Однажды после активного дня, проведённого на горнолыжном курорте Бивер-Крик (Beaver Creek), я очутился в кабинке подъёмника на вечернем катании в другом горнолыжном курорте Кистоун (Keystone) – не возвращаться же в Денвер в 3 часа дня, когда трасса, как всем известно, больше напоминает парковку! Нет ничего лучше, чем проехаться вечером одному на подъёмнике, но если бы я ехал один, то на этом бы вся история и закончилась.

А поскольку я был не один, то случайно подслушал разговор, в котором парень жаловался, что не может открыть багажник, когда лыжи закреплены на крыше. Ну что ж, подумал я, в некоторых старых Subaru WRX со спойлером багажник действительно невозможно было открыть с лыжами на крыше, как ты не старайся. Я слушал разговор дальше, и оказалось, что причина была вовсе не в этом. Багажник не открывался потому, что лыжи были установлены носками назад для обеспечения «большей аэродинамичности»… Такие доводы вызвали у меня некоторые сомнения, но я не стал встревать в разговор, решив сначала проверить данное предположение, ведь у меня были для этого все необходимые инструменты!

Я решил создать модель, которая позволила бы мне проверить различные варианты установки лыж и досконально разобраться в этом вопросе. Навскидку я сказал бы, что больше всего на аэродинамику повлияют сами крепления для лыж и поперечины, а ориентация лыж особо не скажется на аэродинамических характеристиках. Отмечу, что в данном случае меня интересует исключительно аэродинамика, и меня не волнует, пострадает ли скользящая поверхность лыж при определённой их ориентации. Я придерживаюсь мнения, что скрытые под снегом корни и камни на склоне в любом случае представляют большую опасность для ваших лыж, чем маленькие камушки на трассе. Если вам не терпится написать: «Просто купи бокс на крышу!», я вас понимаю, поскольку у меня есть и открытый багажник, и бокс, и у них обоих есть свои преимущества, но я не буду исследовать аэродинамику бокса… по крайней мере, в данной статье.

Я начал с того, что нашел в интернете полигональную (faceted) модель автомобиля Subaru Forester (очевидно ведь, что я из Колорадо, не правда ли?) и импортировал её в программный продукт Ansys Spaceclaim. Затем я доработал импортированную полигональную модель, чтобы получить сплошную внешнюю поверхность, описывающую замкнутый объём.

Полигональная геометрическая модель автомобиля Subaru Forester (с заводскими рейлингами)

Далее в программном продукте Ansys Spaceclaim я создал модель всего недостающего для приятного выходного дня: поперечин, креплений для лыж и самой пары лыж (получилась самая детальная модель крепления, которую вам когда-либо доводилось видеть). Для каждой ориентации лыж, которую я намеревался подвергнуть расчёту, я объединил поперечины, крепления лыж и сами лыжи в единое тело, что в дальнейшем облегчило вывод сил, воздействующих на всю конструкцию.

Геометрическая модель, дополненная поперечинами, креплениями для лыж и парой лыж

Для решения данной задачи я использовал программный продукт Ansys Discovery Live – новейший инструмент от Ansys, который позволяет быстро и эффективно оценивать различные варианты конструкции в интерактивном режиме. Он позволяет дополнять и редактировать геометрическую модель, получая результаты в режиме реального времени.

Таким образом, импортировав модель автомобиля, я дополнил её лыжами и всеми необходимыми креплениями, а затем менял конструкцию для расчёта других ориентаций, для чего потребовалось всего несколько нажатий кнопок. Если бы я использовал обычные инструменты компьютерного моделирования, мне пришлось бы создать расчётную сетку и выполнить расчёт для каждого варианта конструкции в отдельности, обработать результаты и лишь затем выполнить их сравнение. Работать же в Discovery Live очень просто: выбираете один из 5 доступных видов расчёта – и вперёд!

Программный продукт Ansys Discovery Live позволяет выполнять различные расчёты. В этой статье я использую расчёт «Wind Tunnel» (аэродинамическая труба)

После выбора расчёта «Wind Tunnel» достаточно выбрать тела, обтекание которых необходимо рассчитать, указать направление воздушного потока и нижнюю границу (floor) расчётной области. Как только все эти настройки заданы, результаты мгновенно выводятся на экран. Мне оставалось лишь отредактировать скорость потока и задать её равной примерно 65 милям в час. Меня больше всего интересовала сила, действующая на грани объединённого тела, которое состоит из поперечин, крепления для лыж и самих лыж в каждой ориентации. Для каждой ориентации я добавил объект «Вычисление» (Calculator) и выбрал силу в направлении Y. Это можно сделать, просто выбрав тело и воспользовавшись всплывающей панелью инструментов.

Всплывающая панель инструментов позволяет быстро настраивать объекты вычислений для вывода результатов расчёта

Все необходимые настройки я установил буквально за пару минут. Я выполнил расчёт для каждого случая, пока не получил устойчивое значение на графике силы.

Автомобиль без багажника на крыше

Лыжи расположены носками вперёд

Лыжи расположены носками назад

Получив практически одинаковые результаты расчётов для вариантов ориентации лыж носками вперёд и носками назад, я решил выполнить также расчёт для варианта расположения лыж скользящей поверхностью наверх, хотя я НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендую лыжи так не перевозить, поскольку воздействие ультрафиолетового излучения очень опасно для материала ваших лыж и сноубордов.

Лыжи расположены скользящей поверхностью наверх и носками вперёд

Помимо распределения скоростей потока воздуха, показанных на рисунках выше, Ansys Discovery Live позволяет также получить визуализацию результатов в виде линий тока воздуха или в виде потока частиц.

Линии тока воздуха при расположении лыж носками вперёд

Поток частиц при расположении лыж носками вперёд

Значения результирующей силы в проекции на ось Y (Total Y Force) на графиках объектов «Calculator» составили 37,7 Н, 39,1 Н, и 37,1 Н при расположении лыж носками вперёд, носками назад и носками вперёд, а скользящей поверхностью наверх соответственно. Используя Ansys Discovery Live, мне удалось быстро выполнить эти 3 расчёта и показать, что для крепления открытого типа ориентация лыж практически не влияет на величину аэродинамического сопротивления. Так что, располагайте лыжи на крыше в любом удобном для вас направлении. Только держите их в паре (скользящими поверхностями друг к другу), чтобы защитить их от солнца, ведь разделив их, большей аэродинамичности вы всё равно не добьётесь!

Дальше можно взять конкретный вариант конструкции и выполнить его расчёт в двумерной, а затем в трёхмерной постановке в программном продукте Ansys Fluent.

Источник: padtinc.com
Автор: Nathan Huber