Jak zpřesnit simulace aneb praktické využití PIV v aerodynamickém tunelu

PIV (Particle Image Velocimetry -  laserová rovinná anemometrie) je optickou metodou, která se využívá pro vizualizaci obtékání. Již pár dekád se používá pro okamžité měření rychlosti a souvisejících vlastností tekutin, ale ještě před několika lety jsme toho ve skriptech o PIV moc neměli - až v nedávné době se z PIV stal praktický nástroj pro designéry, a to obzvlášť kvůli rostoucí výkonnosti a klesajícím nákladům jak na počítače, tak i na digitální kamery.

Pomocí různých vylepšení (například stereoskopické uspořádání kamer s možností dopočítání pozice v rovině z), je možné zkoumat proudění nejen v dvourozměrném řezu, ale také ve 3D prostoru. V článku se budu věnovat základním principům a praktickému využití PIV, specifika 3D technik (mikro PIV, holografické PIV, tomografické PIV či skenovací PIV s rotujícím zrcadlem) ponecháme stranou.

"Pokud se výzkumníkům podaří identifikovat způsob, jak u sportovních vozů snížit odpor, pak je rozumné předpokládat, že se tato informace uplatní i u budoucích verzí normálních silničních vozidel," říká inženýr Frank Michaux, který má u společnosti Toyota Motorsport na starosti výzkum pomocí CFD a PIV, při níž nevyužívájí komerční systémy známých společností (LaVision, TSI apod.), nýbrž svůj vlastní.

Proč PIV?

V tunelech se používaly jednoduché modely, na jejichž povrchu se studovalo proudění. To bylo neefektivní, protože k vidění bylo pouze to proudění po povrchu. Neexistoval způsob, jak vytvořit 2D rovinu či přesně pozorovat a zaznamenat kritické turbulence, vznikající například za koly.

K osvícení proudu vzduchu kolem vozu se při využívání PIVv aerodynamickém tunelu používají vysoce výkonné lasery(zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Pro kompenzování těchto nedostatků inženýři využívali některé ad-hoc techniky, jako například kouřovou sondu v aerodynamickém tunelu, aby lépe "viděli" proudění vzduchu. Ale ve sportu, kde se počítá každá tisícina, tyto metody nesplňovaly to, co inženýři opravdu chtěli: plně zachytit data o proudění v oblastech zájmu, a to velmi rychle.

Při pohledu na kouř v aerodynamickém tunelu můžete vizualizovat proudění, ale nedokážete jej nijak kvantifikovat. Mohli byste pouze vyvodit nějaké závěry o rychlosti na základě vizuálních hledisek toku vzduchu. "Celý problém v tomto odvětví spočívá v tom, jak vizualizovat proudění, aniž byste do něj museli zavést něco nového, co by mohlo potenciálně narušit výsledky. S metodou PIV můžete proudění vzduchu skutečně přiřazovat čísla," uvádí Michaux.

PIV umožňuje vizualizovat proudění téměř přesně tak, jak se objevuje v aerodynamickém tunelu, aniž by ovlivňoval samotné proudění, které chtějí inženýři měřit.

Do přiváděného vzduchu se přidávají částice o stejné hustotě(zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Jak to funguje?

Při měření pomocí PIV se v aerodynamickém tunelu vháněného vzduchu nejprve z tlakové nádoby zavádějí částice (seeding particles), jež jsou kritickou součástí PIV systému. Nelze v něm používat tak levné částice, jako například ve vodě (kde postačí plastový prášek o průměru kolem 60 mikrometrů).

Zaváděné částice musí odpovídat vlastnostem hustotě, jaké má vzduch, který je unáší, jinak by přesně nenásledovaly jeho proudění. Protože nedochází k ovlivnění silových měření, která můžou probíhat současně s PIV, mohou být výsledné analýzy velmi přesné.

Ve Formuli 1 se v aerodynamických tunelech používájí například nefluorescenční DEHS (Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat) částice o velikosti 3,5 mikrometru, které mají téměř stejnou hustotu jako vzduch.

Pozorovateli se zdají jako jemná, volně se pohybující mlha (aerosol). Při PIV měření je kamera natočena kolmo k rovině studovaného pole proudění a po zaplnění tunelu částicemi jsou zhasnuta všechna světla. Po skončení měření se po několika hodinách jako plyn zase vypaří, přičemž model a interiér zůstává beze stopy, není třeba nic uklízet (což se nedá srovnávat se spouští, které po sobě zanechávalo využití flow-visu).

Pod monopostem běží pohyblivý pás umožňující lépe simulovat mezní vrstvu na vozovce pod autem a dosažení realističtějších podmínek. Proudění okolního vzduchu je v tunelu urychleno na 50 m/s (180 km/hod), větší rychlost je sportovními pravidly FIA (článek 22.10) zakázána. Vzduch nejprve proudí pomalu a kontroluje se, zda jsou v něm částice rovnoměrně rozmístěny, poté je urychlován a začíná se měřit.

Díky tomu, že je model umístěn na pohyblivém nosníku, je možné z řídící místnosti krom regulace rychlosti vzduchu měnit například nastavení klapky předního křídla, upravovat světlou výšku, sklon či natočení vozu.

V aerodynamickém tunelu po zhasnutí světel(zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

V dalším kroku dojde k nasvícení částí, které mají být vizualizovány, pomocí vysoce výkonného laseru a systému optických prvků, čímž dojde k vytvoření 2D roviny (její buzení je pro dosažení stroboskopického jevu pulzní). Části monopostů osvícené laserem se zvlášť upravují kvůli snížení úrovně odráženého světla.

Pomocí počítačově synchronizace (s přesností na 1 ns) zároveň dochází ke snímání dvou sad snímků pomocí velmi rychlých digitálních kamer s CCD čipy v extrémně krátkých časových intervalech - obecně mezi 10 - 20 milisekundami. Tyto kamery se předtím zkalibrují, na základě toho je potom nasměřován laser.

Obrazy kamery jsou rozděleny na pravoúhlé oblasti. Pro každou z těchto vyhodnocovaných ploch je korelačními technikami (signální zpracování, autokorelace, křížová korelace) stanoven jeden vektor reprezentující průměrný posun všech částic uvnitř vyhodnocované plochy (displacement vector). Dělením tohoto posunutí známou dobou mezi dvěma záznamy obrazů jsou vektory posunu konvertovány do mapy nezpracovaných rychlostních vektorů.

Snímek zavedených částic o velikosti 1 - 5 mikrometrů (1),vektorová mapa (2) a z ní odvozená vířivost (3)(zdroj: Dantec Dynamics)

V další etapě se aplikují kontrolní algoritmy na nezpracované mapy a v nich detekují a odstraňují extrémní hodnoty, jimiž jsou chybné vektory. Výstupem je nová vektorová mapa (č. 2 na obrázku výše), ze které je možno další analýzou vytvářet proudnice, pole vířivosti (č. 3) atd.

"PIV tedy vytváří data - obecně pouze text a čísla, ale ta nejsou užitečná, dokud se na ně nepodívá inženýr, který musí jevům kvalitativně rozumět - tedy co je v poli proudění: je to vír, úplav, jejich kombinace a zda jsou či nejsou ve vzájemné interakci? Musí věcem rozumět také kvantitativně," vysvětluje Mike Peery, výkonný ředitel společnosti Tecplot.

Inženýři vybavení možností velmi zpomaleného přehrávání tedy z takových obrázků dokážou zjistit vzdálenosti, které za daný časový okamžik unášené částice urazily, a tedy snadno změřit rychlost a směr proudění.

PIV umožňuje snadné měření rychlosti a směru proudění(zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Asi není třeba dodávat, že se vzhledem k využívání laserů třídy 4 a vysokorychlostních kamer s vysokým rozlišením a náročnost na výpočetní výkon jedná o velmi nákladnou technologii.

Příklad praktického využití v F1

Před několika lety týmy chtěli například studovat turbulence vznikající za předními koly vozů F1. Jedná se o kritickou část proudění, která má velké dopady na celý monopost, není-li perfektně vyhodnocena.

"Protože přední kola jsou zcela vystavena náporu vzduchu, při kontaktu s ním za nimi vzniká pomalejší proudění, které by v ideálním případě nemělo přijít do styku s ostatními částmi vozu, takže se snažíme jej vytlačit co nejvíce do boku.

K tomu můžeme využít například PIV, abychom změřili úplav za kolem a viděli, zda s nimi změna tvaru bočnic předního křídla pohne pozitivním či negativním směrem," říká Michaux k případové studii Toyoty.

PIV pomohlo týmům lépe porozumět proudění vzduchu v důležité oblasti za předními koly (vlevo), vpravo vytvoření 2D roviny nasvícením zamlženého proudění v aerodynamickém tunelu pro PIV měření (zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Inženýři si uvědomili, že je třeba přidat či upravit různé částí v přední části vozu, proto začali přidávat pod nos deflektory (turning vanes) a výrazněji upravovat bočnice předních křídel, pro ovlivnění obtékání z vnější strany vozu.

 

Přidání vertikálního křidélka a následné porovnání vířivosti pomocí PIV a CFD(zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Cílem bylo vytlačit proudění z pod nosu monopostu a dostat turbulence co nejdál mimo auto. Po získání hrubých dat o "separačním bodu" na předních pneumatikách z PIV měření je inženýři softwarově zpracovali, což jim umožnilo vidět a měřit přesnou pozici separace.

Například každé měření ve špičkovém aerodynamickém tunelu Toyoty v Kolíně nad Rýnem, kde si své výpočty ověřuje i Ferrari (po loňských problémech s korelací dat ve vlastním tunelu přestavěném na testování 60% modelů), McLaren i některé další týmy Formule 1, se skládá z 300 datových sad, přičemž každá z nich je vytvořena ze dvou snímků pořízených rychle za sebou a nese tak záznam o x, y pozicích a rychlosti měřeného bodu.

Odpovídající výsledky z CFD se poté importují do programu Tecplot (umožňuje importovat data z Ansysu, Fluentu, CFX CD-adapca či různá další experimentální data), kde jsou data z PIV a z CFD srovnávána, aby se zjistilo, zda se CFD využívané metody pohybují v rámci tolerancí, a na základě zjištěných odchylek umožnilo jejich zpřesnění.

 

Porovnání výsledků PIV s výsledky CFD pomáhá v krátkém čase zlepšit korelaci dat mezi počítačovými simulacemi a aerodynamickým tunelem (zdroj: Toyota Motorsport GmbH)

Rychlé a účinné zpřesnění CFD simulací

V případě separačního bodu předních pneumatik prvotní testy u Toyoty odhalily, že tento bod dle původních výpočtů vznikal později a byl hodně posunutý za pneumatiky. Inženýři na základě těchto pozorování upravili metodiku CFD, naimportoval do Tecplotu nové výsledky a svůj pokrok srovnali s výsledky PIV. Proces opakovali, dokud se nedopracovali k návrhu, který spočítal separační bod v optimálním místě na pneumatikách.

Tato metoda, během níž se kombinuje CFD a PIV analýza, pomáhá inženýrům dospět k nejpřesnějším možným simulacím podmínek reálného světa a korelace dat v překvapivě krátkém čase.

Petr Hlawiczkahlawiczka.petr@f1news.cz