So funktioniert's: Modelle für einen Windkanal. Wie funktioniert automobile Aerodynamik? Widerstandsmessung im Windkanal

Jeder weiß, was Aerodynamik für ein Auto ist. Je stromlinienförmiger seine Karosserie, desto weniger Bewegungswiderstand und Kraftstoffverbrauch. Mit einem solchen Auto sparen Sie nicht nur Geld, sondern werfen auch weniger Müll in die Umwelt. Die Antwort ist einfach, aber bei weitem nicht vollständig. Die Aerodynamik-Spezialisten, die die Karosserie des neuen Modells veredeln, außerdem:

• die Verteilung entlang der Aufzugsachsen berechnen, was angesichts der beträchtlichen Geschwindigkeiten moderner Autos sehr wichtig ist,
• Luftzugang zum Kühlen des Motors und der Bremsen bereitstellen,
• Überlegen Sie sich die Orte des Lufteinlasses und des Luftauslasses für das Belüftungssystem des Fahrgastraums,
• bemühen Sie sich, den Geräuschpegel in der Kabine zu reduzieren,
• Optimieren Sie die Form von Karosserieteilen, um die Verschmutzung von Glas, Spiegeln und Beleuchtungseinrichtungen zu reduzieren.

Zudem steht die Lösung einer Aufgabe oft im Widerspruch zur Umsetzung einer anderen. Eine Reduzierung des Luftwiderstandsbeiwertes verbessert beispielsweise die Stromlinienform, verschlechtert aber gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit des Fahrzeugs gegen Seitenwindböen. Daher müssen Experten einen vernünftigen Kompromiss suchen.

Reduzierter Widerstand

Wovon hängt die Zugkraft ab? Zwei Parameter haben entscheidenden Einfluss darauf – der Luftwiderstandsbeiwert Cx und die Querschnittsfläche des Fahrzeugs (mittschiffs). Man kann die Mittelpartie verkleinern, indem man die Karosserie tiefer und schmaler macht, aber es gibt kaum Käufer für ein solches Auto. Daher besteht die Hauptrichtung zur Verbesserung der Aerodynamik eines Autos darin, die Umströmung der Karosserie zu optimieren, also Cx zu reduzieren. Der Luftwiderstandsbeiwert Cx ist eine dimensionslose Größe, die experimentell ermittelt wird. Für moderne Autos liegt sie im Bereich von 0,26 bis 0,38. In ausländischen Quellen wird der Luftwiderstandsbeiwert manchmal als Cd (Luftwiderstandsbeiwert) bezeichnet. Ein tropfenförmiger Körper, dessen Cx gleich 0,04 ist, besitzt eine ideale Stromlinienform. Beim Bewegen schneidet er sanft Luftströmungen ab, die sich dann ungehindert, ohne Unterbrechungen, in seinem "Schwanz" schließen.

Luftmassen verhalten sich anders, wenn sich das Auto bewegt. Der Luftwiderstand setzt sich hier aus drei Komponenten zusammen:

• Innenwiderstand, wenn Luft durch den Motorraum und den Innenraum strömt,
• Reibungswiderstand von Luftströmungen an den Außenflächen des Körpers und
• Widerstand bilden.

Die dritte Komponente hat den größten Einfluss auf die Aerodynamik des Autos. In Bewegung komprimiert das Auto die Luftmassen vor ihm, wodurch ein Bereich mit erhöhtem Druck entsteht. Luftströme umströmen den Körper, und dort, wo er endet, wird der Luftstrom getrennt, Turbulenzen und ein Bereich mit reduziertem Druck entstehen. So verhindert der Hochdruckbereich vorn das Vorwärtsfahren des Fahrzeugs und der Niederdruckbereich hinten „saugt“ es zurück. Die Kraft der Wirbel und die Größe des Bereichs mit reduziertem Druck werden durch die Form der Rückseite des Körpers bestimmt.

Die beste aerodynamische Leistung zeigen Autos mit abgestuftem Heckbereich - Limousinen und Coupés. Die Erklärung ist einfach – der vom Dach herabgefallene Luftstrom fällt sofort auf den Kofferraumdeckel, wo er sich normalisiert und schließlich seinen Rand abbricht. Auch seitliche Strömungen fallen auf den Kofferraum, was die Bildung schädlicher Wirbel hinter dem Auto verhindert. Je höher und länger der Kofferraumdeckel, desto besser die aerodynamische Leistung. Bei großen Limousinen und Coupés lässt sich mitunter sogar eine kontinuierliche Umströmung der Karosserie erzielen. Eine leichte Verjüngung des Hecks hilft auch, den Cx abzusenken. Die Kante des Kofferraums ist scharf oder in Form eines kleinen Vorsprungs ausgeführt - dies sorgt für eine verwirbelungsfreie Trennung des Luftstroms. Dadurch ist der Unterdruckbereich hinter dem Fahrzeug klein.

Auch der Unterboden eines Autos beeinflusst seine Aerodynamik. Überstehende Aufhängungs- und Abgasanlagenteile erhöhen den Luftwiderstand. Um es zu reduzieren, versuchen sie, den Boden so weit wie möglich zu glätten oder alles, was unter der Stoßstange "herausragt", mit Schilden abzudecken. Manchmal ist ein kleiner Frontspoiler verbaut. Der Spoiler reduziert den Luftstrom unter dem Fahrzeug. Aber hier ist es wichtig zu wissen, wann man aufhören sollte. Ein großer Spoiler erhöht den Widerstand erheblich, aber das Auto lässt sich besser an die Straße "schmiegen". Aber dazu mehr im nächsten Abschnitt.

Abtrieb

Wenn sich das Auto bewegt, verläuft der Luftstrom unter seinem Boden geradlinig, und der obere Teil der Strömung biegt sich um die Karosserie, dh er legt einen längeren Weg zurück. Daher ist die Geschwindigkeit der oberen Strömung höher als die der unteren. Und nach den Gesetzen der Physik gilt: Je höher die Luftgeschwindigkeit, desto niedriger der Druck. Folglich entsteht unten ein Bereich mit erhöhtem Druck und oben ein reduzierter. Dadurch entsteht ein Auftrieb. Und obwohl sein Wert gering ist, besteht das Problem darin, dass er ungleichmäßig entlang der Achsen verteilt ist. Wird die Vorderachse durch den Strömungsdruck auf Motorhaube und Windschutzscheibe belastet, so wird die Hinterachse zusätzlich durch die hinter dem Auto gebildete Unterdruckzone entlastet. Daher nimmt die Stabilität mit zunehmender Geschwindigkeit ab und das Auto wird anfällig für Schleudern.

Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, müssen die Konstrukteure konventioneller Serienautos keine besonderen Maßnahmen erfinden, da die Optimierung der Stromlinienform gleichzeitig den Abtrieb erhöht. Durch die Optimierung des Heckbereichs wird beispielsweise die Unterdruckzone hinter dem Fahrzeug reduziert und damit der Auftrieb reduziert. Das Nivellieren des Unterbodens verringert nicht nur den Widerstand gegen die Luftbewegung, sondern erhöht auch die Durchflussmenge und reduziert damit den Druck unter dem Fahrzeug. Dies wiederum führt zu einer Abnahme des Auftriebs. Der Heckspoiler dient auch zwei Zwecken. Es reduziert nicht nur die Wirbelbildung, verbessert Cx, sondern schiebt das Auto durch den abstoßenden Luftstrom gleichzeitig auf die Straße. Manchmal ist der Heckspoiler nur dazu gedacht, den Abtrieb zu erhöhen. In diesem Fall ist es groß und gekippt oder einziehbar und geht nur bei hohen Geschwindigkeiten in die Arbeit ein.

Bei Sport- und Rennmodellen sind die beschriebenen Maßnahmen natürlich wirkungslos. Um sie auf der Straße zu halten, müssen Sie viel Abtrieb erzeugen. Dazu kommen ein großer Frontspoiler, Seitenschweller und Kotflügel zum Einsatz. Bei Serienfahrzeugen werden diese Elemente jedoch nur eine dekorative Rolle spielen und den Stolz des Besitzers erfreuen. Sie bieten keinen praktischen Nutzen, sondern erhöhen im Gegenteil den Bewegungswiderstand. Viele Autofahrer verwechseln übrigens einen Spoiler mit einem Flügel, obwohl dies recht einfach zu unterscheiden ist. Der Spoiler wird immer an die Karosserie gepresst und bildet mit ihm ein Ganzes. Der Flügel wird in einiger Entfernung vom Körper installiert.

Praktische Aerodynamik

Wenn Sie ein paar einfache Regeln befolgen, können Sie aus dem Nichts sparen, indem Sie Ihren Kraftstoffverbrauch senken. Diese Tipps werden jedoch nur für diejenigen nützlich sein, die oft und viel auf der Autobahn fahren.

Beim Fahren wird ein erheblicher Teil der Motorleistung für die Überwindung des Luftwiderstands aufgewendet. Je höher die Geschwindigkeit, desto höher der Luftwiderstand (und damit der Kraftstoffverbrauch). Wenn Sie also Ihre Geschwindigkeit sogar um 10 km/h reduzieren, sparen Sie bis zu 1 Liter pro 100 km. In diesem Fall ist der Zeitverlust unerheblich. Diese Wahrheit ist jedoch den meisten Autofahrern bekannt. Aber auch andere „aerodynamische“ Feinheiten sind nicht jedem bekannt.

Der Kraftstoffverbrauch hängt vom Luftwiderstandsbeiwert und der Querschnittsfläche des Fahrzeugs ab. Wenn Sie denken, dass diese Parameter werkseitig eingestellt sind und der Autobesitzer sie nicht ändern kann, dann irren Sie sich! Sie zu ändern ist überhaupt nicht schwierig und Sie können sowohl positive als auch negative Effekte erzielen.

Was erhöht den Aufwand? Die Dachlast „frisst“ zu viel Kraftstoff. Und selbst eine stromlinienförmige Kiste braucht mindestens einen Liter pro Hundert. Fenster und Luke, die sich während der Bewegung öffnen, verbrennen Kraftstoff irrational. Wer eine lange Ladung mit leicht geöffnetem Kofferraum trägt, bekommt auch einen Überlauf. Verschiedene Zierelemente wie eine Verkleidung an der Motorhaube ("Fliegenklatsche"), "Kenguryatnik", ein Flügel und andere Elemente des hauseigenen Tunings bringen zwar ästhetisches Vergnügen, lassen jedoch zusätzliches Geld ausgeben. Schauen Sie unter die Unterseite - Sie müssen für alles, was durchhängt und unter die Schwellenlinie hinausschaut, extra bezahlen. Schon eine Kleinigkeit wie das Fehlen von Kunststoffkappen bei Stahlfelgen erhöht den Verbrauch. Jeder der aufgeführten Faktoren oder Teile für sich erhöht den Verbrauch nicht wesentlich - von 50 auf 500 g pro 100 km. Aber wenn wir alles zusammenzählen, wird es wieder etwa einen Liter pro Hundert „überlaufen“. Diese Berechnungen gelten für Kleinwagen mit einer Geschwindigkeit von 90 km/h. Besitzer großer Autos und Liebhaber höherer Geschwindigkeiten nehmen einen erhöhten Verbrauch in Kauf.

Wenn alle oben genannten Bedingungen erfüllt sind, können wir unnötige Ausgaben vermeiden. Können Verluste weiter reduziert werden? Dürfen! Dies erfordert jedoch ein wenig externes Tuning (die Rede ist natürlich von professionell ausgeführten Elementen). Das vordere aerodynamische Bodykit lässt den Luftstrom nicht unter dem Boden des Autos "platzen", die Schwellerabdeckungen decken den hervorstehenden Teil der Räder ab, der Spoiler verhindert die Bildung von Turbulenzen hinter dem "Heck" des Autos. Obwohl der Spoiler in der Regel bereits in die Karosseriestruktur eines modernen Autos eingearbeitet ist.

Einsparungen aus dem Nichts sind also durchaus real.

Einführung.

Material.

Der Luftwiderstandsbeiwert (nachfolgend CAS genannt) wird experimentell bei Tests im Windkanal oder Tests im Segelbetrieb ermittelt. Die Definition von CAS kommt mit der Formel 1

Formel 1

UAN verschiedener Formen schwankt in einem weiten Bereich. Abbildung 1 zeigt diese Koeffizienten für eine Reihe von Formen. In jedem Fall wird davon ausgegangen, dass die auf die Karosserie laufende Luft keine seitliche Komponente hat (dh sie bewegt sich gerade entlang der Längsachse des Fahrzeugs). Beachten Sie, dass eine einfache flache Platte einen Luftwiderstandsbeiwert von 1,95 hat. Dieser Koeffizient bedeutet, dass die Widerstandskraft 1,95-mal größer ist als der dynamische Druck, der auf die Plattenfläche wirkt. Der extrem hohe Widerstand, den die Platte erzeugt, ist darauf zurückzuführen, dass die um die Platte strömende Luft einen viel größeren Trennbereich als die Platte selbst erzeugt.

Bild 1.

Im Leben wird neben dem aus der Fahrzeuggeschwindigkeit resultierenden Windanteil auch die Windgeschwindigkeit am Fahrzeug berücksichtigt. Und um den Durchfluss zu bestimmen, gilt folgende Aussage: V = Vauto + Vwind.
Wenn der gefundene Wind angemessen ist, wird die Geschwindigkeit abgezogen.
Zur Bestimmung des Luftwiderstands wird der Luftwiderstandsbeiwert benötigt, in diesem Artikel wird jedoch nur der Luftwiderstandsbeiwert selbst berücksichtigt.

Ausgangsdaten.

Figur 2.

Schritte zum Festlegen von Anfangs- und Randbedingungen in der Strömungssimulation.

Der Prozess des Hinzufügens des FS-Moduls und das allgemeine Prinzip der Bildung einer Rechenaufgabe werden darin beschrieben, aber ich werde die charakteristischen Merkmale für die externe Analyse durch die interne Analyse beschreiben.

1. Der erste Schritt besteht darin, das Modell zum Arbeitsbereich hinzuzufügen.

Figur 2.

2. Als nächstes simulieren wir eine rechteckige aerodynamische Kammer. Das Hauptmerkmal bei der Modellierung ist das Fehlen von Enden, sonst können wir die Randbedingungen nicht festlegen. Das Automodell sollte in der Mitte stehen. Die Breite des Rohres muss 1,5 * der Breite des Modells in beiden Richtungen entsprechen, die Länge des Rohres 1,5 * der Länge des Modells, vom Heck des Modells und 2 * der Länge des Autos von der Stoßstange, die Höhe des Rohres 1,5 * die Höhe des Autos von der Ebene, auf der das Auto steht.

Figur 3.

3. Wir betreten das FS-Modul. Wir legen die Randbedingungen auf der ersten Seite des Eingabeflusses fest.

Figur 4.

Wählen Sie den Typ: Durchfluss / Geschwindigkeit -> Eingangsgeschwindigkeit. Wir bestimmen unsere Geschwindigkeit. Wählen Sie die parallele Kante zur Vorderseite des Autos. Klicken Sie auf das Kontrollkästchen.

Abbildung 5.

Wir setzen die Randbedingung am Ausgang. Wir wählen den Typ: Druck, wir lassen alles als Standard. Wir drücken die Daw.

Damit sind die Randbedingungen gesetzt, wir gehen zur Aufgabe zur Berechnung über.

4. Klicken Sie auf den Projektassistenten und folgen Sie den Anweisungen in den folgenden Bildern.

Abbildung 6.

Abbildung 7.

Abbildung 8.

Abbildung 9.

Abbildung 10.

Abbildung 11.

Am Ende lassen wir alles unverändert. Klicken Sie auf Fertig stellen.

5. In diesem Schritt beschäftigen wir uns mit der Verwaltung und Erstellung des lokalen Netzes. Klicken Sie im FS-Elementbaum auf das Element: Raster, klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen Sie: Lokales Raster hinzufügen.

Abbildung 12.

Abbildung 13.

Hier können Sie Parameter und Fläche des lokalen Netzes festlegen, bei komplexen Modellen werden zusätzlich der Krümmungswinkel und die minimale Elementgröße eingestellt. Die Mindestgröße ist in der Spalte „Schmalschlitze schließen“ angegeben. Diese Funktion verkürzt die Rechenzeit erheblich und erhöht die Genauigkeit der erhaltenen Daten. Je nachdem, wie genau Sie die Ergebnisse erhalten möchten, wird der Parameter für die Netzunterteilung festgelegt. Standardeinstellungen sind für die interne Analyse in Ordnung. Als nächstes wird das Rendering des Netzes auf der Oberfläche angezeigt.

6. Bevor Sie mit der Berechnung beginnen, müssen Sie die Ziele der Berechnung festlegen. Ziele werden im FS-Zielbaum festgelegt. Am Anfang setzen wir globale Ziele, wählen die Stärken für jede Komponente aus.

Abbildung 14.

Abbildung 15.

Formel 2.

Erstellen Sie einen zweiten "Zielausdruck", schreiben Sie dort Formel 1 auf.

Abbildung 16.

UAN wird für die Windschutzscheibe berechnet. Bei diesem Modell ist die Windschutzscheibe eine geneigte Kante, die Kante ist um 155 Grad geneigt, sodass die X-Kraft mit sin (155 * (pi / 180)) multipliziert wird. Es ist zu beachten, dass die Berechnung nach dem si-System erfolgt und dementsprechend die Fläche der geneigten Fläche in Quadratmetern gemessen werden sollte.

7. Jetzt können Sie die Berechnung starten, starten Sie die Berechnung.

Abbildung 17.

Beim Starten der Berechnung bietet das Programm eine Auswahl, was berechnet werden soll, wir können die Anzahl der an der Berechnung beteiligten Kerne und Arbeitsstationen auswählen.

Abbildung 18.

Da die Aufgabe nicht schwer ist, dauert die Berechnung weniger als eine Minute, daher drücken wir nach dem Start auf Pause.

Abbildung 19.

Klicken Sie nun auf die Schaltfläche "Grafik einfügen" und wählen Sie unsere Ausdrucksziele aus.

Abbildung 20.

Das Diagramm zeigt die Werte für unsere Ausdrücke für jede Iteration.

Über die "Vorschau" können Sie den laufenden Prozess während der Berechnung beobachten. Wenn Sie die Vorschau aktivieren, verlängert sich die Zeit unserer Berechnung, aber es macht wenig Sinn, daher empfehle ich nicht, diese Option zu aktivieren, aber ich zeige Ihnen, wie es aussieht.

Abbildung 21.

Abbildung 22.

Die Tatsache, dass der Plot invertiert ist, ist keine große Sache, es hängt von der Ausrichtung des Modells ab.

Die Berechnung endet, wenn alle Ziele übereinstimmen.

Abbildung 23.

Die Ergebnisse sollten automatisch geladen werden, wenn dies nicht geschehen ist, manuell neu laden: Tools-> FS-> Ergebnisse-> Aus Datei laden

8. Nach der Berechnung sehen Sie das Netz auf dem Modell.

Seit der erste Mensch einen geschärften Stein am Ende eines Speeres befestigte, versuchten die Menschen immer, die beste Form für sich in der Luft bewegende Objekte zu finden. Aber das Auto entpuppte sich als ein sehr komplexes aerodynamisches Puzzle.

Die Grundlagen der Traktionsberechnungen für die Bewegung von Autos auf der Straße bieten uns vier Hauptkräfte, die während der Fahrt auf ein Auto einwirken: Luftwiderstand, Rollwiderstand, Auftriebswiderstand und Trägheitskräfte. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die ersten beiden die wichtigsten sind. Die Rollwiderstandskraft eines Pkw-Rades hängt hauptsächlich von der Verformung des Reifens und der Fahrbahn in der Kontaktzone ab. Aber schon bei einer Geschwindigkeit von 50-60 km / h übertrifft die Kraft des Luftwiderstands jede andere, und bei Geschwindigkeiten über 70-100 km / h übertrifft sie alle zusammen. Um diese Aussage zu beweisen, muss die folgende Näherungsformel angegeben werden: Px = Cx * F * v2, wobei: Px - Luftwiderstandskraft; v - Fahrzeuggeschwindigkeit (m / s); F ist die Projektionsfläche des Autos auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Autos oder die Fläche des größten Querschnitts des Autos, d. h. die Frontfläche (m2); Cx - Luftwiderstandskoeffizient (Stromlinienförmiger Koeffizient). Beachten Sie. Die Geschwindigkeit in der Formel wird quadriert, d. h. wenn sie beispielsweise zweimal erhöht wird, vervierfacht sich der Luftwiderstand.

Gleichzeitig wächst der dafür erforderliche Stromverbrauch um das Achtfache! Bei Nascar-Rennen, bei denen die Geschwindigkeit die 300-km/h-Marke überschreitet, wurde experimentell festgestellt, dass zur Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit um nur 8 km/h eine Erhöhung der Motorleistung um 62 kW (83 PS) oder eine Verringerung der Cx um 15% ... Es gibt einen anderen Weg - die Frontfläche des Autos zu reduzieren. Viele Hochgeschwindigkeits-Supersportwagen sind deutlich niedriger als konventionelle Autos. Dies ist nur ein Zeichen der Arbeit, um den Frontbereich zu reduzieren. Dieser Vorgang kann jedoch bis zu bestimmten Grenzen durchgeführt werden, da sonst ein solches Auto nicht verwendet werden kann. Aus diesem und anderen Gründen ist die Stromlinienform eines der Hauptthemen bei der Gestaltung eines Autos. Natürlich wird die Widerstandskraft nicht nur von der Geschwindigkeit des Autos und seinen geometrischen Parametern beeinflusst. Je höher beispielsweise die Luftdichte, desto größer der Widerstand. Die Dichte der Luft wiederum hängt direkt von ihrer Temperatur und Höhe über dem Meeresspiegel ab. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Dichte der Luft (und damit ihre Viskosität) zu, aber hoch in den Bergen wird die Luft verdünnter und ihre Dichte wird geringer und so weiter. Es gibt viele solcher Nuancen.

Aber zurück zur Form des Autos. Welches Thema hat die beste Straffung? Die Antwort auf diese Frage ist fast jedem Schüler bekannt (der nicht im Physikunterricht geschlafen hat). Ein herunterfallender Wassertropfen nimmt die aerodynamischste Form an. Das heißt, eine abgerundete Vorderfläche und ein sich glatt verjüngender langer Rücken (das beste Verhältnis ist das 6-fache der Länge der Breite). Der Luftwiderstandsbeiwert ist ein experimenteller Wert. Numerisch entspricht es der Luftwiderstandskraft in Newton, die entsteht, wenn sie sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m / s pro 1 m2 Frontfläche bewegt. Als Bezugseinheit ist es üblich, Cx einer flachen Platte = 1 zu betrachten. Ein Wassertropfen hat also Cx = 0,04. Stellen Sie sich nun ein Auto dieser Form vor. Unsinn, nicht wahr? So etwas auf Rädern sieht nicht nur etwas karikiert aus, es wird auch nicht sehr bequem sein, dieses Auto für den vorgesehenen Zweck zu verwenden. Daher sind Designer gezwungen, einen Kompromiss zwischen der Aerodynamik des Autos und der Benutzerfreundlichkeit zu finden. Ständige Versuche, den Luftwiderstandskoeffizienten zu verringern, haben dazu geführt, dass einige moderne Autos Cx = 0,28-0,25 haben. Nun, Hochgeschwindigkeits-Rekordwagen haben Cx = 0,2-0,15.

Widerstandskräfte

Jetzt ist es notwendig, ein wenig über die Eigenschaften der Luft zu erzählen. Wie Sie wissen, besteht jedes Gas aus Molekülen. Sie sind in ständiger Bewegung und Interaktion miteinander. Es entstehen die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte - die Kräfte der gegenseitigen Anziehung von Molekülen, die sie daran hindern, sich relativ zueinander zu bewegen. Einige von ihnen fangen an, stärker an den anderen zu haften. Und mit einer Zunahme der chaotischen Bewegung von Molekülen nimmt die Wirksamkeit der Einwirkung einer Luftschicht auf eine andere zu und die Viskosität steigt. Und dies geschieht aufgrund einer Erhöhung der Lufttemperatur, und dies kann sowohl durch direkte Erwärmung durch die Sonne als auch indirekt durch Luftreibung gegen eine beliebige Oberfläche oder einfach ihre Schichten untereinander verursacht werden. Hier wirkt sich die Bewegungsgeschwindigkeit aus. Um zu verstehen, wie sich dies auf das Auto auswirkt, versuchen Sie einfach, Ihre Hand mit einer offenen Handfläche zu bewegen. Wenn Sie es langsam machen, passiert nichts, aber wenn Sie mit der Hand stärker winken, nimmt die Handfläche bereits deutlich einen Widerstand wahr. Aber das ist nur eine Komponente.

Wenn sich Luft über eine stationäre Oberfläche (zum Beispiel die Karosserie eines Autos) bewegt, tragen dieselben Van-der-Waals-Kräfte dazu bei, dass die nächste Molekülschicht daran haften bleibt. Und diese "festgefahrene" Schicht verlangsamt die nächste. Also Schicht für Schicht, und je schneller sich die Luftmoleküle bewegen, desto weiter sind sie von der stationären Oberfläche entfernt. Am Ende wird ihre Geschwindigkeit der Geschwindigkeit des Hauptluftstroms angeglichen. Die Schicht, in der sich die Partikel langsam bewegen, wird als Grenzschicht bezeichnet und erscheint auf jeder Oberfläche. Je höher der Wert der Oberflächenenergie des Autolacks ist, desto stärker wechselwirkt seine Oberfläche auf molekularer Ebene mit der umgebenden Luft und desto mehr Energie muss für die Zerstörung dieser Kräfte aufgewendet werden. Basierend auf den obigen theoretischen Berechnungen können wir nun sagen, dass der Luftwiderstand nicht nur der Wind ist, der auf die Windschutzscheibe trifft. Dieser Prozess hat mehr Komponenten.

Formwiderstand

Dies ist der wichtigste Teil - bis zu 60 % aller aerodynamischen Verluste. Dies wird oft als Druckwiderstand oder Widerstand bezeichnet. Beim Fahren komprimiert das Auto den einströmenden Luftstrom und überwindet die Anstrengung, die Luftmoleküle auseinander zu drücken. Das Ergebnis ist eine Zone erhöhten Drucks. Außerdem strömt die Luft um die Oberfläche des Autos herum. Dabei kommt es zum Zusammenbruch von Luftstrahlen unter Bildung von Wirbeln. Der endgültige Strömungsabriss des Luftstroms am Heck des Fahrzeugs erzeugt eine Zone mit reduziertem Druck. Der Widerstand an der Front und die Sogwirkung am Heck des Fahrzeugs erzeugen einen sehr starken Widerstand. Diese Tatsache zwingt Designer und Konstrukteure, nach Wegen zu suchen, um der Karosserie zu verleihen. Auf den Regalen anordnen.

Jetzt ist es notwendig, die Form des Autos zu berücksichtigen, wie sie sagen, "von Stoßstange zu Stoßstange". Welche Teile und Elemente haben einen größeren Einfluss auf die Gesamtaerodynamik des Autos? Der vordere Teil des Körpers. Versuche im Windkanal haben gezeigt, dass der Vorderbau der Karosserie für eine bessere Aerodynamik niedrig, breit und ohne scharfe Ecken sein sollte. In diesem Fall erfolgt keine Abtrennung des Luftstroms, was sich sehr positiv auf die Stromlinienform des Autos auswirkt. Der Kühlergrill ist oft nicht nur funktional, sondern auch dekorativ. Schließlich müssen der Kühler und der Motor einen effektiven Luftstrom haben, daher ist dieses Element sehr wichtig. Manche Autobauer beschäftigen sich ebenso intensiv mit der Ergonomie und Luftverteilung im Motorraum wie mit der generellen Aerodynamik eines Autos. Die Neigung der Windschutzscheibe ist ein sehr klares Beispiel für den Kompromiss zwischen Aerodynamik, Ergonomie und Leistung. Eine unzureichende Neigung erzeugt unnötigen Widerstand, und eine übermäßige erhöht die Staubigkeit und das Gewicht des Glases selbst, die Sicht fällt in der Dämmerung stark ab, es ist erforderlich, die Größe des Wischers zu erhöhen usw. Der Übergang vom Glas zur Seitenwand sollte reibungslos erfolgen.

Sie sollten sich jedoch nicht von der übermäßigen Krümmung des Glases mitreißen lassen – dies kann die Verzerrung erhöhen und die Sichtbarkeit beeinträchtigen. Die Wirkung der Windschutzscheibensäule auf den Luftwiderstand hängt stark von der Position und Form der Windschutzscheibe sowie der Form des Vorderwagens ab. Bei der Arbeit an der Form der Säule sollte jedoch nicht vergessen werden, die vorderen Seitenscheiben vor Regenwasser und Schmutz von der Windschutzscheibe zu schützen, ein akzeptables Maß an aerodynamischen Außengeräuschen usw. aufrechtzuerhalten. Dach. Eine Zunahme der Dachwölbung kann zu einer Verringerung des Luftwiderstandsbeiwertes führen. Eine deutliche Zunahme der Ausbuchtung kann jedoch mit dem Gesamtdesign des Fahrzeugs in Konflikt geraten. Wenn die Zunahme der Konvexität mit einer gleichzeitigen Zunahme des Bereichs des Frontwiderstands einhergeht, nimmt außerdem die Kraft des Luftwiderstands zu. Wenn Sie jedoch versuchen, die ursprüngliche Höhe beizubehalten, müssen die Windschutzscheibe und die Heckscheiben in die Dächer eingelassen werden, da die Sicht nicht beeinträchtigt werden sollte. Dies führt zu einem Anstieg der Brillenkosten, während die Abnahme der Luftwiderstandskraft in diesem Fall nicht so signifikant ist.

Seitenflächen. Aus aerodynamischer Sicht des Fahrzeugs haben die Seitenflächen wenig Einfluss auf die Entstehung einer wirbelfreien Strömung. Aber man kann sie nicht zu sehr runden. Andernfalls wird es schwierig, in ein solches Auto einzusteigen. Brillen sollten möglichst in die Seitenfläche integriert sein und mit der Außenkontur des Fahrzeugs fluchten. Alle Stufen und Sprünge schaffen zusätzliche Hindernisse für den Luftdurchtritt und es treten unerwünschte Turbulenzen auf. Sie werden feststellen, dass Dachrinnen, die bisher an fast jedem Fahrzeug vorhanden waren, nicht mehr verwendet werden. Es sind andere Designlösungen aufgetaucht, die keinen so großen Einfluss auf die Aerodynamik des Autos haben.

Das Heck des Autos hat vielleicht den größten Einfluss auf das Stromlinien-Verhältnis. Die Erklärung ist einfach. Hinten bricht der Luftstrom ab und erzeugt Wirbel. Das Heck eines Autos ist fast unmöglich so stromlinienförmig zu gestalten wie ein Luftschiff (6-fache Breite). Daher arbeiten sie sorgfältiger an ihrer Form. Einer der Hauptparameter ist der Neigungswinkel des Hecks des Autos. Das Beispiel des russischen Autos "Moskwitsch-2141" ist bereits zu einem Lehrbuch geworden, wo es die unglückliche Entscheidung des Hecks war, die die Gesamtaerodynamik des Autos erheblich verschlechterte. Dafür blieb die Heckscheibe des "Muskovite" aber immer sauber. Wieder Kompromisse eingehen. Deshalb werden so viele zusätzliche Anbauteile speziell für das Fahrzeugheck angefertigt: Spoiler, Spoiler etc. Neben dem Neigungswinkel des Hecks wird der Luftwiderstandsbeiwert stark von der Gestaltung und Form der Seitenkante des das Heck des Autos. Betrachtet man beispielsweise fast jedes moderne Auto von oben, sieht man sofort, dass die Karosserie vorne breiter ist als hinten. Auch das ist Aerodynamik. Die Unterseite des Autos.

Wie es zunächst erscheinen mag, hat dieser Körperteil keinen Einfluss auf die Aerodynamik. Aber hier gibt es einen Aspekt wie Abtrieb. Die Stabilität des Autos hängt davon ab und wie richtig der Luftstrom unter dem Boden des Autos organisiert ist, wodurch die Stärke seines "Klebens" an der Straße abhängt. Das heißt, wenn die Luft unter dem Auto nicht verweilt, sondern schnell strömt, dann drückt der dort entstehende Unterdruck das Auto gegen die Fahrbahn. Dies ist besonders bei konventionellen Fahrzeugen wichtig. Tatsache ist, dass man bei Rennwagen, die auf hochwertigen, ebenen Untergründen antreten, einen so geringen Abstand einstellen kann, dass die Wirkung eines "Erdpolsters" einsetzt, bei dem der Abtrieb zunimmt und der Luftwiderstand abnimmt. Für normale Fahrzeuge ist eine geringe Bodenfreiheit nicht akzeptabel. Daher versuchen Designer in letzter Zeit, den Boden des Autos so gut wie möglich zu glätten, unebene Elemente wie Auspuffrohre, Querlenker usw. mit Schilden abzudecken einen Wagen. Unsachgemäß gestaltete Nischen können zusätzlichen Auftrieb schaffen.

Und wieder der Wind

Natürlich hängt die benötigte Motorleistung von der Stromlinienform des Autos und damit vom Kraftstoffverbrauch (also vom Geldbeutel) ab. Aerodynamik geht jedoch über Geschwindigkeit und Effizienz hinaus. Nicht den letzten Platz nehmen die Aufgaben ein, eine gute Spurtreue, Beherrschbarkeit des Fahrzeugs und eine Geräuschreduzierung während seiner Bewegung zu gewährleisten. Beim Geräusch ist alles klar: Je besser die Stromlinienform des Autos, die Qualität der Oberflächen, je kleiner die Lücken und die Anzahl der hervorstehenden Elemente usw., desto weniger Lärm. Designer müssen über einen Aspekt wie den sich entfaltenden Moment nachdenken. Dieser Effekt ist den meisten Autofahrern bekannt. Wer zumindest einmal mit hoher Geschwindigkeit an einem „Lkw“ vorbeigefahren ist oder einfach nur bei starkem Seitenwind gefahren ist, sollte das Anscheinen eines Rollens oder gar einer leichten Wendung des Autos gespürt haben. Es macht keinen Sinn, diesen Effekt zu erklären, aber genau das ist das Problem der Aerodynamik.

Deshalb ist der Cx-Koeffizient nicht der einzige. Schließlich kann die Luft nicht nur „frontal“ auf das Auto einwirken, sondern auch aus unterschiedlichen Blickwinkeln und in unterschiedliche Richtungen. Und das alles hat Auswirkungen auf das Handling und die Sicherheit. Dies sind nur einige der Hauptaspekte, die die Gesamtstärke des Luftwiderstands beeinflussen. Es ist unmöglich, alle Parameter zu berechnen. Die vorhandenen Formeln geben kein vollständiges Bild. Daher untersuchen Designer die Aerodynamik des Autos und passen seine Form mit einem so teuren Werkzeug wie einem Windkanal an. Westliche Firmen sparen kein Geld für ihren Bau. Die Kosten für solche Forschungszentren können Millionen von Dollar betragen. Ein Beispiel: Der Daimler-Chrysler-Konzern hat 37,5 Millionen Dollar in den Aufbau eines spezialisierten Komplexes investiert, um die Aerodynamik seiner Autos zu verbessern. Derzeit ist der Windkanal das wichtigste Instrument zur Untersuchung der Luftwiderstandskräfte, die auf ein Auto einwirken.

Computergestützte Aerodynamik- und Hydrodynamik-Software FlowVision entworfen für virtuelles aerodynamisches Blasen verschiedener technischer oder natürlicher Objekte. Die Objekte können Transportprodukte, Energieanlagen, militärisch-industrielle Produkte und andere sein. FlowVision ermöglicht die Simulation der Strömung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einströmenden Strömung und bei unterschiedlichen Störgraden (Turbulenzgrad).

Der Modellierungsprozess erfolgt streng in einer dreidimensionalen räumlichen Formulierung des Problems und verläuft nach dem "as is"-Prinzip, das die Möglichkeit beinhaltet, ein vollwertiges geometrisches Modell des Benutzerobjekts ohne Vereinfachungen zu studieren. Das erstellte System zur Verarbeitung importierter dreidimensionaler Geometrie ermöglicht es Ihnen, schmerzlos mit Modellen beliebiger Komplexität zu arbeiten, wobei der Benutzer den Detaillierungsgrad seines Objekts tatsächlich selbst wählt - ob er durch ein vereinfachtes geglättetes Modell von außen blasen möchte Konturen oder ein vollwertiges Modell mit allen Strukturelementen bis hin zu Schraubenköpfen an Felgen und dem Herstellerlogo in Form einer Figur auf der Fahrzeugnase.

Geschwindigkeitsverteilung im Bereich der Rennwagenkarosserie.

Alle Details wurden berücksichtigt - Radspeichen, der Einfluss der Asymmetrie der Lenkradspeichen auf das Strömungsbild.

FlowVision wurde vor mehr als 10 Jahren vom russischen Entwicklungsteam (Firma TESIS, Russland) erstellt und basiert auf den Entwicklungen der heimischen fundamentalistischen und mathematischen Schule. Das System wurde mit der Erwartung entwickelt, dass Benutzer unterschiedlicher Qualifikationen - Studenten, Lehrer, Designer und Wissenschaftler - damit arbeiten. Sie können sowohl einfache als auch komplexe Aufgaben gleichermaßen effektiv lösen.

Das Produkt wird in verschiedenen Industrien, Wissenschaft und Bildung eingesetzt - Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Schiffbau, Automobil, Ökologie, Maschinenbau, verarbeitende und chemische Industrie, Medizin, Nuklearindustrie und Verteidigungssektor und verfügt über die größte Installationsbasis in Russland.

Im Jahr 2001 wurde FlowVision durch Beschluss des Hauptrates des Ministeriums der Russischen Föderation für die Aufnahme in das Lehrprogramm für Fluid- und Gasmechanik an russischen Universitäten empfohlen. Derzeit wird FlowVision als Teil des Bildungsprozesses der führenden Universitäten in Russland verwendet - MIPT, MPEI, St. Petersburg State Technical University, Vladimir University, UNN und andere.

Im Jahr 2005 hat FlowVision die Tests bestanden und eine Konformitätsbescheinigung des staatlichen Standards der Russischen Föderation erhalten.

Hauptmerkmale

Im Herzen von FlowVision das Prinzip des Massenerhaltungssatzes lautet - die in das gefüllte geschlossene berechnete Volumen eintretende Stoffmenge ist gleich der daraus abnehmenden Stoffmenge (siehe Abb. 1).

Reis. 1 Prinzip des Massenerhaltungssatzes

Die Lösung für ein solches Problem tritt auf, indem man den Durchschnittswert einer Größe in einem gegebenen Volumen basierend auf Daten an den Grenzen findet (der Satz von Ostrogradsky-Gauss).

Reis. 2 Integration über Volumen basierend auf Grenzwerten

Um eine genauere Lösung zu erhalten, wird das ursprünglich berechnete Volumen in kleinere Volumina unterteilt.

Reis. 3 Verdickung des Rechengitters

Das Verfahren zum Aufteilen des ursprünglichen Volumens in kleinere Volumen heißt AUFBAU DES BERECHNUNGSGRIDES , und das Array der resultierenden Volumina ist BERECHNUNGSRASTER ... Jedes Volumen, das bei der Konstruktion des Rechengitters erhalten wird, heißt BERECHNUNGSZELLE , in denen jeweils auch das Gleichgewicht der ein- und ausgehenden Massen beobachtet wird. Das geschlossene Volumen, in dem das Rechengitter aufgebaut ist, heißt BERECHNUNGSBEREICH .

Die Architektur

Ideologie FlowVision basiert auf einer verteilten Architektur, bei der sich auf jedem Rechner im Netzwerk - auf einem Hochleistungscluster oder Laptop - eine Programmeinheit befinden kann, die arithmetische Berechnungen durchführt. Die Architektur des Softwarepakets ist modular, sodass Sie problemlos Verbesserungen und neue Funktionen einführen können. Die Hauptmodule sind PrePostProcessor und ein Solver-Block sowie mehrere Hilfsblöcke, die verschiedene Operationen zur Überwachung und Optimierung ausführen.

Druckverteilung über die Karosserie eines Sportwagens

Der funktionale Zweck des Präprozessors umfasst das Importieren der Geometrie der Berechnungsdomäne aus geometrischen Modellierungssystemen, das Einstellen des Umgebungsmodells, das Platzieren der Anfangs- und Randbedingungen, das Bearbeiten oder Importieren des Berechnungsnetzes und das Einstellen von Konvergenzkriterien, wonach die Steuerung an den Solver übertragen wird , die den Prozess der Konstruktion des Rechennetzes startet und Berechnungen mit den angegebenen Parametern durchführt. Während des Berechnungsprozesses hat der Anwender die Möglichkeit, die Berechnung mit den Postprozessor-Tools visuell und quantitativ zu überwachen und den Entwicklungsprozess der Lösung zu bewerten. Wenn der erforderliche Wert des Konvergenzkriteriums erreicht ist, kann der Zählvorgang gestoppt werden, wonach das Ergebnis dem Benutzer vollständig zur Verfügung steht, der mit den Werkzeugen des Postprozessors die Daten verarbeiten kann - die Ergebnisse visualisieren und die Ergebnisse mit anschließenden quantifizieren Speichern in externe Datenformate.

Rechengitter

V FlowVision Es wird ein rechteckiges Rechengitter verwendet, das sich automatisch an die Rechengebietsgrenzen und die Lösung anpasst. Die Approximation von krummlinigen Grenzen mit hoher Genauigkeit wird unter Verwendung des Subgrid-Geometrie-Auflösungsverfahrens bereitgestellt. Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, mit geometrischen Modellen zu arbeiten, die aus Oberflächen beliebiger Komplexität bestehen.

Anfänglicher Berechnungsbereich

Orthogonales Netz überlagert auf der Fläche

Zuschneiden des anfänglichen Netzes auf Bereichsgrenzen

Endgültiges Rechengitter

Automatische Generierung eines Rechennetzes unter Berücksichtigung der Krümmung der Fläche

Muss die Lösung am Rand oder an der richtigen Stelle des berechneten Volumens geklärt werden, kann das Rechengitter dynamisch angepasst werden. Anpassung ist das Aufbrechen von Zellen auf niedrigerer Ebene in kleinere Zellen. Die Anpassung kann per Randbedingung, per Volumen und per Entscheidung erfolgen. Das Netz wird an der angegebenen Grenze, an der angegebenen Stelle des Berechnungsbereichs oder durch Lösung unter Berücksichtigung der Änderung der Variablen und des Gradienten angepasst. Die Anpassung erfolgt sowohl in Richtung der Mesh-Verfeinerung als auch in die entgegengesetzte Richtung - das Zusammenführen von kleinen Zellen zu größeren, bis hin zum Einstiegs-Mesh.

Computergestützte Netzanpassungstechnologie

Bewegliche Körper

Die Moving-Body-Technologie ermöglicht es Ihnen, einen Körper beliebiger geometrischer Form innerhalb des Rechenbereichs zu platzieren und ihm eine Translations- und / oder Rotationsbewegung zu verleihen. Das Bewegungsgesetz kann in Zeit und Raum konstant oder variabel sein. Die Körperbewegung wird im Wesentlichen auf drei Arten angegeben:

Explizit durch Einstellen der Körpergeschwindigkeit;
- durch Einstellen der auf den Körper wirkenden Kraft und Verschieben vom Ausgangspunkt

Durch den Einfluss der Umgebung, in der der Körper platziert ist.

Alle drei Methoden sind miteinander kombinierbar.

Abwerfen einer Rakete in einer unsteten Strömung unter Einwirkung der Schwerkraft

Reproduktion des Mach-Experiments: die Bewegung der Kugel mit einer Geschwindigkeit von 800 m / s

Paralleles Rechnen

Eine der wichtigsten Funktionen des Softwarepakets FlowVision Technologien des parallelen Rechnens, bei denen mehrere Prozessoren oder Prozessorkerne zur Lösung eines Problems verwendet werden, wodurch die Berechnung proportional zu ihrer Anzahl beschleunigt werden kann.

Beschleunigen der Berechnung des Problems, abhängig von der Anzahl der beteiligten Kerne

Das Parallellaufverfahren ist vollautomatisiert. Der Benutzer muss nur die Anzahl der Kerne oder Prozessoren angeben, auf denen die Aufgabe ausgeführt wird. Der Algorithmus führt alle weiteren Aktionen aus, um den Rechenbereich in Teile zu unterteilen und Daten zwischen ihnen auszutauschen, wobei die besten Parameter ausgewählt werden.

Zerlegung von oberflächennahen Zellen in 16 Prozessoren für Zwei-Auto-Probleme

Befehl FlowVision unterhält enge Beziehungen zu Vertretern der in- und ausländischen HPC-Gemeinschaften (High Performance Computing) und beteiligt sich an gemeinsamen Projekten zur Erschließung neuer Möglichkeiten im Bereich der Leistungssteigerung im Parallel Computing.

2007 nahm FlowVision zusammen mit dem Research Computing Center der Moskauer Staatlichen Universität am Bundesprogramm zur Schaffung eines nationalen parallelen Teraflop-Abrechnungssystems teil. Als Teil des Programms passt das Entwicklungsteam FlowVision an, um groß angelegte Berechnungen auf der neuesten Technologie durchzuführen. Als Plattform für die Testhardware wird der am Research Computing Center der Moskauer Staatlichen Universität installierte SKIF-Chebyshev-Cluster verwendet.

SKIF-Chebyshev-Cluster im Research Computing Center der Moskauer Staatlichen Universität installiert

Im Jahr 2009 wurde das FlowVision-Team zusammen mit dem Research Computing Center der Moskauer Staatlichen Universität, der Firma Sigma Technology und dem staatlichen Wissenschaftszentrum TsAGI Teilnehmer des föderalen Zielprogramms zur Entwicklung von Algorithmen zur Lösung paralleler Optimierungsprobleme bei Problemen der Aerodynamik und Hydrodynamik .

Text, Illustrationen: Firma TESIS

Kein Auto wird durch eine Backsteinmauer fahren, aber jeden Tag durchquert es Wände aus einer Luft, die auch eine Dichte hat.

Niemand nimmt Luft oder Wind als Mauer wahr. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und ruhigem Wetter ist es schwer zu erkennen, wie der Luftstrom mit dem Fahrzeug interagiert. Aber bei hoher Geschwindigkeit und starkem Wind beeinflusst der Luftwiderstand (die Kraft, die auf ein sich durch die Luft bewegendes Objekt ausgeübt wird - auch als Luftwiderstand definiert) stark, wie das Auto beschleunigt, wie gut es kontrollierbar ist und wie es Kraftstoff verbraucht.

Hier kommt die Wissenschaft der Aerodynamik ins Spiel, die die Kräfte untersucht, die durch die Bewegung von Objekten in der Luft erzeugt werden. Moderne Autos werden im Hinblick auf die Aerodynamik entwickelt. Ein Auto mit guter Aerodynamik fährt durch eine Luftwand wie ein Messer durch Butter.

Aufgrund des geringen Luftwiderstands beschleunigt ein solches Auto besser und verbraucht besser Kraftstoff, da der Motor keine zusätzlichen Kräfte verschwenden muss, um das Auto durch die Luftwand zu "schieben".

Um die Aerodynamik des Autos zu verbessern, ist die Form der Karosserie abgerundet, damit der Luftkanal das Auto mit dem geringsten Widerstand umströmt. Bei Sportwagen ist die Karosserieform darauf ausgelegt, den Luftstrom hauptsächlich entlang des unteren Teils zu lenken, dann werden Sie verstehen, warum. Sie setzen auch einen Flügel oder Spoiler auf den Kofferraum des Autos. Der Flügel drückt auf das Heck des Autos, um ein Abheben der Hinterräder aufgrund des starken Luftstroms bei hoher Geschwindigkeit des Autos zu verhindern, wodurch das Auto stabiler wird. Heckflügel sind nicht gleich Heckflügel und nicht alle werden bestimmungsgemäß verwendet, manche dienen lediglich als Element des Fahrzeugdekors, das keine direkte Funktion der Aerodynamik hat.

Wissenschaft der Aerodynamik

Bevor wir über die Automobilaerodynamik sprechen, gehen wir auf die Grundlagen der Physik ein.

Wenn sich ein Objekt durch die Atmosphäre bewegt, verdrängt es die umgebende Luft. Das Objekt unterliegt auch der Schwerkraft und dem Widerstand. Widerstand entsteht, wenn sich ein fester Gegenstand in einem flüssigen Medium - Wasser oder Luft - bewegt. Der Widerstand nimmt mit der Geschwindigkeit eines Objekts zu – je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto mehr Widerstand erfährt es.

Wir messen die Bewegung eines Objekts durch Faktoren, die in den Newtonschen Gesetzen beschrieben sind – Masse, Geschwindigkeit, Gewicht, äußere Kraft und Beschleunigung.

Der Widerstand wirkt sich direkt auf die Beschleunigung aus. Beschleunigung (a) eines Objekts = sein Gewicht (W) minus Widerstand (D) geteilt durch seine Masse (m). Denken Sie daran, dass das Gewicht das Produkt aus Körpermasse und Erdbeschleunigung ist. Auf dem Mond zum Beispiel ändert sich das Gewicht einer Person aufgrund der fehlenden Schwerkraft, aber die Masse bleibt gleich. Einfach gesagt:

Wenn das Objekt beschleunigt, wachsen Geschwindigkeit und Widerstand bis zum Endpunkt, an dem der Widerstand gleich dem Gewicht wird - das Objekt wird nicht mehr beschleunigt. Stellen wir uns vor, dass unser Objekt in der Gleichung ein Auto ist. Wenn sich das Auto immer schneller bewegt, widersetzt sich immer mehr Luft seiner Bewegung und begrenzt das Auto bei einer bestimmten Geschwindigkeit auf seine maximale Beschleunigung.

Kommen wir zur wichtigsten Zahl – dem Luftwiderstandsbeiwert. Dies ist einer der Hauptfaktoren, der bestimmt, wie leicht sich ein Objekt durch die Luft bewegt. Der Luftwiderstandsbeiwert (Cd) wird nach folgender Formel berechnet:

Cd = D / (A * r * V / 2)

Dabei ist D der Widerstand, A die Fläche, r die Dichte, V die Geschwindigkeit.

Luftwiderstandsbeiwert in einem Auto

Wir haben herausgefunden, dass der Luftwiderstandsbeiwert (Cd) eine Größe ist, die die Kraft des Luftwiderstands misst, die auf ein Objekt wie ein Auto ausgeübt wird. Stellen Sie sich nun vor, dass die Kraft der Luft auf das Auto drückt, während es auf der Straße fährt. Bei einer Geschwindigkeit von 110 km/h wirkt auf ihn eine viermal größere Kraft als bei einer Geschwindigkeit von 55 km/h.

Die aerodynamischen Fähigkeiten eines Autos werden durch den Luftwiderstandsbeiwert gemessen. Je niedriger der cw-Wert ist, desto besser ist die Aerodynamik des Autos und desto leichter passiert es die Luftwand, die aus verschiedenen Richtungen darauf drückt.

Betrachten Sie die Indikatoren Cd. Erinnern Sie sich an den kantigen, kastenförmigen Volvo aus den 1970er und 80er Jahren? Die alte Volvo 960 Limousine hat einen cw-Wert von 0,36. Die Karosserien des neuen Volvo sind glatt und glatt, wodurch der Koeffizient 0,28 erreicht. Glattere und stromlinienförmigere Formen zeigen eine bessere Aerodynamik als eckige und eckige.

Gründe, warum Aerodynamik schlanke Formen liebt

Erinnern wir uns an die aerodynamischste Sache der Natur - eine Träne. Der Riss ist an allen Seiten rund und glatt und verjüngt sich nach oben. Wenn eine Träne herunterfällt, strömt Luft leicht und gleichmäßig um sie herum. Auch bei Autos - Luft strömt ungehindert über eine glatte, abgerundete Oberfläche, wodurch der Luftwiderstand gegen Objektbewegungen verringert wird.

Heute haben die meisten Modelle einen durchschnittlichen Luftwiderstandsbeiwert von 0,30. SUVs haben einen Luftwiderstandsbeiwert von 0,30 bis 0,40 oder mehr. Der Grund für das hohe Verhältnis liegt in den Abmessungen. Land Cruiser und Gelendvagens bieten mehr Passagieren Platz, haben mehr Laderaum, größere Kühlergrills zur Kühlung des Motors, daher das quadratische Design. Tonabnehmer, deren Design bewusst quadratisch ist, haben einen Cw-Wert größer als 0,40.

Das Karosseriedesign ist umstritten, aber die aerodynamische Form des Autos ist bezeichnend. Der Luftwiderstandsbeiwert des Toyota Prius beträgt 0,24, daher ist der Kraftstoffverbrauch des Autos niedrig, nicht nur wegen des Hybridantriebs. Denken Sie daran, dass jedes minus 0,01 im Koeffizienten den Kraftstoffverbrauch um 0,1 Liter pro 100 Kilometer reduziert.

Schlechte Widerstandsmodelle:

Modelle mit gutem Luftwiderstand:

Techniken zur Verbesserung der Aerodynamik gibt es schon lange, aber es dauerte lange, bis die Autohersteller sie bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge einsetzten.

Die Modelle der ersten erscheinenden Autos haben nichts mit dem Begriff der Aerodynamik zu tun. Werfen Sie einen Blick auf Fords Modell T - das Auto sieht eher aus wie eine Pferdekutsche ohne Pferd - Gewinner im quadratischen Designwettbewerb. Ehrlich gesagt waren die meisten Modelle Pioniere und brauchten kein aerodynamisches Design, denn sie fuhren langsam, bei dieser Geschwindigkeit gab es nichts zu widerstehen. Die Rennwagen der frühen 1900er Jahre begannen jedoch nach und nach zu schrumpfen, um die Konkurrenz durch Aerodynamik zu gewinnen.

1921 schuf der deutsche Erfinder Edmund Rumpler das Rumpler-Tropfenauto, was auf Deutsch "Auto - eine Träne" bedeutet. Inspiriert von der aerodynamischsten Form der Natur, der Tropfenform, hatte dieses Modell einen Luftwiderstandsbeiwert von 0,27. Das Design des Rumpler-Tropfenautos wurde nie erkannt. Rumpler schaffte es nur 100 Einheiten Rumpler-Tropfenauto herzustellen.

In Amerika kam der Sprung im aerodynamischen Design in den 1930er Jahren mit dem Chrysler Airflow. Inspiriert vom Vogelflug haben die Ingenieure den Airflow im Hinblick auf die Aerodynamik entwickelt. Um das Handling zu verbessern, wurde das Gewicht des Autos gleichmäßig auf die Vorder- und Hinterachse verteilt - 50/50. Der Weltwirtschaftskrise überdrüssig, hat die Gesellschaft nie das unkonventionelle Erscheinungsbild des Chrysler Airflow angenommen. Das Modell galt als Fehlschlag, obwohl das stromlinienförmige Design des Chrysler Airflow seiner Zeit weit voraus war.

In den 1950er und 60er Jahren kamen die größten Fortschritte in der Automobilaerodynamik aus dem Rennsport. Die Ingenieure begannen mit verschiedenen Karosserievarianten zu experimentieren, da sie wussten, dass die stromlinienförmige Form Autos beschleunigen würde. So entstand die Form eines Rennwagens, die bis heute überlebt hat. Dem gleichen Zweck dienten Front- und Heckspoiler, Spatennasen und Aero-Kits, die den Luftstrom durch das Dach lenkten und den nötigen Abtrieb an Vorder- und Hinterrädern erzeugten.

Das Gelingen der Experimente wurde durch den Windkanal begünstigt. Im nächsten Teil unseres Artikels erklären wir Ihnen, warum es notwendig ist und warum es bei der Gestaltung eines Autodesigns wichtig ist.

Widerstandsmessung im Windkanal

Um die aerodynamische Effizienz eines Autos zu messen, haben sich die Ingenieure ein Werkzeug aus der Luftfahrtindustrie ausgeliehen – einen Windkanal.

Ein Windkanal ist ein Tunnel mit leistungsstarken Ventilatoren, die einen Luftstrom über ein Objekt im Inneren erzeugen. Ein Auto, ein Flugzeug oder etwas anderes, dessen Luftwiderstand von Ingenieuren gemessen wird. Aus einem Raum hinter dem Tunnel beobachten Wissenschaftler, wie Luft mit einem Objekt interagiert und wie sich Luftströmungen auf verschiedenen Oberflächen verhalten.

Ein Auto oder Flugzeug in einem Windkanal bewegt sich nicht, aber Ventilatoren blasen Luft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, um reale Bedingungen zu simulieren. Manchmal werden echte Autos nicht einmal in die Pfeife gefahren – Designer verlassen sich oft auf akkurate Modelle aus Ton oder anderen Rohstoffen. Der Wind bläst das Auto im Windkanal, Computer berechnen den Luftwiderstandsbeiwert.

Windkanäle werden seit Ende des 19. Jahrhunderts verwendet, als man versuchte, ein Flugzeug zu bauen und die Wirkung des Luftstroms in den Rohren maß. Sogar die Gebrüder Wright hatten eine solche Pfeife. Nach dem Zweiten Weltkrieg begannen Rennwagen-Ingenieure auf der Suche nach einem Vorteil gegenüber der Konkurrenz, Windkanäle zu verwenden, um die Wirksamkeit aerodynamischer Elemente in ihren Designs zu bewerten. Später hielt diese Technologie Einzug in die Welt der Pkw und Lkw.

In den letzten 10 Jahren wurden millionenschwere große Windkanäle immer weniger genutzt. Die Computersimulation ersetzt diese Methode, die Aerodynamik eines Autos zu testen, nach und nach (mehr Details). Windkanäle werden nur gestartet, um sicherzustellen, dass es bei den Computersimulationen keine Fehleinschätzungen gibt.

Es gibt mehr Konzepte in der Aerodynamik als nur den Luftwiderstand – es gibt auch Faktoren wie Auftrieb und Abtrieb. Lift (oder Lift) ist eine Kraft, die gegen das Gewicht eines Objekts arbeitet, das Objekt anhebt und in der Luft hält. Abtrieb Das Gegenteil eines Aufzugs ist die Kraft, die ein Objekt auf den Boden drückt.

Wer denkt, der Luftwiderstandsbeiwert der Formel-1-Rennwagen sei mit 320 km/h niedrig, irrt. Ein typischer Formel-1-Rennwagen hat einen Luftwiderstandsbeiwert von etwa 0,70.

Der Grund für den überschätzten Luftwiderstandsbeiwert von Formel-1-Rennwagen ist, dass diese Autos darauf ausgelegt sind, möglichst viel Abtrieb zu erzeugen. Mit der Geschwindigkeit, mit der die Autos fahren, mit ihrem extrem leichten Gewicht beginnen sie den Aufzug mit hoher Geschwindigkeit zu erleben - die Physik lässt sie wie ein Flugzeug in die Luft steigen. Autos sind nicht zum Fliegen gebaut (obwohl der Artikel - das fliegende verwandelnde Auto sagt das Gegenteil) aus, und wenn das Fahrzeug beginnt, in die Luft zu steigen, dann kann man nur eines erwarten - einen verheerenden Unfall. Daher muss der Abtrieb maximal sein, um das Auto bei hohen Geschwindigkeiten am Boden zu halten, was bedeutet, dass der Luftwiderstandsbeiwert hoch sein muss.

Formel-1-Autos erzielen einen hohen Abtrieb durch die Nutzung von Front und Heck des Fahrzeugs. Diese Kotflügel lenken die Luftströme so, dass das Auto auf den Boden gedrückt wird – der gleiche Abtrieb. Jetzt können Sie Ihre Geschwindigkeit sicher erhöhen und verlieren sie in Kurven nicht. Gleichzeitig muss der Abtrieb mit dem Auftrieb sorgfältig ausbalanciert werden, damit das Auto die gewünschte Geradeausgeschwindigkeit aufnehmen kann.

Viele Serienautos haben aerodynamische Ergänzungen, um Abtrieb zu erzeugen. die Presse kritisierte das Aussehen. Umstrittenes Design. Denn die gesamte GT-R-Karosserie ist darauf ausgelegt, Luft über das Fahrzeug und durch den ovalen Heckspoiler nach hinten zu leiten, was für mehr Abtrieb sorgt. Niemand dachte an die Schönheit des Autos.

Abseits der Formel-1-Strecke sind Winglets häufig an Serienfahrzeugen wie Toyota- und Honda-Limousinen zu finden. Manchmal sorgen diese Designelemente für ein wenig Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten. Zum Beispiel hatte der erste Audi TT zunächst keinen Spoiler, aber Audi musste einen hinzufügen, als sich herausstellte, dass die abgerundete Form und das geringe Gewicht des TT zu viel Auftrieb erzeugten und das Auto bei Geschwindigkeiten über 150 km / h instabil machten.

Aber wenn das Auto kein Audi TT, kein Sportwagen, kein Sportwagen, sondern eine gewöhnliche Familienlimousine oder ein Fließheck ist, gibt es nichts, um einen Spoiler zu installieren. Der Spoiler wird das Fahrverhalten an einem solchen Auto nicht verbessern, da die "Familie" durch den hohen Cx bereits einen hohen Abtrieb hat und man Geschwindigkeiten über 180 nicht herausquetschen kann. Ein Spoiler an einem normalen Auto kann ein Übersteuern oder umgekehrt eine Zurückhaltung beim Einfahren in Kurven verursachen. Wenn Sie jedoch auch denken, dass der riesige Honda Civic-Spoiler vorhanden ist, lassen Sie sich davon nicht überzeugen.