Geavanceerde Simulatiemodellen Modelleren Voertuigdynamiek en Bandenstroom Nauwkeurig

Specialisten in vloeistofdynamica aan Rice University en Waseda University in Tokio hebben hun computermodelmethoden ontwikkeld tot het punt dat het mogelijk is om rijdende auto's nauwkeurig te modelleren, tot aan de stroom rond rollende banden.

De resultaten zijn te zien in een video  geproduceerd door Takashi Kuraishi, een research associate in het laboratorium van Tayfun Tezduyar, de James F. Barbour Professor of Mechanical Engineering.

'Hij heeft de complexiteit van zijn berekeningen opgevoerd, beginnend met een losstaande band en nu de rest van de auto,' zei Tezduyar over Kuraishi, die in 2020 bij het Rice-lab aantrad.

De video demonstreert ook de effectiviteit van de NURBS Surface-to-Volume Guided Mesh Generation methode, een techniek ontwikkeld door het Team for Advanced Flow Simulation and Modeling geco-lead door Tezduyar en Takizawa om stroomdynamica rond en door complex-geometrie objecten te modelleren. NURBS staat voor Non-Uniform Rational Basis Splines, een wiskundige techniek om 3D-vormen te beschrijven en computationele analyse van vloeistof- en structurele mechanica problemen met dergelijke vormen te bieden.

De complexiteit van het model wordt vergroot doordat de banden in contact zijn met de weg en vervormen terwijl ze rollen. 'We hebben te maken met near-actual auto- en bandengeometrieën,' zei Tezduyar.

Een gedetailleerde beschrijving van de methoden en de autosimulatie werd vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Computational Mechanics. Sindsdien maakte het Rice-Waseda team de video om de illustraties tot leven te wekken.

'Het weten van het luchtstroomgedrag rond de auto en zijn banden zal leiden tot beter begrip van hun aerodynamische prestaties,' zei Kuraishi. 'Simulaties zo gesofistikeerd zijn belangrijk om realistische oplossingen en betrouwbare antwoorden in ontwerp en prestatie-evaluatie te bieden.'

Tezduyar, wiens lab ook herstelparachutes voor NASA's Orion capsules heeft gemodelleerd, zei dat het gebruik van NURBS in computationele analyse in de afgelopen jaren dramatisch is gegroeid, combinant efficiëntie en nauwkeurigheid door het aantal mesh-punten dat nodig is om een systeem te modelleren te verlagen. Denk aan de mesh als een net van een vloeistof — als lucht — rond een object, met de mesh-punten die in 3D-elementen leven. De punten en elementen bewegen wanneer het object beweegt.

In één model van een rijdende auto werd de computationele stroomanalyse met NURBS bereikt met ongeveer 1,1 miljoen punten, een fractie van het aantal dat in gebruikelijke methoden wordt gebruikt, terwijl de nauwkeurigheid behouden bleef. Dat verlaagt ook de computationele kosten, zei Tezduyar.

'We hebben een 3D mesh rond de auto en de banden, met meer punten nabij de bandoppervlakken voor hogere nauwkeurigheid waar het meer uitmaakt,' zei hij. 'Als de band roteert, roteren de punten en elementen mee, maar het probleem is dat als de band roteert, de elementen onder de band instorten — en dit is wat andere methoden niet kunnen aan. Onze methode kan dit, en dat is de sleutel tot een nauwkeurige simulatie.'

'Naarmate de tijd voorbijgaat, zullen natuurlijk nieuwe bandontwerpen of verbeteringen overwogen worden,' zei hij. 'Het zou zeer voordelig zijn voor bandenfabrikanten om dit type simulatie te doen voordat ze investeren in het genereren van een prototype, omdat het hen uitgebreide en gedetailleerde numerieke data over de aerodynamica rond de band zou geven die op geen andere manier moeilijk te verkrijgen zou zijn.'