แบบจำลองแอโรไดนามิกของรถที่กำลังเคลื่อนที่และยาง

ผู้เชี่ยวชาญด้านไดนามิกส์ของไหลที่มหาวิทยาลัยไรซ์และมหาวิทยาลัยวาเซดะในโตเกียวได้พัฒนาวิธีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์จนถึงจุดที่สามารถสร้างแบบจำลองรถยนต์ที่กำลังเคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ ไปจนถึงการไหลของยางล้อ ผลลัพธ์มีให้ทุกคนได้ดูในวิดีโอที่ผลิตโดย Takashi Kuraishi ผู้ร่วมวิจัยในห้องปฏิบัติการ George R. Brown School of Engineering ของ Tayfun Tezduyar, James F. Barbour ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล และลูกศิษย์ของ Kenji Takizawa ศาสตราจารย์ที่ Waseda และผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Rice "เขาเพิ่มความซับซ้อนในการคำนวณมากขึ้น โดยเริ่มจากยางเดี่ยวและตอนนี้มีส่วนที่เหลือของรถ" Tezduyar กล่าวถึง Kuraishi ซึ่งเข้าร่วมห้องทดลองของ Rice ในปี 2020 และได้รับการดูแลร่วมกันโดย Tezduyar และ Takizawa วิดีโอนี้ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของวิธี NURBS Surface-to-Volume Guided Mesh Generation รถยนต์ ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาโดย Team for Advanced Flow Simulation and Modeling ซึ่งนำโดย Tezduyar และ Takizawa เพื่อจำลองไดนามิกของการไหลของรอบ ๆ และผ่านวัตถุรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน NURBS ย่อมาจาก Non-Uniform Rational Basis Splines ซึ่งเป็นเทคนิคทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายรูปร่าง 3 มิติ และให้การวิเคราะห์ทางคอมพิวเตอร์ของไหลและปัญหากลศาสตร์โครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างดังกล่าว วิดีโอการไหลของของเหลวในหัวใจที่เต้นอยู่ก่อนหน้านี้แสดงให้เห็น "ผ่าน" การจำลองใหม่แสดงสิ่งที่เกิดขึ้นจริงรอบๆ วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ ในกรณีนี้คือกิจกรรมพิเศษรอบๆ วัตถุทั่วไป ความซับซ้อนของโมเดลคือข้อเท็จจริงที่ว่ายางสัมผัสกับพื้นถนนและทำให้เสียรูปขณะหมุน "เรากำลังจัดการกับรูปทรงของรถยนต์และยางที่ใกล้เคียงจริง" Tezduyar กล่าว คำอธิบายโดยละเอียดของวิธีการและการจำลองรถได้รับการเผยแพร่เมื่อเดือน ที่แล้วในวารสารComputational Mechanics ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ทีมงานของไรซ์-วาเซดะก็ได้สร้างวิดีโอเพื่อทำให้ภาพประกอบมีชีวิตขึ้นมา "การรู้พฤติกรรมการไหลเวียนของอากาศรอบๆ ตัวรถและยางของรถจะนำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับประสิทธิภาพแอโรไดนามิกของรถ" คูราอิชิ ผู้สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี ปริญญาโท และปริญญาเอกกล่าว ปริญญาที่วาเซดะและใช้เวลาหนึ่งปีในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่นั่นกับทากิซาว่าก่อนจะมาที่ฮิวสตัน "การจำลองที่ซับซ้อนนี้มีความสำคัญต่อการจัดหาโซลูชันที่สมจริงและคำตอบที่เชื่อถือได้ในการออกแบบและการประเมินประสิทธิภาพ" Tezduyar ซึ่งห้องปฏิบัติการของเขาได้สร้างแบบจำลองร่มชูชีพสำหรับการกู้คืนสำหรับแคปซูล Orion ของ NASA กล่าวว่าการใช้ NURBS ในการวิเคราะห์ทางคอมพิวเตอร์ได้เพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยผสมผสานประสิทธิภาพและความแม่นยำด้วยการลดจำนวนจุด "ตาข่าย" ที่จำเป็นในการสร้างแบบจำลองระบบ คิดว่าตาข่ายเป็นตาข่ายของของไหล (เช่น อากาศ) รอบวัตถุ โดยจุดตาข่ายจะอาศัยอยู่ใน "องค์ประกอบ" 3 มิติ จุดและองค์ประกอบจะเคลื่อนที่เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ ในรถเคลื่อนที่รุ่นหนึ่ง การวิเคราะห์การไหลของการคำนวณด้วย NURBS ได้ผลสำเร็จด้วยคะแนนประมาณ 1.1 ล้านคะแนน ซึ่งเป็นเศษเสี้ยวของจำนวนที่ใช้ในวิธีการปกติ ในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำไว้ได้ นั่นทำให้ต้นทุนการคำนวณลดลงเช่นกัน Tezduyar กล่าว “เรามีตาข่าย 3 มิติรอบตัวรถและยาง โดยมีจุดใกล้พื้นผิวยางมากขึ้นเพื่อความแม่นยำสูงขึ้นในจุดที่สำคัญกว่า” เขากล่าว "ขณะที่ยางหมุน จุดและองค์ประกอบต่างๆ ก็จะหมุนตามไปด้วย แต่ปัญหาก็คือ ขณะที่ยางหมุน องค์ประกอบต่างๆ ที่เคลื่อนไหวอยู่ใต้ยางจะยุบตัวลง และนี่คือสิ่งที่วิธีอื่นๆ ไม่สามารถจัดการได้ วิธีการของเราคือกุญแจสำคัญ เพื่อให้ได้การจำลองที่แม่นยำ" เช่นเดียวกับการศึกษาเกี่ยวกับหัวใจ Tezduyar กล่าวว่าทีมของพวกเขากระตือรือร้นที่จะร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมเพื่อสร้างแบบจำลองระบบที่ซับซ้อน รวมถึงยางและยานยนต์ "เมื่อเวลาผ่านไป แน่นอนว่าการออกแบบยางใหม่หรือการปรับปรุงจะได้รับการพิจารณา" เขากล่าว "การจำลองแบบนี้จะเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับผู้ผลิตยางล้อก่อนที่พวกเขาจะลงทุนสร้างรถต้นแบบ เพราะมันจะให้ข้อมูลเชิงตัวเลขที่ครอบคลุมและละเอียดเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์รอบยาง ซึ่งยากต่อการได้รับด้วยวิธีอื่นใด" "