Ни одна машина не пройдет сквозь кирпичную стену, но ежедневно проходит через стены из воздуха у которого тоже есть плотность.
Никто не воспринимает воздух или ветер как стену. На низких скоростях, в безветренную погоду, сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с транспортным средством. Но на высокой скорости, при сильном ветре, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект - также определяемая как сопротивление) сильно влияет на то, как машина ускоряется, насколько управляема, как расходует топливо.
Здесь в игру вступает наука аэродинамика, изучающая силы, образующиеся в результате движения объектов в воздухе. Современные автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики. Автомобиль с хорошей аэродинамикой проходит сквозь стену воздуха как нож по маслу.
За счет низкого сопротивления воздушному потоку, такой автомобиль лучше ускоряется и лучше расходует топливо, так как двигателю не приходится тратить лишние силы на то, чтобы "протолкнуть" машину сквозь воздушную стену.
Чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, форму кузова закругляют, чтобы воздушный канал обтекал авто с наименьшим сопротивлением. У спорткаров форма кузова спроектирована так, чтобы направлять поток воздуха преимущественно по нижней части, далее поймете почему. Еще на багажник машины ставят антикрыло или спойлер. Антикрыло прижимает заднюю часть автомобиля предотвращая подъем задних колес, из-за сильного потока воздуха, когда тот движется на большой скорости, что делает машину устойчивей. Не все антикрылья одинаковы и не все применяют по назначению, некоторые служат только элементом автомобильного декора не выполняющей прямую функцию аэродинамики.
Наука аэродинамика
Прежде чем говорить об автомобильной аэродинамике, пройдемся по основам физики.
При движении объекта через атмосферу, он вытесняет окружающий воздух. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде - воде или воздуху. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта - чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление испытывает.
Мы измеряем движение объекта факторами, описанными в законах Ньютона - масса, скорость, вес, внешняя сила, и ускорение.
Сопротивление прямо влияет на ускорение. Ускорение (а) объекта = его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес - это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне вес человека изменится из-за отсутствия силы притяжения, но масса останется прежней. Проще говоря:
Когда объект ускоряется, скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу - больше объект не ускориться. Давайте представим, что наш объект в уравнении - автомобиль. Когда автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая машину предельным ускорением при определенной скорости.
Подходим к самому важному числу - коэффициенту аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:
Cd = D / (A * r * V/2)
Где D - это сопротивление, A - площадь, r - плотность, V - скорость.
Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле
Разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) это величина, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на него воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.
Аэродинамические способности автомобиля измеряются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Чем меньше показатель Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля, и тем легче он пройдет сквозь стену воздуха, которая давит на него с разных сторон.
Рассмотрим показатели Cd. Помните угловатые квадратные Volvo из 1970-х, 80-х годов? У старого седана Volvo 960 коэффициент лобового сопротивления 0.36. У новых Volvo кузова плавные и гладкие, благодаря этому коэффициент достигает 0.28. Более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные.
Причины, по которым аэродинамика любит гладкие формы
Вспомним самую аэродинамическую вещь в природе - слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда слеза капает вниз, воздух легко и плавно ее обтекает. Также с автомобилями - по гладкой, округлой поверхности воздух течет свободно, сокращая сопротивление воздуха движению объекта.
Сегодня у большинства моделей средний коэффициент сопротивления 0.30. У внедорожников коэффициент лобового сопротивления от 0.30 до 0.40 и более. Причина высокого коэффициента в габаритах. Ленд Крузеры и Гелендвагены вмещают больше пассажиров, у них больше грузового места, большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, отсюда и квадратно-подобный дизайн. У пикапов, дизайн которых целенаправленно квадратный Cd больше, чем 0.40.
Дизайн кузова спорный, но у машины показательно аэродинамическая форма. Коэффициент лобового сопротивления Toyota Prius 0.24, поэтому показатель расхода топлива у машины низкий не только из-за гибридной силовой установки. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте сокращают расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.
Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:
Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:
Методы улучшения аэродинамики известны давно, но потребовалось много времени, чтобы автопроизводители начали пользоваться ими при создании новых транспортных средств.
У моделей первых появившихся автомобилей нет ничего общего с понятием аэродинамики. Взгляните на Модель T компании Ford - машина больше похожа на лошадиную повозку без лошади - победитель в конкурсе квадратного дизайна. Правду сказать, большинство моделей - первопроходцев и не нуждались в аэродинамическом дизайне, так как ездили медленно, с такой скоростью нечему было сопротивляться. Однако гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы за счет аэродинамики побеждать в соревнованиях.
В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfenauto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль - слеза». Созданный по образу самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, у этой модели коэффициент лобового сопротивления был 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так и не нашел признания. Румплер успел создать только 100 единиц Rumpler-Tropfenauto.
В Америке скачок в аэродинамическом дизайне совершили в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленные полетом птиц, инженеры сделали Airflow с учетом аэродинамики. Для улучшения управляемости вес машины равномерно распределили между передней и задней осями - 50/50. Уставшее от Великой депрессии общество так и не приняло нетрадиционную внешность Chrysler Airflow. Модель посчитали провальной, хотя обтекаемый дизайн Chrysler Airflow был далеко впереди своего времени.
В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Инженеры начали экспериментировать с разными формами кузова, зная, что обтекаемая форма ускорит автомобили. Так родилась форма гоночного болида, сохранившаяся по сей день. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэрокомплекты служили одной цели, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.
Успеху экспериментов поспособствовала аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи расскажем зачем она нужна и почему важна в проектировании дизайна автомобиля.
Измерение сопротивления в аэродинамической трубе
Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности - аэродинамическую трубу.
Аэродинамическая труба — это туннель с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Автомобиль, самолет, или что-то еще, чье сопротивление воздуху измеряют инженеры. Из помещения за туннелем, научные сотрудники наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом и как ведут себя воздушные потоки на разных поверхностях.
Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы не двигается, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные авто даже не загоняют в трубу - дизайнеры часто полагаются на точные модели, создаваемые из глины или другого сырья. Ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, а компьютеры рассчитывают коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамические трубы используют еще с конца 1800-х годов, когда пытались создать самолет и измеряли в трубах воздействие воздушного потока. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей, в поисках преимущества над конкурентами, стали применять аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамических элементов разрабатываемых моделей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских авто и грузовиков.
За последние 10 лет, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США применяют все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет этот способ тестирования аэродинамики автомобиля (подробнее ). Аэродинамические трубы запускают только, чтобы убедиться, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.
В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха - есть еще факторы подъемной и прижимной силы. Подъемная сила (или лифт) - это сила, работающая против веса объекта, поднимающая и удерживающая объект в воздухе. Прижимная сила противоположность лифта - это сила, которая прижимает объект к земле.
Тот, кто думает, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1, развивающих 320 км/ч, низкий, заблуждается. У типичного гоночного болида Формулы 1 коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.
Причина завышенного коэффициента сопротивления воздуху гоночных болидов Формулы 1 в том, что эти машины спроектированы так, чтобы создавать как можно больше прижимной силы. С той скоростью, с которой болиды передвигаются, с их чрезвычайно легким весом, они начинают испытывать лифт на больших скоростях - физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Автомобили не созданы, чтобы летать (хотя статья - летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного - разрушительной аварии. Поэтому, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле при высоких скоростях, а значит коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть большим.
Высокой прижимной силы болиды Формулы 1 добиваются при помощи на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха так, что прижимают автомобиль к земле - та самая прижимная сила. Теперь можно спокойно увеличивать скорость и не терять ее на поворотах. При этом, прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, чтобы автомобиль набирал нужную прямолинейную скорость.
Многие серийные автомобили имеют аэродинамические дополнения для создания прижимной силы. пресса раскритиковала за внешность. Спорный дизайн. А все потому, что весь кузов GT-R спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу. О красоте машины никто не подумал.
Вне трассы Формулы 1, антикрылья часто встречаются на серийных автомобилях, например, на седанах компаний Toyota и Honda. Иногда эти элементы дизайна добавляют немного устойчивости на высоких скоростях. Например, на первом Audi TT изначально не было спойлера, но компании Audi пришлось его добавить, когда выяснилось, что округлые формы TT и легкий вес, создавали слишком много подъемной силы, что делало машину неустойчивой на скорости выше 150 км/ч.
Но если машина не Audi TT, не спортивный болид, не спорткар, а обычный семейный седан или хетчбек, установка спойлера не к чему. Управляемости на таком автомобиле спойлер не улучшит, так как у "семейника" итак высокая прижимная сила из-за высокого Cx, а скорости выше 180 на нем не выжмешь. Спойлер на обычном авто может стать причиной избыточной поворачиваемости или наоборот, нежелания входить в повороты. Однако если вам тоже кажется, что гигантский спойлер Honda Civic стоит на своем месте, не позволяйте никому переубедить вас в этом.
Предлагаем вам сегодня узнать, что такое , зачем она нужна и в каком году впервые в мире появилась эта технология.
Без аэродинамики автомобили и самолеты, и даже бобслеисты, это просто объекты перемещающие ветер. Если нет аэродинамики, то ветер перемещается неэффективно. Наука об изучении эффективности отвода потоков воздуха и называется аэродинамика. Для того чтобы создать транспортное средство, которое бы эффективно отводило бы потоки воздуха, уменьшая сопротивление, необходима аэродинамическая труба, в которой инженеры проверяют эффективность аэродинамического сопротивления воздуха деталей автомобиля.
Ошибочно считается, что аэродинамика появилась с момента изобретения аэродинамической трубы. Но это не так. На самом деле появилась в 1800-х годах. Зарождение этой науки началось в 1871 году, с братьев Райт, которые являются проектировщиками и создателями первого в мире самолета. Благодаря им, начала развиваться аэронавтика. Цель была одна - попытка построить самолет.
Первое время братья проводили свои испытания в железнодорожном туннели. Но возможности туннеля для изучения потоков воздуха были ограничены. Поэтому им не удалось создать реальный летательный аппарат, так как для этого было необходимо, чтобы корпус самолета отвечал самым строгим требования аэродинамики.
Поэтому в 1901 году братья построили собственную аэродинамическую трубу. В итоге по некоторым данным в этой трубе было испытано около 200 летательных аппаратов и отдельные корпуса прототипов различной формы. На то чтобы построить первый в истории реальный самолет братьям потребовалось еще несколько лет. Так в 1903 году Братья Райт провели удачное испытание первого в мире, который продержался в воздухе в течение 12 секунд.
Что же такое аэродинамическая труба?
Это простое устройство, которое состоит из закрытого туннеля (огромной емкости) через который подаются потоки воздуха с помощью мощных вентиляторов. В аэродинамическую трубу помещают объект, на который и начинают подавать . Также в современных аэродинамических трубах специалисты имеют возможность подавать направленные потоки воздуха на определенные элементы кузова автомобиля или любого транспортного средства.
Тестирование в аэродинамических трубах приобрело массовую популярность во время Великой Отечественной войны в 40-е годы. Во всем мире военные ведомства вели исследование аэродинамики военной техники и боеприпасов. После войны военные аэродинамические исследования свернулись. Но внимание на аэродинамику обратили инженеры, проектирующие спортивные гоночные автомобили. Затем эту моду подхватили проектировщики и легковых автомобилей.
Изобретение аэродинамической трубы позволило специалистам тестировать транспортные средства, которые находятся в неподвижном состоянии. Далее подаются потоки воздуха и создается тот же эффект что наблюдается при движении машины. Даже при испытаниях самолетов объект остается не подвижным. Регулируется только , для того чтобы сымитировать определенную скорость транспортного средства.
Благодаря аэродинамики, как спортивные так и простые автомобили стали приобретать вместо квадратных форм более плавные линии и закругленные элементы кузова.
Иногда для исследования может быть не нужен и весь автомобиль. Часто , может использоваться обычный макет в натуральную величину. В итоге специалисты определяют уровень сопротивления ветра.
По тому, как движется ветер внутри трубы, определяется коэффициент лобового сопротивления ветра.
Современные аэродинамические трубы, по сути, представляют собой гигантский фен для вашего автомобиля. Например, одна из известных аэродинамических труб расположена в Северной Каролине США, где проводится исследования ассоциации . Благодаря этой трубе инженеры моделируют автомобили способные передвигаться со скоростью 290 км/ч.
В это сооружение было вложено около 40 млн. долларов. Труба начала свою работу в 2008 году. Главные инвесторы - это ассоциация гонок NASCAR и владелец гонок Джин Хаас.
Вот видео традиционного испытания в этой трубе:
С момента появления первой в истории аэротрубы инженеры поняли, насколько это изобретение важно для всей . В итоге на нее обратили внимание автомобильные проектировщики, которые стали развивать технологии исследования потоков воздуха. Но технологии не стоят на месте. В наши дни многие исследования и расчеты проходят в компьютере. Самое удивительное, что даже аэродинамические тесты проводятся в специальных компьютерных программах.
В качестве испытуемого используется 3D виртуальная модель машины. Далее на компьютере воспроизводятся различные условия для тестирования аэродинамики. Тот же подход начал развиваться и для проведения краш-тестов. , которые не только могут сэкономить деньги, ни учесть множество параметров при испытании.
Также как реальные краш-тесты строительство аэродинамической трубы и испытания в ней очень дорогое удовольствие. На компьютере себестоимость может составить всего несколько долларов.
Правда бабушки, дедушки и приверженцы старых технологий по-прежнему будут говорить, что реальный мир лучше, чем компьютеры. Но 21 век есть 21 век. Поэтому неизбежно, что в ближайшем будущем многие реальные испытания будут полностью проводиться на компьютере.
Хотя стоит отметить, что мы и не против компьютерных , но надеемся, что реальные тесты в аэротрубе и обычные краш-тесты по-прежнему останутся в автопромышленности.
С тех пор как первый человек укрепил на конце копья заточенный камень, люди всегда пытаются найти наилучшую форму предметам, двигающимся в воздушной среде. Но автомобиль оказался очень сложной аэродинамической головоломкой.
Основы тяговых расчетов движения автомобилей по дорогам предлагают нам четыре основные силы, действующие на автомобиль во время движения: сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление подъему и инерционные силы. При этом отмечается, что основными являются лишь первые две. Сила сопротивления качению автомобильного колеса в основном зависит от деформации шины и дороги в зоне контакта. Но уже при скорости движения 50-60 км/ч сила сопротивления воздуха превышает любую другую, а на скоростях свыше 70-100 км/ч превосходит их все вместе взятые. Для того чтобы доказать это утверждение, необходимо привести следующую приближенную формулу: Px=Cx*F*v2, где: Px – сила сопротивления воздуха; v – скорость автомобиля (м/сек); F – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля, или площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля, т. е. лобовая площадь (м2); Cx – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости). Обратите внимание. Скорость в формуле стоит в квадрате, и это означает, что при ее увеличении, например, в два раза сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза.
При этом затраты мощности, необходимые на ее преодоление, вырастают в восемь раз! В гонках Nascar, где скорости зашкаливают за отметку в 300 км/ч, экспериментальным путем установлено, что для увеличения максимальной скорости всего на 8 км/ч необходимо повысить мощность двигателя на 62 кВт (83 л. с.) или уменьшить Cx на 15%. Есть и иной путь – уменьшить лобовую площадь автомобиля. Многие скоростные суперкары значительно ниже обычных автомобилей. Это как раз и является признаком работ по снижению лобовой площади. Однако производить эту процедуру можно до определенных пределов, иначе таким автомобилем будет невозможно пользоваться. По этой и другим причинам обтекаемость является одним из основных вопросов, возникающих при проектировании автомобиля. Конечно, на силу сопротивления влияют не только скорость автомобиля и его геометрические показатели. К примеру, чем выше плотность воздушного потока, тем больше сопротивление. В свою очередь плотность воздуха напрямую зависит от его температуры и высоты над уровнем моря. При повышении температуры плотность воздуха (следовательно, и его вязкость) увеличивается, а высоко в горах воздух более разрежен, и плотность его ниже, и так далее. Таких нюансов великое множество.
Но вернемся к форме автомобиля. Какой предмет обладает самой хорошей обтекаемостью? Ответ на этот вопрос известен практически любому школьнику (кто не спал на уроках физики). Падающая вниз капля воды приобретает форму, наиболее приемлемую с точки зрения аэродинамики. То есть округлая фронтальная поверхность и плавно сужающаяся длинная задняя часть (лучшее соотношение – длина в 6 раз больше ширины). Коэффициент сопротивления – величина экспериментальная. Численно он равен силе сопротивления воздуха в ньютонах, создаваемой при его движении со скоростью 1 м/с на 1 м2 лобовой площади. За единицу отсчета принято считать Cx плоской пластины = 1. Так вот, у капли воды Cx = 0,04. А теперь представьте себе автомобиль такой формы. Нонсенс, не правда ли? Мало того что такая штуковина на колесах будет смотреться несколько карикатурно, использовать этот автомобиль по назначению будет не очень удобно. Поэтому конструкторы вынуждены искать компромисс между аэродинамикой автомобиля и удобством его использования. Постоянные попытки снизить коэффициент воздушного сопротивления привели к тому, что у некоторых современных автомобилей Cx = 0,28-0,25. Ну а скоростные рекордные автомобили могут похвастаться Cx = 0,2-0,15.
Силы сопротивления
Теперь необходимо немного рассказать о свойствах воздуха. Как известно, любой газ состоит из молекул. Они находятся в постоянном движении и взаимодействии друг с другом. Возникают так называемые силы Ван-дер-Ваальса – силы взаимного притяжения молекул, препятствующие их перемещению друг относительно друга. Некоторые из них начинают сильнее прилипать к остальным. А с увеличением хаотического движения молекул возрастает и эффективность воздействия одного слоя воздуха на другой, растет вязкость. А происходит это за счет повышения температуры воздуха, причем это может быть вызвано как прямым нагревом от солнца, так и косвенным от трения воздуха о какую-либо поверхность или просто его слоев между собой. Вот тут как раз влияет скорость перемещения. Для того чтобы понять, как это отражается на автомобиле, достаточно попробовать взмахнуть рукой с открытой ладонью. Если делать это медленно, ничего не происходит, но если взмахнуть рукой сильнее, ладонь уже явно воспринимает некоторое сопротивление. Но это только одна составляющая.
Когда воздух двигается над некоторой неподвижной поверхностью (например, кузовом автомобиля), те же силы Ван-дер-Ваальса способствуют тому, что ближайший слой молекул начинает прилипать уже к ней. И этот "прилипший" слой тормозит уже следующий. И так слой за слоем, и тем быстрее движутся молекулы воздуха, чем дальше они находятся от неподвижной поверхности. В конце концов их скорость уравнивается со скоростью основного воздушного потока. Слой, в котором частички движутся замедленно, называется приграничным, и появляется он на любой поверхности. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение этих сил. Теперь, опираясь на вышеописанные теоретические выкладки, можно сказать, что сопротивление воздуха – это не просто ветер, бьющий в лобовое стекло. У этого процесса больше составляющих.
Сопротивление формы
Это самая значительная часть – до 60% всех аэродинамических потерь. Часто она называется сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. При движении автомобиль сжимает набегающий на него поток воздуха и преодолевает усилие на то, чтобы раздвинуть молекулы воздуха. В результате возникает зона повышенного давления. Далее воздух обтекает поверхность автомобиля. В процессе чего происходит срыв воздушных струй с образованием завихрений. Окончательный срыв воздушного потока в задней части автомобиля создает зону пониженного давления. Сопротивление спереди и всасывающий эффект сзади автомобиля создают очень серьезное противодействие. Этот факт обязывает дизайнеров и конструкторов искать пути по приданию кузову. Разложить по полкам.
Теперь необходимо рассмотреть форму автомобиля, что называется, "от бампера до бампера". Какие из деталей и элементов оказывают большее влияние на общую аэродинамику машины. Передняя часть кузова. Экспериментами в аэродинамической трубе было установлено, что для лучшей аэродинамики передняя часть кузова должна быть низкой, широкой и не иметь острых углов. В этом случае не происходит отрыва воздушного потока, что очень благотворно сказывается на обтекаемости автомобиля. Решетка радиатора – элемент зачастую не только функциональный, но и декоративный. Ведь радиатор и двигатель должны иметь эффективный обдув, поэтому этот элемент имеет очень большое значение. Некоторые автоконцерны изучают эргономику и распределение воздушных потоков в подкапотном пространстве столь же серьезно, как и общую аэродинамику автомобиля. Наклон ветрового стекла – очень яркий пример компромисса обтекаемости, эргономики и эксплуатационных качеств. Недостаточный его наклон создает излишнее сопротивление, а чрезмерный – увеличивает запыленность и массу самого стекла, в сумерках резко падает обзорность, требуется увеличить размеры стеклоочистителя и т. д. Переход от стекла к боковине должен осуществляться плавно.
Но нельзя увлекаться излишней кривизной стекла – это может увеличить искажения и ухудшить видимость. Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. Но, работая над формой стойки, нельзя забывать о защите передних боковых стекол от попадания дождевой воды и грязи, сдуваемой с ветрового стекла, поддержании приемлемого уровня внешнего аэродинамического шума и др. Крыша. Увеличение выпуклости крыши может привести к уменьшению коэффициента аэродинамического сопротивления. Но значительное увеличение выпуклости может конфликтовать с общим дизайном автомобиля. Кроме того, если увеличение выпуклости сопровождается одновременным увеличением площади лобового сопротивления, то сила сопротивления воздуха возрастает. А с другой стороны, если попытаться сохранить первоначальную высоту, то ветровое и заднее стекла должны будут внедряться в крыши, поскольку обзорность ухудшаться не должна. Это приведет к удорожанию стекол, уменьшение же силы сопротивления воздуха в этом случае не столь значительно.
Боковые поверхности. С точки зрения аэродинамики автомобиля боковые поверхности оказывают небольшое влияние на создание безвихревого потока. Но округлять их слишком нельзя. Иначе трудно будет забираться в такой автомобиль. Стекла должны по возможности составлять единое целое с боковой поверхностью и располагаться на одной линии с наружным контуром автомобиля. Любые ступеньки и перемычки создают дополнительные препятствия для прохождения воздуха, появляются нежелательные завихрения. Можно заметить, что водосточные желоба, которые ранее присутствовали практически на любом автомобиле, уже не используются. Появились иные конструктивные решения, не оказывающие столь большого влияния на аэродинамику автомобиля.
Задняя часть автомобиля оказывает, пожалуй, наибольшее влияние на коэффициент обтекаемости. Объясняется это просто. В задней части воздушный поток отрывается и образует завихрения. Заднюю часть автомобиля практически невозможно сделать такой же обтекаемой, как дирижабль (длина в 6 раз больше ширины). Поэтому над ее формой работают более тщательно. Один из основных параметров – угол наклона задней части автомобиля. Уже хрестоматийным стал пример российского автомобиля "Москвич-2141", где именно неудачное решение задней части значительно ухудшило общую аэродинамику автомобиля. Но, с другой стороны, заднее стекло "москвича" всегда оставалось чистым. Снова компромисс. Именно поэтому так много дополнительных навесных элементов делается именно на заднюю часть автомобиля: антикрылья, спойлеры и т. д. Наряду с углом наклона задней части на коэффициент аэродинамического сопротивления сильно влияет оформление и форма боковой кромки задней части автомобиля. Например, если посмотреть практически на любой современный автомобиль сверху, сразу видно, что кузов спереди шире, чем сзади. Это тоже аэродинамика. Днище автомобиля.
Как может показаться поначалу, эта часть кузова не может оказать влияния на аэродинамику. Но тут возникает такой аспект, как прижимная сила. От нее зависит устойчивость автомобиля и то, насколько правильно организован поток воздуха под днищем автомобиля, зависит в итоге сила его "прилипания" к дороге. То есть если воздух под автомобилем не задерживается, а протекает быстро, то возникающее там пониженное давление будет прижимать автомобиль к дорожному полотну. Особенно это важно для обычных автомобилей. Дело в том, что у гоночных машин, которые соревнуются на качественных, ровных покрытиях, можно установить настолько малый клиренс, что начнет проявляться эффект "земной подушки", при котором прижимная сила увеличивается, а лобовое сопротивление уменьшается. Для нормальных автомобилей низкий дорожный просвет неприемлем. Поэтому конструкторы в последнее время стараются как можно больше сгладить днище автомобиля, закрыть щитками такие неровные элементы, как выхлопные трубы, рычаги подвески и т. д. Кстати, колесные ниши оказывают очень большое влияние на аэродинамику автомобиля. Неправильно спроектированные ниши могут создавать дополнительную подъемную силу.
И снова ветер
Нет необходимости говорить о том, что от обтекаемости автомобиля зависит требуемая мощность двигателя, следовательно, и расход топлива (т. е. кошелек). Однако аэродинамика влияет не только на скорость и экономичность. Не последнее место занимают задачи по обеспечению хорошей курсовой устойчивости, управляемости автомобиля и снижения шумов при его движении. С шумами все ясно: чем лучше обтекаемость автомобиля, качество поверхностей, чем меньше величина зазоров и количество выступающих элементов и т. п., тем меньше шумы. Конструкторам приходится думать и о таком аспекте, как разворачивающий момент. Этот эффект хорошо известен большинству водителей. Кто хоть раз проезжал на большой скорости мимо "фуры" или просто ездил при сильном боковом ветре, должен был почувствовать появление крена или даже небольшое разворачивание автомобиля. Нет смысла объяснять этот эффект, но это именно проблема аэродинамики.
Вот почему коэффициент Cx не единственный. Ведь воздух может воздействовать на автомобиль не только "в лоб", но и под разными углами и в разных направлениях. И все это оказывает влияние на управляемость и безопасность. Это лишь несколько основных аспектов, влияющих на общую силу сопротивления воздуха. Просчитать все параметры невозможно. Существующие формулы не дают полной картины. Поэтому конструкторы исследуют аэродинамику автомобиля и корректируют его форму при помощи такого дорогого инструмента, как аэродинамическая труба. Западные фирмы не жалеют денег на их строительство. Стоимость таких исследовательских центров может исчисляться миллионами долларов. К примеру: концерн Daimler-Chrysler вложил $37,5 млн. в создание специализированного комплекса по совершенствованию аэродинамики своих автомобилей. В настоящее время аэродинамическая труба – наиболее значимый инструмент исследования сил сопротивления воздуха, влияющих на автомобиль.
Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:
- рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
- обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
- продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
- стремятся понизить уровень шумов в салоне,
- оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.
Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.
Снижение лобового сопротивления
От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».
Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:
- внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
- сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
- сопротивления формы.
Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.
Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.
Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.
Прижимная сила
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.
Практическая аэродинамика
Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.
При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.
Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.
Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником - тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище - за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много - от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.
Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.
Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.
Во многих областях науки и техники, которые связаны со скоростью, часто возникает необходимость расчета сил, действующих на объект. Современный автомобиль, истребитель, подводная лодка или скоростной электропоезд - все они испытывают на себе влияние аэродинамических сил. Точность определения величины этих сил напрямую влияет на технические характеристики указанных объектов и на их способность выполнять те или иные задачи. В общем случае силы трения определяют уровень мощности двигательной установки, а поперечные силы влияют на управляемость объекта.
При традиционной схеме проектирования для определения сил используются продувки в аэродинамических трубах (как правило, уменьшенных моделей), испытания в бассейнах и натурные испытания. Однако все экспериментальные исследования - это достаточно дорогой способ получения подобных знаний. Для того чтобы испытать модельное устройство, необходимо сначала его изготовить, затем составить программу испытаний, подготовить стенд и, наконец, провести серию замеров. При этом в большинстве случаев на достоверность результатов испытаний будут влиять допущения, вызванные отступлением от реальных условий эксплуатации объекта.
Эксперимент или расчет?
Рассмотрим более подробно причины несовпадения результатов экспериментов с реальным поведением объекта.
При исследовании моделей в условиях ограниченного пространства, например в аэродинамических трубах, граничные поверхности оказывают существенное влияние на структуру течения около объекта. Уменьшение масштаба модели позволяет решить данную проблему, однако при этом следует учитывать изменение числа Рейнольдса (так называемый масштабный эффект).
В отдельных случаях искажения могут быть вызваны принципиальным несоответствием реальных условий обтекания тела и моделируемых в трубе. Например, при продувке скоростных автомобилей или поездов отсутствие в аэродинамической трубе подвижной горизонтальной поверхности серьезным образом изменяет общую картину обтекания, а также влияет на баланс аэродинамических сил. Данный эффект связан с нарастанием пограничного слоя.
Способы измерения также вносят погрешности в измеряемые величины. Неправильная схема размещения датчиков на объекте или неверная ориентация их рабочих частей, может привести к получению некорректных результатов.
Ускорение проектирования
В настоящее время ведущие отраслевые компании на этапе эскизного проектирования широко используют технологии компьютерного моделирования CAE. Это позволяет рассмотреть большее количество вариантов при поиске оптимальной конструкции.
Современный уровень развития программного комплекса ANSYS CFX значительно расширяет область его применения: от моделирования ламинарных течений до турбулентных потоков с сильной анизотропией параметров.
Широкий набор используемых моделей турбулентности включает традиционные модели RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), обладающие лучшим соотношением «скорость-точность», модель турбулентности SST (Shear Stress Transport) (двухслойная модель Ментера), удачно сочетающая в себе достоинства моделей турбулентности «k-e» и «k-w». Для потоков с развитой анизотропией больше подходят модели RSM (Reynolds Stress Model) типа. Прямой расчет параметров турбулентности по направлениям позволяет точнее определять характеристики вихревого движения потока.
В отдельных случаях рекомендуется применять модели, построенные на вихревых теориях: DES (Detachable Eddy Simulation) и LES (Large Eddy Simulation). Специально для случаев, где особенно важен учет процессов ламинарно-турбулентного перехода, разработана модель Transition Turbulence Model, созданная на основе хорошо зарекомендовавшей себя SST-технологии. Модель прошла обширную программу тестирования на различных объектах (от лопаточных машин до пассажирских самолетов) и показала прекрасную корреляцию с экспериментальными данными.
Авиация
Создание современных боевых и гражданских самолетов невозможно без глубокого анализа всех его характеристик еще на начальном этапе проектирования. От тщательной проработки формы несущих поверхностей и обводов напрямую зависит экономичность самолета, его скорость и маневренность.
Сегодня все крупные самолетостроительные компании в той или иной степени применяют компьютерный анализ при разработке новых изделий.
Большие возможности по анализу сложных течений открывает перед исследователями переходная модель турбулентности, которая корректно анализирует режимы течения, близкие к ламинарным, течения с развитыми зонами отрыва и присоединения потока. Это еще больше сокращает разницу между результатами численных расчетов и реальной картиной течения.
Автомобилестроение
Современный автомобиль должен обладать повышенной экономичностью при высокой эффективности использования мощности. И конечно, основными определяющими компонентами являются двигатель и кузов.
Для обеспечения эффективности всех систем двигателя ведущие западные компании уже давно используют технологии компьютерного моделирования. Например, компания Robert Bosch Gmbh (Германия), производитель широкого спектра узлов для современных дизельных автомобилей, при разработке системы подачи топлива Common Rail использовала ANSYS CFX (для усовершенствования характеристик впрыска).
Компания BMW, двигатели которой уже несколько лет подряд завоевывают звание «Лучший двигатель года» (International Engine of the Year), применяет ANSYS CFX для моделирования процессов в камерах сгорания ДВС.
Внешняя аэродинамика также является средством повышения эффективности использования мощности двигателя. Обычно речь идет не только о снижении коэффициента сопротивления, но и о балансе прижимной силы, необходимом любому скоростному автомобилю.
В качестве предельного выражения этих характеристик выступают гоночные автомобили различных классов. Все без исключения участники чемпионата F1 используют компьютерный анализ аэродинамики своих болидов. Спортивные достижения наглядным образом доказывают преимущества этих технологий, многие из которых уже применяются и при создании серийных автомобилей.
В России пионером в этой области является команда Active-Pro Racing: гоночный автомобиль класса «Формула-1600» развивает скорость свыше 250 км/ч и является вершиной российского кольцевого автоспорта. Использование комплекса ANSYS CFX (рис. 4) для проектирования нового аэродинамического оперения болида позволило значительно сократить количество вариантов конструкции при поиске оптимального решения.
Сравнение расчетных данных и результатов продувок в аэродинамической трубе показало ожидаемую разницу. Она объясняется неподвижным полом в трубе, который вызывал рост толщины пограничного слоя. Поэтому аэродинамические элементы, расположенные достаточно низко, работали в непривычных для себя условиях.
Однако компьютерная модель полностью соответствовала реальным условиям движения, что позволило значительно улучшить эффективность оперения болида.
Строительство
Сегодня архитекторы более свободно подходят к внешнему облику проектируемых зданий, чем 20 или 30 лет назад. Футуристические творения современных архитекторов, как правило, имеют сложные геометрические формы, для которых неизвестны значения аэродинамических коэффициентов (необходимых для назначения расчетных ветровых нагрузок на несущие конструкции).
В этом случае для получения аэродинамических характеристик здания (и силовых факторов воздействия), помимо традиционных испытаний в аэродинамических трубах, все чаще используются средства CAE. Пример такого расчета в ANSYS CFX показан на рис. 5.
Кроме того, ANSYS CFX традиционно используется для моделирования систем вентиляции и отопления производственных помещений, административных зданий, офисных и спортивно-развлекательных комплексов.
Для анализа температурного режима и характера воздушных потоков в помещении ледовой арены СК «Крылатское» (г. Москва) инженеры Olof Granlund Oy (Финляндия) использовали программный комплекс ANSYS CFX. Трибуны стадиона вмещают в себя около 10 тыс. зрителей, а тепловая нагрузка от них может составить более 1 МВт (из расчета 100-120 Вт/чел). Для сравнения: чтобы нагреть 1 л воды от 0 до 100 °С требуется чуть больше 4 кВт энергии.
Рис. 5. Распределение давления на поверхности сооружений
Подводя итоги
Как можно видеть, вычислительные технологии в аэродинамике достигли такого уровня, о котором мы могли только мечтать 10 лет назад. В то же время не стоит противопоставлять компьютерное моделирование экспериментальным исследованиям - гораздо лучше, если эти методы будут дополнять друг друга.
Комплекс ANSYS CFX позволяет инженерам решать и такие сложные задачи, как, например, определение деформаций конструкции при воздействии на нее аэродинамических нагрузок. Это способствует более корректной постановке многих задач как внутренней, так и внешней аэродинамики: от задач флаттера лопаточных машин до ветрового и волнового воздействия на морские сооружения.
Все расчетные возможности комплекса ANSYS CFX доступны и в среде ANSYS Workbench.