Турбулентный поток
Содержание
Как современные технологии меняют аэродинамику автомобиля
Низкое сопротивление воздуха помогает снизить расход топлива. В этом отношении, однако, существуют огромные возможности для развития. Пока, конечно, специалисты по аэродинамике согласны с мнением конструкторов.
«Аэродинамика для тех, кто не умеет делать мотоциклы». Эти слова были произнесены Энцо Феррари в 60-х годах и наглядно демонстрируют отношение многих тогдашних дизайнеров к этому технологическому аспекту автомобиля. Однако только через десять лет наступил первый нефтяной кризис и коренным образом изменилась вся их система ценностей. Времена, когда все силы сопротивления в движении автомобиля, и особенно те, которые возникают в результате его прохождения через воздушные слои, преодолеваются обширными техническими решениями, такими как увеличение рабочего объема и мощности двигателей, независимо от количества потребляемого топлива, они уходят, и инженеры начинают искать более эффективные способы достижения своих целей.
На данный момент технологический фактор аэродинамики покрыт толстым слоем пыли забвения, но он не совсем новый для дизайнеров. История технологий показывает, что даже в двадцатые годы продвинутые и изобретательные мозги, такие как немецкий Эдмунд Румплер и венгер Пол Джарай (который создал культ Tatra T77), сформировали обтекаемые поверхности и заложили основы аэродинамического подхода к дизайну кузова автомобиля. За ними последовала вторая волна специалистов по аэродинамике, таких как барон Рейнхард фон Кених-Факсенфельд и Вунибальд Кам, которые развили свои идеи в 1930-х годах.
Всем ясно, что с увеличением скорости наступает предел, выше которого сопротивление воздуха становится критическим фактором при управлении автомобилем. Создание аэродинамически оптимизированных форм может значительно сместить этот предел вверх и выражается так называемым коэффициентом потока Cx, поскольку значение 1,05 имеет куб, инвертированный перпендикулярно потоку воздуха (если он поворачивается на 45 градусов вдоль своей оси, так что край его направленная против потока уменьшается до 0,80). Тем не менее, этот коэффициент является только одной частью уравнения сопротивления воздуха – размер фронтальной площади автомобиля (A) должен быть добавлен в качестве существенного элемента. Первой из задач специалистов по аэродинамике является создание чистых, аэродинамически эффективных поверхностей (факторов, которых, как мы увидим, в автомобиле много), что в конечном итоге приводит к снижению коэффициента потока. Чтобы измерить последнее, необходима аэродинамическая труба, которая является дорогостоящим и чрезвычайно сложным объектом – примером этого является введенный в эксплуатацию в 2009 году тоннель BMW, который обошелся компании в 170 миллионов евро. Самым важным компонентом в нем является не гигантский вентилятор, который потребляет столько электричества, что ему нужна отдельная трансформаторная станция, а точный роликовый стенд, измеряющий все силы и моменты, которые воздушная струя оказывает на автомобиль. Его задача состоит в том, чтобы оценить все взаимодействие автомобиля с воздушными потоками и помочь специалистам изучить каждую деталь и изменить ее таким образом, чтобы не только сделать ее эффективной в воздушном потоке, но и в соответствии с пожеланиями дизайнеров. , В принципе, основные составляющие сопротивления, с которым сталкивается автомобиль, возникают, когда воздух перед ним сжимается и смещается и – что-то чрезвычайно важное – из-за сильной турбулентности за его задней частью. Там образуется зона низкого давления, которая имеет тенденцию тянуть машину, что, в свою очередь, смешивается с сильным влиянием вихря, который специалисты по аэродинамике также называют “мертвым возбуждением”. По логическим причинам за моделями универсалов уровень пониженного давления выше, в результате чего коэффициент расхода ухудшается.
Аэродинамические факторы сопротивления
Последнее зависит не только от таких факторов, как общая форма автомобиля, но и от конкретных деталей и поверхностей. На практике общая форма и пропорции современных автомобилей имеют 40-процентную долю общего сопротивления воздуха, четверть которой определяется структурой поверхности объекта и такими элементами, как зеркала, фонари, номерной знак и антенна. 10% сопротивления воздуха обусловлено потоком, проходящим через отверстия к тормозам, двигателю и коробке передач. 20% являются результатом вихря в различных конструкциях пола и подвески, то есть всего, что происходит под автомобилем. И самое интересное – до 30% сопротивления воздуха обусловлено вихрями, созданными вокруг колес и крыльев. Практическая демонстрация этого явления дает четкое указание на это – коэффициент расхода от 0,28 на автомобиль уменьшается до 0,18, когда колеса сняты, а отверстия в крыле покрыты завершением формы автомобиля. Не случайно, что все автомобили с удивительно низким расходом, такие как первый Honda Insight и электромобиль GM EV1, имеют скрытые задние крылья. Общая аэродинамическая форма и закрытая передняя часть из-за того, что электродвигателю не требуется большое количество охлаждающего воздуха, позволили разработчикам GM разработать модель EV1 с коэффициентом расхода всего 0,195. Модель Тесла 3 имеет Cx 0,21. Для уменьшения вихря вокруг колес в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания используются так называемые. «Воздушные завесы» в виде тонкого вертикального потока воздуха направлены из отверстия в переднем бампере, обдувая колеса и стабилизируя вихри. Поток к двигателю ограничен аэродинамическими жалюзи, а дно полностью закрыто.
Чем ниже значения сил, измеряемых роликовой стойкой, тем ниже Cx. По стандарту он измеряется со скоростью 140 км / ч – значение 0,30, например, означает, что 30 процентов воздуха, через который проходит автомобиль, разгоняются до скорости его движения. Что касается передней области, ее считывание требует гораздо более простой процедуры – для этого с помощью лазера внешние контуры автомобиля обрисовываются, если смотреть спереди, и рассчитывается закрытая площадь в квадратных метрах. Впоследствии он умножается на коэффициент потока для получения общего сопротивления воздуха автомобиля в квадратных метрах.
Возвращаясь к историческому плану нашего аэродинамического описания, мы обнаруживаем, что создание стандартизированного цикла измерения расхода топлива (NEFZ) в 1996 году фактически сыграло негативную роль в аэродинамической эволюции автомобилей (которая значительно продвинулась в 1980-х годах). ) потому что аэродинамический фактор оказывает незначительное влияние из-за короткого периода высокоскоростного движения. Несмотря на уменьшение коэффициента потока с течением времени, увеличение размеров автомобилей в каждом классе приводит к увеличению лобовой площади и, следовательно, к увеличению сопротивления воздуха. Такие автомобили, как VW Golf, Opel Astra и BMW 7 Series, имели более высокое сопротивление воздуха, чем их предшественники в 1990-х годах. Этой тенденции способствует когорта впечатляющих моделей внедорожников с их большой фронтальной площадью и ухудшающимся потоком. Этот тип автомобилей подвергался критике в основном за его огромный вес, но на практике этот фактор приобретает более низкое относительное значение с увеличением скорости – в то время как при движении за городом со скоростью около 90 км / ч доля сопротивления воздуха составляет около 50 процентов, на скоростях шоссе он увеличивается до 80 процентов от общего сопротивления, с которым сталкивается автомобиль.
Аэродинамическая труба
Другим примером роли сопротивления воздуха в работе автомобиля является типичная модель Smart city. Двухместный автомобиль может быть проворным и проворным на городских улицах, но короткий и пропорциональный корпус крайне неэффективен с аэродинамической точки зрения. На фоне небольшого веса, сопротивление воздуха становится все более важным элементом, и с Smart начинает оказывать сильное влияние на скорости 50 км / ч. Неудивительно, что он не оправдал ожиданий низкой стоимости, несмотря на свою легкую конструкцию.
Несмотря на недостатки Smart, однако, отношение материнской компании Mercedes к аэродинамике является примером методичного, последовательного и активного подхода к процессу создания эффективных форм. Можно утверждать, что результаты инвестиций в аэродинамические трубы и напряженной работы в этой области особенно видны в этой компании. Особенно поразительным примером эффекта этого процесса является тот факт, что текущий S-класс (Cx 0,24) имеет меньшее сопротивление слоям воздуха, чем Golf VII (0,28). В процессе поиска большего внутреннего пространства форма компактной модели приобрела довольно большую фронтальную площадь, а коэффициент потока хуже, чем у S-класса из-за более короткой длины, что не позволяет создавать длинные обтекаемые поверхности и в основном из-за резкого перехода в тыл, способствующего образованию вихрей. VW был непреклонен в том, что новый Golf восьмого поколения будет иметь значительно меньшее сопротивление воздуха и более низкую и обтекаемую форму, но, несмотря на новый дизайн и возможности тестирования, это оказалось чрезвычайно сложным для автомобиля. с этим форматом. Тем не менее, с его коэффициентом 0,275, это самый аэродинамичный Golf, когда-либо созданный. Самый низкий зарегистрированный коэффициент расхода 0,22 на автомобиль с двигателем внутреннего сгорания – это у Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Преимущество электромобилей
Еще одним примером важности аэродинамической формы на фоне веса являются современные гибридные модели и тем более электромобили. В случае Prius, например, необходимость в высоко аэродинамической форме также продиктована тем фактом, что с увеличением скорости эффективность гибридной силовой установки уменьшается. В случае электромобилей все, что связано с увеличением пробега в электрическом режиме, чрезвычайно важно. По мнению экспертов, потеря веса в 100 кг увеличит пробег автомобиля всего на несколько километров, но, с другой стороны, аэродинамика имеет первостепенное значение для электромобиля. Во-первых, потому что большая масса этих автомобилей позволяет им возвращать часть энергии, потребляемой рекуперацией, и, во-вторых, потому, что высокий крутящий момент электродвигателя позволяет компенсировать влияние веса при запуске, а его эффективность снижается на высоких скоростях и высоких скоростях. Кроме того, силовой электронике и электродвигателю требуется меньше охлаждающего воздуха, что позволяет уменьшить отверстие в передней части автомобиля, что, как мы уже отмечали, является основной причиной ухудшения потока тела. Другим элементом мотивации дизайнеров создавать более аэродинамически эффективные формы в современных гибридных моделях с подключаемым модулем является режим движения без ускорения только с помощью электродвигателя или так называемый. парусный спорт. В отличие от парусных лодок, где термин используется и ветер должен перемещать лодку, в автомобилях пробег с электричеством увеличился бы, если бы автомобиль имел меньшее сопротивление воздуху. Создание аэродинамически оптимизированной формы является наиболее экономически эффективным способом снижения расхода топлива.
Коэффициенты расхода некоторых известных автомобилей:
Мерседес Симплекс
Производство 1904, Cx = 1,05
Rumpler tropfenwagen
Производство 1921, Cx = 0,28
Ford Model T
Производство 1927, Cx = 0,70
Экспериментальная модель Кама
Производство 1938 г., Cx = 0,36.
Мерседес рекордный автомобиль
Производство 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Производство 1950, Cx = 0,44
Фольксваген “Черепаха”
Производство 1951, Cx = 0,40
Панхард Дина
Производство 1954 г., Cx = 0,26.
Порше 356 А
Производство 1957 г., Cx = 0,36.
MG EX 181
Производство 1957 г., Cx = 0,15
Citroën DS 19
Производство 1963, Cx = 0,33
НГУ Спорт Принц
Производство 1966, Cx = 0,38
Мерседес С 111
Производство 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Estate
Производство 1975, Cx = 0,47
Ауди 100
Производство 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Производство 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Производство 1990, Cx = 0,40
Тойота Приус 1
Производство 1997, Cx = 0,29
