Nowoczesne symulacje w projektowaniu pojazdów w NCBJ | MOTOFAKTOR

Nowoczesne symulacje w projektowaniu pojazdów w NCBJ

person Adrian Januszkiewicz 11/11/2021

Centrum Informatyczne Świerk (CIŚ) w NCBJ oferuje możliwości przeprowadzenia symulacji numerycznej, co może pomóc m.in. w motoryzacji.

Jedną z gałęzi przemysłu szczególnie zainteresowaną symulacjami jest motoryzacja. Dziejąca się obecnie gwałtowna transformacja, zwłaszcza w kontekście jednostek napędowych; ze spalinowych na elektryczne, stwarza niszę dla innowacyjnych rozwiązań. W ten trend wpisuje się też Perun – motocykl elektryczny klasy Moto Student. Pojazd jest w całości projektowany i wykonywany przez członków Studenckiego Koła Aerodynamiki Pojazdów (SKAP) na Politechnice Warszawskiej przy wsparciu zasobów firmy Symkom i Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Wirtualny prototyp motocykla

Perun to oryginalna maszyna, będąca wynikiem wizji młodego pokolenia polskich inżynierów. Nie powstał na desce kreślarskiej, a jego osiągi nie zostały ustalone post-factum, czyli w trakcie testów. Kształtowany jest przy użyciu narzędzi, które pozwalają stworzyć jego wirtualny odpowiednik. Numeryczna Mechanika Płynów (ang. Computational Fluid Dynamics), bo tak nazywa się stosowana metoda, jest już od lat wykorzystywana przy projektowaniu aerodynamiki pojazdów. Jej dokładność zależy w dużej mierze od mocy obliczeniowej wykorzystywanego do tego celu komputera. To, co wyróżnia ten projekt, to właśnie użycie olbrzymich mocy obliczeniowych Centrum Informatycznego Świerk, dzięki czemu udało się osiągnąć bardzo dużą dokładność symulacji.

Celem przeprowadzonych symulacji było zoptymalizowanie kształtu detali pojazdu z uwzględnieniem pozycji kierowcy. Minimalizacja oporu aerodynamicznego przekłada się na zwiększenie rozwijanych prędkości i zasięgu maszyny. Najbardziej pożądany, czyli idealnie opływowy kształt to taki, który podczas ruchu swoją obecnością, nie wzbudza zawirowań otaczającego go powietrza. Geometria motocykla wraz z kierowcą to niezwykle skomplikowany aerodynamicznie kształt, przez co minimalizacja jego oporu aerodynamicznego należy do bardzo wymagających zadań. Jeśli chcemy im sprostać, musimy obserwować źródła i ewolucję zawirowań. Aby je uchwycić podczas analizy, nasz wirtualny pojazd zamykamy w pewnej objętości, reprezentującej otaczające go powietrze, którą następnie ciasno wypełniamy dużo mniejszymi komórkami (tzw. objętościami kontrolnymi), często o kilka rzędów długości mniejszych od samego badanego obiektu. W ten sposób powstaje tzw. siatka obliczeniowa. inż. Krzysztof Wiński SKAP
Rys. 1. Siatka obliczeniowa wygenerowana w technologii Mosaic składająca się z 231 mln elementów

Zabieg ten, nazywany dyskretyzacją przestrzeni, pozwala zastosować metody numeryczne do rozwiązania skomplikowanych równań opisujących przepływ. Im mniejsze elementy ma siatka, tym dokładniej jesteśmy w stanie przewidzieć, jak zachowa się przepływ. W idealnej sytuacji powinna być na tyle gęsta, żeby uchwycić nawet najmniejsze zawirowania, pojawiające się w przepływie.

Najczęściej, ze względów ograniczeń sprzętowych, nie możemy sobie na to pozwolić i konieczne jest przyjęcie pewnych uproszczeń. Stosowane są metody, polegające na śledzeniu pewnych średnich wartości, mówiących nam o turbulencji - metody te nazywane są metodami RANS i cechują się stosunkowo małymi wymaganiami sprzętowymi. Inne podejście polega na podzieleniu spektrum wirów na dwa obszary: wirów dużych i małych. Te pierwsze są śledzone bezpośrednio przy wykorzystaniu zbudowanej siatki numerycznej, a drugie zostają modelowane w uproszczony sposób. Im gęstsza zastosowana siatka, tym łatwiej możemy śledzić coraz mniejsze wiry, ale wiąże się to ze zwiększonym czasem obliczeń i koniecznością zaangażowania większych mocy obliczeniowych. Podejście to nazywa się Symulacją Dużych Wirów (ang. Large Eddy Simulation (LES)). W obliczeniach aerodynamiki zewnętrznej z powodzeniem stosowane są też metody hybrydowe, łączące pewne zalety obu rozwiązań, jednym z bardziej popularnych jest prezentowana tutaj metoda DDES. dr inż. Adam Piechna Symkom

Obliczenia w 15 godzin zamiast w kilka miesięcy

Rys. 2

Na Rys. 2. przedstawiono wizualizacje opływu motocykla uzyskane przy zastosowaniu różnych modeli turbulencji. Jednym ze sposobów prezentacji efektów obliczeń jest pokazanie obrysów struktur wirowych, dających pogląd na ich kształt i wielkość. Różnice wynikają z zastosowania metod różnej dokładności, zaczynając od najprostszej tj. RANS, przez SAS (Scale Adaptive Simulation – bardziej zaawansowana wersja RANS) aż do DDES – wyjaśnia mgr inż. Piotr Prusiński z Departamentu Badań Układów Złożonych NCBJ. RANS i SAS uruchomiono na siatce, składającej się z bagatela 31 milionów komórek. Mimo to SAS pozwala dostrzec dużo mniejsze struktury. Obliczenia metodą DDES wymagały stworzenia siatki obliczeniowej, spełniającej szereg dodatkowych kryteriów; jej wielkość liczyła 231 milionów komórek, co jest w praktyce inżynierskiej siatką bardzo dużą – podkreśla naukowiec. Symulacja, pokazująca oscylacje zachodzące w czasie 0,01 s upływu czasu eksperymentalnego, trwała około 15h z wykorzystaniem 1400 fizycznych rdzeni obliczeniowych CIŚ! Nawet na bardzo mocnej stacji roboczej symulacje te trwałyby kilka miesięcy. W prezentowanej symulacji możliwe było bardzo dokładne uwzględnienie subtelnych aspektów modelowania turbulencji.

 

Prezentowane symulacje są niezwykle kosztowne obliczeniowo, ale cechują się bardzo dobrym odwzorowaniem rzeczywistości. Aby je wykonać potrzebne są olbrzymie zasoby sprzętowe, dedykowane oprogramowanie oraz specjaliści, którzy wiedzą jak wykorzystać je w efektywny sposób. Są one wynikiem współpracy ekspertów z zakresu numerycznej mechaniki płynów oraz technologii komputerów dużej mocy. Prezentowane analizy były możliwe dzięki wykorzystaniu pakietu zaawansowanych narzędzi inżynierskich marki ANSYS dostarczonych przez firmę Symkom.

 

Prezentowana aplikacja to tylko wierzchołek góry lodowej wykorzystania metod CFD. Naukowcy i inżynierowie z Narodowego Centrum Badań Jądrowych przygotowali środowisko oraz stworzyli warsztat, w którym można projektować reaktory, rakiety, motocykle wyścigowe czy przedmioty codziennego użytku, wykorzystując najnowsze technologie symulacyjne. Warsztat, który do tej pory był w zasięgu największych firm, obecnie jest dostępny na wyciągnięcie ręki!

Dlaczego motocykl w NCBJ? Bo szybkość obliczeń dużych problemów to nasza domena! Wszystkich, którzy chcą się dowiedzieć więcej na temat możliwości, jakie daje infrastruktura NCBJ komputerów o dużej mocy obliczeń, zapraszamy na prezentację podczas bezpłatnego wydarzenia Symkom CONFERENCE 19 listopada. mgr inż. Piotr Prusiński

Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Zobacz podobne

Szanowny Czytelniku

Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) z dnia 27 kwietnia 2016 r. w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem danych osobowych i w sprawie swobodnego przepływu takich danych oraz uchylenia dyrektywy 95/46/WE (ogólne rozporządzenie o ochronie danych) informujemy Cię o przetwarzaniu Twoich danych.

Administratorem danych jest Proautomotive Sp. z o.o., 39 - 200 Dębica, ul. Kolejowa 28. Chodzi o dane, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług, w tym stron internetowych, newsletterów i innych funkcjonalności udostępnianych przez Proautomotive Sp. z o.o., głównie zapisanych w plikach cookies i innych identyfikatorach internetowych, które są instalowane na naszych stronach przez nas oraz naszych zaufanych partnerów. Gromadzone dane są wykorzystywane wyłącznie w celach: świadczenia usług drogą elektroniczną wykrywania nadużyć w usługach pomiarów statystycznych i udoskonalenia usług

Osoba, której dane dotyczą, ma prawo dostępu do danych, sprostowania i usunięcia danych, ograniczenia ich przetwarzania. Osoba może też wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych. Wszelkie zgłoszenia dotyczące ochrony danych osobowych prosimy kierować na adres biuro@motofaktor.pl lub pisemnie na adres Proautomotive Sp. z o.o., 39 - 200 Dębica, ul. Kolejowa 28 z dopiskiem "ochrona danych osobowych".

Więcej o zasadach przetwarzania danych osobowych i przysługujących Użytkownikowi prawach znajduje się w Polityce prywatności.

Zapisz się na newsletter główny

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).

 

To był tydzień!

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).

 

Strefa Ciężka

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).

 

Subscribe to our newsletter

Send me your newsletter (you can unsubscribe at any time).