Автомобильная аэродинамика

Автомобильная аэродинамика – это изучение аэродинамики дорожных транспортных средств. Его основными целями являются снижение сопротивления и шума ветра, минимизация уровня шума и предотвращение нежелательных подъемных сил и других причин аэродинамической нестабильности на высоких скоростях. В этом случае воздух также считается жидкостью. Для некоторых классов гоночных автомобилей также может быть важно создать прижимную силу для улучшения сцепления с дорогой и, следовательно, способности проходить повороты.

История

Сила трения аэродинамического сопротивления значительно увеличивается со скоростью автомобиля. ^[1] Еще в 1920-х годах инженеры начали учитывать форму автомобиля для снижения аэродинамического сопротивления на более высоких скоростях. К 1950-м годам немецкие и британские автомобильные инженеры систематически анализировали влияние сопротивления автомобиля на автомобили с более высокими характеристиками. ^[2] К концу 1960-х годов ученые также узнали о значительном увеличении уровня звука, издаваемого автомобилями на высокой скорости. Предполагалось, что эти эффекты увеличивают интенсивность уровней звука для прилегающих земельных участков с нелинейной скоростью. ^[3] Вскоре инженеры-дорожники начали проектировать дороги с учетом скоростного воздействия аэродинамического сопротивления, вызывающего уровни шума, а производители автомобилей учитывали те же факторы при проектировании транспортных средств.

Стратегии уменьшения сопротивления

Удаление деталей на автомобиле — это простой способ для проектировщиков и владельцев транспортных средств уменьшить паразитное и лобовое сопротивление автомобиля с минимальными затратами и усилиями. Удаление может быть таким же простым, как удаление запасной детали или детали, которая была установлена на автомобиль после производства, или необходимость изменения и удаления OEM- детали, то есть любой части автомобиля, которая изначально была изготовлена на автомобиле. Большинство серийных спортивных автомобилей и высокоэффективных автомобилей стандартно поставляются со многими из этих исключений, чтобы быть конкурентоспособными на автомобильном и гоночном рынке, в то время как другие предпочитают сохранять эти аспекты автомобиля, увеличивающие лобовое сопротивление, из-за их визуальных аспектов или соответствовать типичному дизайну. использования своей клиентской базы. ^[4]

Спойлеры

Задний спойлер обычно входит в стандартную комплектацию большинства спортивных автомобилей и напоминает форму приподнятого крыла в задней части автомобиля. Основная цель заднего спойлера в конструкции автомобиля — противодействовать подъемной силе, тем самым повышая устойчивость на более высоких скоростях. Чтобы добиться минимально возможного сопротивления, воздух должен обтекать обтекаемый корпус автомобиля, не соприкасаясь с зонами возможной турбулентности. Конструкция заднего спойлера, выступающего за крышку задней части багажника, увеличивает прижимную силу, уменьшая подъемную силу на высоких скоростях и одновременно увеличивая сопротивление. Плоские спойлеры, возможно, слегка наклоненные вниз, могут уменьшить турбулентность и тем самым снизить коэффициент лобового сопротивления. ^[5] Некоторые автомобили теперь оснащены автоматически регулируемыми задними спойлерами, поэтому на более низкой скорости влияние на лобовое сопротивление уменьшается, когда преимущества уменьшенной подъемной силы не требуются.

Зеркала

Боковые зеркала увеличивают лобовую площадь автомобиля и увеличивают коэффициент лобового сопротивления, поскольку они выступают сбоку автомобиля. ^[6]^[7] Чтобы уменьшить влияние боковых зеркал на лобовое сопротивление автомобиля, боковые зеркала можно заменить зеркалами меньшего размера или зеркалами другой формы. Несколько концепт-каров 2010-х годов заменяют зеркала крошечными камерами ^[8] но этот вариант не характерен для серийных автомобилей, поскольку в большинстве стран требуются боковые зеркала. Одним из первых серийных легковых автомобилей, в которых зеркала были заменены на камеры, был Honda e , и в этом случае, по утверждению Honda, камеры уменьшили аэродинамическое сопротивление «примерно на 90% по сравнению с обычными наружными зеркалами», что способствовало уменьшению аэродинамического сопротивления примерно на 3,8%. % снижения лобового сопротивления всего автомобиля. ^[9] Подсчитано, что на два боковых зеркала приходится от 2 до 7% общего аэродинамического сопротивления автомобиля, и их удаление может улучшить экономию топлива на 1,5–2 мили на галлон США. ^[10]

Радиоантенны

Хотя они не оказывают большого влияния на коэффициент лобового сопротивления из-за своего небольшого размера, радиоантенны, обычно выступающие из передней части автомобиля, можно переместить и изменить их конструкцию, чтобы избавить автомобиль от этого дополнительного сопротивления. Наиболее распространенной заменой стандартной автомобильной антенны является антенна «Акулий плавник», которая имеется в большинстве высокоэффективных автомобилей. ^[11]

Колеса

Когда воздух обтекает колесные арки, он сталкивается с ободами транспортных средств и образует зону турбулентности вокруг колеса. Чтобы воздух более плавно обтекал колесную нишу, гладкие колпаки на колеса часто применяют . Гладкие колпаки колес представляют собой колпаки ступиц, в которых нет отверстий для прохождения воздуха. Такая конструкция снижает сопротивление; однако это может привести к более быстрому нагреву тормозов, поскольку крышки предотвращают поток воздуха вокруг тормозной системы. В результате эту модификацию чаще можно увидеть в высокоэффективных автомобилях, а не в спортивных или гоночных автомобилях. ^[12]

Воздушные завесы

Воздушные завесы отводят поток воздуха из щелей кузова и направляют его к внешним краям колесных арок. ^[13]^[14]^[15]

Частичные решетчатые блоки

Передняя решетка автомобиля используется для направления воздуха через радиатор. В обтекаемой конструкции воздух обтекает автомобиль, а не проходит сквозь него; однако решетка автомобиля перенаправляет поток воздуха вокруг автомобиля внутрь автомобиля, что затем увеличивает сопротивление. Чтобы уменьшить это воздействие, часто используют решетчатый блок. Блок решетки закрывает часть или всю переднюю решетку автомобиля. В большинстве моделей с высокой эффективностью или в автомобилях с низким коэффициентом аэродинамического сопротивления очень маленькая решетка уже встроена в конструкцию автомобиля, что устраняет необходимость в блоке решетки. Решетка большинства серийных автомобилей обычно спроектирована таким образом, чтобы максимизировать поток воздуха через радиатор и выйти в моторный отсек. Такая конструкция действительно может создавать слишком большой приток воздуха в моторный отсек, не давая ему своевременно прогреться, и в таких случаях используется блок решетки радиатора, чтобы повысить производительность двигателя и одновременно снизить лобовое сопротивление автомобиля. ^[16]^{[ нужна страница ]}

Под лотками

Нижняя часть автомобиля часто задерживает воздух в различных местах и увеличивает турбулентность вокруг автомобиля. В большинстве гоночных автомобилей это устраняется путем покрытия всей нижней части автомобиля так называемым поддоном. Этот поддон предотвращает попадание воздуха под автомобиль и снижает сопротивление. ^[12]

Юбки на крыльях

Юбки крыльев часто выполняются как продолжение панелей кузова автомобилей и закрывают всю колесную нишу. Подобно гладким колпакам колес, эта модификация уменьшает сопротивление автомобиля, предотвращая попадание воздуха в колесную нишу, и способствует оптимизации кузова автомобиля. Юбки крыльев чаще встречаются в арках задних колес автомобиля, поскольку шины не вращаются, а конструкция намного проще. Это обычно наблюдается в таких автомобилях, как Honda Insight первого поколения . Юбки передних крыльев оказывают такое же влияние на снижение лобового сопротивления, как и юбки задних колес, но должны быть дальше смещены от кузова, чтобы компенсировать выпирание шины из кузова автомобиля при поворотах. ^[12]

Боуттейлы и каммбаки

Лодочный хвост может значительно снизить общее сопротивление автомобиля. Боаттейлы создают каплевидную форму, которая придает автомобилю более обтекаемый профиль, уменьшая возникновение сопротивления, вызывающего отрыв потока . ^[17] Каммбак – это усеченный хвост. Он создан как продолжение задней части автомобиля, перемещая заднюю часть назад под небольшим углом к бамперу автомобиля. Это также может уменьшить сопротивление, но хвост еще больше уменьшит сопротивление автомобиля. Тем не менее, по практическим соображениям и по соображениям стиля, камбак чаще встречается в гоночных, высокоэффективных транспортных средствах и грузовых автомобилях. ^[18]

Сравнение с аэродинамикой самолета

Автомобильная аэродинамика отличается от аэродинамики самолетов по нескольким признакам:

Характерная форма дорожного транспортного средства гораздо менее обтекаемая по сравнению с самолетом.
Транспортное средство работает очень близко к земле, а не на открытом воздухе.
Рабочие скорости ниже (а аэродинамическое сопротивление изменяется пропорционально квадрату скорости).
Наземное транспортное средство имеет меньше степеней свободы , чем самолет, и на его движение меньше влияют аэродинамические силы.
Пассажирские и коммерческие наземные транспортные средства имеют очень специфические конструктивные ограничения, такие как их целевое назначение, высокие стандарты безопасности (требующие, например, большего количества «мертвого» структурного пространства, чтобы действовать как зоны деформации) и определенные правила.

Методы изучения аэродинамики

Одним из побочных эффектов автомобильной аэродинамики является разброс семян .

Аэродинамика автомобилей изучается с использованием как компьютерного моделирования , так и испытаний в аэродинамической трубе . Для получения наиболее точных результатов испытаний в аэродинамической трубе туннель иногда оборудуют катящейся дорогой. Это подвижный пол рабочей секции, который движется с той же скоростью, что и поток воздуха. Это предотвращает образование пограничного слоя на полу рабочей части и влияние на результаты.

Прижимная сила

Прижимная сила описывает давление вниз, создаваемое аэродинамическими характеристиками автомобиля , которое позволяет ему быстрее проходить поворот, удерживая автомобиль на трассе или поверхности дороги. Некоторые элементы увеличения прижимной силы автомобиля также увеличивают лобовое сопротивление.Очень важно создать хорошую нисходящую аэродинамическую силу, поскольку она влияет на скорость и тягу автомобиля. ^[19]

См. также

Ссылки

^ [1] Тунсер Себечи, Цзян П. Шао, Фасси Кафиеке, Эрик Лорендо, Вычислительная гидродинамика для инженеров: от панели до Навье-Стокса , Springer, 2005, ISBN 3-540-24451-4
^ Труды: Институт инженеров-механиков (Великобритания). Автомобильный отдел: Институт инженеров-механиков, Великобритания (1957 г.)
^ К. Майкл Хоган и Гэри Л. Латшоу, Взаимосвязь между планированием шоссе и городским шумом , Материалы ASCE, специализированная конференция Отдела городского транспорта, 21/23 мая 1973 г., Чикаго, Иллинойс.Американским обществом инженеров-строителей. Отдел городского транспорта
^ Дэвис, Марлан (февраль 2009 г.). «Советы и рекомендации по аэродинамике, которые можно использовать для повышения производительности» . Журнал Хот-Род . НАС. Архивировано из оригинала 22 апреля 2012 г.
^ Физика для ученых и инженеров , с. 448, в Google Книгах.
^ «Размышления о боковых зеркалах: тестирование сопротивления и расхода миль на галлон» . MetroMPG.com . 31 августа 2006 г. Проверено 7 декабря 2018 г.
^ Аэродинамика тяжелых транспортных средств: грузовики, автобусы и поезда, Том 1 , с. 490, в Google Книгах.
^ «Обзор первой поездки: Porsche Panamera Sport Turismo» . Автокар . 07.12.2012 . Проверено 1 марта 2013 г.
^ Фоссдайк, Джеймс. «Honda E получит систему зеркал с боковой камерой в стандартной комплектации» . Мотор1 . Проверено 7 мая 2021 г.
^ Брук, Линдси. «Беззеркальное будущее? НАБДД ищет информацию о внешних камерах» . Новости САЭ . САЭ Интернешнл . Проверено 7 мая 2021 г.
^ «Оценка сопротивления антенны, установленной на крыше (AU Ford Falcon)» . Виртуальный V8 . Австралия. Сентябрь 2005 года . Проверено 3 марта 2019 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Али, Хусейн. «Снижение лобового сопротивления серийного автомобиля» (PDF) . Великобритания: Университет Ковентри. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Бриджер, Габриэль (13 декабря 2010 г.). «Воздушная завеса 1M в деталях» . БиммерФайл . Проверено 10 февраля 2018 г.
^ «Как воздушные завесы на F-150 помогают снизить аэродинамическое сопротивление и повысить топливную эффективность» (пресс-релиз). 15 июля 2015 г. Проверено 10 февраля 2018 г.
^ «Проектирование ради дизайна — со встроенной аэродинамикой» (пресс-релиз). Хонда. Архивировано из оригинала 20 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.
^ Корфф, Уолтер Генри (1980). Проектирование автомобилей завтрашнего дня: от концепции, шаг за шагом, до детального проектирования . Публикации МК. ISBN 9780960385003 .
^ Популярная механика, сентябрь 1981 г. , с. 158, в Google Книгах.
^ Лёгдберг, Ола (2008). «Отделение и управление турбулентным пограничным слоем» . Стокгольм: Королевский технологический институт KTH . Проверено 3 марта 2019 г.
^ «Предварительные исследования». Автомобильная аэродинамика. 18 мая 2008 г. DHS. 18 мая 2009 г. < http://web-aerodynamics.webs.com/backgroundresearch.htm > Архивировано 2 сентября 2011 г. в Wayback Machine .

Внешние ссылки

Один из первых автомобилей, генерирующих прижимную силу – анализ Prevost в CFD

[1] [1] Тунсер Себечи, Цзян П. Шао, Фасси Кафиеке, Эрик Лорендо, Вычислительная гидродинамика для инженеров: от панели до Навье-Стокса , Springer, 2005, ISBN 3-540-24451-4

[2] Труды: Институт инженеров-механиков (Великобритания). Автомобильный отдел: Институт инженеров-механиков, Великобритания (1957 г.)

[3] К. Майкл Хоган и Гэри Л. Латшоу, Взаимосвязь между планированием шоссе и городским шумом , Материалы ASCE, специализированная конференция Отдела городского транспорта, 21/23 мая 1973 г., Чикаго, Иллинойс.Американским обществом инженеров-строителей. Отдел городского транспорта

[4] Дэвис, Марлан (февраль 2009 г.). «Советы и рекомендации по аэродинамике, которые можно использовать для повышения производительности» . Журнал Хот-Род . НАС. Архивировано из оригинала 22 апреля 2012 г.

[5] Физика для ученых и инженеров , с. 448, в Google Книгах.

[6] «Размышления о боковых зеркалах: тестирование сопротивления и расхода миль на галлон» . MetroMPG.com . 31 августа 2006 г. Проверено 7 декабря 2018 г.

[7] Аэродинамика тяжелых транспортных средств: грузовики, автобусы и поезда, Том 1 , с. 490, в Google Книгах.

[8] «Обзор первой поездки: Porsche Panamera Sport Turismo» . Автокар . 07.12.2012 . Проверено 1 марта 2013 г.

[9] Фоссдайк, Джеймс. «Honda E получит систему зеркал с боковой камерой в стандартной комплектации» . Мотор1 . Проверено 7 мая 2021 г.

[10] Брук, Линдси. «Беззеркальное будущее? НАБДД ищет информацию о внешних камерах» . Новости САЭ . САЭ Интернешнл . Проверено 7 мая 2021 г.

[11] «Оценка сопротивления антенны, установленной на крыше (AU Ford Falcon)» . Виртуальный V8 . Австралия. Сентябрь 2005 года . Проверено 3 марта 2019 г.

[wwwm.coventry.ac.uk-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с Али, Хусейн. «Снижение лобового сопротивления серийного автомобиля» (PDF) . Великобритания: Университет Ковентри. ^{[ мертвая ссылка ]}

[13] Бриджер, Габриэль (13 декабря 2010 г.). «Воздушная завеса 1M в деталях» . БиммерФайл . Проверено 10 февраля 2018 г.

[14] «Как воздушные завесы на F-150 помогают снизить аэродинамическое сопротивление и повысить топливную эффективность» (пресс-релиз). 15 июля 2015 г. Проверено 10 февраля 2018 г.

[15] «Проектирование ради дизайна — со встроенной аэродинамикой» (пресс-релиз). Хонда. Архивировано из оригинала 20 февраля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.

[16] Корфф, Уолтер Генри (1980). Проектирование автомобилей завтрашнего дня: от концепции, шаг за шагом, до детального проектирования . Публикации МК. ISBN 9780960385003 .

[17] Популярная механика, сентябрь 1981 г. , с. 158, в Google Книгах.

[18] Лёгдберг, Ола (2008). «Отделение и управление турбулентным пограничным слоем» . Стокгольм: Королевский технологический институт KTH . Проверено 3 марта 2019 г.

[19] «Предварительные исследования». Автомобильная аэродинамика. 18 мая 2008 г. DHS. 18 мая 2009 г. < http://web-aerodynamics.webs.com/backgroundresearch.htm > Архивировано 2 сентября 2011 г. в Wayback Machine .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]