Computersimulatie modelleert nauwkeurig bewegende auto's

Specialisten in vloeistofdynamica aan de Rice University en Waseda University in Tokio hebben hun computersimulatiemethoden zo ontwikkeld dat het mogelijk is om bewegende auto's nauwkeurig te modelleren, tot aan de stroming rond rollende banden.

De resultaten zijn voor iedereen zichtbaar in een video geproduceerd door Takashi Kuraishi, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Tayfun Tezduyar, de James F. Barbour hoogleraar werktuigbouwkunde.

"Hij heeft de complexiteit van zijn berekeningen steeds groter gemaakt, te beginnen met een op zichzelf staande band en nu met de rest van de auto", zei Tezduyar over Kuraishi, die in 2020 bij het Rice-lab kwam.

De video demonstreert ook de doeltreffendheid van de NURBS Surface-to-Volume Guided Mesh Generation-methode, een techniek die is ontwikkeld door het Team for Advanced Flow Simulation and Modeling onder leiding van Tezduyar en Takizawa om de stromingsdynamiek rond en door complexe geometrische objecten te modelleren. NURBS staat voor Non-Uniform Rational Basis Splines, een wiskundige techniek om 3D-vormen te beschrijven en computationele analyse te bieden van vloeistof- en structurele mechanische problemen waarbij dergelijke vormen betrokken zijn.

Het model compliceert het feit dat de banden in contact staan ​​met de weg en vervormen tijdens het rollen. "We hebben te maken met bijna echte auto- en bandgeometrieën", zei Tezduyar.

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

"Het kennen van het luchtstroomgedrag rond de auto en de banden zal leiden tot een beter begrip van hun aerodynamische prestaties", zei Kuraishi. "Deze geavanceerde simulaties zijn belangrijk om realistische oplossingen en betrouwbare antwoorden te bieden bij ontwerp en prestatie-evaluatie."

Tezduyar, wiens laboratorium ook herstelparachutes voor NASA's Orion-capsules heeft gemodelleerd, zei dat het gebruik van NURBS in computationele analyse de afgelopen jaren dramatisch is gegroeid, waarbij efficiëntie en nauwkeurigheid worden gecombineerd door het aantal mesh-punten te verlagen dat nodig is om een ​​systeem te modelleren. Zie het gaas als een net van een vloeistof - zoals lucht - rond een object, waarbij de gaaspunten 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 rekenkosten, zei Tezduyar.

"We hebben een 3D-gaas rond de auto en de banden, met meer punten in de buurt van de bandoppervlakken voor een hogere nauwkeurigheid waar het er meer toe doet", zei hij. "Terwijl de band draait, draaien de punten en elementen mee, maar het probleem is dat als de band draait, de elementen die onder de band bewegen instorten - en dit is wat andere methoden niet aankunnen. Onze methode wel, en het is de sleutel tot een nauwkeurige simulatie.”

"Naarmate de tijd verstrijkt, zullen natuurlijk nieuwe bandenontwerpen of verbeteringen worden overwogen", zei hij. “Het zou voor bandenfabrikanten zeer gunstig zijn om dit soort simulatie te doen voordat ze investeren in het maken van een prototype, omdat het hen uitgebreide en gedetailleerde numerieke gegevens zou geven over de aerodynamica rond de band die op een andere manier moeilijk te verkrijgen zouden zijn. ”