Сопротивление бесполезно!

Максим Вершинин

10 июля 2008, 04:32

В чем разница между гоночным болидом и обыкновенным серийным автомобилем? **Естественно, можно найти десяток-другой технических отличий, но эти тонкости для непосвященного человека мало что значат. Ну, а то, что сразу бросается в глаза — внешность автомобиля, аэродинамический обвес. О нем и пойдет речь.
**
Взять, например, ничем не примечательный «Chevrolet Lacetti» — обычный «кореец», каких тысячи. Но стоит облачить его в гоночные «доспехи» и водрузить на крышку багажника антикрыло, как перед нами предстает один из тех бирюзовых «крестоносцев», что громят на трассах WTCC, страшно сказать, «великие и ужасные» BMW! Или вот почему никто не путает «гражданский» «C-Klasse» с тем же «Мерседесом» из чемпионата DTM? Как раз таки благодаря аэродинамическому оперению. Можно сказать, что туринговый автомобиль, ощетинившийся многочисленными «крылышками» и воздуховодами, автоматически приобретает суверенитет по отношению к своему серийному собрату. Впрочем, профессионалам дела нет до внешнего «пафоса» — в гонках балом правит Аэродинамика. В мире высоких скоростей правильно подобранные аэродинамические элементы означают выигрыш в несколько десятых на круге. С гонками все понятно, там польза очевидна. А вот есть ли толк от обвеса в повседневной эксплуатации? На скорость автомобиля влияет масса параметров, один из них — аэродинамические характеристики, сопротивление набегающему потоку воздуха. И все наружные элементы должны работать на снижение этого аэросопротивления, вместе с тем обеспечивая достаточную прижимную силу, чтоб автомобиль не превратился в неконтролируемый снаряд. Естественно, что все серийные машины обладают необходимым уровнем прижимной силы «по-умолчанию», а любые вмешательства могут быть как на пользу, так и во вред. Например, отсутствие спойлера на первых Audi TT едва не обернулось трагедией, — машина неожиданно срывалась в глубокий занос и становилась неуправляемой после 200 км/ч. Заводчане оперативно отреагировали на рекламации и стали оснащать купе небольшим «крылышком» на крышке багажника. Подъемная сила уменьшилась, а при установке обвеса от «Abt» снизился и коэффициент лобового сопротивления — «правильный» тюнинг оправдал ожидания! Но Audi TT занимались профессионалы, а что делать нам, простым автолюбителям? Вне всякого сомнения, правильно подобранные и настроенные спойлер и бампера увеличивают прижимную силу, улучшая управляемость машины. Навесные детали способны снизить коэффициент аэродинамического сопротивления. Как результат снижается расход топлива и подрастает «максималка». Но это в том случае, если обвес специально продували в трубе. Мы же в основном сталкиваемся с горами всевозможных «украшательств» на полках автомагазинов, которые не продувались в аэродинамической трубе. И невозможно сказать, как повлияет установка девайса на конкретный автомобиль. И ладно, если все ограничится увеличением силы лобового сопротивления. Впрочем, не исключен вариант, когда водитель получит в качестве «бонуса» разгруженные передние колеса и заднюю ось — незнание законов физики может дорого обойтись! Поэтому неплохо бы знать, как чаще всего влияет тот или иной аэроэлемент на поведение автомобиля. Накладка на капот, по-народному — «Мухобойка». Чаще всего только вредит. Увеличивает подъемную силу на переднюю ось автомобиля и увеличивает сопротивление. Отсюда — чуть-чуть увеличивается расход топлива. При этом мухи и камни как били в стекло, так и бьют. Спойлер на крышку багажника. Вещь полезная. Спойлер уменьшает завихрения при отрыве воздушной струи от кузова — и этим снижает аэродинамическое сопротивление. Плюс неплохо смотрится почти на каждом автомобиле. Накладки на боковые стекла. Улучшают воздухообмен в салоне, ослабляют сквозняки и на поведение автомобиля совершенно не влияют. Только частично ухудшают обзорность, если выбрать накладки из непрозрачного материала. Накладки на ручки дверей. На аэродинамику не влияют. Если нравятся внешне, можно смело ставить. То же самое можно сказать о спойлерах рычагов стеклоочистителя. Элемент внешнего облика, нет ни пользы, ни вреда. Но как поведет себя тот или иной элемент обвеса именно на вашем автомобиле на глаз определить невозможно. Поэтому, если ставите для красоты, то не ждите от автомобиля многократного увеличения управляемости и скоростного предела. Если же хотите получить реальный эффект, то не поленитесь поискать информацию о тесте в аэротрубе конкретного обвеса конкретного производителя.{2}}{2}}S.}

Cx{\displaystyle C_{x}} зависит только от формы автомобиля и числа Рейнольдса, при равенстве всех критериев подобия, в данном случае существенно число Рейнольдса, одинаков для всех геометрически подобных тел, независимо от их конкретных размеров. Cx{\displaystyle C_{x}} в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re), от ~1000 до ~10⁵ приблизительно постоянно. При малых Re Cx{\displaystyle C_{x}} увеличивается из-за перехода обтекающего потока в ламинарное течение, для автомобиля такое Re соответствует скорости нескольким десяткам сантиметрам в секунду. При Re>10⁵ наступает полное развитие турбулентности как на лобовой, так и на тыльной сторонах обтекаемого тела и Cx{\displaystyle C_{x}} снижается.

Чем меньше Cx{\displaystyle C_{x}}, тем меньше лобовое сопротивление движению автомобиля и меньше расход топлива при прочих равных условиях. Cx{\displaystyle C_{x}} современных легковых серийно выпускаемых автомобилей лежит в пределах от 0,2 до 0,35. У грузовых автомобилей и внедорожников, из-за плохо обтекаемого воздухом массивного кузова — до 0,5 и более.

Некоторые производители указывают в спецификациях эффективную площадь сопротивления автомобиля Seff{\displaystyle S_{eff}}:

Seff=Cx⋅S.{\displaystyle S_{eff}=C_{x}\cdot S.}

Эта величина равна площади тонкой плоской пластины, ориентированной перпендикулярно набегающему потоку и испытывающей равную силу сопротивления с автомобилем, движущемся с той же скоростью, так как Cx{\displaystyle C_{x}} тонкой пластины близок к 1. Эффективная площадь зависит не только от формы, но и от размеров автомобиля, точнее, от площади его миделева сечения. Эффективная площадь современных серийных составляет от 0,5 м² для легковых до 2 и более квадратных метров у внедорожников и грузовиков.

Коэффициент сопротивления определяется экспериментальным путём продувкой макетов автомобилей в аэродинамической трубе, либо расчётным путём с помощью компьютерного моделирования.{3}}{2}}S_{eff}.}

Пример

У автомобиля в летний день (плотность воздуха ~1,2 кг/м³), с эффективной площадью 1 м², движущегося со скоростью 10 м/с (36 км/час) двигатель затрачивает на преодоление сопротивления воздуха около 600 Вт, а при движении со скоростью 30 м/с (108 км/час) уже ~16 кВт (~22 л. с.).

Некоторые примеры коэффициентов аэродинамического сопротивления современных автомобилей:

Серийно выпускаемые автомобили[править | править код]

• Cx=0,29{\displaystyle C_{x}=0,29} — Peugeot 308, 2007

• Cx=0,28{\displaystyle C_{x}=0,28} — Porsche 997, 2004

• Cx=0,27{\displaystyle C_{x}=0,27} — Infiniti G35, 2002 (Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} «aero package»)

• Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)

• Cx=0,25{\displaystyle C_{x}=0,25} — Audi A2 1.2 TDI, 2001

Несерийные и уникальные автомобили[править | править код]

• Cx=0,2{\displaystyle C_{x}=0,2} — Loremo, 2007

• Cx=0,18{\displaystyle C_{x}=0,18} — Acabion, 2006

Коэффициент аэродинамического сопротивления. — Лада 2113, 1.6 л., 2011 года на DRIVE2

Коэффициент аэродинамического сопротивления

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Cw) — безразмерная величина, отражающая отношение силы сопротивления воздуха движению автомобиля к силе сопротивления движению цилиндра:
Cw = Fauto / Fcylinder,
при условии, что наибольшее поперечное сечение автомобиля равно поперечному сечению цилиндра[источник не указан 1186 дней].
Другими словами, сила сопротивления воздуха, действующая на корпус автомобиля, равна силе, действующей на цилиндр с понижающим коэффициентом Cw:
Fauto = Cx * Fcylinder,
где Cw — безразмерный коэффициент, обычно меньший единицы (от С — coefficient, w — продольная ось цилиндра и автомобиля).
Cw не имеет единицы измерения и действует для всех геометрически подобных тел, вне зависимости от их конкретных размеров.
Чем меньше Cw, тем лучше проработана аэродинамика автомобиля. Для современных автомобилей Cw < 0,3.
Коэффициент определяется экспериментальным путём — в аэродинамической трубе, либо компьютерным моделированием.

Нередко приходится читать и слышать про достигнутые практически на стандартных машинах подобных значений максимальной скорости. Спидометры, уклоны, ветерки можно пока изъять из рассмотрения. Прежде всего, необходимо ответить, что цифири максимальной скорости — те, что нам втюхивает завод, как правило, являются “парадными”. Так, для стандартного 8v зубильного ряда «максималка» в лучшем случае не 156 км/час, а 152 км/час, для 2112 с 1.5 л 16v не 185 км/час, а в лучшем случае 179 км/час.

На таких скоростях главные затраты двигателя приходятся на преодоление сил аэродинамического сопротивления. А последние, как известно, пропорциональны коэффициенту аэродинамического сопротивления, площади миделевого сечения, скоростному напору (половине произведения плотности воздуха на квадрат его скорости).

Аэродинамическое сопротивление, площадь миделя и плотность воздуха не трогаем — стандарт есть стандарт. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости? Тогда потребная мощность на преодоление этой силы пропорциональна кубу скорости, и для зубильной «максималки» в 190 км/час нужно 77*(190/152)^3 = 150 кобыл! Вот тебе и стандарт… Справедливости ради надо отметить, что даже наличие под капотом 150 л/.с в зубиле не обеспечивают максимальной скорости в 190, надо иметь еще трансмиссию, которая обеспечивала бы при таких оборотах колес попадание в зону пика мощности как минимум, не хуже, чем в стандарте на 152 км/час, но это, как говорится, уже детали…

Средняя погрешность спидометра по правилам ЕЭК ООН 39 может быть только положительной и не превышать истинную скорость движения более чем на 10%+6 км/ч.

То есть если реальная скорость 160, то спидометр имеет право показать
160+16+6= 182 км/ч

Коэффициент лобового сопротивления.
1. Лада Приора Cx — 0,32
2. ВАЗ 2110 Cх — 0,347
3. ВАЗ 2112 Cx — 0,335
4. ВАЗ 2111 Cx — 0,381
5. ВАЗ 21106 Cx — 0,385
6. ВАЗ 21103М Cx — 0,333
7. Лада Калина »Норма» Сх — 0,378
8. Лада Калина «Люкс» Cx — 0,347
9. ВАЗ 2108 Cx — 0,463
10. ВАЗ 2109 Сх — 0,463
11. ВАЗ 2114 Cx — 0,445
12. ВАЗ 21099 Cx — 0,453
13. ВАЗ 2115 Cx — 0,429
14. ВАЗ 2107 Cx — 0,546
15. ВАЗ 2101 Cx — 0,52
16. ВАЗ 2121-213, 214 Cx — 0,536
17. ВАЗ 2123 Шнива Cx — 0,455
18. ГАЗ 21 Cx — 0,497
19. ГАЗ 3110 Cx — 0,461
20. nexia — 0,3

Что может стандартный ВАЗовский двигатель и чего он не может.

Скоростные характеристики.
ВАЗ 2108-09-99-2115: Cx — 0,468; S (площадь лобового сопротивления) — 1,8
1100 карб. (39,7 кВт/54,4 л.с.) — 139, 35 км/ч.
1300 карб. (47 кВт/64,4 л.с.) — 147,42 км/ч.
1500 карб. (51,5 кВт/71,6 л.с.) — 152 км/ч.
1500 инж. (60 кВт/82,2 л.с) — 159,92 км/ч.
ВАЗ 2110: Cx — 0,348; S (площадь лобового сопротивления) — 1,93

1500 инж. 8-кл. (56 кВт/76,7 л.с.) — 168,54 км/ч.
1500 инж. 16-кл. (69 кВт/94,5 л.с.) — 180,69 км/ч
Следует учесть, что данные цифры пригодны только для полностью исправного автомобиля со СТАНДАРТНЫМ двигателем и КПП, не приподнятого, с отличной подвеской и ходовой (исправными, желательно импортными, ступичными подшипниками), отрегулированным сход — развалом, одинаковом и правильном давлении в шинах, с минимальным потреблением электроэнергии (фары, печка, магнитола и т.д), без «обвесов», снижающих аэродинамику, абсолютно горизонтальной поверхности дороги и нулевой скорости ветра.

Для достижения «зубилом» скоростного барьера в 200 км/ч. необходима мощность двигателя 160 л.с, «десятке» потребуется поменьше — 130 л.с. Другие «контрольные точки» —

170 км/ч — 100 л.с (2108)/ 80 л.с (2110)
180 км/ч — 120 л.с (2108)/ 95 л.с (2110)
190 км/ч — 140 л.с (2108)/110 л.с (2110)

P.s. Будем надеяться на «честные» 180км/ч))))

Аэродинамика. Часть 2. Лобовое сопротивление. — DRIVE2

В первой части речь шла об основах аэродинамики и борьбе за ньютоны прижимной силы. Но каждый ньютон силы, прижимающий болид к земле, приходит не один. Он приносит с собой величайшее зло для аэродинамики – лобовое сопротивление.

Полный размер

Ненадолго представим себя специалистами, проводящими аэродинамический расчет. Правда, в настоящее время облик этого специалиста изменился. Если на заре автомобильной аэродинамики это был человек с карандашом в руках, обложенный со всех сторон результатами испытаний, то теперь это инженер, сидящий перед компьютерным монитором, на котором медленно меняются цветные картинки.

Полный размер

За каждой из этих картинок кроется сложнейший процесс вычисления. Он основан на том, что пространство разбивается на множество ячеек, в каждой из которых есть газ. Для каждой ячейки имеется сложная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение газа. И каждое мгновение компьютер проводит вычисления для миллионов таких ячеек, определяя сколько газа с какими параметрами пришло и сколько его вышло. Специалисту по аэродинамике остается только наблюдать за происходящим и анализировать результаты. Мы же поступим по старинке и вооружимся нехитрыми исходными данными: знанием основ аэродинамики, горсткой технической информации и калькулятором. Зато объект исследования у нас будет непростой – болид Формулы 1.
Как мы уже знаем, сила лобового сопротивления вычисляется по формуле:

Коэффициент аэродинамического сопротивления для современных болидов Формулы 1 находится в интервале от 0,5 до 1(в зависимости от трассы). По сравнению с гражданскими автомобилями – это очень много. Даже для внедорожников этот показатель находится в районе 0,4. А у лучших с точки зрения аэродинамики представителей автомобильного мира коэффициент лобового сопротивления чуть меньше 0,3. Для формульных болидов это несбыточная мечта. Таким образом они расплачиваются за открытые колеса, радиаторы системы охлаждения, большие антикрылья и возможность прижиматься к дорожному полотну с силой, эквивалентной полутора тоннам.

Представим, что мы на легендарной Монце: позади второй поворот Lesmo, а впереди нас ждет Ascari (это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Ascari еще далеко и мы несемся со скоростью 300 км/ч (примерно 83 м/с) по прямой.

Полный размер

Я выделил красным участок о котором идет речь

Коэффициент лобового сопротивления нашего болида 0,5. Мы берем минимальное значение, поскольку храм скорости (а именно так в гоночном мире называют трассу в Монце) не прощает большого аэродинамического сопротивления и наказывает всех, кто пренебрег этим негласным правилом, драгоценными секундами, потерянными в безуспешной борьбе с воздухом на длинных прямых королевского парка. Площадь поперечного сечения нашего болида 1,5 м2 (приблизительные данные для BMW Sauber F1.07). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:

Именно с такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За спиной 8 цилиндров объемом 2,4 литра, которые выдают 750 л.с. (551 кВт). А как известно, мощность – это произведение силы и скорости. Исходя из этого, мы можем посчитать, сколько же мощности, развиваемой двигателем, уходит на преодоление аэродинамического сопротивления.
Итак:

То есть ПОЧТИ ПОЛОВИНА МОЩНОСТИ двигателя болида уходит в воздух! Поразительно!

Полный размер

обратите внимание на наклон заднего антикрыла болида BMW Sauber F1.07 — минимальное количество планок и минимальный угол атаки. В результате — ощутимое снижение коэффициента лобового сопротивления.

Представим, что мы захотели сделать абсурдный поступок и попытались проехать по этому же участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако, то есть с антикрыльями, состоящими из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент лобового сопротивления стал равен 1, а значит аэродинамическое сопротивление, а вслед за ним и расходуемая на борьбу с воздухом мощность, возрастают в 2 раза. Выходит, что вся мощность двигателя будет потрачена на неравную борьбу с воздушной стеной. Но ведь есть еще и трение покрышек о полотно трассы, нужно преодолевать силы инерции и все тоже трение в коробке передач и дифференциале. А на это у мотора сил уже нет. Поэтому болид с аэродинамикой для гран-при Монако просто не сможет разогнаться в Монце до 300 км/ч!

Полный размер

А вот так выглядит антикрыло на Гран При Монакко — максимум планок и максимальный угол атаки. Результат — рост коэффициента лобового сопротивления

Так что же это за таинственный враг под названием лобовое сопротивление?
Лобовое сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивление трения и сопротивление давления. Рассмотрим их повнимательнее.
Множество выступов и впадин самой разнообразной формы. Что это? Это мы только что посмотрели на вполне гладкую на первый взгляд поверхность при увеличении в несколько тысяч раз. Когда воздух проходит вдоль этой поверхности, некоторые из его частичек цепляются за шероховатости, попадают во впадины и перестают двигаться вместе с остальным потоком. В результате около поверхности образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость движения газа меняется в диапазоне от скорости потока до нуля. Следует отметить, что под частицами понимаются не молекулы газа, а небольшие объемы, содержащие множество молекул, но при этом малые по сравнению с размерами исследуемого объекта.

Полный размер

Вот как программа расчета аэродинамики разбивает модель поверхности кузова авто и пространство вокруг него на эти самые небольшие объемы

Тормозясь в шероховатостях поверхности, воздух создает силу трения, направленную в направлении движения потока. При этом принципиальное значение имеет то, каков характер пограничного слоя.
Пограничный слой может быть ламинарным и турбулентным. Представьте газовое течение в виде множества траекторий. Если течение ламинарное, то эти траектории не будут пересекаться. При сужении потока они будут плавно сближаться, а при его расширении постепенно отдаляться друг от друга. Это наилучший режим обтекания, поскольку в нем сглажены пульсации и один слой газа почти не мешает движению другого. Если же течение турбулентное, то траектории будут хаотично пересекаться. Это приведет к тому, что в потоке будут возникать вихри и пульсации, а движение одного слоя относительно другого будет затруднено.
Вернемся к пограничному слою. Если он ламинарный, то сопротивление трения минимально, а если турбулентный, то оно значительно возрастает. За счет турбулентного пограничного слоя размеры обтекаемого тела как бы увеличиваются благодаря тому, что вокруг него образуется пелена из вихрей.

Удержать поток в ламинарном состоянии – вот первостепенная задача, которую нужно решить для уменьшения сопротивления трения.
Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, турбулизирующих поток. Так что гоночные автомобили блестят не только ради красоты, но и ради эффективной аэродинамики. Так же сильно завихряют поток стыки, швы, резко выступающие элементы. Поэтому обводы гоночных болидов грациозно-плавные, чтобы не дай Бог не побеспокоить столь чувствительный к возмущениям поток. А посмотрите на стыки: идеально подогнанные элементы, маленькие ровные зазоры – все в угоду аэродинамике.

Полный размер

Стык между носовым обтекателем и монококом настолько мал, что его практически незаметно.

Отрицательный градиент давления вдоль обтекаемого тела. За этой замысловатой формулировкой кроется еще один секрет, с помощью которого пограничный слой можно удержать в ламинарном состоянии. Так что же это за градиент? На самом деле ничего сложно. Было установлено, что если давление при движении по потоку падает, то это способствует удержанию ламинарного течения. А как мы помним, статическое давление падает тогда, когда растет скорость. Представьте, что вы в Испании, палит полуденное солнце, но вам совсем не до послеобеденной сиесты. Вы несетесь, в толпе обезумевших от страха и выброса адреналина людей в красном. А за толпой мчатся так же обезумевшие, но не от страха, а от полуденного зноя и красного цвета быки.

Тем временем видавшая виды улочка старого города становится все уже и уже. А вы бежите все быстрее и быстрее. Рядом с вами уже не многоликая толпа, а всего несколько столь же быстрых как и вы бегунов. Остановиться нельзя, поскольку толпа и уж тем более быки останавливаться не будут и попросту вас сомнут. Вы бы рады завернуть в одну из арок или дверей, которые мелькают где-то сбоку на фасадах старинных домов, но ваша скорость настолько велика, что совершить какой-то резкий маневр вам уже не по силам. И вы продолжаете бежать все быстрее, а рядом все меньше и меньше людей в красном. И если в начале су

Соперник ветра — журнал За рулем

Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру — ощутимо давит? Если менять угол, под которым ладонь атакует ветер, можно обнаружить и вертикальную силу — как на крыле самолета.

Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не «соскальзывать» в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, въезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при небольших габаритах и при этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Полностью рассчитать его обтекаемость, заранее все увязать, увы, невозможно. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая огромные деньги.

Между тем, мода заставляет людей покупать сомнительные «прибамбасы», влияющие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла часто совсем не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер думал только об изяществе линий! К счастью, большинство «жертв рекламы» быстрее 160–180 км/ч не ездит — и действие какого-нибудь безграмотного «антикрыла» мало ощутимо. Если же автомобиль быстроходнее, неосторожные игры с аэродинамическими предметами чреваты печальными последствиями.

Даже серьезные фирмы не застрахованы от ошибок. Помните первые шаги » Ауди ТТ»? Не сразу его «научили» крепко держаться за дорогу. Но у такой фирмы побольше возможностей устранять промахи, чем у частного владельца — у него в списке «расходных материалов» может оказаться жизнь.

Вычислить прижимающую силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Поэтому приведем простой пример из параллельной области техники. У бомбардировщика В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес — 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Значит, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некоторые спортивные автомобили ездят и быстрее, — так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры «доводят» весьма дотошно. Хорошее антикрыло площадью всего треть квадратного метра способно создать прижимающую силу в четыре центнера, а то и больше.

Но иной «гонщик» может купить высокоэффективное антикрыло, а поставить его неправильно — например чрезмерно вынесет назад. На высоких скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что зачастую «крыло» помещают в зону срыва («аэродинамическую тень» кузова), где оно практически не работает.

ЗАКОН «КВАДРАТА»

К счастью для загадочной русской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас мало. Зато хватает тех, которым по плечу 180–200. А мысль о том, что «обвешанный» автомобиль на такой скорости может не послушаться руля, иные головы никогда не посещает. Зря что ли деньги уплачены на зависть соседям!

«Проколы» обтекаемости заявляют о себе громко лишь на высоких скоростях. Силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока — V2. Ведь затормаживая поток (например, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз повышение давления от торможения потока («скоростной напор») составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.

Чтобы определить силу давления потока на щит (то есть аэродинамическое сопротивление), остается лишь умножить полученное давление на площадь щита S. 

Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления «Жигулей»). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н — закон «квадрата». Удвоив скорость,учетверяем силу.

Кстати, определение величины S (рис. 1) — не самая простая задача. Делают это с очень высокой точностью на лазерном стенде.

Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока порой вводит нас в заблуждение. Например, проехав по маршруту туда и обратно со скоростью 90 км/ч, вы забыли о слабом (20 км/ч) ветре, дующем вдоль трассы. Но в одном случае поток бьет в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом — 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах — кубу. В итоге средний расход топлива больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять — бензин, унесенный ветром!

Управляя автомобилем, объективно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, трудно. Общее правило: встречный ветер отнимает больше, чем «дает» попутный той же силы.

НЕ ТОЛЬКО «ЦЕ-ИКС»

Только ли скоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Огромную роль играет форма тела, подставленного потоку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет бесконечно скапливаться перед ним (а) — он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют затрат энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (примерно на 17%) больше того, что дало полное торможение потока! Значит, для получения истинных сил сопротивления следует умножить полученные раньше значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, называют коэффициентом аэродинамического сопротивления — Сх. Одно из наиболее удобообтекаемых тел — удлиненная «капля», для которой Сх=0,04.

Каков же Сх реального автомобиля? Даже у самы

Лобовое сопротивление — Википедия

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивление складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Сопротивление при нулевой подъёмной силе[править | править код]

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления.{3}}{2}}S}).

Индуктивное сопротивление в аэродинамике[править | править код]

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение, во-первых, сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления. На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы (так, в случае отрицательной работы подъёмной силы направление вектора индуктивного сопротивления противоположно вектору силы, обусловленной тангенсальным трением), но и её распределение по размаху крыла.{2}}{2}}S}}}

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Является суммой всех видов сил сопротивления:

F=F0+Fi{\displaystyle F=F_{0}+F_{i}}

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе F0{\displaystyle F_{0}} пропорционально квадрату скорости, а индуктивное Fi{\displaystyle F_{i}} — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости F0{\displaystyle F_{0}} растёт, а Fi{\displaystyle F_{i}} — падает, и график зависимости суммарного сопротивления F{\displaystyle F} от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых F0{\displaystyle F_{0}} и Fi{\displaystyle F_{i}}, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит, наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит, и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

• Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

аэродинамическое сопротивление воздуха — DRIVE2

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле
Pv = cx·S·v2·ρ/2,
где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.
Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:
Nv = Pv·v/3600 (кВт),
где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.
Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей Кузов автомобиля
Мощность, необходимая для преодоления
аэродинамического сопротивления (кВт),
40 км/ч 80 км/ч 120 км/ч
Открытый четырёхместный 1,18 – 1,47 9,6 – 11 .8 31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней 0,96 – 1,18 8,0 – 9,6 26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней 0,80 – 0,96 6,6 – 8,0 22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный 0,66 – 0,80 5,2 – 6,6 17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый 0,52 – 0,66 3,7 – 5,2 13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный 0,33 – 0,44 2,6 – 3,3 9,8 – 11,0
Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рисунке ниже показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и сопротивления воздуха, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важности сопротивления воздуха. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.

1

N2 = N1·(v2/v1)3,

где N2 – требуемая мощность, кВт; N1 – достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 – требуемая скорость, км/ч; v1 – достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X – максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 – проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.

Аэродинамика. Часть 2. Лобовое сопротивление. — Сообщество «Автотюнинг» на DRIVE2

Как и обещал — продолжение… )
В первой части речь шла об основах аэродинамики и борьбе за ньютоны прижимной силы. Но каждый ньютон силы, прижимающий болид к земле, приходит не один. Он приносит с собой величайшее зло для аэродинамики – лобовое сопротивление.

Полный размер

Ненадолго представим себя специалистами, проводящими аэродинамический расчет. Правда, в настоящее время облик этого специалиста изменился. Если на заре автомобильной аэродинамики это был человек с карандашом в руках, обложенный со всех сторон результатами испытаний, то теперь это инженер, сидящий перед компьютерным монитором, на котором медленно меняются цветные картинки.

Полный размер

За каждой из этих картинок кроется сложнейший процесс вычисления. Он основан на том, что пространство разбивается на множество ячеек, в каждой из которых есть газ. Для каждой ячейки имеется сложная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение газа. И каждое мгновение компьютер проводит вычисления для миллионов таких ячеек, определяя сколько газа с какими параметрами пришло и сколько его вышло. Специалисту по аэродинамике остается только наблюдать за происходящим и анализировать результаты. Мы же поступим по старинке и вооружимся нехитрыми исходными данными: знанием основ аэродинамики, горсткой технической информации и калькулятором. Зато объект исследования у нас будет непростой – болид Формулы 1.
Как мы уже знаем, сила лобового сопротивления вычисляется по формуле:

Коэффициент аэродинамического сопротивления для современных болидов Формулы 1 находится в интервале от 0,5 до 1(в зависимости от трассы). По сравнению с гражданскими автомобилями – это очень много. Даже для внедорожников этот показатель находится в районе 0,4. А у лучших с точки зрения аэродинамики представителей автомобильного мира коэффициент лобового сопротивления чуть меньше 0,3. Для формульных болидов это несбыточная мечта. Таким образом они расплачиваются за открытые колеса, радиаторы системы охлаждения, большие антикрылья и возможность прижиматься к дорожному полотну с силой, эквивалентной полутора тоннам.

Представим, что мы на легендарной Монце: позади второй поворот Lesmo, а впереди нас ждет Ascari (это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Ascari еще далеко и мы несемся со скоростью 300 км/ч (примерно 83 м/с) по прямой.

Полный размер

Я выделил красным участок о котором идет речь

Коэффициент лобового сопротивления нашего болида 0,5. Мы берем минимальное значение, поскольку храм скорости (а именно так в гоночном мире называют трассу в Монце) не прощает большого аэродинамического сопротивления и наказывает всех, кто пренебрег этим негласным правилом, драгоценными секундами, потерянными в безуспешной борьбе с воздухом на длинных прямых королевского парка. Площадь поперечного сечения нашего болида 1,5 м2 (приблизительные данные для BMW Sauber F1.07). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:

Именно с такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За спиной 8 цилиндров объемом 2,4 литра, которые выдают 750 л.с. (551 кВт). А как известно, мощность – это произведение силы и скорости. Исходя из этого, мы можем посчитать, сколько же мощности, развиваемой двигателем, уходит на преодоление аэродинамического сопротивления.
Итак:

То есть ПОЧТИ ПОЛОВИНА МОЩНОСТИ двигателя болида уходит в воздух! Поразительно!

Полный размер

обратите внимание на наклон заднего антикрыла болида BMW Sauber F1.07 — минимальное количество планок и минимальный угол атаки. В результате — ощутимое снижение коэффициента лобового сопротивления.

Представим, что мы захотели сделать абсурдный поступок и попытались проехать по этому же участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако, то есть с антикрыльями, состоящими из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент лобового сопротивления стал равен 1, а значит аэродинамическое сопротивление, а вслед за ним и расходуемая на борьбу с воздухом мощность, возрастают в 2 раза. Выходит, что вся мощность двигателя будет потрачена на неравную борьбу с воздушной стеной. Но ведь есть еще и трение покрышек о полотно трассы, нужно преодолевать силы инерции и все тоже трение в коробке передач и дифференциале. А на это у мотора сил уже нет. Поэтому болид с аэродинамикой для гран-при Монако просто не сможет разогнаться в Монце до 300 км/ч!

Полный размер

А вот так выглядит антикрыло на Гран При Монакко — максимум планок и максимальный угол атаки. Результат — рост коэффициента лобового сопротивления

Так что же это за таинственный враг под названием лобовое сопротивление?
Лобовое сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивление трения и сопротивление давления. Рассмотрим их повнимательнее.
Множество выступов и впадин самой разнообразной формы. Что это? Это мы только что посмотрели на вполне гладкую на первый взгляд поверхность при увеличении в несколько тысяч раз. Когда воздух проходит вдоль этой поверхности, некоторые из его частичек цепляются за шероховатости, попадают во впадины и перестают двигаться вместе с остальным потоком. В результате около поверхности образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость движения газа меняется в диапазоне от скорости потока до нуля. Следует отметить, что под частицами понимаются не молекулы газа, а небольшие объемы, содержащие множество молекул, но при этом малые по сравнению с размерами исследуемого объекта.

Полный размер

Вот как программа расчета аэродинамики разбивает модель поверхности кузова авто и пространство вокруг него на эти самые небольшие объемы

Тормозясь в шероховатостях поверхности, воздух создает силу трения, направленную в направлении движения потока. При этом принципиальное значение имеет то, каков характер пограничного слоя.
Пограничный слой может быть ламинарным и турбулентным. Представьте газовое течение в виде множества траекторий. Если течение ламинарное, то эти траектории не будут пересекаться. При сужении потока они будут плавно сближаться, а при его расширении постепенно отдаляться друг от друга. Это наилучший режим обтекания, поскольку в нем сглажены пульсации и один слой газа почти не мешает движению другого. Если же течение турбулентное, то траектории будут хаотично пересекаться. Это приведет к тому, что в потоке будут возникать вихри и пульсации, а движение одного слоя относительно другого будет затруднено.
Вернемся к пограничному слою. Если он ламинарный, то сопротивление трения минимально, а если турбулентный, то оно значительно возрастает. За счет турбулентного пограничного слоя размеры обтекаемого тела как бы увеличиваются благодаря тому, что вокруг него образуется пелена из вихрей.

Удержать поток в ламинарном состоянии – вот первостепенная задача, которую нужно решить для уменьшения сопротивления трения.
Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, турбулизирующих поток. Так что гоночные автомобили блестят не только ради красоты, но и ради эффективной аэродинамики. Так же сильно завихряют поток стыки, швы, резко выступающие элементы. Поэтому обводы гоночных болидов грациозно-плавные, чтобы не дай Бог не побеспокоить столь чувствительный к возмущениям поток. А посмотрите на стыки: идеально подогнанные элементы, маленькие ровные зазоры – все в угоду аэродинамике.

Полный размер

Стык между носовым обтекателем и монококом настолько мал, что его практически незаметно.

Отрицательный градиент давления вдоль обтекаемого тела. За этой замысловатой формулировкой кроется еще один секрет, с помощью которого пограничный слой можно удержать в ламинарном состоянии. Так что же это за градиент? На самом деле ничего сложно. Было установлено, что если давление при движении по потоку падает, то это способствует удержанию ламинарного течения. А как мы помним, статическое давление падает тогда, когда растет скорость. Представьте, что вы в Испании, палит полуденное солнце, но вам совсем не до послеобеденной сиесты. Вы несетесь, в толпе обезумевших от страха и выброса адреналина людей в красном. А за толпой мчатся так же обезумевшие, но не от страха, а от полуденного зноя и красного цвета быки.

Тем временем видавшая виды улочка старого города становится все уже и уже. А вы бежите все быстрее и быстрее. Рядом с вами уже не многоликая толпа, а всего несколько столь же быстрых как и вы бегунов. Остановиться нельзя, поскольку толпа и уж тем более быки останавливаться не будут и попросту вас сомнут. Вы бы рады завернуть в одну из арок или дверей, которые мелькают где-то сбоку на фасадах старинных домов, но ваша скорость настолько велика, что совершить какой-то резкий маневр вам уже не по силам. И вы продолжаете бежать все быстрее, а рядом все меньше и меньше людей в красном. И если в начале сумасшедшего забега в толпе можно было наблюдать хаотичные движения из стороны в сторону, то теперь в лидирующей группе все строго и четко: люди бегут вперед и только вперед. Похожая картина происходит и в газовом течении. Частицам воздуха не до турбулентности, когда они ускоряются и подталкиваются своими так же ускоряющимися коллегами сзади. Вся энергия идет на движение вперед, а на перемешивание сил почти не остается. Лучше всего уменьшают давление за счет ускорения потока выпуклые формы (например, все то же крыло). Поэтому обводы формульных болидов не рубленные (поток будет завихряться углами), а плавные и выпуклые; поэ

ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА «За Рулем» №4, 1983 — DRIVE2

Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.
Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.
Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.
Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.
Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.
Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60.

Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях… Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, скажем, для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования…

Коэффициент лобового сопротивления Сх:
«Ауди-100» (0,30), ВАЗ-2101 (0,46), ВАЗ-2103 (0,45), ВАЗ-2105 (0,43), ГАЗ-20 (0,46), ГАЗ-24 (0,45), ГАЗ-24 (0,41), ЗАЗ-968 (0,48), «Москвич-2140» (0,41), СИМКА-1307 (0,38), «Ситроен-ЖСА-Икс-3» (0,32), «Ситроеи-ЦИкс» (0,35), «Фольксваген-жук» (0,60), «Фольксваген-гольф» (0,42), «Фольксваген-пассат» (0,38), «Форд-фиеста» (0,42).

Ф. УЗБЕКОВ, инженер («За Рулем» №4, 1983)

Литература:
Михайловский Е. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973.
Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977.
«За рулем», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобильная промышленность», 1979, № 11.

Коэффициент аэродинамического сопротивления — это… Что такое Коэффициент аэродинамического сопротивления?

^{[источник не указан 1037 дней]}

Коэффициент аэродинамического сопротивления (C_w) — безразмерная величина, отражающая отношение силы сопротивления воздуха движению автомобиля к силе сопротивления движению цилиндра:

C_w = F_auto / F_cylinder,

при условии, что наибольшее поперечное сечение автомобиля равно поперечному сечению цилиндра^{[источник не указан 1302 дня]}.

Другими словами, сила сопротивления воздуха, действующая на корпус автомобиля, равна силе, действующей на цилиндр с понижающим коэффициентом C_w:

F_auto = Cx * F_cylinder,

где C_w — безразмерный коэффициент, обычно меньший единицы (от С — coefficient, w — продольная ось цилиндра и автомобиля).

C_w не имеет единицы измерения и действует для всех геометрически подобных тел, вне зависимости от их конкретных размеров.

Чем меньше C_w, тем лучше проработана аэродинамика автомобиля. Для современных автомобилей C_w < 0,3.

Коэффициент определяется экспериментальным путём — в аэродинамической трубе, либо компьютерным моделированием.

Примеры современных серийных автомобилей,

• 0,27 — Infiniti G35, 2002 (0,26 «aero package»)

• 0,27 — Toyota Camry Hybrid, 2007

• 0,26 — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)

См. также

Ссылки

Аэродинамические коэффициенты

Д.1 Аэродинамические коэффициенты

Д.1.1 Отдельностоящие плоские сплошные конструкции

Отдельностоящие плоские сплошные конструкции на земле (стены, заборы и т.д.)

Для различных участков конструкций (рисунок Д.1) коэффициент с_х определяется по таблице Д.1;

z_e = h.

Рисунок Д.1

Таблица Д.1

Рекламные щиты

Для рекламных щитов, поднятых над землей на высоту не менее d/4 (рисунок Д.2): с_х = 2,5k_l, где k_l — определено в Д.1.15.

Рисунок Д.2

Равнодействующую нагрузку, направленную по нормали к плоскости щита, следует прикладывать на высоте его геометрического центра с эксцентриситетом в горизонтальном направлении е = ± 0,25b.

z_e = z_g + d/2.

Д.1.2 Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями

Вертикальные стены прямоугольных в плане зданий

Таблица Д.2

Для наветренных, подветренных и различных участков боковых стен (рисунок Д.3) аэродинамические коэффициенты с_е приведены в таблице Д.2.

Для боковых стен с выступающими лоджиями аэродинамический коэффициент трения с_f = 0,1.

Рисунок Д.3

Двускатные покрытия

Для различных участков покрытия (рисунок Д.4) коэффициент с_е определяется по таблицам Д.3, а и Д.3, б в зависимости от направления средней скорости ветра.

Для углов 15° £ b £ 30° при a = 0° необходимо рассмотреть два варианта распределения расчетной ветровой нагрузки.

Для протяженных гладких покрытий при a = 90° (рисунок Д.4, б) аэродинамические коэффициенты трения с_f = 0,02.

Рисунок Д.4

Таблица Д.3а

1. a

Таблица Д.3б

1. a

Д.1.3 Прямоугольные в плане здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями

Рисунок Д.5

Примечание — При 0,2 £ f/d £ 0,3 и h_l/l ³ 0,5 необходимо учитывать два значения коэффициента с_е1.

Распределение аэродинамических коэффициентов по поверхности покрытия приведено на рисунке Д.5.

Аэродинамические коэффициенты для стен принимаются в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты (11.1.5) и коэффициента v в соответствии с 11.1.1: h = h₁ + 0,7f.

Д.1.4 Круглые в плане здания с купольными покрытиями

Значения коэффициентов с_е в точках А и С, а также в сечении ВВ приведены на рисунке Д.6. Для промежуточных сечений коэффициенты с_е определяются линейной интерполяцией.

При определении эквивалентной высоты (11.1.5) и коэффициента v в соответствии с 11.1.1: h = h₁ + 0,7f.

Рисунок Д.6

Д.1.5 Здания с продольными фонарями

Рисунок Д.7

Для участков А и В (рисунок Д.7) коэффициенты с_е следует определять в соответствии с таблицами Д.3, а и Д.3, б.

Для фонарей участка С при l £ 2 с_х = 0,2; при 2 £ l £ 8 для каждого фонаря с_х = 0,1l; при l > 8 с_х = 0,8, здесь l = a/h_f.

Для остальных участков покрытия с_е = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты с_е следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты z_е (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1) h = h₁.

Д.1.6 Здания с зенитными фонарями

Рисунок Д.8

Для наветренного фонаря коэффициент с_е следует определять в соответствии с таблицами Д.3, а и Д.3, б.

Для остальных фонарей коэффициенты с_х определяются так же, как и для участка С (раздел Д.1.5).

Для остальной части покрытия с_е = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты с_е следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты z_e (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1) h = h₁.

Д.1.7 Здания с шедовыми покрытиями

Рисунок Д.9

Для участка А коэффициент с_е следует определять в соответствии с таблицами Д.3, а и Д.3, б.

Для остальной части покрытия с_е = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты с_е следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты z_e (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1) h = h₁.

Д.1.8 Здания с уступами

Рисунок Д.10

Для участка С коэффициент с_е = 0,8.

Для участка А коэффициент с_е следует принимать в соответствии с таблицей Д.2.

Для участка В коэффициент с_е следует определять линейной интерполяцией.

Для остальных вертикальных поверхностей коэффициент с_е необходимо определять в соответствии с таблицей Д.2.

Для покрытия зданий коэффициенты с_е определяются в соответствии с таблицами Д.3, а и Д.3, б.

Д.1.9 Здания, постоянно открытые с одной стороны

Рисунок Д.11

При проницаемости ограждения m £ 5 % с_i1 = c_i2 = ± 0,2. Для каждой стены здания знак «плюс» или «минус» следует выбирать из условия реализации наиболее неблагоприятного варианта нагружения.

При m ≥ 30 % с_i1 = -0,5; c_i2 = 0,8.

Коэффициент с_е на внешней поверхности следует принимать в соответствии с таблицей Д.2.

Примечание — Проницаемость ограждения m следует определять как отношение суммарной площади имеющихся в нем проемов к полной площади ограждения.

Д.1.10 Навесы

Аэродинамические коэффициенты с_е для четырех типов навесов (рисунок Д.12) без сплошностенчатых вертикальных ограждающих конструкций определяются по таблице Д.4.

Рисунок Д.12

Таблица Д.4

Д.1.11 Сфера

Рисунок Д.13

Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления с_х сферы при z_g > d/2 (рисунок Д.13) приведены на рисунке Д.14 в зависимости от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости d = D/d, где D, м, — шероховатость поверхности (см. Д.1.15). При z_g < d/2 коэффициент с_х следует увеличить в 1,6 раза.

Коэффициент подъемной силы сферы с_z принимается равным:

при z_g > d/2 — c_z = 0;

при z_g < d/2 — с_z = 0,6.

Опечатка

Эквивалентная высота (11.1.5) z_e = z_g + d/2.

При определении коэффициента v в соответствии с 11.1.11 следует принимать

b = h = 0,7d.

Число Рейнольдса Re определяется по формуле

где d, м, — диаметр сферы;

w₀, Па, — определяется в соответствии с 11.1.4;

z_e, м, — эквивалентная высота;

k(z_e) — определяется в соответствии с 11.1.6;

1. g_f

Рисунок Д.14

Д.1.12 Сооружения и конструктивные элементы с круговой цилиндрической поверхностью

Аэродинамический коэффициент с_е1 внешнего давления определяется по формуле

c_e1 = k_l1c_b,

где k_l1 = 1 при с_b > 0; для с_b < 0 — k_l1 = k_l, определено в Д.1.15.

Распределение коэффициентов с_b по поверхности цилиндра при d = D/d < 5×10^-4 (см. Д.1.16) приведено на рисунке Д.16 для различных чисел Рейнольдса Re. Значение указанных на этом рисунке углов b_min и b_b, а также соответствующее им значение коэффициентов с_min и с_b приведены в таблице Д.5.

Значения аэродинамических коэффициентов давления с_е2 и с_i (рисунок Д.14) приведены в таблице Д.6. Коэффициент с_i следует учитывать для опущенного покрытия («плавающая кровля»), а также при отсутствии покрытия.

Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления определяются по формуле

c_X = k_lc_x¥,

где k_l — определено в Д.1 в зависимости от относительного удлинения сооружения (см. Д.1.15). Значения коэффициентов c_x¥ приведены на рисунке Д.17 в зависимости от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости D = d/d (см. Д.1.16).

Рисунок Д.15

Рисунок Д.16

Таблица Д.5

Таблица Д.6

Рисунок Д.17

Для проводов и тросов (в том числе покрытых гололедом) с_х = 1,2.

Аэродинамические коэффициенты наклонных элементов (рисунок Д.18) определяются по формуле

с_хb = c_хsin₂bsin²q.

где с_х — определяется в соответствии с данными рисунка Д.17;

ось х параллельна скорости ветра V;

ось z направлена вертикально вверх;

1. bXYи осью х;
2. qz.

Рисунок Д.18

При определении коэффициента v в соответствии с 11.1.1:

b = 0,7d; h = h₁ + 0,7f.

Число Рейнольдса Re определяется по формуле, приведенной в Д.1.11, где z_е = 0,8h для вертикально расположенных сооружений;

z_e равно расстоянию от поверхности земли до оси горизонтально расположенного сооружения.

Д.1.13 Призматические сооружения

Опечатка

Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления призматических сооружений определяются по формуле

c_X = k_lc_X¥,

где k_l определено в Д.1.15 в зависимости от относительного удлинения сооружения l_е.

Значения коэффициента c_X¥ для прямоугольных сечений приведены на рисунке Д.19, а для n-угольных сечений и конструктивных элементов (профилей) — в таблице Д.7.

Таблица Д.7

Рисунок Д.19

Д.1.14 Решетчатые конструкции

Аэродинамические коэффициенты решетчатых конструкций отнесены к площади граней пространственных ферм или площади контура плоских ферм.

Направление оси х для плоских ферм совпадает с направлением ветра и перпендикулярно плоскости конструкции; для пространственных ферм расчетные направления ветра показаны в таблице Д.8.

Аэродинамические коэффициенты с_х отдельностоящих плоских решетчатых конструкций определяются по формуле

где c_xi — аэродинамический коэффициент i-го элемента конструкций, определяемый в соответствии с указаниями Д.1.13 для профилей и Д.1.12, в для трубчатых элементов; при этом k_l = 1;

A_i — площадь проекции i-го элемента конструкции;

А_k — площадь, ограниченная контуром конструкции.

Рисунок Д.20

Ряд плоских параллельно расположенных решетчатых конструкций

Рисунок Д.21

Аэродинамика автомобиля — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Аэродина́мика автомоби́ля — это раздел аэродинамики, изучающий аэродинамику автомобилей и другого дорожного транспорта. К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем, появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле- и самолетостроении. Наибольшего внимания заслуживает автомобиль конструкции инженера Ярая, который считал, что для тела, движущегося в непосредственной близости к поверхности дороги, в качестве теоретически наивыгоднейшей формы может служить разделенный пополам корпус дирижабля со слегка выпуклой нижней стороной и тщательно закругленными краями.

Главные цели автомобильной аэродинамики это:

• Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.
• Снижение уровня шума.
• Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости.
• Оптимизация процесса охлаждения некоторых агрегатов автомобиля.
• Уменьшение загрязнения дорожной грязью стёкол, некоторых элементов охлаждения и воздушного фильтра автомобиля.

Есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике воздушного транспорта. Во-первых, характерная форма дорожного транспорта намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом.{2}}}}

Где ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха, S —площадь поперечной проекции автомобиля, Cx{\displaystyle C_{x}} — коэффициент аэродинамического сопротивления. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. На больших скоростях сила сопротивления воздуха превосходит другие силы сопротивления. Из формулы также видно, что уменьшить силу сопротивления можно путём уменьшения коэффициента C_x и уменьшения площади поперечной проекции. Наличие силы сопротивления воздуха объясняется тем, что при движении автомобиль сжимает воздух, находящийся перед ним, и там образуется область повышенного давления, и разрежает воздух позади себя, где образуется область пониженного давления.

Существует также сила поверхностного трения, возникающая из-за трения между неровностями поверхности автомобиля и воздухом.

Внутренние объемы автомобиля также оказывают влияние на коэффициент сопротивления, и, следовательно, на силу сопротивления воздуха.

Способы изучения аэродинамики автомобиля[править | править код]

Аэродинамика автомобилей изучается двумя основными методами — испытаниями в аэродинамической трубе и компьютерным моделированием. Аэродинамические трубы для испытания автомобилей иногда оснащаются подвижной дорожкой, имитирующей движущееся дорожное полотно. Кроме того, колеса испытываемого автомобиля приводятся во вращение. Эти меры принимаются для того, чтобы учесть влияние дорожного полотна и вращающихся колес на потоки воздуха.

Диффузор

Изучаем аэродинамику автомобиля с использованием тела Ахмеда

Поскольку проблема истощения запасов ископаемых видов топлива становится все острее, производители выводят на рынок более экономичные автомобили. Одним из главных факторов, влияющих на потребление топлива, является аэродинамическое сопротивление. Автомобили имеют сложную геометрическую форму, которую нелегко смоделировать, поэтому аэродинамическое сопротивление трудно определить путем вычислений. Тело Ахмеда — это стандартная модель, которая широко применяется в автомобильной промышленности для валидации средств моделирования. Форма тела Ахмеда достаточно проста для моделирования, при этом геометрически достаточно близка к корпусу автомобиля.

Зачем исследовать коэффициент сопротивления автомобилей?

Коэффициент сопротивления количественно выражает сопротивление объекта в текучей среде. Этот коэффициент не является абсолютной константой для той или иной формы тела, поскольку зависит от скорости и направления потока, формы и размеров объекта, плотности и вязкости текучей среды. Чем ниже коэффициент сопротивления объекта, тем меньше аэродинамическое или гидродинамическое сопротивление. Что касается автомобиля, то чем ниже коэффициент сопротивления, тем автомобиль экономичнее. Помимо максимальной скорости транспортного средства коэффициент сопротивления также влияет на его управляемость. Производители стремятся снизить коэффициент сопротивления, однако существенное его снижение уменьшает прижимную силу и может привести к потере сцепления с дорогой, что повышает риск автомобильных аварий.

Большинство автомобилей имеет средний коэффициент сопротивления в диапазоне 0,30—0,35. Автомобили с кузовом угловатой формы имеют более высокий коэффициент сопротивления: например, для HUMMER® h3 он равен 0,57. У более обтекаемых и маневренных автомобилей этот коэффициент ниже: например, у Mercedes-Benz® C-Class® — всего 0,24. С другой стороны, это всего лишь усредненные замеры. Точный коэффициент сопротивления автомобиля зависит от числа Рейнольдса и множества других факторов.

Существуют определенные способы доработки автомобиля для оптимизации его аэродинамики и уменьшения коэффициента сопротивления. Для придания большей обтекаемости внешней поверхности автомобиля можно удалить некоторые дополнительные элементы, такие как верхний багажник, брызговики, спойлеры и радиоантенну. Профессиональные автогонщики также снимают стеклоочистители и боковые зеркала заднего вида, но простым водителям пример с них брать не стоит! Чтобы снизить коэффициент сопротивления и заодно выделиться на фоне остальных автомобилей, можно также установить колесные колпаки, полузакрытую решетку радиатора, защиту картера, обтекаемые крылья и модифицированный передний бампер.

Что такое тело Ахмеда?

Тело Ахмеда было впервые создано С. Р. Ахмедом в рамках работы “Some Salient Features of the Time-Averaged Ground Vehicle Wake” («Некоторые характерные признаки усредненного по времени аэродинамического следа наземного транспортного средства») в 1984 году. С тех пор оно стало стандартом для средств аэродинамического моделирования. Простая геометрическая форма имеет длину 1,044 м, высоту 0,288 м и ширину 0,389 м. К днищу тела прикреплены цилиндрические ножки длиной 0,5 м, а его задняя поверхность скошена под углом 40 градусов.

Простая геометрия тела Ахмеда.

Моделируем обтекание тела Ахмеда воздушным потоком

В верификационной модели Обтекание тела Ахмеда воздушным потоком наше тело Ахмеда имеет скос под углом 25 градусов и помещено в область размерами 8,352 х 2,088 х 2,088 м для расчета поля обтекания.

Область расчета и граничные условия для моделирования потока текучей среды.

Передняя часть тела помещается на расстояние в две длины автомобиля (2L) от плоскости входа потока. Для снижения объема вычислений вводится плоскость симметрии, позволяющая рассчитывать только половину модели.

Поток для данной модели является турбулентным, что определяется числом Рейнольдса для данной длины тела и входной скорости. При моделировании помимо поля скоростей определяется кинетическая энергия турбулентности. В данном случае нам требуется сетка с более крупным размером ячеек, чем обычно используется для анализа турбулентного потока. Точнее мы используем более мелкую сетку ближе к выходу потока, чтобы точнее описать зону аэродинамического следа.

Поток для данной модели является турбулентным, что определяется числом Рейнольдса для данной длины тела и входной скорости. При моделировании помимо поля скоростей и давлений вычисляется кинетическая энергия турбулентности и рассеивание энергии.

Результаты

Ключевой искомой величиной для данной модели является коэффициент полного сопротивления тела Ахмеда. Этот коэффициент складывается из измерений коэффициента давления спереди, на скосе, в основании тела, а также поверхностного трения тела. Результаты моделирования показывают, что полный коэффициент сопротивления удается предсказать достаточно хорошо, однако отдельные измерения в той или иной мере отличаются от экспериментальных результатов.

Эти отклонения объясняются целым рядом факторов. Для передней части и крыши тела функции стенок, которые используются при моделировании, не позволяют эффективно прогнозировать переход ламинарного течения в турбулентное, наблюдаемый в ходе экспериментов.

Что касается данных для скошенной части, на рисунке ниже приведены линии тока у поверхности скоса. Толщина этих линий определяется кинетической энергией турбулентности.

Линии тока за телом Ахмеда имеют толщину, пропорциональную кинетической энергии турбулентности.

Для экспериментальных данных линии показывают, что поток движется безотрывно вдоль скоса почти по всей его поверхности, а за телом образуются две небольшие зоны рециркуляции. В результатах моделирования этот эффект зафиксирован, однако протяженность зон рециркуляции завышена.

Линии тока, показывающие зоны рециркуляции за телом Ахмеда.

Коэффициент сопротивления в зоне скоса очень чувствителен к точной форме и расположению зон рециркуляции, что и приводит к отклонению при измерениях.

Хотя количественные данные не совпадают, в качественном отношении они соответствуют результатам экспериментов, поскольку коэффициенты полного сопротивления очень близки. Для небольшого ряда параметров имеются отдельные отклонения, однако модель хорошо описывает основные характеристики обтекания тела Ахмеда воздушным потоком. Эта модель хорошо подходит для расчета коэффициента полного сопротивления.

Скачать модель

HUMMER — зарегистрированная торговая марка компании General Motors LLC.
Mercedes-Benz и C-Class — зарегистрированные торговые марки корпорации Daimler AG.

Аэродинамика автомобиля

Содержание статьи

Зачем это нужно

Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:

• рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
• обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
• продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
• стремятся понизить уровень шумов в салоне,
• оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.

Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.

Снижение лобового сопротивления

От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».

Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:

• внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
• сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
• сопротивления формы.

Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.

Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное – избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.

А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.

Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.

С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.

А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.

Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.

Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.

Прижимная сила

При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.

Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.

Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.

Практическая аэродинамика

Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.

При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.

Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.

Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.

Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.

Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.

Снижение лобового сопротивления за счет применения аэродинамических устройств в гоночном автомобиле | Достижения в области аэродинамики

Аэродинамика — это исследование того, как движущиеся объекты взаимодействуют с воздухом. То, как тело ведет себя при контакте с воздухом, определяет силы, создаваемые воздухом, текущим над телом и вокруг него. Это один из наиболее важных факторов, влияющих на характеристики гоночного автомобиля [1]. Вождение автомобиля похоже на плавание в бескрайнем воздушном океане. За последние несколько лет ухудшающееся качество воздуха и нехватка природных ресурсов, в первую очередь нефти, оказали огромное давление на производителей автомобилей, которые заставили их предложить некоторые возможные решения для преодоления этого кризиса.Раньше высокоскоростные автомобили зависели только от мощности двигателя, чтобы поддерживать сегмент производительности транспортного средства. Но в последнее время инженеры-конструкторы адаптируют концепции аэродинамики для повышения эффективности транспортного средства [2, 3]. Расход топлива из-за аэродинамического сопротивления потребляет около половины энергии транспортного средства [4, 5]. Таким образом, снижение лобового сопротивления — один из основных подходов, которые выбирают производители автомобилей. Придание формы кузову транспортного средства и включение различных дополнительных устройств способствует оптимизации для снижения лобового сопротивления, что становится неотъемлемой частью процесса проектирования.2 $$

Где F _D — сила сопротивления; ρ — плотность текучей среды, то есть воздуха; А — передняя часть тела, обращенная к жидкости; V — скорость тела; C _D — коэффициент лобового сопротивления кузова.

В аналогичном контексте подъемная сила также является серьезной проблемой для инженеров-проектировщиков, поскольку чрезмерная подъемная сила может привести к потере сцепления с дорогой на высоких скоростях и может привести к смертельным травмам как для водителя, так и для других пешеходов, а также к повреждению общественной собственности. .2 $$

Где F _L — подъемная сила; ρ — плотность текучей среды, то есть воздуха; А — передняя часть тела, обращенная к жидкости; V — скорость тела; C _L — коэффициент подъемной силы кузова.

Из уравнения сопротивления видно, что сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что сопротивление воздуха увеличивается экспоненциально с увеличением скорости тела [6]. Управление разделением потоков также представляет большой интерес в фундаментальной гидродинамике и различных инженерных приложениях [4, 7].Местоположение разделения потока определяет размер зоны следа, и соответственно определяется величина аэродинамического сопротивления. Когда воздух, движущийся над транспортным средством, отделяется в задней части, он оставляет за транспортным средством большую турбулентную область низкого давления, известную как след. Этот след способствует формированию сопротивления давления [8]. Были исследованы многочисленные методы контроля отрыва потока, предотвращая его или уменьшая его эффекты [4] (рис. 1).

Разделение потока и образование области следа

Для достижения оптимального лобового сопротивления транспортного средства проводятся исследования этих дополнительных аэродинамических устройств для уменьшения сопротивления ветра и повышения эффективности автомобиль [9].В этом исследовании изучается влияние различных аэродинамических устройств, таких как заднее крыло, спойлер, диффузор и плавники, и исследуется изменение коэффициента лобового сопротивления.

Спойлер — одно из наиболее широко используемых и важных аэродинамических устройств в автомобильной сфере. Его основная цель — «испортить» нежелательный воздушный поток и направить воздушный поток по порядку, что помогает уменьшить сопротивление. Однако реальное использование спойлера наблюдается на более высоких скоростях примерно выше 120 км / ч.Коммерческие автомобили обычно применяют его, чтобы повысить привлекательность дизайна автомобиля, который обеспечивает незначительное аэродинамическое преимущество или его отсутствие. Таким образом, большинство высокопроизводительных автомобилей адаптируют его для достижения более высоких скоростей. Зона низкого давления за автомобилем уменьшается, таким образом создается меньшая турбулентность, что впоследствии приводит к снижению сопротивления (рис. 2).

Влияние спойлера на лобовое сопротивление (https://i.stack.imgur.com/L5rdw.jpg)

Крыло — еще одно важное аэродинамическое устройство, часто используемое гоночными автомобилями.Заднее антикрыло может выглядеть как спойлер, но работает по-другому. Он имеет форму крыла перевернутого самолета [6]. Его основная цель — обеспечить достаточную прижимную силу или отрицательную подъемную силу, чтобы транспортное средство имело повышенное сцепление с дорогой и оно не взлетало на более высоких скоростях [10]. Это также позволяет быстрее проходить повороты и улучшает устойчивость на высоких скоростях [11]. Но использование крыла может увеличить сопротивление кузову автомобиля. Таким образом, с любой полученной подъемной силой сопротивление также увеличивается [12].Обычно это считается компромиссом между сопротивлением и подъемной силой (рис. 3).

Крыло в задней части автомобиля (https://www.lamborghini.com/masterpieces/aventador-superveloce)

Впервые в автомобильной промышленности применены ласты в задней части засвидетельствована шведским производителем гиперкаров Koenigsegg Automotive AB. Их флагманская модель Jesko Absolut, которая имеет наименьший коэффициент лобового сопротивления в своей линейке, имеет плавники вместо крыла, как показано на рис.4. Ласты созданы по образцу истребителей, чтобы обеспечить устойчивость на высоких скоростях и уменьшить аэродинамическое сопротивление.

Koenigsegg Jesko Absolut (https://www.koenigsegg.com/car/jesko-absolut)

Диффузор — одно из выдающихся аэродинамических устройств, используемых в автомобилях Формулы 1. Широкая универсальность диффузоров нашла свое отражение в серийных высокоскоростных автомобилях. Диффузоры способны уменьшать лобовое сопротивление и увеличивать прижимную силу при вождении автомобилей [13, 14]. Роль диффузора заключается в расширении потока из-под автомобиля к задней части, что, в свою очередь, создает потенциал давления, который ускоряет поток под автомобилем, что приводит к снижению давления [15].Принцип работы диффузоров основан на принципе Бернулли, который гласит, что «медленно движущаяся жидкость будет оказывать большее давление, чем быстро движущаяся». Таким образом, роль диффузоров заключается в ускорении потока воздуха под автомобилем, чтобы оказывать меньшее давление по сравнению с потоком наружного тела. Это служит для выброса воздуха из-под автомобиля. Затем диффузор ослабляет этот высокоскоростной воздух до нормальной скорости и помогает заполнить пространство позади автомобиля, делая всю нижнюю часть кузова более устойчивой прижимной силой и, что важно, уменьшая сопротивление автомобиля (рис.5).

Диффузор в автомобиле (https://www.lamborghini.com/masterpieces/aventador-superveloce)

3 Причины, по которым аэродинамическое сопротивление так важно для автомобильного дизайна

Аэродинамика — одна из самых красивых и сложных частей инженерной мысли и дизайна автомобиля. Он включает в себя ошеломляюще сложные физические и математические модели, которые могут обмануть даже опытных инженеров. В этой колоссальной головоломке силы сопротивления оказывают огромное влияние на характеристики автомобиля, причем некоторые плохо спроектированные аэродинамические характеристики приводят к большим потерям в характеристиках.По мере развития технологий и разработки новых инструментов для поиска лучших решений автомобильная аэродинамика становится все более сложной и более эффективной в плане производительности (и самой природы). Итак, вот несколько причин, по которым лобовое сопротивление играет большую роль в дизайне автомобиля.

1. Сведение к минимуму сопротивления может сэкономить огромное количество топлива

Перетаскивание — это не что иное, как сила, которой ваша машина будет подвергаться при движении по воздуху, и это может быть вызвано многими явлениями. Тем не менее, в вашей машине всегда будет действовать сила, прямо противоположная вашему движению.Таким образом, чем большее сопротивление создает ваша поездка, тем больше топлива необходимо использовать, чтобы преодолеть эту силу. Обтекаемый дизайн имеет решающее значение для экономии топлива. Возьмем, к примеру, модель Tesla S. с коэффициентом сопротивления 0,24 (коэффициент аэродинамического сопротивления: размерный коэффициент, измеряющий сопротивление, Cd, как его обычно сокращают, для обычного хэтчбека составляет около 0,3 ~ 0,4), имея возможность иметь этот абсурдный диапазон до 295 миль. Меньшее сопротивление означает меньше энергии, затрачиваемой на круиз, а это означает, что вы можете лучше использовать этот прекрасный бензин / электроэнергию, в которой так отчаянно нуждаетесь, а мать-природа может меньше загрязнять окружающую среду, поэтому вы можете погрузиться в более чистый мир!

2. Это также имеет прямое отношение к максимальной скорости вашей поездки

Да, снижение лобового сопротивления — отличная идея для образа жизни «быстрее». Это то же самое, что и топливная экономичность. Поскольку автомобиль будет иметь меньшие силы, действующие против движения автомобиля, он сможет передавать большую часть этой мощности, производимой двигателем, в движение, помня, что сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, уменьшение коэффициента сопротивления автомобиля приводит к гораздо более высоким скоростям.Возьмем в качестве примера автомобили 1980-х годов. Их квадратные формы имели огромное сопротивление; когда в 1990-х им заменили кузов, максимальная скорость увеличилась на 20 км / ч при том же двигателе, подвеске, шинах и т. д. Интересно, что у автомобилей F1 большое сопротивление. Их Cd колеблется от 0,7 до 1,1, в зависимости от используемой настройки прижимной силы. Тем не менее, это непростая информация, так как болидам F1 требуется большая прижимная сила, чтобы максимизировать скорость на поворотах. Это не значит, что инженеры просто не заботятся о сопротивлении; Напротив.Им нужно найти такую ​​конструкцию, которая максимизирует прижимную силу и минимизирует сопротивление. В этом красота инженерной мысли.

3. Это также повлияет на обработку

Силы сопротивления будут приложены непосредственно к центру давления, а не к центру масс.Таким образом, эти силы могут создавать некоторый крутящий момент, который может разгружать передние или задние колеса, превращая машину в возможного монстра недостаточной поворачиваемости. Так что перетаскивание также важно для гоночного дня (братан!) И гоночных автомобилей.

Вот оно! Что вы думаете? Перетаскивание действительно так важно для автомобильного дизайна? Вы бы получили мощную машину с аэродинамикой кирпича или гладкую, но менее мощную машину? Оставляйте свое мнение в комментариях!

Надеюсь, вам понравилось!

Как я могу измерить сопротивление автомобиля?

Это отличный вопрос, который объединяет многое из того, о чем мы говорили в других статьях HowStuffWorks о перетаскивании.И, как оказалось, есть относительно простой способ узнать, сколько сопротивления имеет ваша машина.

В статье «Как работают сила, мощность, крутящий момент и энергия» вы узнали о втором законе Ньютона, который мы можем переформулировать следующим образом: сила ( F ) равна массе ( м ), умноженной на ускорение ( a ).

F = ma или a = F / m

F = ma или a = F / m

Это уравнение означает, что сила, приложенная к автомобилю, заставит ваш автомобиль ускоряться.Когда вы едете с постоянной скоростью, мощность, производимая двигателем, преобразуется в силу, действующую на шины. Сила сопротивления действует в противоположном направлении и равна силе, создаваемой двигателем на шинах. Поскольку эти силы равны и противоположны, результирующая сила , действующая на автомобиль, равна нулю, поэтому автомобиль поддерживает постоянную скорость. Если вы уберете силу, создаваемую двигателем (например, переведя автомобиль в нейтральное положение), то единственной силой, действующей на автомобиль, будет сопротивление. Поскольку на автомобиль действует чистая сила, он начинает замедляться.

Если вы можете измерить массу автомобиля и ускорение, то вы можете определить силу. Вы можете взвесить автомобиль на свалке, чтобы определить массу. И вы можете определить ускорение, измерив, сколько времени требуется автомобилю, чтобы замедлиться, когда вы включаете нейтраль.

Это поможет вам немного понять силы, действующие на машину, прежде чем вы начнете эксперимент.

Сила, толкающая автомобиль по дороге, зависит от скорости его движения.Оно следует уравнению следующего вида:

сила дорожной нагрузки = a + bv + cv2

сила дорожной нагрузки = a + bv + cv ²

Буква v представляет скорость движения car, а буквы a , b и c представляют три разные константы:

• Компонент a не зависит от скорости. В основном это происходит из-за сопротивления качению шин и трения в компонентах автомобиля, например, сопротивления тормозных колодок или трения в колесных подшипниках.
• Компонент b также возникает из-за трения в компонентах и ​​из-за сопротивления качению в шинах.
• Компонент c в основном связан с такими факторами, которые влияют на аэродинамическое сопротивление, как лобовая поверхность, коэффициент лобового сопротивления и плотность воздуха.

В этом уравнении важно то, что сила, действующая на автомобиль, очень быстро увеличивается на высоких скоростях. Сила, действующая на автомобиль на скорости 70 миль в час, намного выше, чем сила на скорости 60 миль в час.

Это означает, что мы хотим измерить ускорение в очень узком диапазоне скоростей.Что-то вроде 3 миль в час или 5 км / ч должно работать. Мы будем делать этот расчет в метрических единицах, потому что с ними легче работать.

Допустим, ваша машина имеет массу 2000 килограммов (кг), включая вас и вашу мать, и вы собираетесь проверить ускорение между 100 и 95 км / ч (что дает среднюю скорость 97,5 км / ч или около 60 миль / ч, так что сделайте это). это на автостраде, где ограничение скорости достаточно высоко). Вам следует выбрать ровный участок дороги с небольшой проходимостью и делать это в день, когда ветер спокойный и нет дождя.

Пусть ваша мама разгонит машину до 105 км / ч и приготовит секундомер. Скажите матери, чтобы она поставила машину на нейтраль, чтобы вы начали движение по инерции. Когда автомобиль замедлится до 100 км / ч, запустите таймер и остановите его, когда автомобиль разгонится до 95 км / ч. Вы можете сделать это несколько раз, возможно, двигаясь в другом направлении на одном и том же участке автострады. Записывайте все время и усредняйте их.

Допустим, среднее время составляло 10 секунд. Теперь у вас есть вся информация, необходимая для расчета силы сопротивления.Вам просто нужно сделать несколько преобразований. Вам нужно ваше ускорение в метрах в секунду, в секунду (м / с ² ).

Ваш автомобиль замедлился на 5 км / ч, что составляет 5000 метров в час или 1,389 метра в секунду. Чтобы так сильно замедлиться, потребовалось 10 секунд, поэтому скорость ускорения составила 0,1389 м / с ^2.

Чтобы найти силу, просто подставьте массу и ускорение в уравнение F = ma . Здесь есть удобный преобразователь измерений.

Таким образом, сила этой гипотетической машины на скорости 60 миль в час составляет примерно 60 фунтов.Это также означает, что для того, чтобы автомобиль разогнался до 60 миль в час, двигатель должен вырабатывать достаточно мощности, чтобы создать силу на колесах в 60 фунтов.

Мы также можем выяснить, сколько это мощности. Мощность равна силе, умноженной на скорость. Итак, все, что нам нужно сделать, это умножить силу в ньютонах на скорость в метрах в секунду, это дает нам мощность в ваттах.

Средняя скорость вашего тестового пробега составила 97,5 км / ч, что составляет 27 метров в секунду. Таким образом, ваша мощность равна 278 Н, умноженному на 27 м / с = 7500 Вт, или 7.5 киловатт, что составляет 10 лошадиных сил.

Влияние конструкции днища на аэродинамическое сопротивление и оптимизацию

1. Введение

Несомненно, повышение топливной экономичности наземных транспортных средств в настоящее время и будет оставаться важной проблемой в автомобильной промышленности. В настоящее время в основном существует два подхода к повышению экономии топлива: один заключается в улучшении процесса сгорания в двигателе [1], а другой — в уменьшении общей силы сопротивления движущемуся транспортному средству [2, 3].При рассмотрении последнего, хотя общая сила сопротивления в основном состоит из сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, для автомобиля среднего размера аэродинамическое сопротивление составляет почти 80 процентов от общей силы сопротивления на скорости 100 км / ч. Более того, аэродинамическая сила пропорциональна квадрату скорости, а мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, является функцией куба скорости. На высоких скоростях на преодоление аэродинамического сопротивления приходится более 50 процентов расхода топлива.Следовательно, есть много возможностей для повышения экономичности за счет снижения аэродинамического сопротивления. Однако при рассмотрении силы аэродинамического сопротивления предварительным условием является тщательный анализ воздушного потока вокруг транспортного средства. Аэродинамическое сопротивление наземного транспортного средства включает сопротивление формы, поверхностное трение, интерференционное сопротивление, индуцированное сопротивление и сопротивление при охлаждении. Сопротивление формы из-за разделения потока вокруг кузова автомобиля составляет от 50 до 65 процентов общего аэродинамического сопротивления.

В последние два десятилетия вычислительная гидродинамика (CFD) широко использовалась в исследованиях аэродинамики транспортных средств [4-6]. Многие предприятия и университеты уделяют все больше внимания развитию автомобильной аэродинамики.За этот период значительные достижения в области CFD-кодов, вычислительных алгоритмов, физических моделей и методов, высокопроизводительных вычислительных алгоритмов и вспомогательного компьютерного оборудования привели к широкому признанию CFD как жизнеспособного инструмента для развития аэродинамики. Было общепризнанным, что инструменты CFD обеспечивают достаточную точность для поддержки развития аэродинамики [7-9]. Ян и др. обсудили, что изменение формы днища автомобиля повлияло на аэродинамические характеристики автомобиля за счет установки уплотнительной крышки, спойлера и разработки вогнутой негладкой поверхности [10], но был разработан только один спойлер, и влияние изменения высоты на аэродинамическое сопротивление было не исследовано.Чжан и др., Себбен и Коготти изучали закон обтекания сложного поля воздушного потока в днище автомобиля под воздействием вращения земли и колес [11-13]. Он не отражал сложный воздушный поток днища из-за простой модели без детальной конструкции днища, а метод управления потоком воздуха в днище не анализировался. Huminic et al. и Wordley et al. изучал способ управления потоком воздуха под днищем [14, 15], который мог заставить воздушный поток ускоряться и был лучше для аэродинамических характеристик автомобиля.Мальвия и др. предложили новое устройство экономии топлива для транспортных средств, которое может быть очень эффективным в снижении расхода топлива [16].

Тем не менее, большинство исследований ограничивалось уменьшением лобового сопротивления за счет конструкции кузова, и было проведено мало исследований о законах воздействия аэродинамических приспособлений под днищем кузова. В этой статье основное внимание уделяется влиянию днища кузова на силу аэродинамического сопротивления. Помимо вышесказанного, для улучшения воздушного потока в днище кузова разработаны спойлер на колесах и три вида спойлеров под днищем.Более сильный эффект Вентури достигается за счет улучшения днища, так что днище автомобиля не разбивается высокоскоростным воздушным потоком, а воздушный поток в днище автомобиля ускоряется, что снижает аэродинамическое сопротивление всего транспортного средства. Также будет обобщено влияние высоты дефлектора колеса и спойлера под днищем на правила изменения аэродинамического сопротивления. Результаты исследований могут дать предложения по проектированию транспортных средств.

2. Численное моделирование

2.1. Управляющие уравнения

Воздушный поток вокруг автомобиля — это низкоскоростная аэродинамика, поэтому поле воздушного потока вокруг автомобиля можно рассматривать как трехмерное несжимаемое. Основные управляющие уравнения для трехмерной несжимаемой среды заключались в следующем.

Уравнение неразрывности:

Уравнение движения:

(2)

где ui и uj — декартовы компоненты скорости, xi и xj — декартовы координаты, ρ — статическое давление, μeff — эффективный коэффициент вязкости турбулентного потока.

2.2. Модель турбулентности

Более ранние исследования показали, что реализуемая k-ε модель турбулентности идеально подходит для расчета аэродинамических параметров, которые широко использовались в автомобильных воздушных потоках [17-20]. Итак, реализуемая k-ε модель турбулентности изучалась в данной статье. Реализуемая модель турбулентности k-ε включает новейшее уравнение управления турбулентностью и уравнение переноса для скорости диссипации, которое применяется к определенным математическим ограничениям напряжений Рейнольдса, а также к определенному потоку турбулентности.Уравнения переноса следующие.

Уравнение кинетической энергии турбулентности:

(3)

Уравнение диссипации турбулентности:

(4)

где ρ — плотность, k — кинетическая энергия турбулентности, ε — диссипация турбулентности, Pk — генерация, вызванная градиентом средней скорости турбулентной кинетической энергии, υ — динамическая вязкость, υt — турбулентная вязкость, Другие параметры можно найти в ссылке.[21].

2.3. Геометрическая модель

Геометрические модели были построены UG, а исходная модель (названная моделью A) сохранила основную форму внешней поверхности автомобиля, но не структуру днища. Основываясь на модели A, модель B добавила структуру днища (включая пол, раму, выхлопную систему, топливный бак и запасные шины), дворник, дверные ручки и так далее, чтобы числовые результаты были ближе к реальной стоимости автомобиля. работает, как показано на рис.1.

Рис. 1. Геометрическая модель

a) Модель A

б) Модель B

2.4. Расчетная модель

Результаты измерений тесно связаны с коэффициентом блокировки модели. Обычно принятый диапазон составляет 5%. В этой статье расчетная область представляла собой кубоид вокруг кузова, при этом передняя часть модели автомобиля оставалась в три раза больше длины, верхняя левая часть — в пять раз выше, задняя левая сторона — в семь раз длины, а обе стороны оставались в пять раз больше ширины.Коэффициент блокирования составляет менее 2%, как показано на рис. 2. Неструктурированные сетки были созданы для всей расчетной области методом Octree в программе предварительной обработки ICEM-CFD. Трехслойные призматические элементы были созданы около поверхности транспортного средства, чтобы обеспечить точную оценку профиля скорости у стены и сохранить значение y + в приемлемом диапазоне (20-200). Он состоял из примерно шести миллионов ячеек, и применялось локальное уточнение сетки вблизи поверхности тела и в области следа.Дальнейшее уточнение сетки показало небольшую разницу в результатах, представленных здесь. Конечное число ячеек модели B составляет около 6 миллионов, а числовая сетка модели B показана на рис. 2. С учетом деформации сжатия раскатывающихся шпал, цилиндр колеса был отрезан на расстоянии 20 мм от земли, а затем Колесная часть была растянута на высоту 20 мм до земли. Качество сетки между шиной и землей было лучше, и модель соответствовала реальной ситуации.

Рис.2. Численная вычислительная модель

В текущем исследовании анализ потока жидкости был основан на коммерческом программном коде CFD Fluent, который был основан на методе конечных объемов и предоставлял возможность выбора решателей и настроек. Параметры, выбранные для этого исследования, были перечислены в таблице 1. Из-за меньшей скорости воздуха и числа Маха менее 0,3, поле автомобильного воздушного потока можно рассматривать как несжимаемый поток. Для расчета использовалась схема против ветра второго порядка, а для решения уравнения — алгоритм SIMPLE.

Таблица 1. Граничные условия

3.Подтверждение вычислений

Для проверки результатов вычислений было проведено испытание в аэродинамической трубе HD-2 испытательного центра ветроэнергетики Университета Хунань. В текущих исследованиях для измерения аэродинамической силы использовались шестикомпонентные весы тензодатчика с плавающей рамой (рис. 3). Для обеспечения точности результатов экспериментов калибровка весов в наземной системе координат производилась производителем раз в полгода. Более того, перед установкой измерительной модели на весы загружали гирю весом пять килограммов для проверки точности результатов, и вся система возвращалась на ноль перед отбором пробы.

Рис. 3. Испытание в аэродинамической трубе

Пограничный слой был удален с помощью системы откачки пограничного слоя в эксперименте в аэродинамической трубе, а пол в моделировании представлял собой движущуюся стену. Испытательный автомобиль модели А был установлен на шестикомпонентных весах, как показано на рис. 3. Данные о нулевом рыскании кузова собирались на 5 м / с при диапазоне скорости ветра от 5 до 40 м / с. . В текущих экспериментах изменение сопротивления было довольно небольшим, когда скорость ветра превышала 30 м / с, что соответствует числу Рейнольдса 5.75 × 10 ⁶ .

В аэродинамике транспортного средства аэродинамические характеристики отражаются коэффициентом аэродинамической силы. В этом документе основное внимание уделялось аэродинамическому сопротивлению, которое было определено как:

где FX — аэродинамическое сопротивление, S — фронтальная площадь, v∞ — скорость набегающего потока. ρ обозначает плотность.

В аэродинамике транспортного средства аэродинамические характеристики отражаются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Коэффициент аэродинамического сопротивления модели A, приведенный в таблице 2, показал, что результаты расчетов хорошо согласуются с результатами испытаний в аэродинамической трубе с погрешностью менее 5%, что подтверждает точность численного расчета.На ошибку было два фактора. Одно было связано с ошибкой численного расчета, включая согласованность модели, сетку, граничное условие. Другой был ошибкой эксперимента в аэродинамической трубе, включая ошибку при изготовлении, установке и измерении.

Таблица 2. Сравнение числового результата с результатом теста

4. Численные результаты и обсуждение

Коэффициент аэродинамического сопротивления модели B увеличен на 23.4% по сравнению с моделью A, а конструкция днища является основной причиной увеличения аэродинамического сопротивления. Чтобы выяснить механизм влияния конструкции днища кузова, анализируется обтекание автомобиля воздушным потоком.

В этом разделе представлены результаты обтекания поверхности тела воздухом. На рис. 4 показана линия обтекания автомобильного хвоста для модели B. Как показано на рис. 4, в верхней части хвоста в противоположном направлении есть два продольных вихря. Причина в том, что воздушный поток потерял связь через стойку C и край задней стороны, а затем сформировал сильный сдвигающий поток, который всасывается за счет отрицательного давления хвоста.Вихрь не только вращается вокруг своего собственного ядра вихря, но также тянется к хвосту под действием высокоскоростного сдвигового потока в кровле. А ядро ​​вихря приближается к земле с увеличением дистанции следа. Также наблюдаются буксирные продольные вихри в противоположном направлении в нижней части хвостового оперения, что вызвано влиянием зоны отрицательного давления в днище и колесах. Энергия вихря меньше, часто перекрывается и поглощается задним вихрем в верхней части хвоста.Наконец, на некотором расстоянии от хвоста образуется пара больших вихрей, вращающихся в противоположном направлении.

Рис. 4. Вихри модели B

Рис. 5. Поперечные индуцированные вихри модели B

При частичном сдвиговом потоке вокруг задней стороны, на который воздействует задний вихрь и зона отрицательного давления в хвосте, образуется поперечный индуцированный вихрь, как показано на рис.5. Есть два противоположных вихря, верхний вихрь больше нижнего вихря, а положение нижнего вихря дальше от хвоста транспортного средства. Воздушный поток из-под кузова поднимается вверх и возникает обратный поток, что может вызвать загрязнение почвы.

Рис. 6. Напряжение сдвига стенки модели B

В этом разделе представлены результаты расчета напряжения сдвига стенки на поверхности тела. На рис. 6 показано распределение касательного напряжения стенки в теле.В кузове автомобиля нагрузка очень мала, особенно в нижней части кузова. Хорошо видно, что значение напряжения сдвига близко к нулю в таких частях, как рама, выхлопная система и запасные шины. В этих регионах может возникать раздельный воздушный поток. Однако более высокое напряжение сдвига стенки в основном распределяется в области передних шин и передней панели. Поток воздуха под днищем заблокирован из-за неровной структуры и в основном раздельный, в днище автомобиля имеется множество турбулентных потоков, которые рассеивают большое количество энергии, как показано на рис.7. Вихрь в днище автомобиля не только увеличивает само аэродинамическое сопротивление, но также сходится к заднему вихрю автомобиля, изменяя поле потока в задней части автомобиля и увеличивая сопротивление давления.

Распределение давления на поверхности автомобиля соответствует распределению скорости воздушного потока на поверхности автомобиля. Воздушный поток ускоряется в передней части днища из-за гладкой структуры, и давление уменьшается. Давление в передней части днища отрицательное.В задней части днища имеется множество выпуклых структур, например, рама, выхлопная система, топливный бак и запасные шины, которые разбиты потоком воздуха с высокой скоростью. Хорошо видно, что значение давления в этих областях положительное, как показано на рис. 8. В задней части автомобиля имеется множество разделяющих вихрей, которые потребляют много энергии, а давление отрицательное.

Как показано на рис. 7 и 8, аэродинамическое сопротивление увеличивается из-за сложного воздушного потока в днище.Здесь много зон разделения воздушного потока, а на открытую конструкцию днища напрямую влияет высокоскоростной воздушный поток. Таким образом, ключом к снижению аэродинамического сопротивления является разумное управление потоком воздуха под днищем и уменьшение разделения и удара воздушного потока. Установка дефлектора колеса и спойлера под днищем очень эффективна, и влияние параметров их конструкции на аэродинамическое сопротивление будет рассмотрено ниже.

Рис. 7. Оптимальное распределение кузова и днища

Рис.8. Распределение давления на кузов и днище

4.1. Влияние дефлектора колеса на коэффициент аэродинамического сопротивления

Аэродинамическое сопротивление обусловлено вязкостью воздуха и разделенными вихрями воздушного потока. Основной способ уменьшить аэродинамическое сопротивление — избежать отрыва воздушного потока. В этом разделе анализируется способ уменьшения аэродинамического сопротивления путем управления воздушным потоком колеса. Колесный дефлектор мог эффективно направлять воздушный поток вокруг колес и зазора и предотвращал прямое столкновение высокоскоростного воздушного потока перед автомобилем с колесами.Ширина дефлекторов передних колес составляет 157,5 мм, а дефлекторов задних колес — 177,5 мм, которые находятся перед колесами, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Колесный перебежчик

Изменение коэффициента аэродинамического сопротивления при высоте дефлектора колеса от 10 мм до 60 мм показано на рис. 10. На уровне 0-60 мм, чем выше дефектор колеса, тем больше аэродинамика. Снижение коэффициента лобового сопротивления, особенно на уровне 0-20 мм и 40-60 мм.При высоте дефлектора колеса 60 мм коэффициент аэродинамического сопротивления снижается на 4,86% по сравнению с исходной схемой. Хотя дефектор колеса сам по себе создает дополнительное аэродинамическое сопротивление, он улучшает условия воздушного потока в днище транспортного средства, тем самым уменьшая общее аэродинамическое сопротивление транспортного средства гораздо больше, чем само его увеличение. Таким образом, модель с дефектором колеса имеет меньшее аэродинамическое сопротивление.

Рис. 10. Кривая изменения коэффициента аэродинамического сопротивления

4.2. Влияние нижнего спойлера на коэффициент аэродинамического сопротивления

В этом разделе анализируется способ снижения аэродинамического сопротивления за счет управления потоком воздуха в днище кузова. Вихрь, легко возникающий в днище и спойлере, может улучшить качество воздушного потока в днище, так что он может направлять поток воздуха вокруг днища для установки спойлера, что помогает уменьшить аэродинамическое сопротивление. Передний спойлер днища установлен внизу переднего бампера с тремя конструктивными планами, как показано на рис.11. Первый случай — это вся дуга окружности. Корпус два — это открытая форма, которая состоит из двух сегментов дуги. Третий корпус — линейный, перпендикулярный нижней пластине. В данной статье проанализировано правило изменения коэффициента аэродинамического сопротивления путем изменения высоты спойлера для этих трех планов.

На рис. 12 и 13 показано влияние высоты спойлера под днищем на аэродинамическое сопротивление в первом и втором случаях, причем аэродинамическое сопротивление может быть уменьшено в обоих планах.Коэффициент аэродинамического сопротивления ниже при высоте от 0 до 40 мм. Но на уровне 40-60 мм коэффициент ниже во втором.

В первом случае, когда спойлер находится на уровне 0 мм-60 мм, коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшается с увеличением высоты спойлера, и уменьшение небольшое в пределах 20-50 мм. Коэффициент аэродинамического сопротивления снижается в основном на 5,64% на уровне 60 мм, а максимальное значение составляет 0,018.

Во втором случае, когда спойлер находится на уровне 0-60 мм, коэффициент аэродинамического сопротивления сначала уменьшается, затем увеличивается и, наконец, снова уменьшается с увеличением высоты.И пик возникает около 30 мм. Коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшился в основном на 7,05% на уровне 60 мм, максимальное значение составило 0,0225.

Рис. 12. Измените кривую коэффициента лобового сопротивления в первом случае

Рис.13. Измените кривую коэффициента лобового сопротивления во втором случае

Рис.14. Изменить кривую коэффициента лобового сопротивления в плане 3

В третьем случае коэффициент аэродинамического сопротивления достигает максимума около 30 мм.Очевидно, что с увеличением высоты спойлера под днищем на уровне 0-20 мм и 40-70 мм коэффициент лобового сопротивления уменьшается, а после достижения 70 мм коэффициент обязательно увеличивается. При высоте 70 мм коэффициент уменьшается в основном на 6,08%, а максимальное значение составляет 0,0194.

Аэродинамическое сопротивление можно уменьшить за счет изменения формы спойлера. Хотя спойлер сам по себе создает дополнительное аэродинамическое сопротивление, он может предотвратить попадание воздушного потока в днище автомобиля и увеличить скорость днища.Конструкции днища не подвергаются прямому воздействию высокоскоростного воздушного потока. Давление на днище может быть уменьшено, а аэродинамическое сопротивление днища меньше.

5. Выводы

В этой статье была сделана попытка предсказать область воздушного потока в днище кузова, и были предложены предложения по улучшению. Во-первых, сравнивая и анализируя экспериментальные данные и результаты численного моделирования, мы делаем вывод об идентичности экспериментальных данных с результатами моделирования, что подтвердило точность численного моделирования.Во-вторых, анализируя характеристики поля воздушного потока в днище кузова, в данной работе анализировалось изменение коэффициентов аэродинамического сопротивления в зависимости от высоты дефлектора колеса и спойлера днища. Результаты показали, что схема этой статьи была осуществима, общие выводы, сделанные из настоящего моделирования, были следующими:

1) Аэродинамическое сопротивление увеличилось на 23,4% из-за сложной обдувки днища. Значительная потеря энергии из-за разделительного вихря нижней части кузова и непокрытой конструкции днища, на которую непосредственно воздействовал высокоскоростной воздушный поток.Эффект от них был больше для аэродинамических характеристик.

2) Влияние дефлектора колеса на уменьшение аэродинамического сопротивления было очевидным, и аэродинамическое сопротивление не увеличивалось дополнительно из-за дефлектора. Когда дефлектор находился на уровне 0-60 мм, коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшался по-разному, и максимальное уменьшение составляло 4,86% на уровне 60 мм.

3) Влияние спойлера на снижение коэффициента аэродинамического сопротивления было очевидным, но аэродинамическое сопротивление дополнительно увеличилось за счет дополнительной передней площади спойлера.Дальнейший анализ показал, что три типа планов были эффективны для уменьшения аэродинамического сопротивления, но в плане 2 сила аэродинамического сопротивления уменьшилась в основном по сравнению с двумя другими планами, что было лучшим способом уменьшить силу аэродинамического сопротивления автомобиля. Когда спойлер находился на уровне 0-60 мм, коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшался по-разному, и максимальное уменьшение составляло 7,05% на уровне 60 мм.

Основы аэродинамики автомобилей, инструкции и советы по дизайну ~ БЕСПЛАТНО!

Аэродинамика — это наука о том, как воздух движется вокруг и внутри объектов.В более общем смысле, это можно назвать «Динамика жидкости», потому что воздух на самом деле представляет собой очень тонкий тип жидкости. Выше медленных скоростей воздушный поток вокруг и через транспортное средство начинает оказывать более заметное влияние на ускорение, максимальную скорость, топливную экономичность и управляемость.

Следовательно, чтобы построить лучший автомобиль, нам необходимо понять и оптимизировать то, как воздух течет вокруг и через кузов, его отверстия и его аэродинамические устройства.

Принципы аэродинамики

Перетащите

Независимо от того, насколько медленно движется машина, для ее перемещения по воздуху требуется определенная энергия.Эта энергия используется для преодоления силы, называемой сопротивлением.

В аэродинамике транспортного средства сопротивление в основном состоит из трех сил:

1. Фронтальное давление или эффект, создаваемый кузовом транспортного средства, выталкивающим воздух с пути.
2. Задний вакуум, или эффект, создаваемый воздухом, который не может заполнить отверстие, оставленное кузовом автомобиля.
3. Пограничный слой, или эффект трения, создаваемый медленно движущимся воздухом по поверхности кузова транспортного средства.

Между этими тремя силами мы можем описать большинство взаимодействий воздушного потока с кузовом транспортного средства.

Фронтальное давление

Фронтальное давление возникает из-за того, что воздух пытается обтекать переднюю часть автомобиля, как показано на диаграмме D1 ниже.

Схема D1. Фронтальное давление — это форма сопротивления, при которой транспортное средство должно отталкивать молекулы воздуха, когда они движутся по воздуху.

Когда миллионы молекул воздуха приближаются к передней части автомобиля, они начинают сжиматься, повышая при этом давление воздуха перед автомобилем. В то же время молекулы воздуха, движущиеся по бокам автомобиля, находятся под атмосферным давлением, более низким по сравнению с молекулами в передней части автомобиля.

Как и в случае с воздушным резервуаром, если клапан для атмосферы с более низким давлением за пределами резервуара открывается, молекулы воздуха естественным образом перетекают в зону с более низким давлением, в конечном итоге выравнивая давление внутри и снаружи резервуара. Те же правила применяются к любому транспортному средству. Сжатые молекулы воздуха естественным образом ищут выход из зоны высокого давления перед автомобилем, и они находят его по бокам, сверху и снизу транспортного средства, как показано на диаграмме D1.

Задний вакуум

Вакуум сзади возникает из-за «дыры», оставленной в воздухе при проезде через нее автомобиля.Чтобы наглядно это представить, давайте взглянем на нашу демонстрационную машину на диаграмме D2 ниже. Когда он едет по дороге, автомобиль в форме блочного седана создает дыру в воздухе. Воздух обтекает тело, как описано выше.

На скоростях выше ползания пространство сразу за задним стеклом и багажником автомобиля «пусто» или похоже на вакуум. Эти пустые области являются результатом того, что молекулы воздуха не могут заполнить отверстие так быстро, как это может сделать машина. Молекулы воздуха пытаются заполнить эту область, но автомобиль всегда на шаг впереди, и в результате непрерывный вакуум засасывается в направлении, противоположном автомобилю.

Схема D2. Задний вакуум (также известный как отслоение потока) — это еще одна форма сопротивления, при которой воздух, через который проходит транспортное средство, не может заполнить пространство отверстия, оставленного транспортным средством, что приводит к тому, что составляет вакуум.

Эта неспособность заполнить дыру, оставленную автомобилем, технически называется отслоением потока.

Отслоение потока применяется только к «задней вакуумной» части сил сопротивления и имеет все больший и больший отрицательный эффект по мере увеличения скорости транспортного средства.Фактически, сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости транспортного средства, поэтому требуется все больше и больше лошадиных сил, чтобы толкать транспортное средство по воздуху по мере увеличения его скорости.

Следовательно, когда транспортное средство достигает высоких скоростей, становится важным спроектировать автомобиль так, чтобы ограничить области отрыва потока. В идеале мы даем молекулам воздуха время, чтобы они следовали контурам кузова автомобиля и заполняли дыры, оставленные автомобилем, его шинами, его подвеской и выступами (то есть зеркалами, поперечинами).

Если вы были свидетелями гоночных автомобилей Ле-Мана, то наверняка заметили, что хвосты этих автомобилей имеют тенденцию расширяться назад от задних колес и сужаться при взгляде сбоку или сверху.Эта дополнительная конструкция кузова позволяет молекулам воздуха плавно сходиться обратно в вакуум вдоль кузова в отверстие, оставленное кабиной автомобиля и передней частью, вместо того, чтобы внезапно заполнять большое пустое пространство.

Сила, создаваемая задним вакуумом, превышает силу, создаваемую лобовым давлением, поэтому есть очень веская причина минимизировать масштаб вакуума, создаваемого в задней части автомобиля.

Схема D3. Турбулентность создается за счет отрыва воздушного потока от транспортного средства.Последний неизбежный отрыв в самой задней части машины оставляет бурный след.

Когда поток отделяется, воздушный поток становится очень турбулентным и хаотичным по сравнению с плавным потоком на передней части объекта.

Если мы посмотрим на выступ из автомобиля, такой как зеркало на диаграмме D3 выше, мы увидим отрыв потока и турбулентность в действии. Воздушный поток отделяется от плоской стороны зеркала, которое, конечно же, обращено к задней части автомобиля.

Турбулентность, создаваемая этим отрывом, может затем повлиять на поток воздуха к частям автомобиля, находящимся за зеркалом.Например, воздухозаборники лучше всего работают, когда поступающий в них воздух течет плавно. Крылья создают гораздо большую прижимную силу с плавным обтеканием их. Следовательно, действительно необходимо оптимизировать всю длину автомобиля (в разумных пределах), чтобы обеспечить наименьшее количество турбулентности на высокой скорости.

Коэффициент сопротивления

Чтобы можно было сравнить сопротивление, создаваемое одним транспортным средством, с другим, было создано безразмерное значение, называемое коэффициентом сопротивления или Cd. У каждого транспортного средства есть Cd, который можно измерить с помощью данных в аэродинамической трубе.Cd можно использовать в уравнениях сопротивления для определения силы сопротивления при различных скоростях. В своей всеобъемлющей книге «Аэродинамика гоночных автомобилей: проектирование для скорости» Джозеф Кац приводит таблицу обычных транспортных средств, их компакт-дисков и лобовых поверхностей. Вот выдержка из этой таблицы:

Коэффициенты сопротивления автомобиля (Выдержка из «Аэродинамика гоночных автомобилей» Джозефа Каца. © Bentley Publishers)

Из этой таблицы и наших знаний о форме кузова некоторых из этих транспортных средств мы можем сделать вывод, что наилучший Cd достигается, когда транспортное средство имеет следующие атрибуты:

• Имеет небольшой носик / решетку для минимизации лобового давления.
• Имеет минимальный дорожный просвет под решеткой, чтобы минимизировать поток воздуха под автомобилем.
• Имеет ветровое стекло с крутым наклоном (если есть), чтобы избежать повышения давления спереди.
• Имеет заднее окно / деку в стиле Fastback или наклонный кузов, чтобы воздушный поток оставался на месте.
• Имеет сужающийся «хвост», чтобы удерживать поток воздуха и минимизировать площадь, на которой в конечном итоге происходит отрыв потока.

Если это звучит так, будто мы только что описали спортивный автомобиль, вы правы. По правде говоря, чтобы быть идеальным, кузов автомобиля имел бы форму слезы, поскольку даже лучшие спортивные автомобили испытывают отрыв потока. Однако формы слезных капель не подходят для зоны, где движется автомобиль, а именно близко к земле.У самолетов нет этого ограничения, поэтому каплевидные формы работают.

Лучшие дорожные автомобили сегодня имеют КД около 0,28. Автомобили Формулы 1 с их крыльями и открытыми колесами (значительный компонент сопротивления) выдерживают минимум 0,75.

Если учесть, что плоская пластина имеет Cd около 1,0, автомобиль F1 действительно кажется неэффективным, но то, что автомобилю F1 не хватает в эффективности аэродинамического сопротивления, компенсируется прижимной силой и мощностью в лошадиных силах.

Практические советы по аэродинамике (1/4)

Крышка Открытые колеса

Открытые колеса создают большое сопротивление и турбулентность воздушного потока, как на диаграмме зеркала в разделе «Турбулентность» выше.Полное закрытие кузова, вероятно, является лучшим решением, если это разрешено правилами, но если частичное использование кузова разрешено, размещение сходящегося обтекателя за колесом дает максимальную пользу.

Минимизировать фронтальную область

Чем меньше дыра, которую пробивает ваша машина в воздухе, тем лучше она будет разгоняться, тем выше будет максимальная скорость и тем ниже будет расход топлива. Обычно намного легче уменьшить FA (фронтальную площадь), чем Cd (коэффициент сопротивления).

Конвергентный кузов медленно

Кузов, который быстро сходится или просто усекается, вызывает турбулентность воздушного потока и создает большое сопротивление.Как упоминалось выше, это также может повлиять на аэродинамические устройства и кузов на задней части кузова транспортного средства.

В поисках лучшей экономии топлива — инженерная школа Университета Калифорнии в Витерби

Аэродинамика была впервые использована для повышения производительности гоночных автомобилей в 1970-х годах. Инженеры гоночных автомобилей поняли, что воздух, обтекающий автомобиль, можно использовать для увеличения прижимной силы и уменьшения аэродинамического сопротивления автомобиля. Поскольку экономия топлива стала важным фактором в конструкции дорожных транспортных средств, инженеры вскоре поняли, что методы снижения аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей могут быть перенесены на дорожные транспортные средства для повышения экономии топлива.Чтобы уменьшить сопротивление, создаваемое транспортным средством, производители автомобилей начали внедрять конструкции кузова, которые позволили бы сделать транспортное средство более обтекаемым. Способы уменьшения коэффициента лобового сопротивления транспортного средства включают изменение формы задней части, закрытие нижней части транспортных средств и уменьшение количества выступов на поверхности автомобиля.

Аэродинамика и экономия топлива

Представьте, что вы держите большой дорожный конус за окном вашего автомобиля, когда едете по автостраде со скоростью семьдесят пять миль в час.У вас есть два варианта: либо удерживать конус так, чтобы заостренный конец смотрел в том же направлении, что и машина, либо так, чтобы заостренный конец смотрел в противоположном направлении от направления, в котором движется автомобиль (рис. 1). В каком сценарии было бы легче удерживать конус, учитывая эффекты сопротивления воздуха? Хотя интуиция может заставить многих думать, что держать заостренный конец конуса вперед более эффективно, на самом деле верно обратное. Это явление является примером аэродинамического сопротивления, концепции, которую инженеры используют для проектирования формы автомобиля и минимизации мощности двигателя, необходимой для движения автомобиля вперед.

Оптимизация формы транспортного средства для уменьшения аэродинамического сопротивления может позволить конструкторам автомобилей создавать автомобили с повышенной экономией топлива. Требуются небольшие усилия, чтобы выявить постоянно возрастающую важность экономии топлива для серийных автомобилей. В 2004 году цена за баррель сырой нефти составляла около 30 долларов, но тогдашние экономисты прогнозировали, что в будущем она резко вырастет [1]. Всего семь лет спустя цена за баррель сырой нефти составляет 108 долларов и продолжает расти [2]. Это 360-процентное повышение цен на сырую нефть затрагивает всех, кто водит машину, а это большинство населения промышленно развитых стран.Помимо высокой цены на бензин, выбросы углекислого газа из выхлопных труб автомобилей вызывают озабоченность с точки зрения устойчивости [3]. Лучшая аэродинамика автомобиля приводит к снижению расхода топлива, помогает водителям экономить деньги и снижает выбросы углекислого газа.

Заимствованные технологии

Одним из важных факторов, которые современные автомобильные инженеры принимают во внимание при проектировании автомобиля, является аэродинамика. Аэродинамика — это изучение как движения воздуха, так и сил, создаваемых объектом, движущимся в воздухе.Когда автомобиль находится в движении, большое количество воздуха вытесняется и должно обтекать его. Хотя ученые и инженеры изучали аэродинамику еще с 19 века, важность аэродинамики в автомобилях осознали только в середине 20 века [4]. Инженеры гоночных автомобилей были одними из первых, кто проанализировал взаимодействие между воздушным потоком, окружающим автомобиль, и его влиянием на его характеристики; Этот анализ привел к началу разработки аэродинамических характеристик гоночных автомобилей в конце 1960-х годов [5].В это время конструкторы гоночных автомобилей начали испытывать свои автомобили в аэродинамических трубах, чтобы определить влияние воздушного потока на автомобили. Вскоре инженеры узнали, что включение аэродинамических элементов в гоночные автомобили повлияет на автомобили посредством двух явлений: прижимной силы и аэродинамического сопротивления [5].

Прижимная сила и аэродинамическое сопротивление — две силы, создаваемые воздухом, обтекающим автомобиль. Прижимная сила — это направленная вниз сила на транспортном средстве, создаваемая разницей в давлении воздуха, и она может повысить производительность автомобиля за счет увеличения силы, прижимающей автомобиль к земле.Если есть большая сила, прижимающая шины автомобиля к земле, количество трения и сцепления, доступное для шин, увеличивается. Подобно тому, как крыло самолета может создавать подъемную силу, позволяющую самолету взлетать, такое же крыло можно перевернуть на автомобиле для создания прижимной силы. Хотя эти перевернутые крылья начали появляться на многих гоночных автомобилях в 1970-х годах, за прижимную силу пришлось заплатить — крылья увеличили аэродинамическое сопротивление гоночных автомобилей [5]. Аэродинамическое сопротивление — это сила, противодействующая направлению движения транспортного средства.Чтобы установить перевернутые крылья на гоночные автомобили без ущерба для слишком большого индуцированного сопротивления, инженеры разработали методы уменьшения сопротивления, тем самым уменьшив мощность двигателя, необходимую для поддержания автомобиля на определенной скорости. За счет уменьшения сопротивления автомобиля увеличивается соответствующая экономия топлива.

Благодаря подразделениям по разработке гоночных автомобилей в большинстве крупных производителей автомобилей, аэродинамические улучшения в конечном итоге нашли свое отражение в легковых и серийных автомобилях [5].Однако основное различие между аэродинамикой гоночного автомобиля и аэродинамикой легкового автомобиля состоит в том, что гоночные автомобили стремятся увеличить прижимную силу, а легковые автомобили стремятся уменьшить сопротивление [6]. Поэтому производители автомобилей позаимствовали многое из того, что они узнали об аэродинамике гоночных автомобилей, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление своих серийных автомобилей, тем самым улучшив экономию топлива легковых автомобилей.

Взаимосвязь между лобовым сопротивлением и экономией топлива

Чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление транспортного средства, необходимо проанализировать его источники.Как упоминалось ранее, аэродинамическое сопротивление — это сила, противоположная направлению тяги автомобиля, и это нежелательная сила. Учитывая набор условий транспортного средства, можно рассчитать силу сопротивления. Сопротивление является функцией площади лобовой части транспортного средства, плотности воздуха, коэффициента лобового сопротивления транспортного средства и квадрата скорости транспортного средства [5]. Однако влияние лобового сопротивления на транспортное средство становится еще более заметным, когда достигается мощность двигателя, необходимая для преодоления сил сопротивления. Необходимая мощность двигателя как функция лобового сопротивления зависит от площади лобовой части автомобиля, плотности воздуха, коэффициента лобового сопротивления транспортного средства и куба скорости транспортного средства [4].Тот факт, что скорость автомобиля имеет кубическое отношение к силе сопротивления, показывает, что небольшое изменение скорости автомобиля может потребовать огромной мощности двигателя, чтобы преодолеть силы сопротивления. Кроме того, соотношение между лобовым сопротивлением и скоростью показывает, что аэродинамика транспортных средств не имеет большого значения на более низких скоростях; они оказывают гораздо более сильное влияние на скоростях шоссе [4].

Теперь, когда факторы, участвующие в создании сопротивления, были проанализированы, что можно сделать, чтобы уменьшить сопротивление? В то время как плотность воздуха и скорость транспортного средства не могут быть изменены конструкцией транспортного средства, площадь лобовой поверхности и коэффициент лобового сопротивления могут быть изменены.Уменьшение высоты и ширины автомобиля может уменьшить площадь лобовой части, но есть предел того, насколько маленькой может быть эта площадь, поскольку люди должны иметь возможность удобно сидеть внутри автомобиля. Следовательно, самый простой способ уменьшить лобовое сопротивление — снизить коэффициент лобового сопротивления автомобиля [3]. Коэффициент лобового сопротивления транспортного средства в основном зависит от формы (рис. 2). Поэтому конструкторы транспортных средств изменяют определенные аспекты формы кузова транспортного средства, чтобы уменьшить общее аэродинамическое сопротивление и, таким образом, повысить экономию топлива.

Регулировка формы автомобиля для уменьшения сопротивления

Процесс уменьшения коэффициента лобового сопротивления транспортного средства путем изменения формы транспортного средства называется обтекаемостью [4]. В середине ХХ века было установлено, что наиболее обтекаемой формой является капля (рис. 3).

Хотя этот дизайн был имитирован в различных моделях обтекаемых концептуальных автомобилей, форма оказалась непрактичной при проектировании настоящего автомобиля, в основном из-за длинного и узкого конца. Вместо этого конструкторы создали автомобили с профилем, более сопоставимым с рисунком на рис.4.

Тем не менее, воздух, который обтекает автомобиль, закручивается вокруг задней части гораздо больше, что соответствует фактическому профилю транспортного средства, чем каплевидному профилю. Эти завихрения называются вихрями, и они представляют собой область низкого давления позади автомобиля. Низкое давление позади автомобиля создает эффект всасывания, который пытается тянуть автомобиль назад [5]. Следовательно, уменьшение размера зоны отрыва, то есть области позади автомобиля, содержащей вихри позади автомобиля, является одним из основных методов уменьшения аэродинамического сопротивления.Это можно сделать, слегка сузив заднюю часть автомобиля, чтобы уменьшить размер зоны разделения. Как ни парадоксально это может показаться, задняя часть автомобиля является причиной наибольшего сопротивления автомобиля [3]. Это та же самая причина, по которой пример удерживания дорожного конуса за окном автомобиля имеет меньшее сопротивление, когда он направлен в сторону от направления, в котором движется транспортное средство. Пример обтекаемости автомобиля за счет сужения задней части автомобиля можно отметить, изучив дизайн Maybach Exelero (рис.5).

Дополнительные методы уменьшения сопротивления

Еще один значительный источник сопротивления — это днище автомобиля и колесные арки. Когда воздух проходит под автомобилем, он оказывает давление на все механические детали, расположенные под кузовом автомобиля, такие как компоненты подвески, оси и выхлопная система [3]. Кроме того, воздух, проходящий через зазоры между колесами и кузовом автомобиля, вызывает дальнейшее увеличение лобового сопротивления автомобиля. Перетаскивание, создаваемое в этой области, может составлять до одной шестой общего сопротивления транспортного средства [3].Имея это в виду, инженеры разработали различные методы уменьшения этого сопротивления. Одним из методов предотвращения попадания воздуха в механические устройства под автомобилем является установка обшивки днища [3]. Плоские панели, которые предотвращают попадание воздуха на оси, подвеску и выхлопную систему, могут значительно повысить обтекаемость автомобиля. В дополнение к монтажной плоской обшивке под автомобилем, юбки колес могут быть прикреплены к заднему колесу автомобиля, как показано на оригинальной модели экономичной Honda Insight (рис.6). Юбка колеса предотвращает попадание воздуха в колесные арки, тем самым снижая общее сопротивление автомобиля.

Помимо оптимизации задней части и днища автомобиля, существует еще один метод уменьшения сопротивления за счет явления, называемого поверхностным трением. Поскольку воздух представляет собой вязкую жидкость, а это означает, что молекулы воздуха могут оказывать друг на друга силы, тонкий слой воздуха будет прикрепляться к корпусу движущегося транспортного средства и оказывать на него силу трения.Эта часть медленно движущегося воздуха, расположенная очень близко к кузову автомобиля, называется пограничным слоем, и она увеличивает поверхностное трение автомобиля, таким образом увеличивая общее сопротивление, которое автомобиль должен преодолеть [5]. Чтобы уменьшить сопротивление от поверхностного трения, поверхность автомобиля должна быть хорошо отполирована и чиста, тем самым уменьшая трение, которое пограничный слой может оказывать на автомобиль [4]. Помимо хорошо отполированной поверхности, другие небольшие выступы, такие как винты, шарниры и зазоры в корпусе, также должны быть минимизированы, чтобы уменьшить сопротивление, создаваемое трением о кожу.

Будущее аэродинамики автомобилей

Хотя специалисты по аэродинамике достигают предела возможного минимального лобового сопротивления в практичных дорожных транспортных средствах, таких как Toyota Prius и Honda Insight, производители автомобилей разрабатывают множество инновационных элементов для постепенного снижения коэффициента лобового сопротивления транспортных средств. Новые достижения в области снижения лобового сопротивления транспортных средств в значительной степени связаны с усовершенствованием аэродинамических труб и усовершенствованием программного обеспечения для моделирования [3].Используя уравнения и методы для анализа гидродинамики и тепловых свойств воздуха, обтекающего транспортное средство, инженеры могут предсказать влияние определенных конструкций транспортного средства на его аэродинамику. Поэтому, используя улучшенные инструменты проектирования, инженеры продолжают проектировать автомобили с более низким аэродинамическим сопротивлением и разрабатывать автомобили, чтобы уменьшить частоту остановок на заправках, которые необходимо совершать, что помогает не только кошелькам автовладельцев, но и здоровью окружающей среды. .

Техническая школа AutoZine — Аэродинамика

Тащить, тянуть

Аэродинамический Эффективность автомобиля определяется его коэффициентом сопротивления (Cd).Коэффициент сопротивления не зависит от площади, оно просто отражает влияние на аэродинамический перетащите по форме объекта. Теоретически круглая плоская пластина имеет Cd 1.0, но после добавления эффекта турбулентности по его краю он становится примерно 1.2. Наиболее аэродинамически эффективной формой является капля воды, Cd которой составляет 0,05. Однако мы не можем сделать такую ​​машину. Типичная современная машина вокруг 0,30.

Перетаскивание пропорционально к коэффициент аэродинамического сопротивления, площадь лобовой части и квадрат скорости автомобиля.Вы можете увидеть, как автомобиль, движущийся со скоростью 120 миль в час, должен бороться с сопротивлением в 4 раза большим, чем у машина едет со скоростью 60 миль в час. Вы также можете увидеть влияние перетаскивания наверх скорость. Если нам нужно поднять максимальную скорость Ferrari Testarossa со 180 до 200 миль в час, как Lamborghini Diablo, без изменения его формы, мы необходимо поднять его мощность с 390 л.с. до 535 л.с. Если бы мы предпочли потратить время и деньги на исследования в аэродинамической трубе, снизив ее Cd с 0,36 до 0.29 может сделать то же самое.

Фастбэк

В В 60-е инженеры автоспорта начали серьезно относиться к аэродинамике. Они обнаружили, что если уменьшить наклон задней части автомобиля до 20 градусов или меньше, воздушный поток будет плавно следовать за линией крыши и резко уменьшить сопротивление. Они назвали эту конструкцию «Fastback». Как результат, много гоночные автомобили, такие как Porche 935/78 «Moby Dick», показанные здесь, добавлены чрезмерно длинный хвост и низ спины.

Для вагон с 3 отсеками, воздушный поток выходит из машины прямо в конце крыши линия. Резкое падение заднего стекла создает вокруг области низкого давления, это притягивает некоторые воздушные потоки назад, чтобы дополнить их, создавая тем самым турбулентность. Турбулентность всегда ухудшается коэффициент лобового сопротивления.

Однако это еще лучше чем что-то между 3-боксом и фастбэком. Если угол заднего экрана составляет от 30 до 35 градусов, воздушный поток будет очень нестабильным.Это мог значительно ухудшают стабильность на высоких скоростях. В прошлом автопроизводители было мало знал об этом и создал много таких машин.

Подъемник

Еще одно важное аэродинамический Фактор — Лифт. Поскольку воздушный поток над автомобилем проходит на большее расстояние чем воздушный поток под автомобилем, первый быстрее, чем второй. Согласно согласно принципу Бернулли, разница в скорости приведет к чистому отрицательный на верхнюю поверхность действовало давление, которое мы называем «Лифтом».

Нравится сопротивление, подъемная сила пропорциональна площади (но площадь поверхности вместо фронтальной площадь), квадрат скорости автомобиля и подъемного коэффициента (Cl), который равен определяется формой. На высокой скорости подъемная сила может быть увеличена до такой ан степень, что автомобиль становится очень нестабильным. Лифт особенно серьезен сзади, вы можете легко понять, так как область низкого давления существуют вокруг заднего стекла. Если задний подъемник не имеет достаточной стойки, задний колеса станут легко скользить, а это очень опасно для автомобиля путешествие что-то вроде 160 миль в час.

Фастбэк — это особенно плохо в этом аспекте, потому что имеет очень большую площадь соприкосновения с участием поток воздуха. Кажется, что хорошее сопротивление и хорошая подъемная сила исключают друг друга, у вас не может быть их обоих. Однако по мере того, как мы провели дополнительные исследования аэродинамика, мы обнаружили, что есть какое-то решение для достижения обоих ….

В в В начале 60-х инженеры Ferrari обнаружили, что, добавив воздушную фольгу (мы просто назовите «Крыло») в заднюю часть, подъемная сила может быть значительно снижена или даже создает чистую прижимную силу.При этом сопротивление незначительно повысился.

Крыло имеет эффект направить большую часть воздушного потока, чтобы прямо покидать крышу без переходя к спине, это уменьшение подъема. (Если увеличить угол крыла, может быть даже доступно сто килограммов прижимной силы). немного воздуха следует за спиной и оставляет хвост под крылом. Это позволяет избежать турбулентности, которая возникает в автомобиле без фастбэка, и, таким образом, оставаться Эффективное перетаскивание.Поскольку по этому маршруту идет слишком мало воздуха, его вклад в в подъемная сила легко отменяется крылом.

Спойлер это аэродинамический комплект, который изменяет потоки воздуха под автомобилем.Мы те, которые установлены в нижней части переднего бампера, назовите «подбородком» Спойлер» или «Воздушная дамба», и устанавливаемые по нижнему краю бортов автомобиля. как «Юбка». Чтобы понять его принцип, мы должны сначала поговорить о нижняя сторона поток воздуха.

Воздушные потоки снизу в машина всегда нежелательна. Есть много компонентов, таких как двигатель, коробка передач ведущий вал, дифференциал и т. д., обнаженные в днище автомобиля. Они будет препятствовать воздушному потоку, а не только вызывать турбулентность, которая увеличивает тащить, тянуть, но также замедлить воздушный поток, тем самым увеличив подъемную силу.(Помнить Бернуллиса Принцип?).

Спойлер используется для уменьшать поток воздуха снизу, побуждая воздух проходить с обеих сторон автомобиля. В качестве в результате сопротивление и подъемная сила, вызываемые потоком воздуха снизу, могут быть уменьшены. Вообще говоря, чем ниже расположен спойлер, тем лучше результат. получать. Поэтому вы можете увидеть гоночные машины на выносливость со спойлерами почти трогательный земля. Конечно, дорожные автомобили не могут этого сделать.



---

Кому инженеры автоспорта, крыло могло бы быть хорошим решением для подъема, но еще далеко от того, чего они действительно хотят. Типичный гоночный автомобиль формулы 1 углы при боковом ускорении около 4g, что требует значительной прижимной силы чтобы шины оставались на правильном пути. Установить огромное крыло с большим углом наклона может удовлетворить это требование, но также ухудшает сопротивление коэффициент.

В 70-е годы Коллин Чепмен (снова) изобрел совершенно новую концепцию обеспечения прижимной силы без изменение сопротивления — Эффект земли. Он включил воздушный канал в дно своего гонщика Lotus 72. Канал относительно узкий спереди и расширяться к хвосту. Поскольку дно почти касается земля, комбинация канала и земли образует фактически закрытый туннель. Когда машина движется, воздух попадает в туннель в носу, а затем расширяется линейно к хвосту.Судя по всему, давление воздуха снижается в сторону хвост, так что будет создана прижимная сила.

Ground Effect это так начальство чем крыло, которое вскоре было запрещено в Formual One. В 1978 г. Гордон Мюррей снова попытался использовать другие средства — вместо канала расширения, он использовал мощный вентилятор для создания низкого давления возле хвоста. Конечно FIA снова запретила это.

Граунд-эффект отсутствует тоже подходит для дорожных автомобилей. Требуется, чтобы дно было очень близко к грунт для образования закрытого туннеля.Для гоночной машины это не проблема. Но дорожные автомобили должны иметь гораздо больший клиренс, чтобы соответствовать разным грубый дороги, подъем и спуск и т. д. Это значительно снижает эффективность грунтового эффекта. Дорожный автомобиль McLaren F1 последовал трюку Брэбэма, использовав 2 электровентилятора для создания эффекта земли, но честно говоря, нет тестер когда-либо хвалил его прижимную силу. Dauer 962, так называемый «дорожный автомобиль», но на самом деле это дорожный гоночный автомобиль Porsche 962 на выносливость, используйте общепринятый Воздействие на землю в воздушном канале, как у гоночной машины.Регулируемая высота дорожного просвета позволяет бегать по неровной дороге (медленно) и эффективно использовать эффект грунта в Автобан Германии. Тем не менее, он едва ли может создать 40% прижимной силы. гоночного автомобиля.