Аэродинамика автомобиля. Как это работает.

Аэродинамика автомобиля,к числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом,…

Аэродинамика автомобиля,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.
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.

Аэродинамическое сопротивление-№1

Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час.

В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.

Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.
Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.

А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).

Величина Cx определяется опытным путем. Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, — 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.

Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него.

Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха… Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.

Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким. Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.

И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя.

Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…

Подпишись на наш Telegram-канал

Аэродинамика автомобиля | это… Что такое Аэродинамика автомобиля?

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.

Содержание 1 Главные цели 2 Особенности 3 Сила сопротивления воздуха 4 Способы изучения аэродинамики автомобиля 5 Ссылки 6 Примечания

Главные цели

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.

Особенности

Есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике воздушного транспорта. Во-первых, характерная форма дорожного транспорта намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом. Во-вторых, для автомобилей необходимо учитывать влияние дорожного покрытия на потоки воздуха. В-третьих, скорости наземного транспорта намного меньше. В-четвертых, у наземного транспорта меньше степеней свободы чем у воздушного, и его движение меньше зависит от аэродинамических сил. В-пятых, Наземный транспорт имеет особые ограничения во внешнем виде, связанные с высокими требованиями безопасности. И, наконец, большинство водителей наземного транспорта менее обучены чем пилоты и обычно водят, не стремясь достичь максимальной экономичности.

Сила сопротивления воздуха

Сила сопротивления воздуха вычисляется по формуле:

Где — плотность воздуха, S — площадь поперечной проекции автомобиля, — 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 путем 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

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.

Ссылки

• Аэродинамика автомобиля
• http://www.autotechnic.su/technology/aero/aero.html
• http://amastercar.ru/articles/body_of_car_1.shtml

Примечания

Руководство по аэродинамике автомобиля: все, что вам нужно знать

То, как воздух течет под или над вашим модифицированным автомобилем, имеет решающее значение как для его характеристик, так и для вашей безопасности. Мы исследуем ключевые принципы в нашем руководстве по аэродинамике автомобиля.

«Aero» — удивительно расплывчатая всеобъемлющая фраза, которую автомобильное сообщество любит разбрасывать, говоря о модификации определенного жанра, но что она на самом деле означает? Ну, по сути, аэродинамика — это изучение движущегося воздуха, в частности, когда он соприкасается с объектом — в данном случае с автомобилем. Это очень сложно, но, к счастью, эксперты уже сделали уравнения за нас. Вместо этого мы можем просто сосредоточиться на том, чтобы выбрать все самое интересное, что заставит наши машины ехать быстрее.

Каждый, кто читает это, вероятно, видел гоночные автомобили и действительно быстрые дорожные автомобили, украшенные причудливыми вспомогательными средствами из углеродного волокна, но они не просто придают им агрессивный внешний вид, они предназначены для выполнения определенной работы. И эта работа заключается в том, чтобы направлять воздух туда, где он вам нужен, и отводить его от мест, которые вам не нужны.

При этом вы можете фактически использовать давление воздуха, когда вы проезжаете через него, чтобы получить преимущества в производительности и безопасности. Сделаете это неправильно, и все, что вы сделаете, это увеличит лобовое сопротивление вашего автомобиля и, следовательно, снизит его производительность. Итак, в этом руководстве по аэродинамике автомобиля мы рассмотрим некоторые ключевые основы дизайна и способы их использования в ваших собственных сборках.

Что такое аэродинамика автомобиля ?

То, как ваш автомобиль движется по воздуху, представляет собой критическую комбинацию событий, которые напрямую влияют на его характеристики, стабильность и безопасность. На самом простом уровне, если вы представляете переднюю часть своей машины, когда вы едете, воздух, с которым вы сталкиваетесь, может проходить либо под ней, либо над ней. Точка на вашем переднем бампере, в которой воздушный поток разделяется, чтобы пройти либо над автомобилем, либо под ним, называется точкой застоя. Отсюда воздух под автомобилем должен иметь дело с объектами, которые создают сильное сопротивление: колеса, выхлоп, карданные валы и компоненты подвески — все это комковатые объекты, вызывающие сопротивление.

Коэффициенты аэродинамического сопротивления

Аэродинамическое сопротивление — это сила, непосредственно противодействующая движению автомобиля. Если быть точным, около трети общего сопротивления вашего автомобиля приходится на днище. Вдобавок к этому, еще одна треть поступает от воздуха, проходящего через автомобиль (весь экстерьер), а оставшаяся треть поступает от воздушного потока через решетку радиатора, интеркулер и моторный отсек. Каждый серийный автомобиль проходит испытания, чтобы присвоить ему число, известное как коэффициент аэродинамического сопротивления или Cd. Чем меньше число, тем меньше лобовое сопротивление автомобиля, а если учесть, что на скоростях по шоссе более половины мощности, необходимой для поддержания скорости, требуется для преодоления лобового сопротивления, вы начинаете понимать, насколько важна эта цифра, особенно для экономии топлива.

Типичные значения Cd находятся в районе 0,3-0,4 для серийных дорожных автомобилей. Некоторые автомобили особенно аэродинамичны, например, новый Porsche Taycan, у которого Cd всего 0,22. С другой стороны, гоночные автомобили с открытыми колесами имеют гораздо более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, в основном благодаря вращению колес, что создает сильное сопротивление. Автомобиль F1, например, имеет Cd в районе 1,0.

Что делает разветвитель?

Привинчивание большого переднего сплиттера к вашему автомобилю — это довольно простой способ добавить прижимную силу, который эффективно прижимает переднюю часть автомобиля к земле на скорости. Это отлично подходит для прохождения поворотов и торможения, где требуется высокий уровень сцепления с передней частью. Еще одним плюсом является то, что он уменьшает долю подъемного воздушного потока, направленного под автомобиль, и вместо этого направляет его над крышей автомобиля. Небольшой недостаток переднего сплиттера заключается в том, что он увеличивает лобовую площадь автомобиля, что имеет прямое отношение к лобовому сопротивлению, но преимущества перевешивают недостатки, когда сцепление имеет решающее значение. На гоночных автомобилях низкий выступающий передний сплиттер является обычным явлением, но он лучше всего подходит для гладкого ровного асфальта и жесткой подвески.

На дорожном автомобиле это прекрасный баланс того, как низко вы можете ехать, не отрывая его при въезде на подъездную дорожку. Другой метод уменьшения доли воздушного потока под автомобилем немного проще: если вы опускаете автомобиль на койловеры или усиленные занижающие пружины, под автомобиль будет направлено меньше воздушного потока, что одновременно снижает подъемную силу и лобовое сопротивление, вот почему такие автомобили, как новый GT, имеют системы, которые фактически опускают автомобиль на 50 мм в режимах максимальной скорости и трека. Опускание автомобиля дает больше преимуществ, чем вы думаете! Обязательно ознакомьтесь с нашей подборкой лучших брендов автомобильной подвески в 2023 году.

Что делают утки?

Бамперные канарды (также называемые ныряльщиками) становятся все более популярными в сфере тюнинга и, подобно переднему сплиттеру, увеличивают прижимную силу в передней части автомобиля. Обычно они изготавливаются из углеродного волокна и крепятся болтами к бокам переднего бампера, чаще всего в наборах по четыре штуки. Они также направляют поток воздуха из-под автомобиля, что очень желательно для уменьшения подъемной силы, но в результате они увеличивают сопротивление. Canards оказывают заметное влияние только на более высоких скоростях, и их лучше всего использовать для точной настройки аэродинамических характеристик автомобиля. Для использования в дорожных автомобилях сомнительно, можно ли оправдать утки с точки зрения производительности.

Что делает заднее крыло?

Подобно тому, как сплиттеры увеличивают прижимную силу в передней части автомобиля, заднее антикрыло создает прижимную силу в задней части. Их часто называют спойлерами, что технически неверно — спойлер предназначен для того, чтобы «портить» любой нежелательный поток воздуха над задней частью автомобиля (подсказка в названии), чтобы уменьшить подъемную силу или повысить эффективность использования топлива. . Крыло, которым оснащены многие гонщики, а также задняя часть Sierra и Escort Cosworth, представляет собой устройство, которое активно создает прижимную силу сзади, чтобы увеличить сцепление с задними колесами и повысить устойчивость. Заднее крыло Sierra Cosworth создает прижимную силу от 70 до 80 кг на скорости 100 миль в час, а заднее крыло Escort Cosworth обеспечивает прижимную силу от 40 до 50 кг на скорости 100 миль в час, поэтому вы можете видеть, насколько эффективно они обеспечивают сцепление с задними колесами. – подтвердит любой, кто ездил на трехдверной Sierra без заднего антикрыла.

Критический угол атаки лопасти крыла; это оказывает большое влияние на аэродинамическое сопротивление, а также влияет на то, как распределяется прижимная сила. Например, заднее антикрыло Escort Cosworth имеет другой угол атаки, чем у Sierra, из-за того, что оно полноприводное, а не заднеприводное. Форма и расположение крыла также имеют жизненно важное значение, и многие задние крылья на вторичном рынке имеют возможность регулировки.

Крылья, ориентированные на трек

Если вы серьезно настроены на то, чтобы быстро двигаться по треку, купите крыло с некоторыми данными CFD (вычислительная гидродинамика) — это может связать величину прижимной силы, сопротивления и энергопотребления со скоростью. Таким образом, вы знаете, что на скорости 100 миль в час ваш вес равен весу трех взрослых барсуков-самцов, сидящих на заднем сиденье автомобиля (или чего-то еще). Было бы еще лучше потратить немного времени на аэродинамическую трубу, но это стоит серьезных денег, и для большинства дорожных и трековых автомобилей достаточно просто купить приличное легкое заднее крыло.

Заслонка Gurney (названная в честь американского гонщика Дэна Герни, который впервые успешно применил эту концепцию в гонках с открытыми колесами в 1970-х годах) иногда устанавливается на задние крылья, как в случае с RS500. Это часть технологии, которая была заимствована из аэронавтики. Небольшая полоска материала, обычно расположенная под прямым углом к ​​поверхности крыла, способствует четкому отделению воздуха от крыла и максимизирует прижимную силу.

Что делает спойлер?

Многие спортивные автомобили в стандартной комплектации оснащены спойлерами, и это не только из эстетических соображений — безопасность здесь также играет большую роль. Спойлеры используются для уменьшения турбулентного воздушного потока в задней части автомобиля, создавая четкое разделение потока, что снижает нежелательную подъемную силу. Возможно, стоит подумать об этом, прежде чем вы отвинтите стандартный спойлер вашего автомобиля! Активные задние спойлеры, такие как тот, который можно найти на последнем Ford GT (который, когда он выдвинут, технически является задним крылом, но когда он спрятан, является спойлером) удваиваются как воздушные тормоза и не только обеспечивают устойчивость в движении, но и предлагают огромное сопротивление при резком торможении, помогающее замедлить машину, как при посадке самолета.

Аэродинамические средства не обязательно должны быть только спереди или сзади автомобиля: возьмите в качестве примера скромную пятидверную Sierra; ранние модели поставлялись без маленьких резиновых полосок вокруг окон заднего фонаря, в результате чего они сильно страдали от бокового ветра и чувствовали себя довольно неустойчиво на более высоких скоростях. Это было исправлено Ford в 1985 году, когда фирма представила резиновые полоски (известные как ремни) на более поздних моделях.

Что делает поднос?

Оптимизация воздушного потока под автомобилем дает большие преимущества, и в течение многих лет использовались различные методы, особенно на гоночных автомобилях, чтобы найти преимущества в этой области.

Основная цель — создать зону низкого давления под автомобилем, чтобы не было направленной вверх силы, противостоящей прижимной силе, создаваемой сплиттерами и спойлерами, к которым вы только что прикрутили болты. Основной способ создать зону низкого давления — ускорить поток воздуха под автомобилем. Это связано с принципом Бернулли, который гласит, что увеличение скорости воздуха приводит к снижению давления.

Наилучшим решением будет совершенно ровный пол, полностью исключающий зону под полом, создающую сопротивление. Этот метод действительно используется только в полноценных гоночных автомобилях, но другое решение для гоночных автомобилей — использовать сплиттер или днище, которое проходит под двигателем, чтобы минимизировать сопротивление, создаваемое компонентами моторного отсека. Эта технология даже нашла свое применение в экономичных дорожных автомобилях, в которых используется расширенная передняя кромка и частичное днище для уменьшения лобового сопротивления и повышения экономии топлива.

Что делает задний диффузор?

Задний диффузор используется для соединения высокоскоростного воздушного потока под автомобилем с более медленным потоком позади автомобиля. Это смешивание различных воздушных скоростей часто приводит к нежелательному сопротивлению, поэтому диффузор используется для расширения и замедления воздуха в задней части автомобиля, прежде чем он присоединится к следу позади автомобиля.

Использование продольных ребер в диффузоре является обычным явлением и способствует устойчивости задней части автомобиля на высоких скоростях, обеспечивая контроль направления и скорости воздушного потока.

Диффузоры часто устанавливаются на гоночные и трековые автомобили, но не всегда под правильным углом. Хотите верьте, хотите нет, но для заднего диффузора существует окно эффективности, которое, хотя и субъективно, составляет от семи до десяти градусов.

Что делает воздуховод?

Воздуховоды жизненно необходимы в любом автомобиле, но особенно в автомобилях с турбонаддувом, где управление теплом является более серьезной проблемой. Будь то промежуточный охладитель, радиатор, масляный радиатор или тормоза, наличие надлежащих воздуховодов — единственный способ гарантировать, что поток воздуха достигнет объекта, который вы пытаетесь охладить.

Например, если у вас есть передний интеркулер с большими зазорами по бокам и между бампером, то воздух всегда будет идти по пути наименьшего сопротивления, а не проходить через сердцевину и максимально охлаждать. Если вы не предлагаете воздуху другого выбора, кроме как проходить через предмет, который вы хотите охладить, с помощью правильного воздуховода, то он будет выполнять свою работу должным образом.

Воздуховоды также применяются к автомобилям, которые едут на максимальной скорости, например, на соляных равнинах Бонневилля, где обычно можно увидеть клейкую ленту на крышках капота, чтобы предотвратить создание сопротивления. В Великобритании эти методы использовались такими компаниями, как Reyland Motorsport, в своем предыдущем проекте Escort Cosworth, который разогнался до 200 миль в час в Брантингторпе. Тем не менее, необходимо уделять особое внимание тому, чтобы автомобиль все еще получал необходимый уровень охлаждения двигателя!

Что такое активная аэродинамика?

Последней аэродинамической технологией является активная аэродинамика, которую многие производители в настоящее время устанавливают на серийные автомобили. Имея такие компоненты, как заслонки решетки радиатора, которые могут двигаться, ЭБУ автомобиля может управлять аэродинамикой. Например, система Active Grille Shutter от Ford оснащена моторизованными горизонтальными лопастями, которые открываются и закрываются для изменения количества воздуха, проходящего через решетку в охлаждающий пакет. Это имеет двойной эффект: во-первых, это помогает двигателю быстрее прогреваться и, таким образом, снижает выбросы выхлопных газов; во-вторых, это помогает уменьшить аэродинамическое сопротивление, которое, по утверждению Ford, может достигать шести процентов, когда решетка радиатора полностью закрыта.

Эта новая технология предназначена для повышения экономичности, но имеет потенциальные преимущества и для любителей скорости, поскольку такие машины, как суперкар Ford GT, используют те же принципы для повышения производительности. Например, когда заднее крыло сложено, передний сплиттер и поддон создают дисбаланс прижимной силы, поэтому у GT есть активные прорези в переднем бампере, которые позволяют воздуху обходить действие сплиттера; когда заднее антикрыло поднято и задняя прижимная сила увеличивается, эти передние прорези закрываются, и вы также получаете полный эффект передней прижимной силы. Само заднее крыло также может принимать разные углы (при необходимости также служит воздушным тормозом) и имеет убирающийся закрылок Gurney.

Если у вас нет глубоких карманов, активная аэродинамическая обвеска, подобная этой, вряд ли будет на первом месте в списке ваших планов по созданию автомобиля. Но эй, круто знать, что он существует, правда?

Руководство из журнала Fast Ford.

Введение в автомобильную аэродинамику

Когда-то, в начале 20-го века, моторизованные транспортные средства стали реальностью, и началась гонка по улучшению дорожной инфраструктуры и скорости транспортных средств. Скорости транспорта стремительно возрастали, и когда законодатели увидели простор для введения новых ограничений, были изобретены ограничения скорости. В большинстве случаев упоминались вопросы безопасности пассажиров, экономии топлива и защиты окружающей среды (все это звучит политкорректно). Оказывается, наука об аэродинамике напрямую связана со всеми этими элементами, и большинство из нас интуитивно связывают более высокие скорости с уменьшением расхода топлива.

Однако наука об автомобильной аэродинамике не ограничивается внешней аэродинамикой: она включает в себя такие элементы, как охлаждение двигателя, внутренняя вентиляция, кондиционирование воздуха, снижение аэродинамического шума, устойчивость на высоких скоростях, отложение грязи и многое другое. В следующем обсуждении, для краткости, мы сосредоточимся на внешней аэродинамике.

Чтобы продемонстрировать влияние аэродинамики на транспортные средства, давайте начнем с простого примера: силы сопротивления (сопротивления движению), которая также определяет форму и стиль современных автомобилей. К силам, которые должен преодолевать движущийся автомобиль, относятся сопротивление качению шин, трение в трансмиссии, высота, изменение ускорения автомобиля, а также аэродинамика. Предположим, что автомобиль движется по ровной поверхности с постоянной скоростью, а внешние силы ограничиваются трением шин и аэродинамическим сопротивлением. Такой эксперимент описан на рис. 1, где данные были получены в результате испытания на буксировку.

Рис. 1. Увеличение общего лобового сопротивления автомобиля и сопротивления качению шин на горизонтальной поверхности в зависимости от скорости (измерено в тесте на буксировку автомобиля Opel Record 1970 года).

Тщательное изучение данных на этом рисунке показывает, что аэродинамическое сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, в то время как все другие компоненты силы сопротивления изменяются незначительно. Поэтому инженеры разработали безразмерное число, называемое коэффициентом аэродинамического сопротивления (C _D ), которое количественно определяет аэродинамическую гладкость конфигурации транспортного средства. Определение коэффициента аэродинамического сопротивления:

, где D — сила сопротивления, ρ — плотность воздуха, U — скорость автомобиля, а S — лобовая площадь. Одним из приятных аспектов этой формулы является то, что коэффициент не сильно зависит от скорости и в основном показывает, насколько плавно транспортное средство пересекает встречный воздушный поток. Напомним, что мощность ( P ) для преодоления аэродинамического сопротивления равна простому сопротивлению ( D ), умноженному на скорость ( U ), поэтому мы можем написать:

Это означает, что если мы едем на своей машине в два раза быстрее, чем на соседней, то нам нужен более мощный двигатель, обеспечивающий в восемь раз большую мощность (при условии, что автомобили похожи). Именно эти аргументы привели к печально известному ограничению скорости 55 миль в час в 1974 году! Кстати, используя аналогичную формулу для коэффициента лобового сопротивления, можно определить коэффициент подъемной силы ( C _L ), указывающий, какая аэродинамическая подъемная сила создается формой транспортного средства. Итак, если требования к мощности движения и снижение расхода топлива сильно зависят от коэффициента аэродинамического сопротивления транспортного средства, умноженного на его лобовую площадь, то какова величина порядка 9?0085 С _Д ? В следующей таблице (рис. 2) показан диапазон указанных выше коэффициентов для ряда типичных конфигураций:

На этом рисунке первая конфигурация представляет тело обтекаемой формы, и можно ожидать коэффициент лобового сопротивления в диапазоне от 0,025 до 0,040 (значение 0,04 показано в этой таблице). Также для такого симметричного тела вдали от земли не ожидается подъемной силы. Сохранение обтекаемой формы, но приближение к земле и добавление колес увеличивает сопротивление до уровня 9. 0085 C _D = 0,15, но длинная хвостовая часть непрактична для большинства транспортных средств. Также обратите внимание, что эта геометрия обеспечивает значительный уровень подъемной силы. Для практичных конфигураций седана (№ 3) и лобовое сопротивление, и подъемная сила значительно увеличиваются, выходя за пределы уровня обтекаемой формы. Наконец, добавлена ​​форма прототипа гоночного автомобиля с высокой прижимной силой, чтобы продемонстрировать экстремальный диапазон коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы. Высокая прижимная сила (отрицательная подъемная сила) для таких гоночных автомобилей необходима для лучшего сцепления шин (что приводит к более быстрым кругам), но не обязательно для более высоких максимальных скоростей. Большое увеличение сопротивления является результатом увеличения отрицательной подъемной силы (т. Е. Ничего не дается бесплатно).

Далее, с помощью рис. 3, давайте предположим связь между формой транспортного средства и результирующими коэффициентами подъемной силы и сопротивления. Во-первых, кажется, что поток над транспортным средством движется быстрее, чем под ним, и если он повторяет кривую форму транспортного средства, мы называем это присоединенным потоком. Однако в задней части транспортного средства поток не может следовать по крутому нисходящему повороту, поэтому эта область называется «отрывным потоком». Здесь следует вспомнить теории швейцарского ученого Даниэля Бернулли (1700-1782), который постулировал, что при более высоких скоростях давление ниже. Следовательно, давление на верхнюю поверхность автомобильной формы на рис. 3 будет меньше, чем на его нижнюю поверхность, что и приведет к подъемной силе. Также спереди поток воздуха почти прекращается, а лобовое давление выше, чем сзади, где (из-за разделения потока) оно низкое из-за более высокой скорости у заднего края крыши.

Это очень короткое обсуждение пытается описать происхождение подъемной силы и сопротивления из-за распределения давления по транспортному средству. Однако следует помнить, что в очень тонком слое (называемом граничным слоем, показанном δ) вблизи поверхности транспортного средства существует так называемое «поверхностное трение», которое также увеличивает коэффициент лобового сопротивления (но в автомобилях его вклад составляет C _D обычно очень маленькие).

Рис. 3. Схематическое описание воздушного потока по центральной линии обычного автомобиля.

Во многих легковых автомобилях для увеличения прижимной силы (или уменьшения подъемной силы) добавляются задние крылья или спойлеры. Это взаимодействие можно продемонстрировать, прикрепив заднее крыло к общей форме эллипсоида на рис. 4 (с гладким днищем). Ожидаемые линии тока и частичные отрывы потока сзади показаны в верхней части этого рисунка. Когда сзади добавляется перевернутое крыло, поток под эллипсоидом ускоряется в результате более низкого базового давления (сзади), создаваемого крылом. Более высокая скорость вызывает большую прижимную силу на корпусе, помимо прижимной силы, создаваемой самим крылом. Кроме того, во многих случаях высокоскоростной поток, создаваемый вблизи крыла, частично присоединяет поток к корпусу, уменьшая площадь отрыва потока. Этот простой пример демонстрирует, почему правильная установка заднего крыла может увеличить прижимную силу автомобиля больше, чем ожидаемая подъемная сила самого крыла!

Рис. 4. Эффект добавления заднего крыла к наземному транспортному средству.

Методы, используемые для оценки аэродинамики транспортного средства

Оценка аэродинамики транспортного средства и соответствующие усовершенствования являются непрерывным процессом и неотъемлемой частью автомобильной инженерии, не ограничиваясь только этапом первоначального проектирования транспортного средства. Типичные инструменты анализа и оценки, используемые в этом процессе, могут включать испытания в аэродинамической трубе, расчетное прогнозирование или испытания на треке. Каждый из этих методов может быть подходящим для конкретной потребности, и, например, аэродинамическая труба или численная модель могут использоваться на начальном этапе проектирования до создания транспортного средства. Когда транспортное средство существует, его можно оснастить приборами и протестировать на трассе.

Вычислительные методы

Интеграция методов вычислительной гидродинамики (CFD) в широкий спектр инженерных дисциплин резко возрастает, главным образом благодаря положительным тенденциям в области вычислительной мощности и доступности. Одним из преимуществ этих методов при использовании в автомобильной промышленности является большой объем информации, предоставляемый «решением». В отличие от испытаний в аэродинамической трубе или на треке, данные можно просматривать, исследовать и анализировать снова и снова после завершения «эксперимента». Кроме того, такие виртуальные решения могут быть созданы до создания транспортного средства и могут предоставлять информацию об аэродинамических нагрузках на различные компоненты, визуализацию потока и т. д.

Типичное решение, изображающее поверхностное давление на кузов гоночного автомобиля и направление некоторых линий тока, показано на рис. 5. Как уже отмечалось, такая информация может использоваться инженерами для улучшения характеристик автомобиля, например, для уменьшения лобового сопротивления или увеличение прижимной силы (для гоночных автомобилей). Хотя вычислительные методы кажутся наиболее привлекательными, вычислительные инструменты несовершенны, и для запуска и интерпретации этих компьютерных кодов требуются хорошо осведомленные специалисты по аэродинамике.

Рисунок 5. Типичные результаты CFD, показывающие распределение поверхностного давления и линии тока вблизи гоночного автомобиля с открытыми колесами. Изображение предоставлено TotalSim, США.

Методы аэродинамической трубы

Аэродинамическая труба предлагает роскошь испытаний в строго контролируемой среде с использованием различных приборов, которые не нужно перевозить на транспортном средстве. Кроме того, если транспортное средство еще не построено, можно протестировать модели меньшего масштаба. Аэродинамические трубы широко использовались для разработки самолетов, но использование авиационных аэродинамических труб для испытаний автомобилей вызвало две проблемы. Во-первых, это малый зазор между днищем автомобиля и неподвижным полом испытательного участка; второй связан с тем, как установить вращающиеся колеса. Одно из решений — использовать «движущуюся землю», которая представляет собой тонкую, но прочную ленту, бегущую по полу и (также вращающую колеса) — с той же скоростью, что и воздух. Такой объект (Windshear в Северной Каролине) показан на рис. 6, где можно тестировать полноразмерные автомобили. Обратите внимание на боковую стойку, которая удерживает автомобиль на месте, а также измеряет силы, необходимые для удержания его на месте.

Рис. 6. Седан, установленный в испытательной секции аэродинамической трубы Windshear. Обратите внимание на скользящую ленту под автомобилем, имитирующую движущуюся дорогу! Изображение предоставлено Windshear, Inc.

Track Testing

Некоторые трудности, присущие испытаниям в аэродинамической трубе, просто отсутствуют при полномасштабных аэродинамических испытаниях на треке. Катящиеся колеса, движущаяся земля и коррекция блокировки в аэродинамической трубе — все это решено, и нет необходимости строить дорогую модель меньшего масштаба. Конечно, транспортное средство должно существовать, погода должна способствовать, а расходы на аренду трассы и оснащение движущегося транспортного средства не должны нарушать бюджет. Из-за вышеупомянутых преимуществ и, несмотря на неконтролируемые погодные условия и проблемы с затратами, эта форма аэродинамических испытаний значительно улучшилась в последние годы. Одной из первых форм испытаний было испытание на выбег для определения лобового сопротивления транспортного средства. Несмотря на изменение атмосферных условий и непостоянство сопротивления качению шин, можно получить разумные дополнительные данные. С развитием компьютерной и сенсорной техники к концу 19 в.В 90-х годах желаемые силы, моменты или давления можно было измерять и передавать по беспроводной связи по разумной цене.

Общие формы автомобилей и аэродинамика

Следующий вопрос заключается в том, как форма автомобиля влияет на его аэродинамику. Прежде чем ответить на этот вопрос типичными коэффициентами лобового сопротивления или подъемной силы, давайте посмотрим на некоторые общие тенденции, как показано на рис. 7. Например, при наклоне задней, верхней поверхности обычного тела (рис. 7а) воздух закручивается около сторон и создает два вихря, как показано на рисунке. Этот поток с преобладанием вихрей присутствует в диапазоне углов наклона от 10° до 30° (угол наклона измеряется относительно горизонтальной линии). Обычно такая вихревая структура создает сопротивление, а также подъемную силу из-за высокой скорости под вихрями. Другая типичная картина отрыва потока, часто встречающаяся на трехобъемных седанах, изображена на рис. 7б. В этом случае впереди, вдоль стыка капота и лобового стекла, наблюдается отрывной пузырь с местами рециркуляционным потоком (вихрем). Большой угол, образующийся между задним ветровым стеклом и областью багажника, приводит к образованию второй аналогичной зоны рециркуляции. Это можно увидеть в дождливый день, когда капли воды не сдуваются при ускорении движения автомобиля.

При введении наклонной поверхности в нижнюю кормовую часть корпуса (как на рис. 7в) можно ожидать аналогичную тенденцию, но теперь подъемная сила отрицательна из-за низкого давления на нижнюю поверхность. Этот принцип можно использовать для гоночных автомобилей, и при умеренных углах наклона (менее 15˚) наблюдается увеличение прижимной силы. На гоночных трассах такие отклонения нижней поверхности автомобиля вверх обычно называют «диффузорами».

Однако гораздо более интересным является случай, когда две боковые пластины добавляются для создания туннеля под днищем, иногда называемого Вентури (рис. 7d). Эта геометрия может генерировать очень большие значения отрицательной подъемной силы при умеренном увеличении сопротивления. Кроме того, прижимная сила, создаваемая этой геометрией, увеличивается с меньшим дорожным просветом, а также при наклоне носа автомобиля вниз (так называемый наклон).

При более внимательном рассмотрении течения возле дорожного автомобиля можно обнаружить больше областей с вихревым течением, и в качестве примера на рис. 7д показана область столба А . Основной вихревой столб А отвечает за отложение воды во время движения в дождь, а кроме того зеркало заднего вида создает колеблющийся след. Этот вихревой поток возле зеркала заднего вида также является причиной вихревого шума при движении на высокой скорости.

Рис. 7. Вихревой поток на некоторых типичных формах автомобиля.

Легковые автомобили

После краткого обсуждения общих форм давайте вернемся к типичным формам легковых автомобилей. Возможные варианты, предлагаемые конкретным производителем, могут иметь одну из общих форм, изображенных на рис. 8. Сообщаемые аэродинамические данные обычно зависят от методов и средств измерения. Например, большинство производителей будут тестировать полноразмерные автомобили на дороге или в аэродинамической трубе (но на данные может повлиять использование или неиспользование движущегося грунта или воздействия окружающей среды при испытаниях накатом и т. д.). Однако в большинстве случаев универсал будет иметь немного меньшее сопротивление, чем седан или хорошо спроектированный хэтчбек (см. проблему угла наклона на рис. 7). Кроме того, поток обычно разделяется за лобовым стеклом автомобилей с открытым верхом (кабриолетов), что объясняет, почему их сопротивление обычно выше. Наконец, внедорожники основаны на существующих грузовиках и имеют квадратную форму и острые углы, и, следовательно, их лобовое сопротивление самое высокое. Кроме того, расхожее мнение о том, что «езда с закрытыми окнами и включенным кондиционером» экономит топливо, основано на том факте, что открывание окон увеличивает лобовое сопротивление автомобиля. На этом рисунке также показаны типичные значения коэффициента приращения сопротивления при сравнении автомобиля с полностью закрытыми или полностью открытыми окнами. Наибольшее увеличение происходит с квадратными формами, как показано для внедорожника. Кроме того, открытие только одного окна на более низкой скорости приведет к низкочастотным колебаниям давления (бафтингу), что может сильно раздражать.

Таблица 1. Коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы типичных легковых автомобилей и влияние открытия окон. Обратите внимание, что передний (CLf) и задний (CLr) подъемник предусмотрен только для двух случаев.

Рис. 8. Типовые формы наиболее популярных легковых автомобилей. Типичные коэффициенты лобового сопротивления приведены в таблице 1.

Также интересно выяснить, какая часть транспортного средства (и в какой степени) влияет на общее лобовое сопротивление. Это не простой вопрос, потому что такая разбивка полного сопротивления трудно измеряется экспериментально и может зависеть от используемого метода CFD (при численной оценке). Некоторые расчетные цифры, основанные на расчетах, представлены в следующей таблице (для типичного седана, как вверху на рис. 8). Обратите внимание, что наибольший вклад вносят днище и задние поверхности (за задним стеклом и багажником).

Таблица 2. Расчетная разбивка компонентов сопротивления на типичном седане.

Аэродинамика часто используется для повышения комфорта в автомобилях с открытым верхом. Даже на умеренных скоростях аэродинамические удары (колебания давления), вызванные открытием окна или люка в крыше седана, могут создавать значительный дискомфорт. В качестве примера реверсивное течение за лобовым стеклом автомобиля с откидным верхом изображено на рис. 9а. В этом случае нестационарный обратный поток может сдуть водителю волосы в лицо, мешая сосредоточиться, или просто сдуть предметы внутри автомобиля. Типичным решением является передвижной экран или задний ветрозащитный экран, перекрывающий путь обратного потока (см. рис. 9).б). Такими устройствами можно управлять автоматически, поднимая на скорости и втягивая на малой скорости. Такие ветрозащитные экраны также могут быть установлены в верхней части лобового стекла, как показано на рис. 9в. Перенаправляя поток на весь открытый верх автомобиля, устраняются неприятные порывы ветра. Такой метод довольно прост и эффективен на низких скоростях, но увеличивает сопротивление на более высоких скоростях.

Рисунок 9. Аэродинамические устройства, направленные на повышение комфорта: Задний ветровой дефлектор за водителем автомобиля с открытым верхом (б) или в верхней части лобового стекла (в).

Наконец, давайте рассмотрим пример, демонстрирующий непредсказуемость аэродинамики. Пикапы были созданы для работы, и естественно их аэродинамика не идеальна. В соответствии с потребительским спросом имеются версии с одной/двумя кабинами и короткой/длинной кроватью (см. формы моделей на рис. 10). Интересно, что в большинстве случаев более низкие показатели сопротивления были измерены для более длинной кабины с более коротким кузовом. Кроме того, опускание задней двери на самом деле увеличивает аэродинамическое сопротивление — вопреки ожидаемому! Прежде чем пытаться объяснить, давайте рассмотрим некоторые экспериментальные значения коэффициента лобового сопротивления (подъемная сила обычно не указывается). Типичные значения коэффициента аэродинамического сопротивления для таких пикапов составляют около 9.0085 C _D ~ 0,45 до 0,50. В данном конкретном случае значения коэффициента аэродинамического сопротивления следующие:

Таблица 3. Типичные коэффициенты аэродинамического сопротивления пикапов и дополнительные эффекты заднего борта и кузова.

 

Рисунок 10. Схематическое изображение поля течения над пикапом с одинарной (а) и удлиненной кабиной (б).

Эти результаты характерны для большинства пикапов, у которых опускание задней двери имеет минимальный эффект, а в большинстве случаев даже (немного) увеличивает лобовое сопротивление. Тонно представляет собой простое покрытие кузова грузовика, так что верхняя поверхность плоская и в большинстве случаев кажется, что это снижает сопротивление.

Далее мы можем доказать, что в аэродинамике можно объяснить все что угодно. Давайте посмотрим на обтекаемую линию, идущую по крыше кабины. Ссылаясь на рис. 10, видно, что для короткой кузова и удлиненной кабины (b) эта линия тока расположена над задней дверью багажного отделения, которая находится в разделительном пузыре за кабиной. В результате ожидается меньшее сопротивление, и положение открытой/закрытой задней двери может иметь меньшее влияние (приведенные выше цифры показывают увеличение сопротивления на 1,8%, но в некоторых случаях сообщается об аналогичном снижении сопротивления). Для короткой кабины (a) и длинной кровати разделительный пузырь за кабиной короче, и линия обтекания крыши может задевать область задней двери. При опускании задней двери линия обтекания крыши может быть смещена ниже, что приводит к более быстрому обтеканию салона и, следовательно, более низкому давлению позади и над салоном (и ожидается увеличение сопротивления и подъемной силы), несмотря на достигнутый выигрыш. опустив заднюю дверь!

Об авторе

Доктор Джозеф Кац является профессором аэрокосмической техники в SDSU, Сан-Диего, Калифорния, где он занимается широким кругом научных интересов. Эта статья основана на главе 7 его книги «Автомобильная аэродинамика».

Для дальнейшего чтения

Сумантран В. и Совран Г., «Аэродинамика транспортных средств», SAE PT-49, Warrendale, PA 1996.

90 002 Хучо, Х., 1998, Аэродинамика дороги. Транспортные средства, 4-е издание, SAE International, Уоррендейл, Пенсильвания.