиль или макет здания, размещённый внутри аэродинамической трубы на земле или в воздухе.
Прозрачность потоков воздуха сложно визуализировать. Для аэродинамических труб методы визуализации потока делятся на две категории: качественные и количественные. Для качественной оценки существует несколько различных тактик, которые могут быть применены для визуализации потока. Дым или туман могут продемонстрировать поведение потока воздуха, масло или краска, нанесённые на модель, выявят переход от ламинарного потока к турбулентному, а места сгущения этих компонент помогут определить характерное направление потока.
Для сбора детальных данных требуется количественная оценка движения частиц, что требует более ресурсоёмких испытаний. Там, где используется дым или пыль, применяется метод цифровой визуализации потоков, в котором используется лазер, а движение частиц фиксируется съёмкой камеры. Для более точного измерения давления специальные датчики устанавливаются на поверхности модели. Деформации от потока воздуха могут быть определены снятием изображения движения специальных маркеров, установленных внутри аэродинамической трубы. Это всего лишь малая часть лабораторных экспериментов, используемых в традиционных аэродинамических экспериментах.
Обзор моделей аэродинамических труб
В случае, когда дело касается больших транспортных средств или сооружений, для оценки аэродинамической эффективности конструкции используется масштабированная модель конструкции. В основном модели для испытаний в аэродинамических трубах изготавливаются из таких материалов, как сталь, пластик или композиты, которые все чаще используются в свете развития 3D-печати. Они могут отличаться в размере в зависимости от габаритов аэродинамической трубы: от масштабированных моделей планов городов до полноразмерных самолётов, которые используются в крупнейшей в мире аэродинамической трубе, принадлежащей NASA. Производство этих моделей зависит от времени и ресурсов и ограничивает количество конструкций, которые могут быть протестированы в рамках бюджета.
«Физический эксперимент на протяжении долгих лет играет ведущую роль при решении практических задач. Однако, нельзя отрицать, что в большинстве случаев этот процесс сопровождается значительными финансовыми и временными затратами и имеет ограниченный по разнообразию и полноте набор определяемых параметров. Более того, зачастую в ходе опыта не удаётся избежать влияния масштабных эффектов, а некоторые физические явления и вовсе не представляется возможным исследовать в лабораторных условиях ввиду невыполнения классических критериев подобия. В таких случаях на помощь приходит численное моделирование, которое имеет абсолютно иной подход к реализации эксперимента и времени его протекания, что даёт возможность исследователю восполнять недостающий объем данных и анализировать физическую картину в любой момент расчётного процесса».
Рябова Александра, ведущий инженер по газодинамике АО «ЦИФРА»
Эксперименты в современных аэродинамических трубах
Цифровая трансформация аэродинамических труб и моделей
В последнее десятилетие подход к аэродинамике значительно трансформировался, поскольку в промышленности стали использоваться новые технологии. Классические эксперименты в аэродинамических трубах приобрели новое воплощение в сочетании с новыми цифровыми инструментами, что предоставляет большие возможности для инженеров во многих областях промышленности. Применение методов вычислительной газодинамики в настоящее время является стандартной практикой для большинства компаний независимо от того, полагаются они исключительно на результаты CFD моделирования или же переходят к сбору и обработке экспериментальных данных с натурных испытаний после. Оба метода могут быть использованы для валидации с целью достижения надёжности результатов.
Цифровые аэродинамические трубы, моделируемые в CAD/CAE пакетах, таких как Ansys Fluent, могут быть использованы для проведения самых разнообразных газодинамических расчетов. Возможность создавать и испытывать цифровые прототипы значительно снижает временные и денежные затраты компаний, позволяя инженерам быстро вносить изменения в конструкцию, а также, в некоторых случаях, менять конструкцию в режиме реального времени.
Примеры применения современных возможностей
Анализ ветрового комфорта пешеходов
Когда речь касается аэродинамических труб, многие сразу же думают об автомобильных или авиационных проектах, однако большое значение аэродинамические трубы имеют для проведения экспериментов в промышленном и гражданском строительстве. В пример можно привести моделирование аэродинамических потоков для целых районов в Южной Корее или Германии. Используя CFD моделирование с применением, например, Ansys Discovery, можно очень быстро и легко оценить ветровой комфорт для различных скоростей ветра, дующего в различных направлениях. При выполнении подобных расчётов такие факторы, как местность, данные о местном ветре и местные строительные стандарты также принимаются во внимание.
Комбинация подходов
30 или 40 лет назад натурные испытания в аэродинамических трубах были передовыми видами аэродинамического анализа, но переход к цифровой эре потребовал, чтобы эксперименты стали более быстрыми и менее дорогостоящими. Сейчас технологии развиваются очень быстро, так что инструменты численного моделирования широко применяются во многих областях промышленности в качестве помощи в исследовании, разработке и конструировании. Однако, сочетание виртуальных и экспериментальных данных предоставляет инженерам и конструкторам по всему миру уверенность, что конструкция спроектирована максимально эффективным образом.
Изображения:
https://www.shutterstock.com/
https://doi.org/10.1016/j.jweia.2013.12.010
