Efekt Magnusa – czyli co?
Jest to zjawisko polegające na powstawaniu siły prostopadłej (przez różnicę ciśnień) do kierunku ruchu, działającej na obracający i poruszający się względem płynu (cieczy, gazu) walec lub inną bryłę obrotową. Już Issac Newton opisał efekt zmiany kierunku piłek tenisowych, później Benjamin Robins wyjaśniał fizykę odchylenia trajektorii kul muszkietu, ale ostatecznie w pełni zjawisko to opisał w 1852r. Heinrich Gustav Magnus. Efekt ten chciano, z różnym powodzeniem, wykorzystać przy budowie statków, turbin wiatrowych a nawet samolotów. Na co dzień korzystają z niego sportowcy grający w tenisa, baseball, siatkówkę oraz piłkę ręczną. To dzięki temu efektowi trajektoria piłki może być „kształtowana” przez gracza za pomocą wprawienia jej w odpowiedni ruch obrotowy.
Ruch piłki w XFlow?
Nowoczesne narzędzie do obliczeń CFD jakim jest XFlow daje nam dostęp do modelowania dynamiki ciała sztywnego w interakcji z polem przepływu oraz innymi obiektami (aby zaobserwować np. odbicia i tarcie). W symulacjach prezentujących tor ruchu podkręconej piłki wykorzystana została właśnie ta funkcjonalność. W połączeniu z dynamiczną adaptacją siatki obliczeniowej oraz możliwościami niestacjonarnego solvera opartego na LBM (lattice boltzman method) możliwe było uzyskanie zakrzywionej trajektorii piłki dzięki powstaniu obszarów wysokiego oraz niskiego ciśnienia ze względu na różnice w lokalnej prędkości przepływu względem powierzchni piłki.
Ruch piłki pod wpływem efektu Magnusa (początkowa prędkość 5 m/s + ok. 16 obr/s wokół osi pionowej)
Wykresy pokazują (od lewej): siłę, prędkość oraz położenie w osi X (czyli pionowo w dół w tym widoku)
Animacja lotu podkręconej piłki z zadaną prędkością początkową oraz ruchem obrotowym. Wykresy pokazują położenie piłki w osiach (odpowiednio od lewej): X, Y i Z.
Analiza wyników pozwala uzyskać informacje o położeniu, prędkości oraz sił działających na badane geometrie. Dzięki temu możemy uzyskać informacje o optymalnych parametrach testując różne warianty.
Możliwość wprowadzenia geometrii (w naszym przypadku boiska piłkarskiego oraz „sztucznego muru”) na poziomie postprocessingu pozwala na wytworzenie bardziej estetycznych animacji z zachowaniem dużej elastyczności – ponieważ program nie musi uwzględniać tego obiektu na etapie obliczeń.
Podkręcony strzał z różnych ujęć (w jednym z nich dodana jest dodatkowa geometria w celu uwypuklenia zakrzywionego toru lotu piłki.
Niebieska piłka – bez podkręcenia, czerwona – podkręcona (ok. 24 obr/s wokół osi pionowej).
Jakie może być tego zastosowanie?
Zaprezentowany przykład pokazuje skalę możliwości i danych jakie możemy uzyskać z symulacji w XFlow. Uwzględnianie szerokiego zakresu zjawisk, gdzie wzajemna, dwukierunkowa interakcja: ciało sztywne <-> przepływ ma znaczenie jest bardzo wygodne w wielu zastosowaniach. Dzięki temu możemy ograniczyć ilość uproszczeń i obserwować realistyczne zachowanie komponentów w przepływach jedno, ale także wielofazowych. Jedno z takich zastosowań zostało również ujęte w artykule o tytule „Użycie modelowania ruchu ciał sztywnych do symulacji turbin wiatrowych w XFlow” znajdującego się na naszym blogu.
Zapraszam do śledzenia naszego bloga SOLIDMANIA, gdzie pojawią się koleje artykuły o zastosowaniach tego przełomowego programu w badaniach CFD. Zaś na tej stronie można zapoznać się z opisem funkcji programu i skontaktować się z działem handlowym SOLIDEXPERT w celu zapoznania się z naszą ofertą.
