Аэродинамика — один из важных факторов, влияющих на расход энергии. Белорусские ученые, работая над формой подвижного состава для комплекса uST — юнимобилей, смогли значительно снизить сопротивление воздуха. Как это было достигнуто, читайте в нашем материале.
Тропический юникар U4-431 / © Unitsky String Technologies Inc.
Расчет оптимальной аэродинамической формы проводился при помощи модели газовой динамики, основанной на уравнении Рейнольдса (RANS-подход). Определяемые функции — скорость омывания воздушными потоками поверхности юнимобиля и давление на нее, изотермичность и несжимаемость (постоянство температуры и плотности) воздушного потока как среды, обтекающей транспорт.
Для решения уравнения применялась противопоточная схема дискретизации второго порядка с использованием процедуры уточнения «давление — скорость» в рамках алгоритма SIMPLE Патанкара — Сполдинга.
Параметры расчетной области выбирались с учетом геометрических размеров 3D-модели формы. При моделировании подразумевалось движение транспорта с постоянной скоростью.
Для проведения расчетов были подготовлены несколько 3D-моделей. Их оценка выполнялась с помощью сравнительного анализа аэродинамических характеристик с дальнейшим изменением и перерасчетом дорабатываемой модели.
Сравнивались:
• поле распределения давления;
• сила лобового сопротивления Fx;
• коэффициент сопротивления формы Cx;
• наличие турбулизированных потоков.
Первая пара сравниваемых моделей (№ 1 и 2) определяла исходные характеристики и показывала влияние хвостового S-образного обтекателя: в первой модели была применена комбинация «нос – хвост», во второй – «нос – нос».
Результат получился противоположным ожидаемому: у модели № 2, несмотря на отсутствие хвостового S-образного обтекателя, форма оказалась более аэродинамичной.
Сокращение длины хвостового обтекателя у модели № 1 с увеличением прямолинейного участка салона привело к уменьшению переходного радиуса и срыву потока с ухудшением аэродинамических характеристик по сравнению с моделью № 2.
Полученный результат учли, и в следующих моделях для улучшения коэффициента сопротивления был увеличен переходной радиус в хвостовом обтекателе и проведено сравнение влияния открытых и закрытых колес. В модели № 3 колеса полностью закрыты обтекателями, в модели № 4 колеса выступают за их пределы.
Расчеты показали значительное (на 26 %) ухудшение коэффициента аэродинамического сопротивления при открытых колесах.
В моделях № 5 и 6 на основе результатов предыдущих расчетов для улучшения аэродинамики был изменен переход переднего и заднего обтекателей к днищу. Также с помощью данных моделей ученые повторно сравнили влияние хвостового S-образного обтекателя.
Расчет показал положительное влияние плавного перехода от носового и хвостового обтекателей к днищу. Это практически исключило зоны низкого давления, вызывающие срыв потоков с турбулизацией воздуха и положительно сказалось на аэродинамических характеристиках .
Модель № 7 походила на № 5, повернутую на 180°, а в модели № 8 была применена комбинация «хвост – хвост».
Проведенный анализ показал, что модели № 7 и 5 могут двигаться вперед и назад с одинаковыми аэродинамическими характеристиками на скоростях V = 41,7 м/с, а модель № 8 демонстрирует незначительное улучшение аэродинамических характеристик – на 0,25 %. В свою очередь, модель № 5 за счет закругленного переднего обтекателя обладает лучшими аэродинамическими характеристиками.
Плоский лопатообразный нос модели № 8, работающий как парус, ухудшает обтекание набегающими потоками воздуха и увеличивает силу воздействия ветровых нагрузок на путевую структуру.
Исследования показали важность и влияние геометрии переходных участков корпуса, обязательность применения колесных обтекателей и преимущества S-образного хвостовика.
Выработанная по итогам исследования оптимизация конструкции позволила на 16,9 % снизить силу и коэффициент аэродинамического сопротивления новых конфигураций юнимобилей. В частности, с использованием результатов исследования был создан тропический юникар U4-431.
