محاكاة CFD للسحب: عملية حسابية متقدمة لتحسين الديناميكا الهوائية
المقدمة....
من الصعب التنبؤ بتأثير الأعمدة الحرارية خارج المبنى بسبب المتغيرات المختلفة التي لا يستطيع مهندسو التصميم والمعماريون التحكم فيها. وتشمل هذه المتغيرات سرعة الرياح ودرجة حرارة الهواء والرطوبة واتجاه الرياح والأنشطة الأخرى المحيطة بالمبنى. ومع ذلك ، فإن هذه الظواهر لها تأثير على أداء المعدات الموضوعة في الهواء الطلق.
تدعمك EOLIOS في دراسة تأثير هذه المشكلات لضمان التشغيل الأمثل في جميع الظروف ، حتى في أقصى الحالات.
مشاريع مركز البيانات لدينا:
ما هو السحب
التعاريف
السحب قوة مقاومة تعارض حركة الجسم أثناء حركته عبر مائع، مثلالهواء أوالماء.
تتولد قوة السحب منالتفاعل بين الجسم والمائع، وتتجلى في شكل احتكاك المائع وقوى الضغط.
يُعبَّر عن السحب عموماً بوحدة نيوتن (N) ، وغالباً ما يُعبَّر عنه بكمية تُسمَّى معامل السحب.
يعوداستخدام معامل السحب إلى قرون مضت، مع الملاحظات والجهود الأولى لفهم قوى السحب في سياق الديناميكا الهوائية.
ومع ذلك، بدأ علماء مثل جورج غابرييل ستوكس في القرن التاسع عشر في إضفاء الطابع الرسمي على المفهوم وتطوير نظريات رياضية لقياس السحب. ومنذ ذلك الحين، لعبت الأبحاث والتطورات في مجال السحب دوراً أساسياً في تطوير مجالات مثلالطيرانوالسيارات وتصميم المباني ومختلف الأنشطة الرياضية.
باختصار، السحب هو قوة مقاومة تواجهها عندما يتحرك جسم ما خلال مائع.
يقيس معامل السحب هذه المقاومة.
ولذلك فإن فهم السحب والتحكم فيه أمر ضروري لتحسين أداء بعض الأجسام المتحركة أو الموضوعة في تدفق مائع،وكفاءتها وسلامتها.
أهمية معامل السحب
معامل السحب هو قياس يقيس مقاومة الهواء أو المائع لحركة جسم ما. وهي تلعب دورًا رئيسيًا في العديد من المجالات، مثلالطيرانوالسيارات ورياضات الألواح وحتىهندسة المباني. ويُعد فهم قوة المقاومة هذه والتحكم فيها أمراً بالغ الأهمية لتحسين أداءوكفاءة العديد من التطبيقات.
فيمجال الطيران، على سبيل المثال، يعد تقليل السحب مصدر قلق كبير.
فمن خلال تقليل هذه المقاومة إلى الحد الأدنى، يمكن للمهندسين زيادة سرعة الطائراتوكفاءة استهلاك الطاقة وتقليل استهلاك الوقود وتحسين مداها.
كما تم إحراز تقدم فيتحسين رفعالطائرات، وهو ما سنصفه بمزيد من التفصيل لاحقاً في هذه المقالة.
وقد أدى ذلك إلى تقدم كبير في تصميم أجنحة الطائرات، على سبيل المثال.
كما تتطلعصناعة السيارات أيضاً إلى تقليل هذا السحب لتقليل استهلاك الطاقة في السيارات وبالتالي تحسين مداها.
وتزدادأهمية هذه المسألة معظهور السيارات الكهربائية.
تسعى رياضات المحركات (مثل الفورمولا 1) إلى زيادة الديناميكا الهوائية إلى أقصى حد لتحسين التحكم في سيارات السباق وثباتها وأدائها.
وبالمثل، في الرياضات الانزلاقية مثل التزلج على المنحدرات أو التزلج على الجليد أو حتى ركوب الدراجات، يتيح تقليل السحبالوصول إلى سرعات أعلى من خلال تقليل قوى السحب وتحسين اختراق الهواء.
ويؤدي ذلك إلى حدوث تقدم في تصميم خوذات ركوب الدراجات، على سبيل المثال، بالإضافة إلى المعدات الرياضية الأخرى، لتقليل السحب إلى أدنى حد ممكن وزيادة الأداء إلى أقصى حد.
تتأثرهندسة المباني أيضاً بمبادئ السحب.
فمن خلال تصميم الهياكل الأيروديناميكية الهوائية، يمكن للمهندسين المعماريين تقليل القوى التي تمارسها الرياح القوية وبالتالي تحسين سلامة واستقرار المنشآت (الهياكل مثل الجسور على سبيل المثال).
ولذلك يُعد معامل السحب مقياسًا حاسمًا في العديد من المجالات التي تنطوي على التفاعل بين جسم ما ومائع. ويُعد فهم قوى السحب هذه والتحكم فيها أمراً ضرورياً لتحسين الأداءوالكفاءة والسلامة في العديد من التطبيقات الديناميكية الهوائية.
حساب معامل السحب
تعريف
تُعطى قوة السحب، D، بالمعادلة التالية: D = ½ ρCxSv²
وفيها :
- ρ هي كثافة المائع,
- v هي السرعة النسبية بين الجسم محل الدراسة والمائع,
- S هو السطح المرجعي للجسم، أي مسقط الجسم على مستوى عمودي على الاتجاه الرئيسي للسريان,
- Cx هو معامل السحب (يُشار إليه أحياناً باسم C_D).
وبالتالي تعتمد هذه القوة على خصائص المائع (الكثافة)والجسم ( شكله وخشونته) والسرعة النسبية بين الجسم والمائع.
معامل السحب Cx هو متغير يوفر قياسًا كميًا دقيقًا للمقاومة الأيروديناميكية الهوائية لجسم ما في مائع متحرك.
ويتم الحصول عليه من خلال ربط قوة السحب التي يتعرض لها الجسم بالضغط الديناميكي والسطح المرجعي المقابل: Cx = 2D/ρSv².
تجدر الإشارة إلى أن معامل السحب ليس كمية ثابتة: فهو يعتمد على خصائص المائع المتدفق وشكل الجسم وخشونة السطح.
بمزيد من التفصيل، نوضح أن المعامل C_D يعتمد على عدد رينولدز.
ملاحظة: يُعرَّف معامل الرفع (أوالدعم في بعض الحالات) بالطريقة نفسها: F_L = ½ ρ C_L S v²
في هذه الصيغة :
- ρ هي كثافة المائع,
- v هي السرعة النسبية بين الجسم محل الدراسة والمائع,
- S هو السطح المرجعي للجسم، أي مسقط الجسم على مستوى عمودي على الاتجاه الرئيسي للسريان,
- C_L هو معامل الرفع(L للرفع ).
> < في بعض الحالات، يشار إلى ذلك في بعض الحالات باسم الرفع(F_L 0 ) أو القوة السفلية(F_L 0 ).
معامل السحب ورقم رينولدز
عدد رينولدز (Re) هو كمية بلا أبعاد تميز نظام سريان المائع.
ويتم حسابه بقسمة حاصل ضرب سرعة المائع والطول المميز (مثل قطر الأسطوانة) وكثافة المائع على اللزوجة الحركية:
Re = ρvL/μ
أين:
- v هي سرعة المائع,
- L هو الطول المميز,
- ρ هي كثافة المائع,
- μ هي اللزوجة الحركية للمائع.
يُستخدَم رقم رينولدز لتحديد ما إذا كان السريان صفحيًا(منخفض Re) أو مضطربًا(مرتفع Re).
يتوافق السريان الصفحي مع عدد رينولدز منخفض، ما يعني أن جزيئات المائع تتحرك في طبقات منتظمة ومرتبة حول الجسم.
وعلى العكس من ذلك، يتميز السريان المضطرب برقم رينولدز مرتفع، حيث تتحرك جزيئات المائع بطريقة فوضوية وغير منتظمة.
نوضح أن معامل السحب يعتمد على عدد رينولدز.
لنأخذ مثالًا لجسم ذي هندسة بسيطة.
إذا أخذنا مثال الكرة الملساء (المنحنى الأحمر في الشكل أدناه)، نلاحظ في البداية أن معامل السحب(Cx) يتناقص مع زيادة عدد رينولدز ثم يستقر عند قيمة ثابتة تقريبًا.
ويوجد نطاق أضيق عند أعداد رينولدز العالية حيث ينخفض Cx ثم يرتفع مرة أخرى ليصل إلى قيمة ثابتة إلى حد ما.
تُعرف هذه الظاهرة باسم أزمة السحب وتمثل الانتقال من التدفق الصفحي إلى الاضطراب.
وبشكل أكثر دقة، ترتبط هذه الظاهرة بانطلاق الطبقة الحدودية على سطح الجسم في وقت لاحق.
دعونا نأخذ مثال كرة الجولف: تُفضّل الغمازات الموجودة على سطح الكرة الانتقال إلى الاضطراب وتسمح للطبقة الحدودية بإعادة الترابط.
ومع وجود رينولدز بين 10⁴ و10⁵، فإن هذا يضع كرة الجولف في منطقة أزمة السحب، كما هو موضح في المنحنى، وبالتالي يسمح للكرة بقطع مسافات أكبر.
تأثير شكل الجسم على السحب
يؤثر شكل الجسم تأثيرًا كبيرًا على قوة السحب المؤثرة عليه.
فالأجسام ذات الشكل الانسيابي أو الأيروديناميكي الهوائي، مثل الطائرات أو سيارات السباق، تكون معاملات السحبلها عادةً أقل.
ويرجع ذلك إلى انخفاض مساحة السطح المتفاعلة مع الهواء وتكوين تدفق هواء أكثر سلاسة وأكثر صفائحية على سطح الجسم.
من ناحية أخرى، الأجسام ذات الأشكال المسطحة أو ذات الزوايا الأكثر ت سطيحًا، مثل معظم الشاحنات أو المباني، تكون معاملات السحب أعلى بشكل عام.
تخلق هذه الأشكال المزيد من الاضطرابات ودوامات الهواء، مما يزيد من مقاومة التدفق والسحب.
الديناميكا الهوائية للمركبة
مفهوم الطبقة الحدودية
الطبقة الحدية هي منطقة رقيقة بالقرب من سطح جسم ما حيث تصبح تأثيرات لزوجة المائع كبيرة.
بعبارة أخرى، هي منطقة تتباطأ فيها سرعة المائع بالقرب من سطح الجسم بسبب الاحتكاك بالسطح.
ويلعب دورًا حاسمًا في العديد من ظواهر الموائع، لا سيما في الانتقال بين السريان الصفحي والمضطرب، وفي تكوين الموجات خلف الأجسام المتحركة.
يحتاج مفهوم الطبقة الحدودية، الذي طوره لودفيغ براندتل عام 1905، إلى تعديل مفهوم الطبقة الحدودية، الذي طوره لودفيغ براندتل عام 1905، ليتناسب مع المواقف العملية المختلفة، خاصة في وجودتدفقات مضطربة في أعلى الجسم أو في الطبقة الحدودية.
تؤدي هذه الظروف إلى تغيير كبير في ملامح سرعة التدفق، مع ظهور طبقة حدية مضطربة.
وبالإضافة إلى ذلك، عندما تكون الأجسام الصلبة ضعيفة الملامح، يمكن أن يؤدي ذلك إلى فصل الطبقات الحدودية، مما يولد أعقاب مضطربة أسفل الجسم.
في هذه السيناريوهات، لا يتصرفالتدفق الناتج مثل مائع مثالي، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تبديد الطاقة وقوة السحب على الجسم.
جناح الطائرة - التحكم في الطبقة الحدودية
أهم قوة ديناميكية هوائية لجناح الطائرة هي قوة الرفع.
تتولد هذه القوة من تأثير ماغنوس بفضل دوران السرعة حول الجناح.
من أجل إبقاء الطائرة في الجو، يجب أن تعوّض قوة الرفع(F_L أو L للرفع ) عن وزنها.
تزداد هذه القوة بالتناسب مع مربع السرعة(v) وتزداد خطيًا معزاوية السقوط(α) عندما تكون الأخيرة منخفضة.
نوضح أنه بالنسبة لجناح الطائرة، تكون قوة الرفع من رتبة :
F_L ∼ ∼ρ ب ب ل ² جا ألفا
أين:
- ρ هي كثافة المائع,
- ب هوطول الجناحين,
- l هو وتر الجناح,
- v هي سرعة الجناح في الهواء (وبالتالي سرعة الطائرة),
- α هيزاوية السقوط.
لاحظ أنه كلما زادتالزاوية α، زاد الرفع أيضاً.
وهذا هوالتأثير المطلوب على الجناح.
ومع ذلك، عندما تزداد α أكثر من اللازم وتصل إلى قيمة حرجة α_c، تحدث ظاهرة التوقف: ينخفض الرفع بشكل حاد ولا تعود المعادلة المذكورة أعلاه صالحة.
لذلك يجب تجنبها، خاصة فيالطيران المدني.
هناك طريقتان شائعتان لتحسين أداء الجناح هما زيادة زاوية السقوط الحرجة باستخدام الشرائح على الحافة الأمامية، وزيادة معامل الرفع لزاوية سقوط معينة باستخدام اللوحات الخلفية.
-
تزيد الشرائح منزاوية السقوط الحرجة عن طريق إعادة تنشيط الطبقة الحدوديةالسطحية العلوية من خلالحقن الهواء المماسي منالسطح السفلي، مما يقلل من تأثير تدرج الضغط العكسي عند السقوط العالي.
- تعمل رفارف الحافة الخلفية على زيادة الدوران حول الجناح الجانبي، مما يؤدي إلى زيادة في الرفع كدالة لزاوية سقوط معينة.
على الطائرات الكبيرة، يمكن استخدام هذه اللوحات على التوالي لزيادة الرفع عند الإقلاعوالهبوط.
فهي تعمل على إعادة تنشيط الطبقة الحدودية على السطح العلوي وتحفز انحرافاً قوياً نحو الأسفل لسرعة التدفق، مما يزيد من الرفع والدوران.
المركبات البرية
المشكلات
في سياق المركبات البرية، يُعد تقليل قوة السحب إلى الحد الأدنى هدفاً حاسماً لتحسينكفاءة الطاقة في المركبات.
تتولّد قوة السحب هذه بشكل أساسي من فرق الضغط بينمقدمة ومؤخرة المركبة أثناء حركتها في الهواء.
وعلى عكس الطائرات، حيث يكون الاحتكاك بالهواء هو العامل الرئيسي في قوة السحب، فإن الضغط يلعب الدور الرئيسي في حالة المركبات البرية مثل السيارات.
محاكاة CFD للتأثيرات الحرارية والهوائية لصناعة في منطقة حضرية
تتمثل إحدى السمات المهمة في السيارات في ضرورة توجيه القوة السفلية إلى الأسفل للحفاظ على تماسك الإطارات بشكل جيد على الطريق.
ويساهم ذلك في تحسين التحكم، ولكن من المهم أيضاً ألا يكون هناك رفع مفرط، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تآكل الإطارات قبل الأوان والاحتكاك المفرط. لذا، فإن إيجاد التوازن الصحيح بين تقليل السحب والحفاظ على رفع كافٍ لضمان سلامة السيارة وثباتها يمثل تحدياً لمهندسي السيارات.
تقليل السحب
تركز الجهود المبذولة لتقليل السحب بشكل خاص على تصميم أشكال هيكل أكثر ديناميكية هوائية.
وعلى مر السنين، نجح صانعو السيارات في تقليل معامل السحب(C_x أو C_D) من أكثر من 0.5 للسيارات القديمة إلى أقل من 0.3 للسيارات الحديثة.
ويساعد هذا الانخفاض في C_D على تحسينكفاءة استهلاك الوقود في السيارات من خلال تقليل مقاومة الهواء، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الوقود.
ومع ذلك، يجب أن يكون تقليل السحب متوازناً مع متطلبات التصميم الأخرى، مثلقابلية السيارة للسكن.
على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي بعض أشكال الهيكل التي يمكن أن تقلل من السحب إلى الإضراربالمساحة الداخلية أو الرؤية للسائقين، مما يتطلب تنازلات في التصميم.
يتولد جزء كبير من السحب فيالجزء الخلفي من السيارة، حيث تؤثر ظواهر معقدة مثل رفع الطبقة الحدودية وتكوين الدوامة على مقاومة الهواء.
ويستخدم المهندسون نماذج قياسية مثل نموذج جسم أحمد لنمذجة هذه الظواهر ودراسة تأثير معلمات التصميم المختلفة، مثلزاوية النافذة الخلفية، على السحب.
تُظهر الدراسات التي أُجريت على الديناميكا الهوائية للمركبة أن السحب يختلف بشكل غير رتيب معزاوية الميل.
على سبيل المثال، عند الزوايا المنخفضة، يمكن أن تنخفض مساهمة الدوران العرضي عند الزوايا المنخفضة، بينما يتضخم تأثير الدوامات المحورية.
يسلط هذا الضوء على تعقيد الديناميكا الهوائية للمركبة والحاجة إلى مراعاة العديد من العوامل في التصميم لتحسين الأداء الكلي.
وأخيراً، من الضروري الحفاظ على رفع سلبي كافٍ لضمان ثبات جيد على الطريق، خاصةً عند السرعات العالية.
وهذا يضمن ضغطاً كافياً للإطارات على الطريق لتحقيق التماسك الأمثل.
ونتيجة لذلك، يتعيّن على صانعي السيارات تحقيق توازن دقيق بين تقليل السحب والحفاظ على ثبات السيارة وسلامتها على مختلف السرعات وظروف القيادة.
بالنسبة لسيارات السباقات مثل سيارات الفورمولا 1، التي تسير بسرعة 250 كم/ساعة تقريباً، يتم استخدام أنظمة مثل الجنيحات لتحسينالقوة السفلية الديناميكية الهوائية.
ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه الأنظمة تزيد من السحب.
التحكم النشط أو السلبي في السحب أو الرفع
يمكن أن تؤدي التحسينات الأيروديناميكية الهوائية، مثلإضافة حارفات السقف إلى الشاحنات أو تعديل شكل مرايا الرؤية الخلفية، إلى تقليل السحب بشكل سلبي دون إضافة طاقة.
في التحكم النشط، يتم تعديل الحركة في الوقت الحقيقي وفقاً لظروف التدفق، إما يدوياً بواسطة الطيار في الحلقة المفتوحة أو تلقائياً بواسطة الكمبيوتر في الحلقة المغلقة.
على سبيل المثال، لمنع انفصال الطبقات الحدودية، يمكن شفط الهواء أو حقنه بالقرب من الجدار للحفاظ على تدفق مستقر، على الرغم من أن هذا يتطلب طاقة إضافية ونادراً ما يستخدم في الممارسة العملية.
يتضمن التحكم التفاعلي مغلق الحلقة، الذي لا يزال في مرحلة البحث، أجهزة مثل مولدات الدوامة الآلية لتقليل السحب، مما يدل على التطبيقات المحتملة في مجموعة متنوعة من المجالات، وخاصة في مجال الطيران.
حساب معامل السحب باستخدام محاكاة CFD
مزايا محاكاة CFD
يوفر استخدام ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) عدداً من المزايا مقارنةً باختبارات نفق الرياح التقليدية.
أولاً، تسمح تقنية CFD بإجراء عمليات المحاكاة الافتراضية وتجنب التكاليف والتأخيرات المرتبطة ببناء وتشغيل أنفاق الرياح المادية.
يتطلب اختبار نفق الرياح مرافق متخصصة، مع نماذج باهظة الثمن ومعدات قياس دقيقة.
من ناحية أخرى، يتم تنفيذ تقنية CFD على أجهزة الكمبيوتر، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف والوقت.
ثانيًا، يتيح CFD مرونة أكبر في التصميم ومعلمات الدراسة.
من الأسهل تعديل هندسة الجسم أو ظروف التدفق أو خصائص المائع في محاكاة CFD مقارنةً بنفق الرياح الحقيقي.
يتيح ذلك تنفيذ عدد أكبر من السيناريوهات واستكشاف تكوينات مختلفة، مما يتيحتحسين التصميم بشكل أكثر فعالية.
بالإضافة إلى ذلك، توفر المحاكاة الرقمية للتدفق المغناطيسي المغناطيسي تصوراً أفضل وتحليلاً أكثر تفصيلاً للنتائج.
تتيح المحاكاة العددية إمكانيةتصور خطوط التدفق، ومناطق الاضطراب، وتدرجات الضغط، وما إلى ذلك، مما يوفر معلومات مفصلة حول التدفق داخل وحول الجسم قيد الدراسة.
يوفر ذلك فهماً أفضل للظواهر الديناميكية الهوائيةويحدد المجالات المحتملة للتحسين.
وأخيراً، يسمح التصميم الميكانيكي المغناطيسي المغناطيسيباستكشاف نطاق أوسع من ظروف التدفق.
في حين أن اختبار نفق الرياح مقيد بقدرات المعدات وظروف الهواء المحيط، يمكن أن يحاكي CFD الظروف القاسية والسرعات العالية ودرجات الحرارة المختلفة وما إلى ذلك، مما يوفر مرونة أكبر لاختبار أداء الجسم والتحقق من صحته في الظروف الحقيقية، وهو ما تستطيع Eolios تحقيقه.
يوفر هذا مرونة أكبر لاختبار أداء الكائن والتحقق من صلاحيته في الظروف الحقيقية، وهو ما تستطيع Eolios تحقيقه.
تحديد المعاملات الديناميكية الهوائية
لتحديد معامل السحب ( ومعامل الرفع)، سواء باستخدام محاكاة CFD أو الطرق التجريبية، من الضروري فهم توزيع الضغط على سطح الجسم.
يجب أيضاً أخذ قوى القص اللزوجة في الاعتبارعلى كامل سطح الجسم قيد الدراسة.
يساعد ذلك على تحسين الأداء من حيثقوة الرفع أوالقوة السفلية والسحب والثبات.
من خلال تكامل توزيع الضغط على سطح الجسم، يمكننا إيجاد قوة السحب ومعامل السحب.
بفضل استخدام برنامج CFD، يمكن التنبؤ بقيمة المعاملات الديناميكية الهوائية مباشرةً بعد المحاكاة.
يُعد تحديد المعاملات الديناميكية الهوائية خطوة حاسمة في تصميموتحسين أي جسم خاضع للقوى الديناميكية الهوائية.
يمكن استخدام هذه المعلوماتلتحسين الأداء من حيث السحب والرفع والثبات، وهي ضرورية في العديد من المجالات مثلالملاحة الجويةوصناعة السيارات والرياضة.
محاكاة CFD لسيارة فورمولا 1
سياق
تلعب الديناميكا الهوائية دوراً حاسماً في أداء سيارات الفورمولا 1، حيث يكون لكل جزء من الثانية أهمية في المنافسة.
يمكن للسيارة المصممة بشكل جيد من الناحية الديناميكية الهوائية توليد مستويات عالية من القوة السفلية، مما يحسّنتماسك الإطارات ويتيح سرعات أعلى عند الانعطاف.
وبالإضافة إلى ذلك، يسمح تقليل السحب الديناميكي الهوائي للسيارة بالوصول إلى سرعات قصوى أعلى على المنعطفات المستقيمة، مما يحسّن الأداء العام.
وفي هذا السياق، أصبحت محاكاة CFD أداة لا غنى عنها لفرق الفورمولا 1.
تسمح تقنية CFD للمهندسين بنمذجة سلوك تدفق الهواء حول السيارة عددياً، مع الأخذ بعين الاعتبار معايير مثل السرعة والضغط والاضطراب.
توفر هذه النمذجة الدقيقة والمفصّلة معلومات مهمة حول كيفية تأثير التكوينات الديناميكية الهوائية المختلفة على أداء السيارة.
وعلى وجه الخصوص، توفر المحاكاة قيماً دقيقة للمعاملات الديناميكية الهوائية والقوى المؤثرة على السيارة.
وفي هذا الإطار، أجرى يوليوس عمليات محاكاة على سيارة فورمولا 1 لتحديد قيم هذه المعاملات الأيروديناميكية الهوائية وتسليط الضوء على الظواهر المسؤولة عن مختلف القوى المطبقة على السيارة.
مجال السرعة
في الأشكال أعلاه، تتمثلالملاحظة الرئيسية في أن وجود السيارة يزعج مجال السرعة المحيطة بشكل كبير.
ويلاحظ هذا الاضطراب بشكل خاصخلف السيارة، حيث يوصف مجال السرعة بأنه“مضطرب ومضطرب للغاية“، وهي خصائص نموذجية للتدفق المضطرب.
يتسمالتدفق المضطرب بعدم انتظامه وتعقيده الناتج عن تكوين الدوامات وتقلبات الضغط والحركات الفوضوية لجزيئات المائع.
في سياق المركبات المتحركة، يمكن أن يتولد التدفق المضطرب عن طريق فصل الطبقة الحدودية حول هيكل المركبة، وموجات التدفق بسبب منحنيات المركبة، بالإضافة إلى التفاعلات مع الهواء المحيط.
يمكن أن يكون لخصائص التدفق المضطرب هذه آثار مختلفة، بما في ذلك زيادة السحب الديناميكي الهوائي وانخفاض كفاءة استهلاك الوقود وزيادة عدم استقرار المركبة عند السرعات العالية.
لذلك يعد فهم التدفق المضطرب ونمذجته أمراً ضرورياً لتحسين تصميم المركبة وتحسين الأداء من حيث الديناميكية الهوائية وكفاءة استهلاك الوقود والثبات.
قوة السحب
في الأشكال التالية، نعرض مستويات الضغط لإظهار تأثيرها على السيارة، وبعبارة أخرى لتسليط الضوء على قوة السحب على سيارة الفورمولا 1.
توجد خلف السيارة منطقة ذات ضغط منخفض، وهي مسؤولة إلى حد كبير عن السحب.
أما خلف الصيغة، فإنتدفق الدوامة يضر بالديناميكا الهوائية، ويرجع ذلك إلى أن الهواء يواجه صعوبة في تجاوز الجسم.
تخلق هذه الصعوبة ضغطاً زائداً قبل السيارة، ثم ضغطاً سالباً بعد اللوحة.
في سباقات الفورمولا 1، يستفيد السائقون من انخفاض الضغط في الجزء الخلفي من السيارة التي أمامهم للتجاوز على المنعطفات المستقيمة: لم تعد السيارة التي تتخطى السيارة التي تتخطى السيارة “تشق ” الهواء مثل السيارة التي أمامها، ويقل فرق الضغط بين المقدمة والمؤخرة، وبالتالي يقل السحب.
نقول إن السيارة تستفيد من “الشفط ” للتجاوز.
يُستخدم برنامج محاكاة CFD لتحديد قيم القوى المطبقة على السيارة وقيم معاملات الديناميكية الهوائية.
في عمليات المحاكاة التي أجريناها، تم تقييم معامل السحب عند حوالي 0.92، وهي القيمة القياسية لسيارة الفورمولا 1.
قيمة قوة السحب هي: F = 1900N.
بإجراء الحساب النظري باستخدام المعادلة التالية:
واو = ½ ρ Cx Cx S v²
وبأخذ مساحة السطح S = 1.5 متر مربع، نجد أن Fd = 2070 نيوتن وهي قريبة من القيمة التي حسبها البرنامج أثناء المحاكاة، مع العلم أن مساحة السطح S المستخدمة لحساب هذا الترتيب النظري للمقدار ليست دقيقة بل تقريبية.
الدوامة
تقيس الدوامة دوران المائع حول محور محلي.
عندما يمر جسم ما، مثل سيارة، عبر مائع مثل الهواء أو الماء، فإنه يُحدث اضطراباً في تدفقه.
ينتج عن ذلك دوامات، حيث تتغير سرعة المائع واتجاهه.
وتولِّد هذه الدوامات دوامة، ما يشير إلىشدة الدوران وموقعه.
في سياق المخططات الموضحة التي تعرض الدوامة، يمكننا أن نلاحظ بصرياً كيف يؤثر وجود السيارة على سريان المائع حولها.
تتوافق المناطق ذات الدوامات العالية عمومًا مع الأماكن التي تكون فيها الدوامات أكثر كثافة، وغالبًا ما تكون في اتجاه مجرى النهر وعلى جانبي السيارة.
يوفرالتحليل المرئي الذي أجريناه باستخدام عمليات المحاكاة هذه فهماً أفضلللتفاعل بين السيارة المتحركة والسائل المحيط بها، وهو أمر بالغ الأهمية في العديد من المجالات مثلالديناميكا الهوائية للفورمولا 1.
تأثير "الشفط": محاكاة لسيارة فورمولا 1 في وضع التجاوز
تهدف محاكاة أخرى إلى تقدير قوة السحب لسيارة سباق عندما يتم سحبها من السيارة التي أمامها مباشرةً قبل تجاوزها.
يظهر التكوين الذي تم فحصه في الصورة أدناه.
عندما تتخطى إحدى سيارات الفورمولا 1 سيارة أخرى، تتأثر القوى الديناميكية الهوائية المؤثرة على كل سيارة بشكل كبير بموقعيهما النسبيين.
تستفيد السيارة المتجاوزة من انخفاض كبير في مقاومة الهواء، حيث تستفيد منتأثير الشفط الناتج عن السيارة التي تحاول تجاوزها.
ويسمح هذا الانخفاض في المقاومة، الذي غالباً ما يُقاس بانخفاض معامل السحب، للسيارة باكتساب السرعة معالحاجة إلى طاقة أقل للحفاظ على هذا التسارع.
بالإضافة إلى ذلك، تشهد السيارة التي يتم تجاوزها زيادة في معامل السحب بسبب اضطراب تدفق الهواء الناجم عن قرب السيارة التي خلفها.
تُظهر هذه الظواهر مدى ارتباط ديناميكيات السباق بالتفاعلات الديناميكية الهوائية بين السيارات، وتؤكدالأهمية الحاسمة لتحديد موقع السحب وإدارته في استراتيجية التجاوز في الفورمولا 1 بشكل عام.
الميزانية العمومية
تلعب القوى الأيروديناميكية الهوائية، ولا سيما السحب، دورًا حاسمًا في العديد من المجالات، بدءًا منالملاحة الجويةوالسيارات وحتى الرياضة والمباني.
يمكن أن يؤدي فهم هذه القوى وتقليلها إلى تحسينكفاءة وسلامة ومتانة المركبات والهياكل.
تبرز محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) كأداة أساسية تقدم نهجاً أكثر سهولة وفعالية من حيث التكلفة من اختبار نفق الرياح.
فهو يتيح التحليل التفصيلي للظواهر الديناميكية الهوائية، مما يمهد الطريق لتصميمات أفضل وابتكارات أسرع في مجموعة من القطاعات.
