Jak to działa: Modele do tunelu aerodynamicznego. Jak działa aerodynamika samochodowa? Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym

Każdy wie, czym jest aerodynamika samochodu. Im bardziej opływowe nadwozie, tym mniejsze opory ruchu i zużycie paliwa. Taki samochód nie tylko zaoszczędzi Ci pieniądze, ale także wyrzuci mniej śmieci do środowiska. Odpowiedź jest prosta, ale daleka od pełnej. Specjaliści od aerodynamiki, wykańczając karoserię nowego modelu, również:

• obliczyć rozkład wzdłuż osi windy, co jest bardzo ważne przy dużych prędkościach nowoczesnych samochodów,
• zapewnić dostęp powietrza do chłodzenia silnika i hamulców,
• zastanów się nad miejscami wlotu i wylotu powietrza dla systemu wentylacji przedziału pasażerskiego,
• dążyć do zmniejszenia poziomu hałasu w kabinie,
• zoptymalizuj kształt części karoserii, aby zmniejszyć zanieczyszczenie szkła, luster i sprzętu oświetleniowego.

Co więcej, rozwiązanie jednego zadania często stoi w sprzeczności z realizacją innego. Na przykład zmniejszenie współczynnika oporu powietrza poprawia sprawność, ale jednocześnie zmniejsza odporność pojazdu na podmuchy bocznego wiatru. Dlatego eksperci muszą szukać rozsądnego kompromisu.

Zmniejszony opór

Od czego zależy siła oporu? Decydujący wpływ na to mają dwa parametry – współczynnik oporu aerodynamicznego Cx oraz powierzchnia przekroju pojazdu (na śródokręciu). Możesz zmniejszyć sekcję tułowia, obniżając i zwężając karoserię, ale na takie auto nie ma zbyt wielu nabywców. Dlatego głównym kierunkiem poprawy aerodynamiki samochodu jest optymalizacja opływu nadwozia, czyli zmniejszenie Cx. Współczynnik oporu Cx jest wielkością bezwymiarową, którą wyznacza się doświadczalnie. W przypadku nowoczesnych samochodów mieści się w przedziale 0,26-0,38. W źródłach zagranicznych współczynnik oporu jest czasami oznaczany jako Cd (współczynnik oporu). Korpus w kształcie kropli, którego Cx jest równy 0,04, posiada idealne opływowe kształty. Podczas ruchu płynnie przecina prądy powietrza, które następnie bez przeszkód, bez przerw, zamykają się w jego „ogonie”.

Masy powietrza zachowują się inaczej, gdy samochód jest w ruchu. Tutaj opór powietrza składa się z trzech elementów:

• opór wewnętrzny, gdy powietrze przechodzi przez komorę silnika i wnętrze,
• opór tarcia prądów powietrza na zewnętrznych powierzchniach ciała i
• tworzą opór.

Trzeci składnik ma największy wpływ na aerodynamikę samochodu. W ruchu samochód kompresuje znajdujące się przed nim masy powietrza, tworząc obszar zwiększonego ciśnienia. Wokół ciała przepływają prądy powietrza, a tam, gdzie się kończy, przepływ powietrza zostaje oddzielony, powstają turbulencje i obszar zmniejszonego ciśnienia. W ten sposób obszar wysokiego ciśnienia z przodu zapobiega poruszaniu się pojazdu do przodu, a obszar niskiego ciśnienia z tyłu „zasysa” go z powrotem. Siła wirów i wielkość obszaru obniżonego ciśnienia są określone przez kształt tylnej części ciała.

Najlepsze osiągi aerodynamiczne wykazują samochody ze schodkową częścią tylną - sedany i coupe. Wyjaśnienie jest proste – strumień powietrza, który spadł z dachu, natychmiast opada na klapę bagażnika, gdzie normalizuje się, a następnie w końcu odrywa swój brzeg. Przepływy boczne padają również na bagażnik, co zapobiega tworzeniu się szkodliwych wirów za samochodem. Dlatego im wyższa i dłuższa pokrywa bagażnika, tym lepsze właściwości aerodynamiczne. W dużych sedanach i coupé czasami można nawet uzyskać ciągły przepływ wokół nadwozia. Lekkie zwężenie tyłu również pomaga obniżyć Cx. Krawędź pnia jest ostra lub w formie niewielkiego występu - zapewnia to oddzielenie strumienia powietrza bez turbulencji. W efekcie obszar podciśnienia za pojazdem jest niewielki.

Podwozie samochodu również wpływa na jego aerodynamikę. Wystające elementy zawieszenia i układu wydechowego zwiększają opór. Aby to zmniejszyć starają się maksymalnie wygładzić dno lub zakryć osłonami wszystko, co „wystaje” poniżej zderzaka. Czasami montowany jest mały przedni spojler. Spoiler ogranicza przepływ powietrza pod pojazdem. Ale tutaj ważne jest, aby wiedzieć, kiedy przestać. Duży spojler znacznie zwiększy opór, ale auto będzie lepiej "tulić się" do drogi. Ale więcej o tym w następnej sekcji.

Siła docisku

Gdy samochód jest w ruchu, przepływ powietrza pod jego dnem przebiega w linii prostej, a górna część strumienia zagina się wokół nadwozia, czyli pokonuje dłuższą drogę. Dlatego prędkość górnego przepływu jest wyższa niż dolnego. A zgodnie z prawami fizyki im wyższa prędkość powietrza, tym niższe ciśnienie. W konsekwencji pod spodem powstaje obszar zwiększonego nacisku, a na górze zmniejszony. To tworzy windę. I choć jego wartość jest niewielka, problem polega na tym, że jest nierównomiernie rozłożony wzdłuż osi. Jeżeli przednia oś jest obciążona przepływem dociskającym maskę i przednią szybę, to tylna oś jest dodatkowo odciążana przez strefę podciśnienia powstałą za samochodem. Dlatego wraz ze wzrostem prędkości spada stabilność i samochód staje się podatny na poślizg.

Konstruktorzy konwencjonalnych samochodów produkcyjnych nie muszą wymyślać żadnych specjalnych środków do walki z tym zjawiskiem, ponieważ to, co robi się w celu poprawy aerodynamiczności, jednocześnie zwiększa siłę docisku. Na przykład optymalizacja tylnej części zmniejsza strefę podciśnienia za pojazdem, a tym samym zmniejsza udźwig. Wypoziomowanie podwozia nie tylko zmniejsza opory ruchu powietrza, ale także zwiększa prędkość przepływu, a tym samym zmniejsza ciśnienie pod pojazdem. To z kolei prowadzi do spadku siły nośnej. Tylny spojler służy również dwóm celom. Nie tylko zmniejsza powstawanie wirów, poprawiając Cx, ale również jednocześnie wypycha samochód na drogę dzięki odpychającemu go strumieniowi powietrza. Czasami tylny spojler jest zaprojektowany wyłącznie w celu zwiększenia siły docisku. W tym przypadku jest duży i przechylony lub chowany, wchodząc do pracy tylko przy dużych prędkościach.

W przypadku modeli sportowych i wyścigowych opisane środki będą oczywiście nieskuteczne. Aby utrzymać je na drodze, musisz wytworzyć dużą siłę docisku. W tym celu zastosowano duży przedni spoiler, boczne progi i panele błotników. Ale montowane w samochodach produkcyjnych elementy te będą odgrywać jedynie rolę dekoracyjną, ciesząc dumę właściciela. Nie przyniosą żadnych praktycznych korzyści, a wręcz przeciwnie, zwiększą odporność na ruch. Nawiasem mówiąc, wielu kierowców myli spoiler ze skrzydłem, chociaż dość łatwo je odróżnić. Spoiler jest zawsze dociskany do karoserii, tworząc z nim jedną całość. Skrzydło jest zainstalowane w pewnej odległości od ciała.

Praktyczna aerodynamika

Przestrzeganie kilku prostych zasad pozwoli Ci uzyskać oszczędności z powietrza poprzez zmniejszenie zużycia paliwa. Jednak te wskazówki przydadzą się tylko tym, którzy często i dużo jeżdżą po autostradzie.

Podczas jazdy znaczna część mocy silnika jest zużywana na pokonanie oporów powietrza. Im wyższa prędkość, tym większy opór (a tym samym zużycie paliwa). Dlatego zmniejszając prędkość nawet o 10 km/h zaoszczędzisz nawet 1 litr na 100 km. W takim przypadku strata czasu będzie znikoma. Jednak ta prawda jest znana większości kierowców. Ale inne „aerodynamiczne” subtelności nie są wszystkim znane.

Zużycie paliwa uzależnione jest od współczynnika oporu i pola przekroju pojazdu. Jeśli uważasz, że te parametry są ustawione fabrycznie, a właściciel samochodu nie może ich zmienić, to się mylisz! Ich zmiana wcale nie jest trudna, a można osiągnąć zarówno pozytywne, jak i negatywne efekty.

Co zwiększa koszt? Obciążenie dachu nadmiernie „zjada” paliwo. A nawet usprawnione pudełko zajmie co najmniej litr na sto. Okna i właz otwierane podczas ruchu nieracjonalnie spalają paliwo. Jeśli nosisz długi ładunek z lekko otwartym bagażnikiem, również zostaniesz przekroczony. Różne elementy dekoracyjne, takie jak owiewka na masce („swatter”), „kenguryatnik”, skrzydło i inne elementy własnoręcznego tuningu, choć przyniosą estetyczną przyjemność, sprawią, że wydasz dodatkowe pieniądze. Zajrzyj pod spód - będziesz musiał dodatkowo zapłacić za wszystko, co ugina się i wygląda poniżej linii progowej. Nawet tak drobiazg jak brak plastikowych nakładek na stalowych felgach zwiększa zużycie. Każdy z wymienionych czynników lub części z osobna nie zwiększa zbytnio zużycia - od 50 do 500 g na 100 km. Ale jeśli zsumujemy wszystko, znowu „przekroczy” około litra na sto. Obliczenia te obowiązują dla małych samochodów poruszających się z prędkością 90 km/h. Właściciele dużych samochodów i miłośnicy wyższych prędkości uwzględniają zwiększone zużycie.

Jeśli wszystkie powyższe warunki zostaną spełnione, unikniemy niepotrzebnych wydatków. Czy możliwe jest dalsze ograniczanie strat? Mogą! Będzie to jednak wymagało trochę zewnętrznego tuningu (mówimy oczywiście o profesjonalnie wykonanych elementach). Przedni aerodynamiczny body kit nie pozwala, aby przepływ powietrza "rozerwał się" pod dnem auta, nakładki na progi zakrywają wystającą część kół, spoiler zapobiega powstawaniu turbulencji za "rufą" auta. Chociaż spoiler jest już zwykle wkomponowany w konstrukcję nadwozia współczesnego samochodu.

Tak więc uzyskanie oszczędności z powietrza jest całkiem realne.

Wstęp.

Materiały.

Współczynnik oporu aerodynamicznego (zwany dalej CAS) jest wyznaczany doświadczalnie podczas testów w tunelu aerodynamicznym lub testów podczas jazdy z rozbiegu. Definicja CAS pochodzi ze wzoru 1

Formuła 1

RSM w różnych postaciach waha się w szerokim zakresie. Rysunek 1 pokazuje te współczynniki dla wielu kształtów. W każdym przypadku zakłada się, że powietrze napływające na nadwozie nie ma składowej bocznej (to znaczy porusza się prosto wzdłuż osi podłużnej pojazdu). Zauważ, że prosta płaska płyta ma współczynnik oporu równy 1,95. Współczynnik ten oznacza, że ​​siła oporu jest 1,95 razy większa niż ciśnienie dynamiczne działające na powierzchnię płyty. Niezwykle wysoki opór tworzony przez płytę wynika z faktu, że powietrze opływające wokół płyty tworzy obszar separacji znacznie większy niż sama płyta.

Obrazek 1.

W życiu oprócz składowej wiatru wynikającej z prędkości pojazdu brana jest również pod uwagę prędkość wiatru na pojeździe. Aby określić natężenie przepływu, prawdziwe jest następujące stwierdzenie: V = Vauto + Vwind.
Jeśli znaleziony wiatr jest odpowiedni, prędkość jest odejmowana.
Współczynnik oporu jest potrzebny do określenia oporu, ale w tym artykule rozważymy tylko sam współczynnik.

Wstępne dane.

Rysunek 2.

Etapy ustawiania warunków początkowych i brzegowych w symulacji przepływu.

Proces dodawania modułu FS i ogólna zasada tworzenia zadania do obliczeń są w tym opisane, ale opiszę cechy charakterystyczne dla analizy zewnętrznej poprzez analizę wewnętrzną.

1. Pierwszym krokiem jest dodanie modelu do obszaru roboczego.

Rysunek 2.

2. Następnie symulujemy prostokątną komorę aerodynamiczną. Główną cechą modelowania jest brak końcówek, w przeciwnym razie nie będziemy w stanie ustawić warunków brzegowych. Model samochodu powinien znajdować się pośrodku. Szerokość rurki musi odpowiadać 1,5*szerokości modelu w obu kierunkach, długość rurki to 1,5*długość modelu, od tyłu modelu i 2*długość auta od zderzaka , wysokość rury to 1,5 * wysokość samochodu od płaszczyzny, na której stoi samochód.

Rysunek 3.

3. Wchodzimy do modułu FS. Ustawiamy warunki brzegowe na pierwszej ścianie przepływu wejściowego.

Rysunek 4.

Wybierz typ: przepływ / prędkość -> prędkość wejściowa. Ustalamy naszą prędkość. Wybierz krawędź równoległą do przodu samochodu. Kliknij pole wyboru.

Rysunek 5.

Warunek brzegowy ustawiamy przy wyjściu. Wybieramy rodzaj: ciśnienie, wszystko pozostawiamy domyślnie. Naciskamy św.

Tak więc warunki brzegowe są ustawione, przechodzimy do zadania do obliczeń.

4. Kliknij kreatora projektu i postępuj zgodnie z instrukcjami na poniższych obrazkach.

Rysunek 6.

Rysunek 7.

Cyfra 8.

Rysunek 9.

Rysunek 10.

Rysunek 11.

Na koniec wszystko zostawiamy bez zmian. Kliknij Zakończ.

5. Na tym etapie zajmiemy się zarządzaniem i tworzeniem lokalnej siatki. Kliknij drzewo elementów FS na elemencie: siatka, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz: dodaj siatkę lokalną.

Rysunek 12.

Rysunek 13.

Tutaj można określić parametry i obszar siatki lokalnej; w przypadku modeli złożonych ustawiany jest również kąt krzywizny i minimalny rozmiar elementu. Minimalny rozmiar jest określony w kolumnie „zamykanie wąskich szczelin”. Funkcja ta znacznie skraca czas obliczeń i zwiększa dokładność uzyskiwanych danych. W zależności od tego, jak dokładnie chcesz uzyskać wyniki, ustawiany jest parametr podziału siatki. Standardowe ustawienia są odpowiednie do analizy wewnętrznej. Następnie zostanie pokazane renderowanie siatki na powierzchni.

6. Przed rozpoczęciem obliczeń musisz ustawić cele obliczeń. Cele są ustawiane w drzewie celów FS. Na początek ustalamy globalne cele, dobieramy mocne strony dla każdego komponentu.

Rysunek 14.

Rysunek 15.

Formuła 2.

Utwórz drugie „wyrażenie docelowe”, zapisz tam formułę 1.

Rysunek 16.

Dla przedniej szyby obliczany jest RSM. W tym modelu przednia szyba jest nachylona, ​​krawędź jest nachylona pod kątem 155 stopni, więc siła X jest mnożona przez grzech (155*(pi/180)). Należy pamiętać, że obliczenia przeprowadza się zgodnie z systemem si i odpowiednio powierzchnię pochylonej powierzchni należy mierzyć w metrach kwadratowych.

7. Teraz możesz rozpocząć obliczenia, rozpocząć obliczenia.

Rysunek 17.

Rozpoczynając obliczenia, program daje możliwość wyboru, co należy obliczyć, możemy wybrać liczbę rdzeni biorących udział w obliczeniach oraz stanowisk roboczych.

Rysunek 18.

Ponieważ zadanie nie jest trudne, obliczenie zajmuje mniej niż minutę, dlatego po uruchomieniu wciśniemy pauzę.

Rysunek 19.

Teraz kliknij przycisk „wstaw wykres”, wybierz nasze docelowe wyrażenia.

Rysunek 20.

Wykres pokaże wartości dla naszych wyrażeń dla każdej iteracji.

Możesz skorzystać z „podglądu”, aby obserwować trwający proces podczas obliczeń. Po włączeniu podglądu wydłuża się czas naszych obliczeń, ale nie ma to większego sensu, dlatego nie polecam włączania tej opcji, ale pokażę jak to wygląda.

Rysunek 21.

Rysunek 22.

To, że fabuła jest odwrócona, nie jest wielkim problemem, zależy to od orientacji modelu.

Kalkulacja kończy się, gdy wszystkie cele się zgadzają.

Rysunek 23.

Wyniki powinny zostać wczytane automatycznie, jeśli tak się nie stało, przeładuj ręcznie: narzędzia-> FS-> wyniki-> wczytaj z pliku

8. Po obliczeniach możesz zobaczyć siatkę na modelu.

Odkąd pierwszy człowiek przymocował zaostrzony kamień na końcu włóczni, ludzie zawsze starali się znaleźć najlepszy kształt dla obiektów poruszających się w powietrzu. Ale samochód okazał się bardzo skomplikowaną aerodynamiczną zagadką.

Podstawy obliczeń trakcyjnych dla ruchu samochodów na drodze oferują nam cztery główne siły działające na samochód podczas jazdy: opór powietrza, opór toczenia, opór podnoszenia i siły bezwładności. Należy zauważyć, że tylko dwa pierwsze są głównymi. Siła oporu toczenia koła samochodowego zależy głównie od odkształcenia opony i drogi w strefie styku. Ale już przy prędkości 50-60 km/h siła oporu powietrza przewyższa każdą inną, a przy prędkościach powyżej 70-100 km/h przewyższa je wszystkie razem. W celu udowodnienia tego twierdzenia należy podać następujący przybliżony wzór: Px = Cx * F * v2, gdzie: Px - siła oporu powietrza; v - prędkość pojazdu (m / s); F jest polem rzutu samochodu na płaszczyznę prostopadłą do osi podłużnej samochodu lub polem największego przekroju samochodu, czyli polem czołowym (m2); Cx - współczynnik oporu powietrza (współczynnik usprawnienia). Notatka. Prędkość we wzorze jest podniesiona do kwadratu, co oznacza, że ​​przy np. dwukrotnym zwiększeniu siła oporu powietrza wzrasta czterokrotnie.

Jednocześnie zużycie energii potrzebne do jego pokonania rośnie ośmiokrotnie! W wyścigach Nascar, gdzie prędkości przekraczają granicę 300 km/h ustalono eksperymentalnie, że aby zwiększyć prędkość maksymalną tylko o 8 km/h, konieczne jest zwiększenie mocy silnika o 62 kW (83 KM) lub zmniejszenie Cx o 15% ... Jest inny sposób - zmniejszyć przednią powierzchnię samochodu. Wiele supersamochodów o dużej prędkości jest znacznie niższych niż samochody konwencjonalne. To tylko znak pracy nad zmniejszeniem obszaru czołowego. Jednak tę procedurę można wykonać do pewnych granic, w przeciwnym razie korzystanie z takiego samochodu będzie niemożliwe. Z tego i innych powodów usprawnienie jest jednym z głównych problemów przy projektowaniu samochodu. Oczywiście na siłę oporu wpływa nie tylko prędkość auta i jego parametry geometryczne. Na przykład im wyższa gęstość powietrza, tym większy opór. Z kolei gęstość powietrza zależy bezpośrednio od jego temperatury i wysokości nad poziomem morza. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość powietrza (a tym samym jego lepkość), ale wysoko w górach powietrze jest bardziej rozrzedzone, a jego gęstość jest mniejsza i tak dalej. Jest wiele takich niuansów.

Wróćmy jednak do kształtu samochodu. Jaki temat ma najlepsze usprawnienie? Odpowiedź na to pytanie zna prawie każdy uczeń (który nie spał na lekcjach fizyki). Kropla spadającej wody przybiera najbardziej aerodynamiczny kształt. Oznacza to zaokrągloną powierzchnię czołową i gładko zwężający się długi tył (najlepszy stosunek to 6-krotność długości szerokości). Współczynnik oporu jest wartością eksperymentalną. Liczbowo jest to siła oporu powietrza w niutonach, która powstaje, gdy porusza się z prędkością 1 m/s na 1 m2 powierzchni czołowej. Jako jednostkę odniesienia zwyczajowo przyjmuje się, że Cx płaskiej płyty = 1. Tak więc kropla wody ma Cx = 0,04. Teraz wyobraź sobie samochód o takim kształcie. Nonsens, prawda? Takie coś na kołach nie tylko będzie wyglądało nieco karykaturalnie, ale korzystanie z tego samochodu zgodnie z jego przeznaczeniem nie będzie zbyt wygodne. Dlatego projektanci zmuszeni są do znalezienia kompromisu pomiędzy aerodynamiką auta a wygodą jego użytkowania. Ciągłe próby obniżenia współczynnika oporu powietrza doprowadziły do ​​tego, że niektóre nowoczesne samochody mają Cx = 0,28-0,25. Cóż, szybkie rekordowe samochody mają Cx = 0,2-0,15.

Siły oporu

Teraz trzeba trochę opowiedzieć o właściwościach powietrza. Jak wiesz, każdy gaz składa się z cząsteczek. Są w ciągłym ruchu i interakcji ze sobą. Powstają tak zwane siły van der Waalsa - siły wzajemnego przyciągania cząsteczek, które uniemożliwiają ich poruszanie się względem siebie. Niektóre z nich zaczynają mocniej przyklejać się do pozostałych. A wraz ze wzrostem chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta skuteczność działania jednej warstwy powietrza na drugą, a lepkość wzrasta. A dzieje się tak za sprawą wzrostu temperatury powietrza, a przyczyną tego może być zarówno bezpośrednie nagrzewanie się słońca, jak i pośrednio tarcie powietrza o dowolną powierzchnię lub po prostu jej warstwy między sobą. Tutaj wpływa prędkość ruchu. Aby zrozumieć, jak to wpływa na samochód, po prostu spróbuj machnąć ręką otwartą dłonią. Jeśli robisz to powoli, nic się nie dzieje, ale jeśli pomachasz mocniej ręką, dłoń już wyraźnie wyczuwa pewien opór. Ale to tylko jeden składnik.

Kiedy powietrze porusza się po jakiejś nieruchomej powierzchni (np. karoserii samochodu), te same siły van der Waalsa powodują, że najbliższa warstwa molekuł zaczyna się do niej przyklejać. A ta „zablokowana” warstwa spowalnia następną. I tak, warstwa po warstwie, im szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, tym dalej znajdują się od nieruchomej powierzchni. Ostatecznie ich prędkość jest wyrównywana z prędkością głównego przepływu powietrza. Warstwa, w której cząstki poruszają się powoli, nazywana jest warstwą graniczną i pojawia się na dowolnej powierzchni. Im wyższa wartość energii powierzchniowej materiału powłoki samochodu, tym silniej jego powierzchnia oddziałuje na poziomie molekularnym z otaczającym środowiskiem powietrza i tym więcej energii trzeba wydać na zniszczenie tych sił. Teraz, na podstawie powyższych obliczeń teoretycznych, możemy powiedzieć, że opór powietrza to nie tylko wiatr uderzający w przednią szybę. Ten proces ma więcej elementów.

Odporność na formy

To najważniejsza część - do 60% wszystkich strat aerodynamicznych. Jest to często określane jako odporność na ciśnienie lub opór. Podczas jazdy samochód kompresuje napływający strumień powietrza i pokonuje wysiłek rozpychania cząsteczek powietrza. Rezultatem jest strefa zwiększonego ciśnienia. Ponadto powietrze opływa powierzchnię samochodu. W tym procesie dochodzi do rozpadu strumieni powietrza z tworzeniem się wirów. Ostateczne zatrzymanie przepływu powietrza z tyłu pojazdu tworzy strefę obniżonego ciśnienia. Opór z przodu i efekt ssania z tyłu pojazdu tworzą bardzo silną opozycję. Fakt ten zobowiązuje projektantów i konstruktorów do szukania sposobów nadania karoserii. Ułóż na półkach.

Teraz trzeba wziąć pod uwagę kształt samochodu, jak mówią „od zderzaka do zderzaka”. Które części i elementy mają większy wpływ na ogólną aerodynamikę samochodu? Przednia część ciała. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym wykazały, że dla lepszej aerodynamiki przód nadwozia powinien być niski, szeroki i nie mieć ostrych narożników. W tym przypadku nie dochodzi do separacji przepływu powietrza, co ma bardzo korzystny wpływ na usprawnienie auta. Kratka chłodnicy jest często nie tylko funkcjonalna, ale także dekoracyjna. W końcu chłodnica i silnik muszą mieć sprawny przepływ powietrza, więc ten element jest bardzo ważny. Niektórzy producenci samochodów analizują ergonomię i dystrybucję powietrza w komorze silnika równie poważnie, jak ogólną aerodynamikę samochodu. Nachylenie przedniej szyby jest bardzo wyraźnym przykładem kompromisu między aerodynamiką, ergonomią i osiągami. Niewystarczające nachylenie stwarza nadmierny opór, a nadmierne - zwiększa zapylenie i masę samego szkła, o zmierzchu widoczność gwałtownie spada, konieczne jest zwiększenie wielkości wycieraczki itp. Przejście ze szkła na ścianę boczną powinno odbywać się płynnie.

Nie należy jednak dać się ponieść nadmiernej krzywiźnie szkła – może to zwiększyć zniekształcenia i pogorszyć widoczność. Wpływ słupka przedniej szyby na opór w dużym stopniu zależy od położenia i kształtu przedniej szyby, a także od kształtu przodu. Ale pracując nad kształtem słupka nie należy zapominać o zabezpieczeniu przednich bocznych szyb przed deszczem i brudem zdmuchniętym z szyby, przy zachowaniu akceptowalnego poziomu zewnętrznego hałasu aerodynamicznego itp. Dach. Wzrost wybrzuszenia dachu może prowadzić do obniżenia współczynnika oporu. Jednak znaczny wzrost wybrzuszenia może kolidować z ogólną konstrukcją pojazdu. Ponadto, jeśli wzrostowi wypukłości towarzyszy równoczesny wzrost obszaru oporu czołowego, wówczas wzrasta siła oporu powietrza. Z drugiej strony, jeśli starasz się zachować pierwotną wysokość, przednia i tylna szyba będą musiały być osadzone w dachach, ponieważ widoczność nie powinna się pogarszać. Doprowadzi to do wzrostu kosztu okularów, podczas gdy spadek siły oporu powietrza w tym przypadku nie jest tak duży.

Powierzchnie boczne. Z aerodynamicznego punktu widzenia pojazdu, powierzchnie boczne mają niewielki wpływ na tworzenie się swobodnego przepływu wirowego. Ale nie można ich za bardzo zaokrąglać. W przeciwnym razie trudno będzie wsiąść do takiego auta. Okulary powinny, jeśli to możliwe, być integralne z powierzchnią boczną i pokrywać się z zewnętrznym konturem pojazdu. Wszelkie stopnie i skoczki stwarzają dodatkowe przeszkody w przepływie powietrza i pojawiają się niepożądane turbulencje. Zauważysz, że rynny, które wcześniej były obecne w prawie każdym pojeździe, nie są już używane. Pojawiły się inne rozwiązania konstrukcyjne, które nie mają tak dużego wpływu na aerodynamikę auta.

Tył samochodu ma chyba największy wpływ na proporcje aerodynamiczne. Wyjaśnienie jest proste. Z tyłu przepływ powietrza odrywa się i tworzy wiry. Tył samochodu jest prawie niemożliwy do wykonania tak opływowego, jak sterowiec (6 razy większy). Dlatego ostrożniej pracują nad jego formą. Jednym z głównych parametrów jest kąt pochylenia tyłu auta. Przykładem rosyjskiego samochodu "Moskvich-2141" stał się już podręcznik, w którym to niefortunna decyzja tylnego pasa znacznie pogorszyła ogólną aerodynamikę samochodu. Ale z drugiej strony tylna szyba „Moskwicza” zawsze pozostawała czysta. Znowu kompromis. Dlatego tak wiele dodatkowych mocowań jest wykonywanych specjalnie na tył samochodu: spojlery, spojlery itp. Wraz z kątem nachylenia tyłu na współczynnik oporu aerodynamicznego duży wpływ ma konstrukcja i kształt krawędzi bocznej tył samochodu. Na przykład, jeśli spojrzysz na prawie każdy nowoczesny samochód z góry, od razu zobaczysz, że nadwozie jest szersze z przodu niż z tyłu. To także aerodynamika. Spód samochodu.

Jak na pierwszy rzut oka może się wydawać, ta część nadwozia nie ma wpływu na aerodynamikę. Ale tutaj jest taki aspekt jak siła docisku. Od tego zależy stabilność auta i jak prawidłowo zorganizowany jest przepływ powietrza pod spodem auta, w efekcie zależy siła jego „przyklejania się” do jezdni. Oznacza to, że jeśli powietrze pod samochodem nie zalega, ale przepływa szybko, wówczas powstające tam obniżone ciśnienie dociska samochód do jezdni. Jest to szczególnie ważne w przypadku pojazdów konwencjonalnych. Faktem jest, że w samochodach wyścigowych, które rywalizują na wysokiej jakości, równych nawierzchniach, można ustawić tak niski prześwit, że zaczyna pojawiać się efekt „poduszki ziemnej”, w której siła docisku wzrasta, a opór maleje. W przypadku normalnych pojazdów niski prześwit jest niedopuszczalny. Dlatego projektanci od niedawna starają się maksymalnie wygładzić spód auta, zakryć osłonami nierówne elementy takie jak rury wydechowe, wahacze itp. Swoją drogą nadkola mają bardzo duży wpływ na aerodynamikę samochód. Niewłaściwie zaprojektowane nisze mogą stworzyć dodatkową windę.

I znowu wiatr

Nie trzeba dodawać, że wymagana moc silnika zależy od opływowości auta, a co za tym idzie od zużycia paliwa (czyli portfela). Jednak aerodynamika wykracza poza prędkość i wydajność. Nie ostatnie miejsce zajmują zadania zapewnienia dobrej stabilności kierunkowej, sterowności pojazdu i redukcji hałasu podczas jego ruchu. Z hałasem wszystko jest jasne: im lepsza opływowość samochodu, jakość nawierzchni, im mniejszy rozmiar szczelin i ilość wystających elementów itp., tym mniej hałasu. Projektanci muszą pomyśleć o takim aspekcie, jak rozwijająca się chwila. Ten efekt jest dobrze znany większości kierowców. Każdy, kto choć raz przejechał z dużą prędkością obok „ciężarówki” lub po prostu jechał przy silnym bocznym wietrze, powinien poczuć wrażenie przechylenia lub nawet lekkiego skrętu samochodu. Nie ma sensu wyjaśniać tego efektu, ale to jest właśnie problem aerodynamiki.

Dlatego współczynnik Cx nie jest jedynym. W końcu powietrze może oddziaływać na samochód nie tylko „czołowo”, ale także pod różnymi kątami i w różnych kierunkach. A wszystko to ma wpływ na obsługę i bezpieczeństwo. To tylko kilka głównych aspektów, które wpływają na ogólną siłę oporu powietrza. Nie da się obliczyć wszystkich parametrów. Istniejące formuły nie dają pełnego obrazu. Dlatego projektanci badają aerodynamikę samochodu i dostosowują jego kształt za pomocą tak drogiego narzędzia, jak tunel aerodynamiczny. Zachodnie firmy nie szczędzą pieniędzy na ich budowę. Koszt takich ośrodków badawczych może sięgać milionów dolarów. Na przykład: koncern Daimler-Chrysler zainwestował 37,5 miliona dolarów w stworzenie specjalistycznego kompleksu poprawiającego aerodynamikę swoich samochodów. Obecnie tunel aerodynamiczny jest najważniejszym narzędziem do badania sił oporu powietrza oddziałujących na samochód.

Oprogramowanie do aerodynamiki obliczeniowej i hydrodynamiki FlowVision przeznaczony do wirtualnego dmuchania aerodynamicznego różnych obiektów technicznych lub przyrodniczych. Obiektami mogą być produkty transportowe, obiekty energetyczne, wyroby wojskowo-przemysłowe i inne. FlowVision pozwala na symulację przepływu przy różnych prędkościach napływającego przepływu i przy różnym stopniu jego zakłócenia (stopień turbulencji).

Proces modelowania realizowany jest stricte w trójwymiarowym przestrzennym ujęciu problemu i przebiega zgodnie z zasadą „tak jak jest”, co implikuje możliwość przestudiowania pełnowartościowego modelu geometrycznego obiektu użytkownika bez żadnych uproszczeń. Stworzony system przetwarzania importowanej geometrii trójwymiarowej pozwala na bezbolesną pracę z modelami o dowolnej złożoności, gdzie użytkownik tak naprawdę sam wybiera poziom szczegółowości swojego obiektu - czy chce przedmuchać uproszczony wygładzony model zewnętrznego kontury lub pełnoprawny model ze wszystkimi elementami konstrukcyjnymi, aż do łbów śrub na felgach i logo producenta w postaci figurki na nosie samochodu.

Rozkład prędkości w okolicach karoserii samochodu wyścigowego.

Wszystkie detale zostały wzięte pod uwagę - szprychy kierownicy, wpływ asymetrii szprych kierownicy na układ płynięcia.

FlowVision została stworzona przez rosyjski zespół programistów (firma TESIS, Rosja) ponad 10 lat temu i opiera się na osiągnięciach krajowej szkoły podstawowej i matematycznej. System powstał z oczekiwaniem, że będą z nim pracować użytkownicy o różnych kwalifikacjach – studenci, nauczyciele, projektanci i naukowcy. Równie skutecznie możesz rozwiązywać zarówno proste, jak i złożone problemy.

Produkt znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, nauce i edukacji – lotnictwie, kosmonautyce, energetyce, przemyśle stoczniowym, motoryzacji, ekologii, inżynierii mechanicznej, przemyśle przetwórczym i chemicznym, medycynie, przemyśle jądrowym i sektorze obronnym oraz posiada największą bazę instalacyjną w Rosji.

W 2001 roku decyzją Rady Głównej Ministerstwa Federacji Rosyjskiej FlowVision został zarekomendowany do włączenia do programu nauczania mechaniki płynów i gazów na rosyjskich uniwersytetach. Obecnie FlowVision jest wykorzystywany jako element procesu edukacyjnego wiodących uczelni w Rosji – MIPT, MPEI, St. Petersburg State Technical University, Vladimir University, UNN i innych.

W 2005 roku FlowVision przeszedł testy i otrzymał certyfikat zgodności Państwowej Normy Federacji Rosyjskiej.

Kluczowe cechy

W sercu FlowVision zasada zachowania masy leży - ilość materii wchodząca do wypełnionej zamkniętej objętości obliczonej jest równa ilości materii malejącej od niej (patrz ryc. 1).

Ryż. 1 Zasada zachowania masy

Rozwiązanie takiego problemu polega na znalezieniu średniej wartości wielkości w danej objętości na podstawie danych na granicach (twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa).

Ryż. 2 Całkowanie przez objętość w oparciu o wartości graniczne

Aby uzyskać dokładniejsze rozwiązanie, pierwotną obliczoną objętość dzieli się na mniejsze objętości.

Ryż. 3 Pogrubienie siatki obliczeniowej

Procedura dzielenia oryginalnej objętości na mniejsze objętości nazywa się KONSTRUOWANIE SIATKI OBLICZENIOWEJ , a tablica wynikowych tomów to SIATKA OBLICZEŃ ... Każda objętość uzyskana w procesie budowy siatki obliczeniowej nazywa się KOMÓRKA OBLICZENIOWA , w każdym z których obserwuje się również równowagę mas przychodzących i wychodzących. Zamknięta objętość, w której zbudowana jest siatka obliczeniowa, nazywa się OBSZAR OBLICZENIOWY .

Architektura

Ideologia FlowVision jest zbudowany w oparciu o architekturę rozproszoną, w której jednostka programowa wykonująca obliczenia arytmetyczne może znajdować się na dowolnym komputerze w sieci - na wysokowydajnym klastrze lub laptopie. Architektura pakietu oprogramowania jest modułowa, co pozwala na bezbolesne wprowadzanie do niego usprawnień i nowych funkcjonalności. Główne moduły to PrePostProcessor i blok solvera, a także kilka bloków pomocniczych, które wykonują różne operacje monitorowania i strojenia.

Rozkład nacisku na karoserię samochodu sportowego

Funkcjonalny cel Preprocesora obejmuje import geometrii domeny obliczeniowej z systemów modelowania geometrycznego, ustawienie modelu środowiska, umieszczenie warunków początkowych i brzegowych, edycję lub import siatki obliczeniowej oraz ustawienie kryteriów zbieżności, po czym kontrola jest przekazywana do Solvera , który rozpoczyna proces konstruowania siatki obliczeniowej i wykonuje obliczenia według określonych parametrów. W procesie kalkulacji użytkownik ma możliwość przeprowadzenia wizualnego i ilościowego monitoringu kalkulacji za pomocą narzędzi Postprocesora oraz oceny procesu rozwoju rozwiązania. Po osiągnięciu wymaganej wartości kryterium zbieżności proces liczenia może zostać zatrzymany, po czym wynik staje się w pełni dostępny dla użytkownika, który za pomocą narzędzi Postprocesora może przetwarzać dane - wizualizować wyniki i kwantyfikować wyniki z kolejnymi zapisywanie do zewnętrznych formatów danych.

Siatka obliczeniowa

V FlowVision stosowana jest prostokątna siatka obliczeniowa, która automatycznie dostosowuje się do granic domeny obliczeniowej i rozwiązania. Aproksymacja granic krzywoliniowych z wysokim stopniem dokładności jest zapewniona przy użyciu metody rozdzielczości geometrii podsiatki. Takie podejście pozwala pracować z modelami geometrycznymi składającymi się z powierzchni o dowolnej złożoności.

Początkowa domena obliczeniowa

Ortogonalna siatka nałożona na obszar

Przycinanie siatki początkowej do granic regionu

Ostateczna siatka obliczeniowa

Automatyczne generowanie siatki obliczeniowej z uwzględnieniem krzywizny powierzchni

W przypadku konieczności doprecyzowania rozwiązania na granicy lub w odpowiednim miejscu obliczonej objętości istnieje możliwość dynamicznej adaptacji siatki obliczeniowej. Adaptacja to rozbicie komórek niższego poziomu na mniejsze komórki. Adaptacja może odbywać się na podstawie warunków brzegowych, objętości i decyzji. Siatka jest dostosowywana na określonej granicy, w określonej lokalizacji domeny obliczeniowej lub przez rozwiązanie, biorąc pod uwagę zmianę zmiennej i gradient. Adaptacja odbywa się zarówno w kierunku rozdrobnienia siatki, jak iw kierunku przeciwnym - scalania małych komórek w większe, aż do siatki początkowej.

Technologia adaptacji siatki obliczeniowej

Ciała ruchome

Technologia ruchomego ciała umożliwia umieszczenie ciała o dowolnym kształcie geometrycznym w domenie obliczeniowej i nadanie mu ruchu translacyjnego i/lub obrotowego. Prawo ruchu może być stałe lub zmienne w czasie i przestrzeni. Ruch ciała określany jest na trzy główne sposoby:

Wyraźnie poprzez ustawienie prędkości ciała;
- poprzez ustawienie siły działającej na ciało i przesunięcie go z punktu wyjścia

Poprzez oddziaływanie środowiska, w którym znajduje się ciało.

Wszystkie trzy metody można ze sobą łączyć.

Zrzucanie rakiety w niestabilnym strumieniu pod działaniem grawitacji

Odtworzenie eksperymentu Macha: ruch piłki z prędkością 800 m/s

Równoległe obliczenia

Jedna z kluczowych cech pakietu oprogramowania FlowVision technologie obliczeń równoległych, w których do rozwiązania jednego problemu wykorzystuje się kilka procesorów lub rdzeni procesorów, co umożliwia przyspieszenie obliczeń proporcjonalnie do ich liczby.

Przyspieszenie obliczenia problemu w zależności od liczby zaangażowanych rdzeni

Procedura równoległego uruchamiania jest w pełni zautomatyzowana. Użytkownik musi jedynie określić liczbę rdzeni lub procesorów, na których zadanie zostanie uruchomione. Algorytm przeprowadzi wszystkie dalsze działania, aby podzielić dziedzinę obliczeniową na części i wymieniać między nimi dane, dobierając najlepsze parametry.

Rozkład komórek przypowierzchniowych na 16 procesorów w przypadku problemów z dwoma samochodami

Komenda FlowVision utrzymuje bliskie kontakty z przedstawicielami krajowych i zagranicznych środowisk HPC (High Performance Computing) oraz uczestniczy we wspólnych projektach mających na celu osiągnięcie nowych możliwości w zakresie zwiększania produktywności w przetwarzaniu równoległym.

W 2007 roku FlowVision, wraz z Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zostało uczestnikiem federalnego programu stworzenia krajowego systemu rozliczeń równoległych teraflopa. W ramach programu zespół programistów dostosowuje FlowVision do wykonywania obliczeń na dużą skalę z wykorzystaniem najnowszych technologii. Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego służy jako testowa platforma sprzętowa.

Klaster SKIF-Chebyshev zainstalowany w Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego

W 2009 roku zespół FlowVision wraz z Research Computing Center Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, firmą Sigma Technology oraz państwowym centrum naukowym TsAGI został uczestnikami federalnego programu docelowego tworzenia algorytmów rozwiązywania problemów optymalizacji równoległej w problemach aerodynamiki i hydrodynamika.

tekst, ilustracje: firma TESIS

Żaden samochód nie przejedzie przez ceglany mur, ale codziennie przejeżdża przez ściany z powietrza, które również ma gęstość.

Nikt nie postrzega powietrza ani wiatru jako ściany. Przy niskich prędkościach, przy spokojnej pogodzie trudno jest zobaczyć, jak przepływ powietrza oddziałuje na pojazd. Jednak przy dużej prędkości, przy silnym wietrze, opór powietrza (siła wywierana na poruszający się w powietrzu obiekt – określany również jako opór) silnie wpływa na to, jak samochód przyspiesza, jak bardzo jest w stanie sterować i jak zużywa paliwo.

W tym miejscu do gry wkracza nauka aerodynamiki, która bada siły generowane przez ruch obiektów w powietrzu. Nowoczesne samochody projektowane są z myślą o aerodynamice. Samochód z dobrą aerodynamiką przechodzi przez ścianę powietrza jak nóż przez masło.

Ze względu na niskie opory przepływu powietrza takie auto lepiej przyspiesza i lepiej spala paliwo, ponieważ silnik nie musi tracić dodatkowych sił na „przepychanie” samochodu przez ścianę powietrza.

Aby poprawić aerodynamikę samochodu, kształt karoserii został zaokrąglony tak, aby kanał powietrzny opływał samochód z najmniejszym oporem. W samochodach sportowych kształt nadwozia ma na celu skierowanie przepływu powietrza głównie wzdłuż dolnej części, wtedy zrozumiesz dlaczego. Umieszczają również skrzydło lub spoiler na bagażniku samochodu. Skrzydło dociska tył samochodu, aby zapobiec podnoszeniu się tylnych kół, ze względu na silny przepływ powietrza, gdy samochód porusza się z dużą prędkością, co sprawia, że ​​samochód jest bardziej stabilny. Nie wszystkie tylne błotniki są takie same i nie wszystkie są wykorzystywane zgodnie z ich przeznaczeniem, niektóre służą jedynie jako element wystroju samochodu, który nie pełni bezpośredniej funkcji aerodynamicznej.

Nauka aerodynamiki

Zanim porozmawiamy o aerodynamice samochodowej, przyjrzyjmy się podstawom fizyki.

Gdy obiekt porusza się w atmosferze, wypiera otaczające powietrze. Obiekt podlega również grawitacji i oporowi. Opór powstaje, gdy ciało stałe porusza się w ciekłym medium - wodzie lub powietrzu. Opór wzrasta wraz z prędkością obiektu - im szybciej porusza się w przestrzeni, tym większy opór napotyka.

Mierzymy ruch obiektu za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona - masy, prędkości, ciężaru, siły zewnętrznej i przyspieszenia.

Opór bezpośrednio wpływa na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu = jego masa (W) minus opór (D) podzielony przez jego masę (m). Przypomnijmy, że ciężar jest iloczynem masy ciała i przyspieszenia grawitacyjnego. Na przykład na Księżycu waga osoby zmieni się z powodu braku grawitacji, ale masa pozostanie taka sama. Mówiąc prosto:

Gdy obiekt przyspiesza, prędkość i opór rosną aż do punktu końcowego, w którym opór staje się równy ciężarowi – obiekt nie będzie już przyspieszał. Załóżmy, że naszym obiektem w równaniu jest samochód. W miarę jak samochód porusza się coraz szybciej, coraz więcej powietrza stawia opór jego ruchowi, ograniczając samochód do maksymalnego przyspieszenia przy określonej prędkości.

Dochodzimy do najważniejszej liczby - współczynnika oporu aerodynamicznego. Jest to jeden z głównych czynników decydujących o tym, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu powietrza (Cd) oblicza się według następującego wzoru:

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

Gdzie D to opór, A to powierzchnia, r to gęstość, V to prędkość.

Współczynnik oporu aerodynamicznego w samochodzie

Odkryliśmy, że współczynnik oporu powietrza (Cd) jest wielkością mierzącą siłę oporu powietrza przyłożoną do obiektu, takiego jak samochód. Teraz wyobraź sobie, że siła powietrza wywiera nacisk na samochód poruszający się po drodze. Przy prędkości 110 km/h działa na nią siła czterokrotnie większa niż przy prędkości 55 km/h.

Właściwości aerodynamiczne samochodu są mierzone współczynnikiem oporu. Im niższa wartość Cd, tym lepsza aerodynamika samochodu i tym łatwiej będzie przelatywać przez ścianę powietrza, która na niego napiera z różnych kierunków.

Rozważ wskaźniki Cd. Pamiętacie kanciaste, pudełkowate Volvo z lat 70. i 80.? Stary sedan Volvo 960 ma współczynnik oporu powietrza 0,36. Nadwozia nowego Volvo są gładkie i gładkie, dzięki czemu współczynnik sięga 0,28. Gładsze i bardziej opływowe kształty wykazują lepszą aerodynamikę niż kanciaste i kwadratowe.

Powody, dla których aerodynamika uwielbia smukłe kształty

Pamiętajmy o najbardziej aerodynamicznej rzeczy w naturze - łzie. Łza jest okrągła i gładka ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Gdy łza spada, powietrze opływa ją łatwo i płynnie. Również w samochodach – powietrze przepływa swobodnie po gładkiej, zaokrąglonej powierzchni, zmniejszając opór powietrza na ruch obiektu.

Obecnie większość modeli ma średni współczynnik oporu 0,30. SUV-y mają współczynnik oporu wynoszący od 0,30 do 0,40 lub więcej. Powodem wysokiego współczynnika są wymiary. Land Cruisery i Gelendvagen mieszczą więcej pasażerów, mają większą przestrzeń ładunkową, większe kratki chłodzące silnik, stąd kwadratowa konstrukcja. Przetworniki, których konstrukcja jest celowo kwadratowa, mają Cd większe niż 0,40.

Konstrukcja nadwozia jest kontrowersyjna, ale aerodynamiczny kształt samochodu jest orientacyjny. Współczynnik oporu Toyoty Prius wynosi 0,24, więc zużycie paliwa przez samochód jest niskie, nie tylko ze względu na napęd hybrydowy. Pamiętaj, że każdy minus 0,01 we współczynniku zmniejsza zużycie paliwa o 0,1 litra na 100 kilometrów.

Słabe modele przeciągania:

Modele o dobrym oporze aerodynamicznym:

Techniki poprawiające aerodynamikę istnieją od dawna, ale producenci samochodów zaczęli ich używać przy tworzeniu nowych pojazdów dopiero po pewnym czasie.

Modele pierwszych samochodów, które się pojawiły, nie mają nic wspólnego z koncepcją aerodynamiki. Przyjrzyj się modelowi T Forda - samochód bardziej przypomina zaprzęg konny bez konia - zwycięzca w konkursie na projekt kwadratu. Prawdę mówiąc, większość modeli była pionierami i nie potrzebowała aerodynamicznej konstrukcji, ponieważ jechała wolno, przy tej prędkości nie było się czemu oprzeć. Jednak samochody wyścigowe z początku XX wieku zaczęły się stopniowo kurczyć, aby wygrać konkurencję dzięki aerodynamice.

W 1921 r. niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co po niemiecku oznacza „samochód - łza”. Zainspirowany najbardziej aerodynamicznym kształtem natury, kształtem łzy, ten model miał współczynnik oporu 0,27. Projekt Rumpler-Tropfenauto nigdy nie został rozpoznany. Rumplerowi udało się stworzyć tylko 100 jednostek Rumpler-Tropfenauto.

W Ameryce skok w aerodynamice nastąpił w latach 30. XX wieku wraz z Chrysler Airflow. Zainspirowani lotem ptaków, inżynierowie zaprojektowali Airflow z myślą o aerodynamice. Aby poprawić prowadzenie, ciężar samochodu został równomiernie rozłożony na przednią i tylną oś - 50/50. Zmęczone wielkim kryzysem społeczeństwo nigdy nie przyjęło niekonwencjonalnego wyglądu Chrysler Airflow. Model uznano za porażkę, chociaż opływowy projekt Chryslera Airflow znacznie wyprzedzał swoje czasy.

Lata 50. i 60. przyniosły największe postępy w aerodynamice samochodowej, które wyszły ze świata wyścigów. Inżynierowie zaczęli eksperymentować z różnymi stylami nadwozia, wiedząc, że opływowy kształt przyspieszy samochody. Tak narodziła się forma samochodu wyścigowego, która przetrwała do dziś. Spojlery przednie i tylne, nosy łopatek i zestawy aerodynamiczne służyły temu samemu celowi, kierując przepływ powietrza przez dach i tworząc niezbędną siłę docisku na przednie i tylne koła.

Powodzenie eksperymentów ułatwił tunel aerodynamiczny. W dalszej części naszego artykułu powiemy Ci, dlaczego jest to potrzebne i dlaczego jest ważne przy projektowaniu samochodu.

Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym

Aby zmierzyć wydajność aerodynamiczną samochodu, inżynierowie pożyczyli narzędzie z przemysłu lotniczego - tunel aerodynamiczny.

Tunel aerodynamiczny to tunel z potężnymi wentylatorami, które tworzą przepływ powietrza nad obiektem wewnątrz. Samochód, samolot lub coś innego, w przypadku którego inżynierowie mierzą opór powietrza. Z pomieszczenia za tunelem naukowcy obserwują, jak powietrze wchodzi w interakcję z obiektem i jak prądy powietrza zachowują się na różnych powierzchniach.

Samochód lub samolot w tunelu aerodynamicznym nie porusza się, ale wentylatory dmuchają powietrzem z różnymi prędkościami, aby symulować rzeczywiste warunki. Czasami prawdziwe samochody nie są nawet wbijane w fajkę – projektanci często polegają na dokładnych modelach wykonanych z gliny lub innych surowców. Wiatr wieje samochodem w tunelu aerodynamicznym, a komputery obliczają współczynnik oporu.

Tunele aerodynamiczne są używane od końca XIX wieku, kiedy próbowano stworzyć samolot i zmierzyć efekt przepływu powietrza w rurach. Nawet bracia Wright mieli taką fajkę. Po II wojnie światowej inżynierowie samochodów wyścigowych, szukając przewagi nad konkurencją, zaczęli wykorzystywać tunele aerodynamiczne do oceny skuteczności elementów aerodynamicznych w swoich projektach. Później ta technologia trafiła do świata samochodów osobowych i ciężarowych.

W ciągu ostatnich 10 lat, warte wiele milionów dolarów tunele aerodynamiczne były coraz rzadziej wykorzystywane. Symulacja komputerowa stopniowo zastępuje tę metodę badania aerodynamiki samochodu (więcej szczegółów). Tunele aerodynamiczne są uruchamiane tylko po to, aby upewnić się, że w symulacjach komputerowych nie ma błędnych obliczeń.

W aerodynamice jest więcej koncepcji niż tylko opór powietrza – są też czynniki siły nośnej i docisku. Podnoszenie (lub winda) to siła działająca przeciw ciężarowi przedmiotu, podnosząca i utrzymująca przedmiot w powietrzu. Siła docisku Przeciwieństwem windy jest siła, która popycha obiekt na ziemię.

Myli się każdy, kto uważa, że ​​współczynnik oporu powietrza samochodów wyścigowych Formuły 1, rozwijających prędkość 320 km/h, jest niski. Typowy samochód wyścigowy Formuły 1 ma współczynnik oporu powietrza około 0,70.

Powodem zawyżonego współczynnika oporu powietrza w samochodach wyścigowych Formuły 1 jest to, że samochody te są zaprojektowane tak, aby wytwarzać jak największą siłę docisku. Z szybkością, z jaką poruszają się samochody, przy ich niezwykle lekkiej wadze, zaczynają odczuwać działanie windy z dużą prędkością - fizyka sprawia, że ​​wznoszą się w powietrze jak samolot. Samochody nie są zbudowane do latania (chociaż artykuł - latający samochód transformujący stwierdza coś przeciwnego), a jeśli pojazd zacznie wznosić się w powietrze, to można spodziewać się tylko jednego - katastrofalnego wypadku. Dlatego siła docisku musi być maksymalna, aby samochód mógł utrzymać się na ziemi przy dużych prędkościach, co oznacza, że ​​współczynnik oporu powietrza musi być wysoki.

Samochody Formuły 1 osiągają dużą siłę docisku, wykorzystując przód i tył pojazdu. Błotniki te kierują prądy powietrza tak, że samochód jest dociskany do podłoża – ta sama siła docisku. Teraz możesz bezpiecznie zwiększać prędkość i nie tracić jej na zakrętach. Jednocześnie siła docisku musi być starannie wyważona za pomocą podnośnika, aby samochód nabrał pożądanej prędkości na linii prostej.

Wiele samochodów seryjnych ma dodatki aerodynamiczne, które wytwarzają siłę docisku. prasa skrytykowała wygląd. Kontrowersyjny projekt. Dzieje się tak, ponieważ całe nadwozie GT-R jest zaprojektowane tak, aby kierować powietrze na pojazd iz powrotem przez owalny tylny spojler, tworząc większą siłę docisku. Nikt nie myślał o pięknie samochodu.

Poza torem Formuły 1 winglety często można znaleźć w pojazdach produkcyjnych, takich jak sedany Toyota i Honda. Czasami te elementy konstrukcyjne dodają trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład pierwsze Audi TT początkowo nie miało spojlera, ale Audi musiało go dodać, gdy okazało się, że zaokrąglony kształt i niewielka waga TT powodowały zbyt dużą siłę nośną, przez co samochód był niestabilny przy prędkościach powyżej 150 km/h.

Ale jeśli samochód to nie Audi TT, nie samochód sportowy, nie samochód sportowy, ale zwykły rodzinny sedan lub hatchback, nie ma nic do zainstalowania spoilera. Spoiler nie poprawi prowadzenia w takim samochodzie, ponieważ „rodzina” ma już wysoką siłę docisku ze względu na wysokie Cx i nie można na nim wycisnąć prędkości powyżej 180. Spoiler w zwykłym samochodzie może powodować nadsterowność lub odwrotnie, niechęć do wchodzenia w zakręty. Jeśli jednak uważasz, że gigantyczny spoiler Hondy Civic jest na swoim miejscu, nie daj się o tym przekonać.