Коэффициент обтекаемости автомобиля: Аэродинамическое сопротивление автомобиля

Содержание

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 ми коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

что это такое, на что влияет и как измерить самостоятельно?

Под коэффициентом аэродинамического сопротивления понимают безразмерную величину, отражающую отношение сопротивления воздуха при движении транспортного средства к силе сопротивления движения цилиндра. Данный параметр обозначается, как «cW». Каждый современный автопроизводитель постоянно ищет способы, как улучшить аэродинамические свойства своих машин. Дело в том, что от обтекаемости автомобиля напрямую зависят такие показатели, как расход топлива (или электроэнергии в случае с «зелеными» авто), устойчивость на дороге и скорость. Все это в конечном итоге влияет на безопасность автовладельца.

Что такое аэродинамический коэффициент?

Цифры, которые демонстрируют современные транспортные средства, еще несколько лет назад казались недостижимым результатом. Автопроизводители ежегодно совершают в этой области маленькую революцию. Если говорит про коэффициент аэродинамического сопротивления простым языком, то это показатель, который демонстрирует, насколько легко машина «прорезает» воздух по сравнению с условным цилиндром, площадь поперечного сечения которого равна максимальной площади сечения транспортного средства. Коротко это еще называют мидель. В базовых расчётах у условного цилиндра показатель cW равен единице. Но в реальности это значение зависит от длины цилиндра.

Аэросопротивление напрямую зависит от формы тела. Если, к примеру, вместо цилиндра взять плоский щит аналогичного диаметра, то его сопротивление будет на 17-20 процентов больше, чем у цилиндра. Такого эффекта ему удается добиться за счет завихрений, которые создаются позади. Их еще называют зоной разряженного воздуха и она, как бы самостоятельно, тянет щит назад. Точно также происходит и с машинами. Для измерения аэродинамического коэффициента необходимо разделить силу лобового сопротивления транспортного средства на произведение скоростного напора и площадь миделевого сечения авто.

Идеальные результат аэродинамического коэффициента демонстрирует капля. У нее cW равен всего 0,04. Это значит, что капля обтекаема более, чем на 96%, если сравнивать с цилиндром с аналогичными диаметрами. Ее главный секрет в форме. Дело в том, что спереди капля представляет собой округлый «обтекатель», а в задней части у нее расположен длинный сужающийся хвостик. Из-за этого создается минимальное количество завихрений. Первые автокомпании, которые работали над созданием динамичных машин, брали за основу именно каплеобразную форму. Стоит только вспомнить отечественную Победу с ее вытянутым «хвостом».

Что влияет на показатель?

У современных легковушек показатель коэффициента в среднем составляет 0,3. Сила, с которой воздух сопротивляется движению машины, в первую очередь зависит от скорости. С возрастанием последней сопротивление возрастает квадратично. От этого зависит расход горючего на каждые 100 км пути. Стоит отметить, что скорость ограничена не только силовым возможностями мотора, но и аэродинамическими особенностями транспортного средства.

При создании новых моделей разработчики также обращают внимание на подъемную силу, так как по своей форме любая машина похожа на крыло самолета. Это обозначает, что воздушные массы, проходящие над авто, преодолевают более длинную дистанцию нежели те, что под ним. Из-за этого под днищем ТС образуется зона повышенного давления, а над ним – разряженного воздуха. Для улучшения коэффициента автомобильные разработчики используют всевозможные элементы. В их числе:

  • накладки на крыше;
  • антикрылья;
  • сплиттеры;
  • спойлеры;
  • диффузоры.

Наибольшим коэффициентом аэродинамического сопротивления обладают гоночные болиды, так как те обладают практически идеальной формой и могут развивать высокую скорость, которая прижимает их к земле. Далее идут спортивные автомобили, например, Ford Mustang. Затем легковые машины и внедорожники. Впрочем, если брать в пример гражданские авто, то в их случае говорить об аэродинамических показателях не приходится. Конечно, производители применяют различные ухищрения, снижая при этом подъемную силу. Но этого все равно недостаточно для стабильного движения на высоких скоростях.

Как измерить коэффициент на практике?

Для того, чтобы «вживую» вычислить аэродинамические показатели транспортного средства, автопроизводители используют метод «продувки». Для этого машина или ее макет помещаются в аэродинамическую трубу. В ней на кузов на разных скоростях действует воздушный поток, благодаря чему измеряются реальные силы. Сама аэродинамическая труба достаточно массивная в плане габаритов. К примеру, на заводе АвтоВАЗа ее длина составляет 67,5 метров, а ширина – 150 метров. Воздушный поток создается с помощью вентилятора, диаметром 7,4 м, и он проходит путь в 150 м. Предельная скорость потока достигает 216 км/ч.

Худшие и лучшие модели

Не всегда автопроизводители готовы раскрывать реальные аэродинамические показатели своих моделей. Кроме того, некоторые разработчики никогда не проводили подобные измерения для ряда машин. Поэтому автомобилей с плохой аэродинамикой на рынке достаточно. Самыми яркими представителями машин с известными показателями являются:

Определить лучших из лучших по данному показателю модель достаточно сложно, так как производители идут буквально «колесо в колесо». Места в десятке лидеров делят сразу 20 автомобилей различных иностранных марок. На третьем месте расположился американский электрокар Tesla Model 3. Его коэффициент аэродинамического сопротивления равен 0,21. Второй стала модель General Motors EV1 с результатом cW 0,195. Лидирует в этом списке футуристичный автомобиль Volkswagen XL1. Его показатель составляет всего 0,189. При такой впечатляющей динамике машина тратит всего 1 литр топлива на 100 км пути.

15 машин с наилучшей аэродинамикой — журнал За рулем

От аэродинамики автомобиля напрямую зависит расход топлива, скоростные характеристики, устойчивость на дороге. У каких машин лучший коэффициент аэродинамического сопротивления? Мы сформировали топ моделей по этому показателю за всю историю автомобилестроения, а также выявили автомобили с самыми низкими коэффициентами Cx, которые можно купить сейчас — новыми или с пробегом.

Материалы по теме

Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx может помочь сэкономить деньги или побить рекорд скорости. Ведь чем этот показатель ниже, тем лучше аэродинамика автомобиля. Значит, машина будет быстрее разгоняться и потреблять меньше топлива.

Выражаясь совсем уж просто, Споказывает, насколько легче машина рассекает воздух по сравнению с условным цилиндром, площадь поперечного сечения которого равна максимальной площади сечения автомобиля. Коэффициент Cx можно уменьшить, соответственно, уменьшив площадь поперечного сечения машины. К примеру, убрать большие зеркала заднего вида, заменив их крошечными телекамерами. Однако идеальной обтекаемостью обладает только каплевидное тело. Сx капли равен 0,04. Чем кузов автомобиля «каплевиднее», тем и коэффициент ниже. Дело тут в завихрениях, которые создает автомобиль, двигаясь вперед. За машиной возникает зона разрежения, которая как бы тянет автомобиль назад. Чем кузов машины больше и чем он угловатее сзади, тем больше эта зона. А вот корма капли создает минимум завихрений. Поэтому Cx хэтчбеков больше, нежели Cx седанов с вытянутым багажником.

Все видели, как на гонках автомобиль вдруг взлетает, как самолет. Подъемная сила — еще одна проблема в аэродинамике. Она актуальна не только для гоночных болидов, но и для спорткаров. Чтобы снизить подъемную силу, конструкторы придумывают антикрылья (перевернутое крыло), различные спойлеры и сплиттеры. Эти элементы увеличивают прижимную силу, благодаря чему машина как будто прилипает к дороге. Но эти элементы создают за автомобилем разрежение воздуха, увеличивая коэффициент Cx. Вот поэтому коэффициент аэродинамического сопротивления спорткаров подчас выше, чем обычных гражданских машин.

Далее — подборка самых аэродинамически эффективных машин за всю историю автомобилестроения, коэффициент Cx которых ниже 0,2!

Самыми лучшими в мире машинами с точки зрения аэродинамики оказались концепты и гоночные болиды. А что в зачете товарных машин, среди тех, что можно купить в автосалоне, с пробегом или без него? Итак, ниже рейтинг серийных автомобилей, коэффициент аэродинамического сопротивления Cx которых не превышает 0,3.

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобилей таблица

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м 2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Сопротивление воздуха

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м 2 ; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м 3 ; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.

Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей
Кузов автомобиляКоэффициент сопротивления воздуха cxМощность, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления (кВт), при площади фронтальной проекции 2 м 2 и скорости
40 км/ч80 км/ч120 км/ч
Открытый четырёхместный0,7 – 0,91,18 – 1,479,6 – 11,831,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней0,6 – 0,70,96 – 1,188,0 – 9,626,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней0,5 – 0,60,80 – 0,966,6 – 8,022,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный0,4 – 0,50,66 – 0,805,2 – 6,617,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый0,3 – 0,40,52 – 0,663,7 – 5,213,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный0,20 – 0,250,33 – 0,442,6 – 3,39,8 – 11,0
Грузовой автомобиль0,8 – 1,5
Автобус0,6 – 0,7
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом0,3 – 0,4
Мотоцикл0,6 – 0,7

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

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

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению
Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции S автомобиля 2 м 2 ; коэффициент сопротивления качению f равен 0,015; коэффициент аэродинамического сопротивления сх равен 0,456.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

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

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

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

Читайте также

Вариатор – автоматическая трансмиссия, способная плавно изменять передаточное отношение в некотором диапазоне регулирования.

Статья рассказывает о том, когда был создан первый электромобиль. Освещает особенности развития конструкции ранних электромобилей. Также рассматриваются преимущества и недостатки, приведшие к их упадку.

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 110 — 114 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru

Комментарии

спасибо автору. все довольно просто рассказано:)

Понимаю, почему сопротивление имеет квадратичную зависимость от скорости, но никак не пойму, почему «мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости»?

График сопротивления неправильный. Сумма сопротивлений всегда будет больше сопротивления воздуха — параболы не будут пересекаться!

Все отлично только добавить про турбулентные и ламинарные потоки.

Аэродинамика автомобиля

Зачем это нужно

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

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

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

Снижение лобового сопротивления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прижимная сила

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

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

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

Практическая аэродинамика

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

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

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

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

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

Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.

Сопротивление воздуха (аэродинамическое)

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
66054 5

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

Pv = cx·S·v2·ρ/2,

где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

Nv = Pv·v/3600 (кВт),

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.

Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей
Кузов автомобиля Коэффициент сопротивления воздуха cx Мощность, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления (кВт), при площади фронтальной проекции 2 м2 и скорости
40 км/ч 80 км/ч 120 км/ч
Открытый четырёхместный 0,7 – 0,9 1,18 – 1,47 9,6 – 11,8 31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней 0,6 – 0,7 0,96 – 1,18 8,0 – 9,6 26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней 0,5 – 0,6 0,80 – 0,96 6,6 – 8,0 22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный 0,4 – 0,5 0,66 – 0,80 5,2 – 6,6 17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый 0,3 – 0,4 0,52 – 0,66 3,7 – 5,2 13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный 0,20 – 0,25 0,33 – 0,44 2,6 – 3,3 9,8 – 11,0
Грузовой автомобиль 0,8 – 1,5
Автобус 0,6 – 0,7
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом 0,3 – 0,4
Мотоцикл 0,6 – 0,7

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

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

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению
Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции S автомобиля 2 м2; коэффициент сопротивления качению f равен 0,015; коэффициент аэродинамического сопротивления сх равен 0,456.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

N2 = N1·(v2/v1)3,

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

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

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

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 16.03.2011

Читайте также

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 110 — 114 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru

Комментарии

Коэффициент аэродинамического сопротивления во Flow simulation 2016

Вступление.

Добрый день, дорогие читатели. В данном посте я хочу рассказать, как посредствам внутреннего анализа во Flow simulation выполнить внешний анализ детали или конструкции на определения коэффициента аэродинамического сопротивления и результирующей силы. Так же рассмотреть создание локальной сетки и задание целей ‘цель-выражение’ для упрощения и автоматизации расчетов. Приведу основные понятия по коэффициенту аэродинамического сопротивления. Все эти сведения помогут быстро и грамотно спроектировать бедующее изделия и в дальнейшем распечатать его для практического использования.

Матчасть.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (далее КАС) определяется экспериментально при испытаниях в аэродинамической трубе или испытаниях при движении накатом. Определение КАС приходит с формулой 1

формула 1

КАС разных форм колеблется в широком диапазоне. Рисунок 1 показывает эти коэффициенты для ряда форм. В каждом случае предполагается, что воздух, набегающий на тело, не имеет боковой компоненты (то есть движется прямо вдоль продольной оси транспортного средства). Обратите внимание, что простая плоская пластина имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 1.95. Этот коэффициент означает, что сила лобового сопротивления в 1.95 раза больше, чем динамическое давление, действующее на площадь пластины. Крайне большое сопротивление, создаваемое пластиной, связано с тем, что воздух, растекающийся вокруг пластины, создаёт область отрыва гораздо большую, чем сама пластина.

Рисунок 1.

В жизни в дополнение к составляющей ветра, вытекающей из скорости движения автомобиля, учитывают скрость находящего ветра на автомобиль. И того для определения скорости потока верно следующее утверждение V=Vавто+Vветра.

Если находящий ветер является попутным то скорость вычитается.

Коэффициент аэродинамического сопротивления нужен для определения аэродинамического сопротивления, но в данной статье будет рассматриваться только сам коэффициент.

Исходные данные.

Расчет выполнялся в Solidworks 2016, модуль Flow simulation (далее FS). В качестве исходных данных были взяты следующие параметры: скорость вытекающая из скорости движения автомобиля V=40 м/с, температура окружающей среды плюс 20 градусов Цельсия, плотность воздуха 1,204 кг/м3. Геометрическая модель автомобиля представлена упрощенно (см. рисунок 2).

Рисунок 2.

Шаги задания начальных и граничных условий во Flow simulation.

Процесс добавления модуля FS и общий принцип формирования задания на расчет описан в этой статье, я же опишу характерные особенности для внешнего анализа посредствам внутреннего.

1.На первом шаге добавляем модель в рабочее пространство.

Рисунок 2.

2. Далее моделируем аэродинамическую камеру прямоугольного сечения. Главная особенность при моделирование это отсутствие торцов, иначе мы не сможем задать граничные условия. Модель автомобиля должна находится в центре. Ширина трубы должна соответствовать 1,5* ширины модели в обе стороны, длина трубы 1,5*длины модели, от задней части модели и 2*длины автомобиля от бампера, высота трубы 1,5*высоты машины от плоскости на которой стоит машина.

Рисунок 3.

3. Входим в модуль FS. Задаём граничные условия на первой грани входной поток.

Рисунок 4.

Выбираем тип: расход/скорость->скорость на входе. Задаём нашу скорость. Выбираем параллельную грань к передней части авто. Нажимаем галочку.

Рисунок 5.

Задаём граничное условие на выходе. Выбираем тип: давление, всё оставляем по умолчанию. Жмём галку.

Итак, граничные условия заданы переходим к заданию на расчёт.

4. Нажимаем на мастер проекта и следуем инструкции по рисункам ниже.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

В пункте завершение оставляем всё без изменений. Нажимаем завершить.

5. На этом шаге займёмся управлением и созданием локальной сетки. Нажимаем на дереве элементов FS на пункт: сетка, правой кнопкой мыши и выбираем: добавить локальную сетку.

Рисунок 12.

Рисунок 13.

Здесь можно указать параметры и область локальной сетки, для сложных моделей так же задаётся угол кривизны и минимальный размер элемента. Минимальный размер задаётся в графе ‘закрытие узкие щели’. Данная функция существенно сокращает время расчета и увеличивает точность полученных данных. В зависимости от того, насколько точно вы хотите получить результаты, выставляется параметр дробление сетки. Для внутреннего анализа вполне подходят стандартные настройки. Далее будет показана визуализация сетки на поверхности.

6.Перед тем как запустить расчет нужно задать цели расчета. Цели задаются в дереве FS цели. В начале задаём глобальные цели, выбираем силы по каждой компоненте.

Рисунок 14.

После нам нужно задать ‘цели-выражения’. Для этого щелкаем правой кнопкой мыши в дереве FS на цели и выбираем ‘цель выражение’. Для начала зададим уравнения для результирующей силы .

Рисунок 15.

Что бы компанента по силе использовалась в выражение нужно щёлкнуть на неё левой кнопкой мыши , ссылка на компоненту появится в формуле. Здесь вводим формулу 2. Нажимаем на галку.

Формула 2.

Создаём вторую ‘цель-выражение’, записываем туда формулу 1.

Рисунок 16.

КАС расчтывается для лобового стекла. В данной модели лобовое стекло это наклонная грань, грань наклонена на 155 градусов, поэтому сила по X умножается на sin(155*(пи/180)). Нужно помнить, что расчет ведётся по системе си и соответственно площадь наклонной грани должна измеряться в метрах квадратных.

7. Теперь можно приступить к расчету, запускаем расчет.

Рисунок 17.

При запуске расчета программа предоставляет выбор на чем производить расчет, мы можем выбрать количество ядер участвующие в расчете и рабочие станции.

Рисунок 18.

Так как задача не сложная расчет проходит меньше чем за минуту, поэтому мы нажмём на паузу после его запуска.

Рисунок 19.

Теперь нажимаем на кнопку ‘вставить график’, выбираем наши цели выражения.

Рисунок 20.

На графике будут показаны значения для наших выражений для каждой итерации.

Для наблюдения происходящего процесса во время расчета можно использовать ‘предварительный просмотр’. При включении предварительного просмотра время нашего расчета увеличивается, а смысла от него мало, поэтому я не советую включать данную опцию, но покажу как это выглядит.

Рисунок 21.

Рисунок 22.

То что эпюра перевёрнута нет ни чего страшного, это зависит от ориентации модели.

Расчёт заканчивается когда все цели сошлись.

Рисунок 23.

Результаты должны загрузиться автоматически, если этого не произошло догрузите вручную: инструменты->FS->результаты->загрузить из файла

8. После расчета можно посмотреть сетку на модели.

Рисунок 24.

Рисунок 25.

Выбираем грани где хотим видеть сетку.

Рисунок 26.

Такая сетка нам подходим, одна ячейка не больше самого маленького элемента в модели.

9. Теперь мы можем визуализировать полученные результаты.

Рисунок 27.

Рисунок 28.

Рисунок 29.

Мы можем наглядно увидеть и оценить правильность результатов. Под правильностью я подразумеваю, что бы они соответствовали действительным физическим процессам.

10. На красивых картинках дело не заканчивается. Для нас важно знать числовые параметры и уметь их извлекать из расчета. Ниже рассмотрено как результаты импортировать в экс ель.

Рисунок 30.

Рисунок 31.

Рисунок 32.

Эти данные можно использовать для проведение исследования зависимости угла наклона лобового стекла и величины КАС. Все результаты расчета во FS можно импортировать в другие расчетные комплексы и использовать уже в качестве входных данных, расчетов на прочность и т.д.

На этом можно закончить статью, если будут пожелания рассмотреть какой либо еще анализ или по глубже капнуть в аэродинамику, обязательно исполню.

Модель для скачивания P.S. занимаюсь расчетами на прочность.

Аэродинамика автомобиля — что такое коэффициент Cx и как определяется

Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли — она обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что влияет.

Основные факты аэродинамики

Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, — снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы — 310 л.с.

Коэффициент Cx

Определяется экспериментально и описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной её Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли — примерно 0,05.

При нормальной эксплуатации авто важнее сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива. Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние оказывают небольшое.


Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент — аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные машины обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова авто.

У большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,24-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения — идеал, которого может достичь данная модель.

Прижимная и подъемная силы

Подъемная сила — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. Частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, т.е. более выпуклую поверхность. Согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды «Формулы-1» имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колёса. Для них важнее другие параметры и прежде всего — прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колёс с дорогой и устойчивость в повороте.

Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.

Для снижения подъемной силы

Используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление, и машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А антикрыло работает на создание прижимной силы. Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. Работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива — больше.

Для уменьшения прижимной силы

В автоспорте используют диффузоры – они способны присосать автомобиль к трассе. Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила.

Но для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны плоское днище и минимальный дорожный просвет. Значит диффузоры в задней части обычных машин не дают эффекта улучшения аэродинамики.

Air Resistance: The Invisible Enemy in Vehicle Design

Конструкторы транспортных средств, независимо от того, специализируются ли они на гоночных автомобилях, грузовиках, обычных транспортных средствах или даже мотоциклах, должны каждый день сражаться с невидимым врагом — сопротивлением воздуха. Проще говоря, когда тело движется, воздух вокруг него создает сопротивление в направлении, противоположном движению. Что касается транспортных средств, сопротивление воздуха влияет на комфорт пассажиров, расход топлива, устойчивость и многие другие факторы производительности.

Сопротивление воздуха

Измерение сопротивления воздуха

Источник: TheOtherJesse, Wikimedia Commons Ниже приведено уравнение сопротивления, которое представляет силу сопротивления, испытываемую телом при движении через воздух (или любую другую жидкость). Он состоит из плотности жидкости (которую мы не можем изменить), контрольной площади (лобовая область в случае автомобилей или мотоциклов), коэффициента лобового сопротивления (определяемого формой тела) и скорости потока ( относительно объекта)

Уравнение показывает, что единственные параметры, которые может изменять дизайнер, — это опорная область объекта и коэффициент сопротивления.Для автомобилей и многих других объектов эталонной областью является проецируемая фронтальная область транспортного средства.

Коэффициент лобового сопротивления находится в диапазоне от 0, а более низкий коэффициент лобового сопротивления указывает на то, что транспортное средство будет менее воздухонепроницаемым, что снижает коэффициент лобового сопротивления и улучшает характеристики транспортного средства в части скорости и топливной экономичности. Это два значения, на которые необходимо обратить внимание, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление транспортного средства.


Генеральный директор SimScale Дэвид Хейни тестирует возможности облачного моделирования для решения инженерных задач.Заполните форму и посмотрите эту бесплатную запись вебинара, чтобы узнать больше!


Конструкция с воздушным сопротивлением

Эволюция оптимизированной конструкции автомобиля Геометрия автомобилей в зависимости от сопротивления воздуха (Источник: By Eshaan 1992, из Wikimedia Commons)

Несколько десятилетий назад, когда никто не изучал аэродинамику транспортных средств, их конструкции, как правило, были довольно «квадратными» с угловатыми формами. С тех пор многое изменилось: производители автомобилей неуклонно улучшали аэродинамику, стремясь сделать каждую новую модель более гладкой и «скользкой», чем предыдущая, позволяя воздуху легко обтекать ее с наименьшим возможным сопротивлением.

Современные методы проектирования транспортных средств, которые помогают снизить сопротивление воздуха, включают, помимо гладкости общей формы транспортного средства, углубление дворников и дверных ручек ветрового стекла, оптимизацию наружных зеркал, устранение выступов по краям крыши и многое другое — все которые помогают уменьшить лобовое сопротивление и предотвратить потерю эффективности.

Аэродинамические трубы и воздушное сопротивление

Внедрение аэродинамических труб в конструкцию транспортных средств

Однако это все еще относительно недавние разработки.До 1980-х годов обтекаемая конструкция автомобилей была ограничена гоночными и высококлассными спортивными автомобилями, пока не были введены испытания в аэродинамической трубе, которые принесли на рынок оптимизированные с точки зрения аэродинамики потребительские автомобили. Вскоре аэродинамические трубы стали одним из важнейших инструментов улучшения аэродинамики транспортных средств.

В аэродинамической трубе прототип транспортного средства фиксируется на месте, когда к нему направляется поток воздуха, имитирующий воздушный поток, с которым транспортное средство может столкнуться при движении по реальной дороге.Затем измеряется величина создаваемого сопротивления для оценки коэффициента сопротивления и оценки общих аэродинамических характеристик транспортного средства.

Улучшение сопротивления воздуха

Улучшение аэродинамики конструкции автомобиля с помощью моделирования Аэродинамический анализ автомобиля Perrinn F1 с помощью SimScale

Физические аэродинамические трубы были отраслевым стандартом для производителей и конструкторов автомобилей до внедрения моделирования потоков жидкости с помощью виртуальных аэродинамических труб. Помимо высоких затрат на первоначальную настройку, физические испытания в аэродинамической трубе отнимают много времени и могут значительно увеличить цикл разработки продукта.С другой стороны, инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) значительно более эффективны, они в значительной степени сокращают затраты и время на проектирование, позволяя инженерам тестировать свои проекты в гораздо большем разнообразии рабочих условий.

Чтобы проиллюстрировать применение испытаний в виртуальной аэродинамической трубе во внешнем аэродинамическом анализе транспортных средств, мы выбрали несколько проектов моделирования из библиотеки публичных проектов SimScale. Наши инженеры-симуляторы вместе с нашим активным сообществом пользователей выполнили множество симуляций аэродинамики транспортных средств, включая грузовики, спортивные автомобили, футуристические автомобили, автомобили F1, гоночные автомобили FSAE, LMP1, а также самолеты, гоночные бобслеи и другие разные проекты. .

В автомобильной промышленности наиболее целенаправленное применение оптимизации аэродинамики автомобилей можно найти в Формуле 1. С конца 60-х инженеры F1 работали над аэродинамикой своих автомобилей с двойной целью: минимизировать аэродинамическое сопротивление и максимизировать прижимную силу. . Для достижения обеих целей инженеры создали множество разных и экстравагантных решений. Например, конструкция Brabham BT46B, которая создавала высокий уровень прижимной силы с помощью вентилятора, не только увеличивала охлаждение, но и удаляла воздух из-под автомобиля.

Сопротивление воздуха

Заключение

Сведение к минимуму сопротивления воздуха и оптимизация аэродинамических характеристик остается одной из ключевых задач для конструкторов автомобильной промышленности. Это больше не является исключительной прерогативой инженеров гоночных автомобилей и оказывает реальное ощутимое влияние на различные аспекты характеристик автомобилей потребительского класса, включая расход топлива, комфорт пассажиров и многое другое. Однако нельзя отрицать, что появление инструментов виртуального прототипирования и моделирования сделало решение этой проблемы намного проще, чем раньше.Если вы хотите узнать больше о том, как минимизировать сопротивление воздуха с помощью инженерного моделирования, запустите бесплатную пробную версию SimScale и используйте функциональные возможности платформы CFD для оптимизации ваших собственных проектов.

Чтобы узнать, как использовать SimScale, посмотрите веб-семинар «Как оптимизировать гоночные автомобили с помощью облачных вычислений CFD», проведенный в партнерстве с журналом Racecar Engineering. Просто заполните эту короткую форму, и она начнется автоматически.


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

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

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

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

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

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

Рис. 1

Разделение потока и образование области следа

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

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

Рис. 2

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

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

Рис. 3

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

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

Рис. 4

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

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

Рис. 5

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

У нас есть аэродинамические автомобили, а почему бы не оптимизировать большие установки?

Подумайте об автомобильной аэродинамике, и вы либо подумаете об аэродинамических компонентах для уменьшения подъемной силы или увеличения прижимной силы, либо об обтекаемых автомобилях с низким сопротивлением, таких как Toyota Prius 2011 года.

Конструкторам автомобилей предстоит сложная работа, чтобы объединить эти особенности в вашем типичном дорожном автомобиле — в идеале вам нужна низкая или отрицательная подъемная сила для хорошей устойчивости на скорости, но низкое сопротивление и гладкие поверхности с ламинарным или «прикрепленным» воздушным потоком для экономии топлива.

Вы можете задаться вопросом, почему никто раньше не пытался это сделать — значительная экономия топлива была бы возможна даже с небольшими улучшениями. FutureTruck, созданный консультантом по промышленному дизайну Джереми Сингли, представляет собой полное переосмысление конструкции буровой установки, сделав ее максимально упрощенной, чтобы добиться значительных улучшений в расходе топлива грузовыми автомобилями. Идея была придумана Бобом Сливой из компании AirFlow Truck.

Автопроизводители становятся довольно хороши в оптимизации своей продукции — Toyota Prius, очевидно, разработан с учетом минимального аэродинамического сопротивления и имеет коэффициент лобового сопротивления (Cd), равный 0.25, когда ваш средний легковой автомобиль обычно превышает 0,3. Для сравнения: классический Volkswagen Bug имеет Cd 0,48, а Hummer h3, похожий на сарай, имеет Cd 0,57 — не считая Cda, которая равна Cd, умноженному на площадь лобовой части автомобиля.

Типичная большая установка имеет Cd более 0,6, и это имеет огромное влияние на экономию топлива. Первый грузовик Джереми, известный как SuperTruck, по сути, представлял собой обвес, который крепится болтами к существующей раме грузовика, и даже это могло бы удвоить среднюю экономию топлива прицепа трактора.

FutureTruck делает еще один шаг вперед — используя моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), Сингли утверждает, что лобовое сопротивление снижено на 63% по сравнению с обычным лайнером. Однако, в отличие от комплекта SuperTruck, FutureTruck потребует совершенно новых инструментов, чтобы построить грузовик с нуля. Кабина, колеса и другие компоненты перемещаются, чтобы обеспечить беспрепятственную аэродинамическую форму.

FutureTruck может быть на некоторое время отключен, но AirFlow уже ведет переговоры с поставщиками о создании комплектов в стиле SuperTruck, которые можно было бы прикрепить к существующим большим установкам.

Однако SuperTruck и FutureTruck — не первые аэродинамические установки, которые мы видели. Эксцентричный немецкий промышленный дизайнер Луиджи Колани уже раньше представлял концептуальные грузовики, которые отличались его «биодинамическим» стилем дизайна и подчеркивали аэродинамику.

Так почему же мы раньше не видели больше аэродинамических грузовиков? Мы подозреваем, что до сих пор главная проблема заключалась в практичности. Большие буровые установки — это во многом продукт необходимости, и базовая конструкция буровых установок, которые мы видим сегодня, была разработана в течение многих лет, чтобы наилучшим образом служить людям, которые ими управляют.Точно так же прицеп всегда рассчитан на максимальную грузоподъемность, что не всегда идет рука об руку с аэродинамическими качествами. Коробка очень практичная, но не особо аэродинамичная …

SuperTruck и FutureTruck показывают, что практичностью не нужно жертвовать, и, возможно, скоро SuperTrucks смешают ее с Prius на автостраде …

[Wired, Джереми Сингли]

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

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

Аэродинамика и экономия топлива

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

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

Заимствованные технологии

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

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

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

Взаимосвязь между сопротивлением и экономией топлива

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

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

Регулировка формы автомобиля для уменьшения сопротивления

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

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

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

Дополнительные методы уменьшения сопротивления

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

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

Будущее аэродинамики транспортных средств

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

Аэродинамическая интеграция создает форму транспортного средства с отрицательным коэффициентом лобового сопротивления

Abstract

Отрицательные коэффициенты лобового сопротивления обычно связаны с судном, оснащенным парусом для извлечения энергии из ветра и продвижения транспортного средства вперед.Таким образом, представление о тяжелом транспортном средстве, то есть о грузовике-полуприцепе, которое создает отрицательное аэродинамическое сопротивление без паруса или каких-либо внешних приспособлений, может показаться неправдоподобным, особенно с учетом того факта, что эти транспортные средства имеют одни из самых высоких коэффициентов лобового сопротивления на дороге сегодня. . Однако, используя измерения в аэродинамической трубе и компьютерное моделирование гидродинамики, мы демонстрируем аэродинамически интегрированные формы транспортного средства, которые создают отрицательное сопротивление оси тела при боковом ветре в результате большого отрицательного лобового давления, которое эффективно «тянет» транспортное средство вперед против ветра. как парусник.В то время как отрицательное сопротивление оси кузова существует только для углов рыскания ветра выше определенного аналитического порога, отрицательное лобовое давление существует при меньших углах рыскания и впоследствии приводит к коэффициентам сопротивления оси кузова, которые значительно меньше, чем у современных тяжелых транспортных средств. Применение этого аэродинамического явления в тяжелой автомобильной промышленности привело бы к значительному сокращению использования нефти на всей территории Соединенных Штатов.

В будущем сокращение использования нефти и выбросов углерода в значительной степени будет зависеть от повышения эффективности грузовых перевозок грузовыми автомобилями.Внутри Соединенных Штатов в сфере внутренних грузоперевозок преобладают тяжелые автомобили, то есть полугрузовики, на которые приходится примерно 81% от общего веса груза и почти 86% от общей стоимости грузовых перевозок (1). Хотя большегрузные автомобили составляют всего 4% всех дорожных транспортных средств, на них приходится более 20% всего расхода топлива, связанного с транспортом, и выбросов парниковых газов (1). Одним из основных источников неэффективности, способствующей низкой экономии топлива [∼6 миль на галлон или 2,6 км / л (2)] тяжелых транспортных средств, является их относительно большой коэффициент лобового сопротивления оси кузова CDb = Db / (1/2) ρV2A [CDb может быть больше 0.От 8 до 1,8 (3⇓⇓ – 6) по сравнению с 0,3 для седана (7) и 0,4 для внедорожника (8)], где сила сопротивления оси кузова, Db, определяется как Db = Dw⁡cos⁡ψ− Sw⁡sin⁡ψ, [1] где ρ — плотность воздуха, V — характерная скорость ветра, A — площадь лобовой проекции транспортного средства, Dw — сила сопротивления оси ветра, Sw — сторона оси ветра. силы, а ψ — угол рыскания транспортного средства относительно встречного ветра (рис. 1 A ). На скорости по шоссе (104,6 км / ч или 65 миль / ч) число Рейнольдса Re = ρVw / μ для тяжелого транспортного средства составляет около 5 × 106, и, как таковая, сила сопротивления в основном обусловлена ​​давлением, а не вязким сдвигом. , на поверхности транспортного средства, где w — ширина транспортного средства, а μ — динамическая вязкость воздуха.Плохая аэродинамика способствует паразитным потерям не только для транспортного средства, движущегося прямо против ветра (ψ = 0 °), как в случае спокойной погоды, но также и для более распространенного сценария движения при боковом ветре. На средней высоте транспортного средства (2,1 м) средний боковой ветер по всей Северной Америке составляет около 11,3 км / ч (7 миль / ч) (3), что соответствует 1,4 ° ≤ | ψ | ≤6,1 ° при скорости шоссе и при условии, что боковой ветер приближается к транспортное средство с равной вероятностью с любого направления (9, 10). Недавние усилия были сосредоточены на снижении аэродинамического сопротивления тяжелых транспортных средств за счет установки нескольких устройств снижения сопротивления (11, 12).Например, пластины (13, 14) хвостовой части (BT) увеличивают давление на основание прицепа в условиях покоя и при боковом ветре, в то время как юбки прицепа (15), боковые стороны трактора и удлинители крыши (16), оба из которых стали широко использоваться в последние годы (17) работают за счет уменьшения количества бокового ветра, падающего на передние поверхности прицепа и колеса прицепа, соответственно (рис. 1 B ). Хотя эти простые устройства приводят к заметному снижению CDb (рис. 1 C ), более существенные выгоды по своей сути ограничены довольно фиксированной формой современных тяжелых транспортных средств.Радикальное решение этого ограничения состоит в том, чтобы полностью изменить внешний вид тяжелого транспортного средства, чтобы он был аэродинамически интегрирован по всей его длине l плавно и непрерывно, а не за счет специального лоскутного одеяла из отдельных дополнительных устройств (рис. 1 В ). Следуя этому подходу, здесь было проведено исследование высокообтекаемых форм транспортных средств, которые не только значительно снижают аэродинамическое сопротивление, но также демонстрируют отрицательные значения CDb за пределами порогового угла рыскания.

Рис. 1.

( A ) Аэродинамические силы, действующие на тяжелый автомобиль, отклонившийся от курса относительно встречного ветра. ( B ) Методы уменьшения лобового сопротивления с использованием либо специальных дополнительных устройств, либо плавной аэродинамической интеграции и ( C ) соответствующего коэффициента сопротивления оси корпуса, CDb, в зависимости от угла рыскания, ψ, где данные для 1/8 Типовая стандартная модель современного тяжелого автомобиля в масштабе взята из исх. 6. Красная штриховка от 1,4 ° ≤ | ψ | ≤6,1 ° — это диапазон углов рыскания ветра, обычно наблюдаемый для транспортного средства, движущегося со скоростью шоссе (104.6 км / ч или 65 миль / ч) (9). ( D ) GSF формы 1 и 2, где w = 0,324 м в масштабе 1/8. ★ обозначает каплевидный радиус кривизны.

Чтобы оценить характеристики таких форм транспортных средств, аэродинамические силы на двух типовых скоростных формах в масштабе 1/8 (GSF1 и GSF2; рис. 1 D ) были измерены в аэродинамической трубе с замкнутым контуром (см. Материалы и методы ). Хотя обе формы в значительной степени повторяют общие пропорции современного тяжелого транспортного средства, грузовой прицеп изменен, а днище, колеса, зазор между тягачом и прицепом и все внешние детали были полностью удалены, чтобы обеспечить верхнюю границу повышения эффективности.GSF2 немного более обтекаемый, чем GSF1, благодаря большему радиусу передних углов (3), меньшим углам капота и лобового стекла, большему разрыву прицепа и более длинному BT. Во всем диапазоне углов рыскания, которые обычно наблюдаются при эксплуатации, это изменение внешней формы приводит к значительному снижению CDb по сравнению с таковым у современных тяжелых транспортных средств, оснащенных дополнительными устройствами (рис. 1 C ). С увеличением углов рыскания это преимущество продолжает увеличиваться, о чем свидетельствует уменьшение значений CDb.Это указывает на то, что геометрия пассивно извлекает энергию из набегающего потока, чтобы противодействовать силе сопротивления оси тела, которая в противном случае увеличилась бы с ψ. Когда | ψ |> 18 ° [угол, который, вероятно, может быть встречен в более ветреных штатах, таких как Вайоминг, при движении на скорости шоссе в пределах 32 км / ч (20 миль / ч) при боковом ветре (18)], ось тела сила сопротивления полностью нейтрализуется, и CDb становится отрицательным для GSF2. Впоследствии транспортное средство «тянется» вперед против ветра, как парусник.Это выгодное, противоречащее интуиции поведение обтекаемого тела ранее было продемонстрировано на усеченном аэродинамическом профиле с очень низким соотношением сторон (w / l = 0,37) в плане для | ψ |> 24 ° и связано с большими отрицательными давлениями, возникающими на передней подветренной стороне. (19). Однако, когда эта концепция была применена к передней части тяжелого транспортного средства с обычным прицепом, CDb оставалось больше нуля для всех измеренных углов рыскания до 55 °, хотя наблюдалось заметное снижение CDb. Точно так же Купер (20) исследовал тяжелый автомобиль, который был обтекаемым грубо, кусочно, и, хотя CDb уменьшался с увеличением ψ, отрицательные значения CDb не измерялись.

Простой критерий для определения того, когда C Db меньше нуля, может быть получен из уравнения. 1 , чтобы получить | CDw / CSw | A ). График этого критерия вместе с измерениями | CDw / CSw | (Рис. 2 A ), подчеркивает возможность извлечения еще большего количества энергии из набегающего потока за счет дальнейшего уменьшения значений | CDw / CSw |.В то время как это может быть легко достигнуто путем установки паруса (21) или вертикальных стабилизаторов (22), как в случае с ветровыми транспортными средствами, более практичным подходом для тяжелого транспортного средства является дополнительное лобовое обтекание. Вычислительная гидродинамика (CFD) моделирования (см. Материалы и методы ) полученной формы GSF3, которая имеет более длинный нос с большими радиусами углов (рис. 2 B ), чем у GSF2, демонстрирует более широкий диапазон ψ в which C Db меньше нуля из-за большой области отрицательных давлений, создаваемых на передней подветренной стороне (рис.2 С ). Специальные модификации формы, использованные для создания формы GSF3, ни в коем случае не оптимальны как с аэродинамической, так и с эксплуатационной точки зрения. Хотя снижение сопротивления происходит за счет дополнительной обтекаемости передней части, особое внимание следует уделять всей форме. В последующих конструкциях следует использовать методы оптимизации аэродинамической формы для сохранения полезного объема груза в пределах аэродинамически интегрированной формы при минимизации значения CDb и устранении любых возможных воздействий на устойчивость транспортного средства при боковом ветре.

Рис. 2.

( A ) Отношение коэффициентов сопротивления оси ветра и боковой силы как функция угла рыскания ψ. Красная штриховка от 1,4 ° ≤ | ψ | ≤6,1 ° — это типичный диапазон углов рыскания ветра, наблюдаемый для транспортного средства, движущегося со скоростью по шоссе (104,6 км / ч или 65 миль / ч) (9). Серым цветом обозначен режим, в котором коэффициент сопротивления оси тела, CDb, меньше нуля, то есть, где | CDw / CSw | B ) Виды GSF3. ( C ) Коэффициент давления, Cp = Δp / (1/2) ρV2, на передней части GSF3, рассчитанный на основе моделирования CFD, где Δp — это перепад давления относительно атмосферного давления.Белые контурные линии предназначены для Cp = −1, −1,5 и −2.

Будущее применение плавной аэродинамической интеграции может оказать фундаментальное влияние на сектор грузовых автомобилей, который в 2017 году потребил более 30 миллиардов галлонов дизельного топлива (2). Принимая во внимание оценку (17), согласно которой снижение CDb на каждый 1% приводит к снижению расхода топлива тяжелым транспортным средством на 0,45% на скоростях шоссе, значения CDb, представленные в этом исследовании, подчеркивают потенциал для значительного сокращения потребления бензина. и выбросы углерода по всей территории Соединенных Штатов.

Материалы и методы

Исследование аэродинамической трубы.

Измерения в аэродинамической трубе проводились в аэродинамической трубе NASA Ames 7 × 10, которая имеет коэффициент сжатия 14: 1, размер испытательной секции 2,134 м × 3,048 м и интенсивность турбулентности набегающего потока 0,25%. Аэродинамическая труба работает при номинальном динамическом давлении 3100 Па, которое измеряется с помощью кольца давления перед испытательной секцией туннеля. Поскольку в аэродинамической трубе Re (1,63 × 106) примерно на 31% больше, чем у тяжелого транспортного средства, работающего в условиях шоссе, измерения проводятся в диапазоне Re, чтобы гарантировать независимость числа Рейнольдса, что также было показано для исследуемой аналогичной модели тяжелого транспортного средства. в этой аэродинамической трубе того же масштаба и числа Рейнольдса (23).Модели GSF состоят из алюминиевого, стального и деревянного каркаса, к которому прикреплен пенопласт, и слой пластилина, который можно легко изменить во время испытаний. Каждая модель GSF установлена ​​на внешних шестикомпонентных весах на высоте примерно 0,02 м над полом стационарной аэродинамической трубы. Это смещение по высоте равно номинальной толщине смещения пограничного слоя на дне туннеля по длине транспортного средства, подход, который был предложен для обеспечения правильного, эффективного зазора под кузовом над неподвижной поверхностью земли (24, 25).Было показано, что отсутствие более реалистичной движущейся плоскости земли под моделями тяжелых транспортных средств оказывает лишь небольшое влияние (∼1%) на результаты измерений коэффициента сопротивления (26). Модели отклоняются относительно набегающего потока поворотной платформой, которая может поворачиваться с точностью до ± 0,1 °. Погрешность измерения рассчитанных силовых коэффициентов составляет ± 0,03. Для каждой точки данных, собранных во время экспериментального прогона, сигналы баланса сил отбираются в течение 30 с (816 моделей длины).

Вычислительные исследования.

Поле потока вокруг GSF3 находится путем решения усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса (27) с помощью CFD-кода конечного объема (Star-CCM +, Siemens). Турбулентные величины рассчитываются с использованием модели турбулентности kω-SST (перенос сдвигового напряжения) с моделью обработки стенок all-y + (28). Основные уравнения решаются на неструктурированной сетке с гексаэдрическими ячейками, которая включает декартову сетку ядра и несколько слоев гексаэдрических призматических ячеек, выдавленных из стенок. Между этими двумя сетками находятся переходные многогранные ячейки.Толщина ячейки пристеночного призматического слоя выбирается такой, чтобы значения y + были в среднем равны 50 по поверхности GSF3. Геометрия GSF3 получается трехмерным сканированием поверхности GSF2 и обтекаемой фронтальной областью (более длинный передний нос и большие радиусы углов; Рис. 2 B ) с помощью программного пакета CAD (Rhino 3D, Robert McNeel & Товарищи). Модель GSF3 масштабируется до полного размера, то есть w = 2,592 м, и моделирование проводится для ψ в диапазоне от 0 ° до 25 °.Чтобы лучше воспроизвести реальные условия эксплуатации, скорость на входе в расчетную область (размер 380 × 150 × 620 Вт) выбирается так, чтобы скорость набегающего потока в направлении оси корпуса составляла 104,6 км / ч (65 миль / ч) для каждого ψ. , а граничное условие скорости движения грунта установлено на 104,6 км / ч (65 миль / ч) в направлении оси тела. Граничное условие скорости скольжения задается стенкам расчетной области, и вычисленные переменные экстраполируются на выходе в расчетную область.Граничное условие скорости прилипания применяется к поверхности GSF3. Номинальное пространственное разрешение относительно GSF3 приводит к размерам ячеек приблизительно 200 × 106 ячеек. Чтобы продемонстрировать, что поля потока адекватно разрешаются на этом уровне разрешения, решение для GSF3 при ψ = 4 °, например, вычисляется на четырех ячейках с размерами 6 × 106, 30 × 106, 172 × 106 ( номинальный) и 300 × 106 ячеек. Поскольку коэффициенты сопротивления оси тела и боковой силы демонстрируют тенденцию к монотонной сходимости сетки и индексы сходимости сетки GCInominal = 6 × 10−3 и 2 × 10−4, соответственно, был сделан вывод, что номинальное пространственное разрешение является адекватным для настоящего времени. исследование, где для коэффициента безопасности Fs выбрано консервативное значение, равное трем (29).Впоследствии моделирование выполняется на 400 ядрах (Intel Xeon E5-2670, 2,6 ГГц).

Доступность данных

Все данные исследования включены в основной текст.

Благодарности

Мы благодарим Л. Слезака из Программы транспортных технологий Министерства энергетики (DOE) и Д. Андерсона из Программы по энергоэффективным системам мобильности Министерства энергетики за их исследовательскую поддержку и финансирование; и К. Члапински и К. Тиммерман из Navistar, Inc. и Б. Портер, Н. Голд, а также технический персонал Исследовательского центра НАСА Эймса за их помощь во время процедуры испытаний.Эта работа (LLNL-JRNL-821128) была выполнена под эгидой Министерства энергетики США Ливерморской национальной лабораторией по контракту DE-AC52-07NA27344.

Сноски

  • K.S. и J.M.O. разработал исследование, провел исследование, проанализировал данные и написал статью.

  • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

  • Авторские права © 2021 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Не тащите меня: 10 машин, освоивших аэродинамику

С коэффициентом лобового сопротивления 0.20, Mercedes-Benz утверждает, что его будущий роскошный электромобиль EQS является самым аэродинамически эффективным серийным автомобилем в мире. Как вы вскоре узнаете, это утверждение может быть сделано только в сочетании с рядом оговорок, но оно имеет большие шансы превзойти продажи небольших автомобилей, чтобы удержать титул.

EQS (на фото ниже) будет флагманским электромобилем Mercedes, фактически электрическим эквивалентом S-класса, и даже будет производиться на том же заводе.Но он построен на специальной платформе, и без необходимости устанавливать трансмиссию внутреннего сгорания, компания нашла свободу максимизировать аэродинамику автомобиля — отсюда и заголовок.

Сколько стоит страховать вашу машину? Узнайте в четыре простых шага.

Получить расценки

История аэродинамических серийных автомобилей, тем не менее, увлекательна, и ниже мы исследовали десять моделей, создающих волны (или должны ли они создавать минимальные волны?) В аэродинамическом прогрессе, и перечислили их коэффициент сопротивления (Cd).

1947 Saab 92-КД 0,30

Фото: Saab

Если вам когда-либо понадобились доказательства того, что ранние модели Saab строились по тому же принципу, что и самолеты компании, вам не нужно искать дальше самого первого серийного автомобиля компании, Saab 92 1949 года.

Имея коэффициент лобового сопротивления 0,30, его способность эффективно пробивать дыры в воздухе остается лучше, чем у некоторых современных серийных автомобилей. Его форма сочетает в себе элегантные идеалы обтекаемости 1940-х годов с практичными пропорциями, которые позволили его преемнику, 96, просуществовать вплоть до 1980 года.

Несмотря на то, что инженеры Saab не знакомы с технологиями, которые используют современные компании для повышения аэродинамической эффективности своих автомобилей, они явно вытащили пару трюков из учебного пособия по аэронавтике. Боковые поверхности 92 были штампованы из цельного куска листового металла, фары были на одном уровне с кузовом, а линия крыши имела характерные черты более поздних обвесов. Для 1940-х годов это было действительно замечательно.

1962 Альфа Ромео Джулия — КД 0,34

Фото: Stellantis

Теоретически, самая аэродинамически эффективная форма автомобиля — это слеза.Гладкая форма сводит к минимуму сопротивление, а профиль, если он правильно настроен, удерживает воздушный поток, прикрепленный к поверхности, а не вырывается наружу и вызывает турбулентность.

Это немного непрактично, так как вам нужно было бы сделать каждую машину на несколько футов длиннее, чтобы закончить форму капли. Однако в 1930-х годах инженер по имени Вунибальд Камм, опираясь на работы нескольких других инженеров, продемонстрировал, что резкое обрезание хвоста может быть столь же эффективным, быстро прерывая воздушный поток и уменьшая возможность турбулентности.

Доказав свою эффективность в гонках, Alfa Romeo применила его и к автомобилям, включая седан Giulia 1962 года. На слезу он не был похож — на самом деле, он был на удивление квадратным. Но благодаря аэродинамической трубе, уменьшению лобового сопротивления из-за лишних деталей, тщательной формовке поверхностей, изогнутой кромке у основания ветрового стекла и, конечно же, «хвосту Камма», Giulia стала самым элегантным седаном в своем классе. эры, с Cd всего 0,34.

1970 Citroën GS — Cd 0.31

Фото: Citroën

Citroën GS 1970-х годов был еще одним сторонником хвоста Камма, но с почти десятилетним улучшением аэродинамики по сравнению с Giulia Alfa — и немалой долей индивидуализма Citroën — GS 1970 года был еще одной звездой аэродинамики с коэффициентом лобового сопротивления всего 0,31.

Citroën DS 1955 года был относительно гладким для своего времени — 0,36, но GS, предназначенный для установки ниже DS, был значительным достижением. Как и в случае с Giulia, ключевым моментом была простота: практически ничто не мешало потоку воздуха по бокам или по крыше автомобиля, в то время как пологая крыша и обрезанная хвостовая часть позволяли воздуху выходить наружу с максимальной эффективностью.

Конечно, у GS было много других уникальных характеристик, поэтому о его аэродинамической эффективности часто забывают. С четырехцилиндровым оппозитным двигателем с воздушным охлаждением, самовыравнивающейся гидропневматической подвеской и, вкратце, с роторным двигателем Ванкеля, его низкое лобовое сопротивление было почти второстепенным.

1982 Audi 100 — КД 0,30

Dynamic photo

Аэродинамические автомобили в прошлом были откровенно обтекаемыми, с сужающимися профилями и органично плавными изгибами, но Audi 100 третьего поколения 1982 года предсказуемо использовала ингольштадтский подход к искусству скольжения в воздухе: наука.

На первый взгляд, 100 не выглядит особенно гладким, но по сравнению с предыдущими 100 было несколько очевидных отличий. Бамперы, молдинги кузова и оконные стекла теперь примыкали к кузову, уменьшая возможные области турбулентности. Дворники ветрового стекла были частично скрыты за задней кромкой капота, а базовые модели получили чистые, плотно прилегающие планки колес, чтобы минимизировать турбулентность.

Cd 0,30 сегодня не выглядит впечатляющим — современный Audi A4 получает всего 0.23. Но по сравнению с другими большими семейными автомобилями он был на несколько шагов впереди. Ford Sierra, который сам по себе является большим улучшением по сравнению со старой Cortina, был всего 0,34. И подход Audi, согласно которому обычные автомобили могут быть такими же аэроэффективными, как и более явно обтекаемые модели, все еще используется с хорошими результатами сегодня.

1989 Opel / Vauxhall Calibra — КД 0,26

Фото: Stellantis

. Opel и Vauxhall Calibra открыли новую тенденцию к более чистому стилю для 90-х, когда он дебютировал в 1989 году. Это был и остается довольно красивый автомобиль — с минимальным орнаментом, с хорошими пропорциями и как оказалось, действительно очень аэродинамичный.

Calibra — одна из тех машин, о аэродинамике которых можно было догадаться, просто взглянув на нее. В профиль он низкий и гладкий, а его отверстия для решетки спереди кажутся не больше, чем это абсолютно необходимо, изгоняя тенденцию 80-х годов к плоским фасадам и решеткам, занимающим всю ширину между фарами автомобиля.

Его поверхности тоже были аккуратными — обратите внимание на гладкое стекло и дверные ручки — и обеспечили коэффициент лобового сопротивления всего 0,26. Некоторые современные купе сегодня едва ли превосходят этот показатель.Версии, ориентированные на производительность, были не такими уж скользкими, и основы Cavalier делали его средним в управлении, но Calibra всегда имел элегантный стиль на своей стороне.

1996 General Motors EV1 — КД 0,19

Фото: General Motors

Технология аккумуляторов в середине 1990-х была не совсем той, на которой стоит сегодня, поэтому первым электромобилям приходилось усердно работать для своего диапазона. Или просто работайте с умом, как General Motors сделала с EV1 в 1996 году.

Как и в случае с Honda Insight, появившейся несколько лет спустя, у EV1 было всего два сиденья, что означало, что линию крыши можно было адаптировать, не уменьшая места для пассажиров.Электрический силовой агрегат означал, что спереди не было необходимости в охлаждающих каналах, создающих сопротивление, задние колеса были прикрыты простынями, а хвост был резко обрезан в том же стиле Камма, что и у Alfa Giulia 1960-х годов.

Работавший сначала на свинцово-кислотных аккумуляторах, а затем на никель-металлогидридных элементах (что почти удвоило дальность действия до 105 миль), EV1 боролся бы за полезный запас хода, если бы не был самым аэродинамичным серийным автомобилем из когда-либо созданных. К сожалению, GM уничтожила проект в начале 2000-х — буквально, вернув арендованные автомобили и раздавив их.

1999 Honda Insight — КД 0,25

Фото: Honda

Первый гибрид Honda мог бы выглядеть хитрой копией EV1, если бы он не был эффективным переосмыслением CR-X, который впервые был выпущен в 1984 году. Четкие линии, линия крыши, идеально скошенная для обеспечения притока воздуха, и резкий разрез. Без хвостового оперения CR-X уже достиг Cd 0,32, но Insight продвинул его еще дальше.

Полтора десятилетия опыта в области аэродинамики сгладили самые очевидные поверхности Insight, но, помимо сужения профиля, Honda сузила Insight и в плане, его задняя гусеница на 110 мм уже, чем передняя.На задние колеса также были накладки, а большая часть нижней части была покрыта для минимального сопротивления.

Это позволило получить коэффициент лобового сопротивления значительно ниже, чем у любого автомобиля аналогичного размера, хотя Insight использовал это в своих интересах без необходимости (или места) для задних сидений. Обладая крошечной передней частью, аэродинамический обвес Insight сочетал в себе легкий вес (850 кг) и эффективную гибридную трансмиссию, что сделало его одним из самых экономичных автомобилей в мире.

1999 Audi A2 — КД 0,28

Фото: Audi

Если Insight показал, что возможно, доведя вещи до крайностей, Audi продемонстрировала, как и в случае с 100 в начале 1980-х годов, что с помощью продуманного дизайна можно значительно снизить сопротивление даже при необходимости упаковать пассажиров. и багаж.

Стало банально называть Audi A2 «опередившим свое время», но на самом деле нет другого способа раскрутить его. Дебютировав в том же году, что и Insight, он тоже использовал алюминиевую конструкцию, но, в отличие от Honda, в нем было комфортное место для четырех человек. Он также предвосхитил нынешнюю тенденцию к премиум-классу — Audi уже давно является премиальным брендом, но, кроме Mercedes A-класса, немногие другие принесли высококачественное качество на нижний сегмент рынка.

Его аэродинамика сводилась к продуманному внешнему виду и продуманным деталям.Эта крайне важная сужающаяся линия крыши присутствовала и была правильной (с небольшим спойлером для уменьшения подъемной силы), в то время как передняя «решетка» была фактически гладкой панелью, которая также опускалась, чтобы позволить водителям долить масло и стеклоочиститель.

2013 Volkswagen XL1 — КД 0,19

Фото: Volkswagen

Ни один другой серийный автомобиль не пользовался таким целеустремленным вниманием к топливной экономичности, как Volkswagen XL1, выпущенный в 2013 году. Honda Insight приблизилась, но если Honda можно сравнить со спортивным автомобилем S2000, у него общий завод. XL1 предназначен для экономичных автомобилей, как Bugatti Veyron — для суперкаров.

Сюда входит цена, которая в Великобритании не превышала 100 000 фунтов стерлингов. Вы можете подумать, что это немного дорого для чего-то с двухцилиндровым дизельным двигателем объемом 800 куб.

Это делает его по сей день самым аэродинамичным серийным автомобилем из когда-либо созданных — если он не построен в тех же объемах, что и новый Mercedes EQS — и хотя его совокупный показатель экономии в 313 миль на галлон основан на его электрическом запасе хода в 31 милю, тестеры все же вернули цифры в высокие сотни в реальном вождении.

2021 Тесла Модель S — КД 0.208

Фото: Tesla Motors

Когда Model S дебютировала в 2012 году, она имела коэффициент лобового сопротивления 0,24. Совсем неплохо, потому что, хотя его значительные размеры означали большую площадь лобовой части, низкое сопротивление фактически делало его более скользким, чем Toyota Prius в форме пилюли.

Но Tesla упорно работала на протяжении многих лет, и последняя итерация Model S, если верить веб-сайту компании, уступает только Volkswagen XL1, GM EV1 и новому Mercedes с точки зрения серийного автомобиля. тащить, тянуть.

Размер Tesla здесь действительно играет в его пользу, потому что длинный корпус означает меньше компромиссов при сжатии пассажиров до максимально аэродинамической формы. Но Tesla остроумно поступила и в других областях, улучшив форму автомобиля и максимально используя преимущества таких вещей, как дверные ручки заподлицо и абсолютно ровный пол. Мы бы вложили деньги в то, что Tesla проведет еще несколько доработок, чтобы подорвать новый Mercedes.

Подробнее

Future Classic: Honda Insight
Super S-Class: Mercedes-Benz 450 SEL 6.9
11 альтернатив Jaguar E-type

Как испытания в аэродинамической трубе сформировали винтажные автомобили мечты

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что автомобили должны быть гладкими, обтекаемыми и аэродинамическими. Но так было не всегда — подумайте, например, о квадратных автомобилях Model T. Больше похоже на багги или грузовики, они были совершенно неуклюжими. Но конец 1920-х и начало 1930-х годов ознаменовали собой новую эру автомобильного дизайна, и мы должны благодарить за эти улучшения появление испытаний в аэродинамической трубе.В видео выше, ведущие CarStuff Скотт Бенджамин и Бен Боулин проводят экскурсию по классическим концепт-карам в Художественном музее Атланты и объясняют, как испытания в аэродинамической трубе на протяжении десятилетий упрощали дизайн автомобилей.

Идея аэродинамики стала приобретать популярность среди автомобильных дизайнеров в начале 20 века, поскольку скорость стала важным фактором. Эта концепция уже применялась при проектировании первых самолетов с испытаниями на масштабной модели в аэродинамической трубе для измерения коэффициентов лобового сопротивления. Эту идею также исследовали братья Райт — Орвилл и Уилбур — при разработке летчика Райта, дизайн которого стал популярным в 1903 году.

К концу 1920-х конструкторы автомобилей поняли, что испытания в аэродинамической трубе могут помочь определить, как изменять кузова автомобилей. В следующие несколько десятилетий были представлены образцы испытанных в аэродинамической трубе «автомобилей мечты» или концептуальных автомобилей, в том числе Edsel Ford 40 Special Speedster 1943 года. Этот дизайн радикально отличался от квадратных кузовов автомобилей того времени. Автомобиль-мечта Special Speedster представил гладкие линии и прошел испытания в аэродинамической трубе, которые выявили наиболее эффективные из возможных линий.

Chrysler Thunderbolt 1941 года позиционировался как «Автомобиль будущего», созданный для ознакомления общественности с аэродинамикой и обтекаемостью. Он был протестирован в аэродинамической трубе, и инженеры использовали данные в научных исследованиях, чтобы изучить, как форма автомобиля работает при непрерывном потоке воздуха.

Названный «сформированным ветром» Chrysler Streamline X 1955 года по прозвищу «Гильда» дебютировал в 1955 году и произвел фурор своим экспериментальным корпусом, напоминающим послевоенный ракетный корабль. Дизайн Streamline X, хотя и футуристический в то время, был, вероятно, гораздо более практичным, чем два автомобиля, которые отправились в путь в 1970 году.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *