СТАТЬИ ПО АЭРОДИНАМИКЕ |
 
|
Подписчиков (1) |
Форум » Библиотека » СТАТЬИ ПО АЭРОДИНАМИКЕ
Ссылка на это сообщение:
|
|
Добавлено: 21:06 / 15.09.06 Содержание: 1)БЫСТРЕЕ ВЕТРА ЛЕЧУ... 2)АЭРОДИНАМИКА АВТОМОБИЛЯ 3)АВТОМОБИЛЬ НА ВЕТРУ 4)АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА БЫСТРЕЕ ВЕТРА ЛЕЧУ... В век больших скоростей аэродинамика автомобиля стала небезразлична каждому автомобилисту. За неудачные решения дизайнеров и конструкторов расплачиваемся мы, потребители, мирясь с ухудшенными скоростными и экономическими показателями машины, - и буквально швыряем деньги на ветер. _____________________________________________________________ НЕПРОСТЫЕ ЗАДАЧИ... На нашей планете все, что может мало-мальски быстро двигаться, испытывает на себе сопротивление атмосферы или водной стихии. Для нас, автомобилистов, "врагом" номер один является воздух (ЗР, 1997, № 7), причем особую роль здесь приобретает аэродинамика именно легкового автомобиля. Почему? Вообразите, что, не меняя форм машины, ее удалось сделать на треть легче. (В действительности это было бы крайне непросто!) И что же? В расчете, который мы с вами делали в той статье, сопротивление качению колес снизилось бы на треть - с 24 до 14 кгс. И только! Аэродинамическое же сопротивление останется неизменным. 1 Рис. 1а. Коэффициенты аэродинамического сопротивления различных тел. Значит, признавая необходимость облегчения автомобиля (ему ведь приходится и разгоняться, и тормозить, и подъемы брать!), подчеркнем: основные показатели легкового автомобиля на высоких скоростях зависят прежде всего от его аэродинамических качеств. Кстати, вопросами аэродинамики в нашу эпоху приходится заниматься даже строителям. От того, насколько грамотно спроектировано здание, зависит его способность противостоять ветру, эффективность вентиляции, отопления и т.д. Похожие задачи прослеживаются и в автомобиле. Дело ведь не только в том, чтобы машина была максимально "обтекаемой". Нужно еще, чтобы действующие со стороны воздушного потока силы не ухудшали ее поведения на дороге, вызвав неустойчивость. А как обеспечить хорошее охлаждение двигателя, агрегатов, функционирование климатической установки и тормозов - да чтобы расход воздуха на это был минимальным, иначе опять-таки увеличится сопротивление? Если автомобиль оснащен спойлерами, антикрыльями, то здесь своя задача - обеспечить их максимальную эффективность. От аэродинамики подкапотного пространства зависит... распределение пыли, а отсюда - срок службы фильтров, чистота воздуха в салоне и т.д. Очень важную роль играет конструкция стоек крыши, водосливных желобов и других подобных устройств (при неудачных решениях резко увеличивается сопротивление, шум, вода попадает на боковые стекла). Степень загрязнения осветительных приборов также связана с аэродинамикой машины. Иными словами, аэродинамическая наука в применении к автомобилю решает весьма противоречивые задачи. Мы не раз уже говорили, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату его скорости относительно автомобиля, а сопротивление качению шин от скорости (в известных пределах) почти не зависит, зато определяется весом машины. Вот почему для грузовиков аэродинамика все-таки вторична - здесь важнее вес. Вообразим магистральный грузовик весом 40 тонн с неплохой аэродинамикой - Сх = 0,5. При лобовой площади 8 м2 и скорости 90 км/ч сопротивление воздуха составит 165 кгс, а сопротивление качению - 600 кгс. Зачем же тогда владельцы таких машин оснащают их дополнительными обтекателями? Дело в том, что сила "600", по существу, оплачена заказчиком - она связана с полезной нагрузкой. Пустой "мастодонт" покатится легче, но и дохода не принесет... Сила же "165" - просто вредная, ее нужно снижать. Установленный обтекатель "работает" постоянно, независимо от нагрузки машины, - и постепенно себя окупает... ДРУГИЕ ФАКТОРЫ Понятно, что, кроме формы автомобиля, важен и его размер - в известную вам формулу входит лобовая ("миделева") площадь машины. Для легковых автомобилей она меняется в зависимости от класса примерно от 1,5 до 2,5 м2. У грузовиков может быть в 3-4 раза больше. Далее в формуле фигурирует плотность воздуха. Величина, строго говоря, не постоянная. Например, на высокогорных дорогах она может быть раза в полтора меньше, чем на улицах города. 4 Рис. 2. Коэффициенты аэродинамического сопротивления некоторых автомобилей. Как же определяют коэффициент аэродинамического сопротивления? Хотя здесь возможны разные подходы, наиболее подходящим для этого "инструментом" признана аэродинамическая труба, причем - достаточно большая, позволяющая испытывать натурный автомобиль, а не его модель. Инструмент, заметим, очень дорогой... Ведь некоторые современные трубы, используемые для "продувок" авиационных объектов, потребляют энергию, сопоставимую с мощностями больших электростанций. Автомобильные трубы, кстати, зачастую мало им уступают. Почему коэффициент часто обозначают Сх? Буквой "х" обозначают продольную ось автомобиля, самолета, корабля. Таким образом, индекс "х" при коэффициенте указывает на то, что машина обдувается строго симметричным потоком, с углом скоса, равным нулю. Если машину поставить под некоторым углом к потоку, результат станет иным. Кстати, аэродинамика занимается и этим: нам же небезразлично, как поведет себя машина при боковом ветре! "Углубляться" далее в эту область не будем, но заметим, что серьезное исследование аэродинамики машины требует учета порой самых неожиданных деталей. Именно эти исследования порой дают чрезвычайно любопытную картину! Так, фирма "Фольксваген", исследовав аэродинамические характеристики 86 (!) европейских легковых автомобилей выпуска 1971-1978 гг., определила для них "среднее" значение Сх = 0,44 - то есть в те годы он был близок к показателю наших "жигулей". Куда интереснее другое: разброс между наибольшими и наименьшими значениями Сх составил... 40%! Если учесть, что сравнивались автомобили одного класса, а многие весьма похожи по форме, то такой "курьезный" результат на самом деле означал, что коэффициент сопротивления может варьироваться в широких пределах в зависимости от того, насколько тщательно отработаны, казалось бы, малозначительные детали. 5 Рис. 3. Аэродинамический тормоз самолета - большой щиток "поперек потока". Это щели между капотом, дверями и кузовом, способ установки остекления, конструкция наружных зеркал, бамперов, дисков колес и т.д. Чрезвычайно важную роль играют малозаметные различия в углах наклона стекол, сужении задней части кузова, конфигурации крышки багажника... ВНЕШНОСТЬ ОБМАНЧИВА... Рассуждая чисто житейски, многие из нас называют обтекаемым тот автомобиль, который таковым лишь кажется. Если сравнить "Татру-87" 40-х годов с современной нашей "девяткой", то какой из двух отдадите предпочтение? Но сначала отметим, что, скажем, ВАЗ-21099 с его стремительной, динамичной внешностью имеет коэффициент сопротивления около... 0,41. То есть не так уж далеко убежал от "Жигулей", для которых разные источники называли Сх от 0,45-0,46 до 0,5 (рис. 2). Любопытно, что, рассчитав, исходя из динамических показателей, значение Сх для ВАЗ-2110, как мы это делали в ЗР, 1997, № 7, вы получите около 0,35... И эту величину нам недавно подтвердили специалисты ВАЗа. 6 Рис. 4. Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления за счет установки "накладных элементов" на кабину или переднюю стенку кузова. Со времен появления первых аэродинамических труб через них немало воздуха утекло. Некоторые "азбучные" цифры специалистам известны, как нам - таблица умножения. На рис. 1, а показаны примеры геометрических тел и результаты их продувок. Наиболее обтекаемое - тело вращения, напоминающее вытянутую каплю, его Сх= 0,04. Заменив же его сферой, мы получаем Сх = 0,47. Рост сопротивления более чем в 10 раз! Столь большая разница объясняется тем, что у "шарика" нет вытянутого хвоста, позволяющего потоку сойтись за ним плавно, без образования вихрей (рис. 1, б). Но куда больше озадачивает неподготовленного человека конус! Для него Сх=0,5. Куб - очевидно - плохо обтекаем. Действительно, для него Сх=0,8 - 1,05 в зависимости от направления оси "х". Плоские пластины (поперек потока) дают значения Сх до 1,17 - 1,19. Не случайно так выглядят воздушные тормоза на самолетах (рис. 3)! Но заметьте: многие грузовики словно сконструированы из подобных "тормозов" - видны кубы, конусы, цилиндры, плоские пластины. Вот где резервы для совершенствования. Здесь же, на рисунке показано полутело вращения (половина "капли"), приближенное к основанию. Это очень важная для нас модель. Исследования показали, что даже у "капли" по мере приближения к основанию сопротивление увеличивается, поскольку симметричная картина обтекания нарушается. К тому же реальный автомобиль должен, как минимум, иметь еще и колеса, не вписывающиеся в обводы тела вращения. Такая модель имеет вблизи основания Сх=0,09. Это - одна из "идеальных" моделей, к которой стремятся конструкторы автомобилей. Конечно, полностью реализовать ее не удается - хотя бы потому, что автомобиль при заданном габарите должен быть достаточно компактным, без искусственно удлиненного "хвоста". Исследования ряда фирм показывают, однако, что появление автомобиля с коэффициентом аэродинамического сопротивления около 0,15 в будущем вполне реально... Поживем - увидим! Немало интересного можно узнать из специальной литературы об аэродинамике грузовиков, например очень популярных в наше время седельных тягачей и автопоездов. Выше мы уже упоминали дополнительные обтекатели, устанавливаемые на кабину тягача или на переднюю стенку выступающего над кабиной кузова. Подобные устройства в некоторых случаях очень эффективны - вы можете судить об этом по рис. 4. Умелый подбор таких "накладных элементов" может привести к снижению аэродинамического сопротивления машины (при симметричном обтекании) почти на треть. Не менее интересен вопрос об обтекании автопоезда - с учетом того, как влияют друг на друга его составные части. Кстати, это касается и автолюбителя, если он эксплуатирует автомобиль с прицепом. Последний, находясь в "спутной струе" за тягачом, не обязательно должен резко увеличить общее сопротивление, как многие думают. Поэтому некоторое повышение расхода топлива при буксировке прицепа определяется, в основном, повышением веса по сравнению с одиночным автомобилем и большей нагрузкой на двигатель при разгоне или на подъемах дороги. Вот такая это интересная наука - аэродинамика! Ну а как насчет "Татры-87"? Когда Ледвинка создал эту машину, в 40-х годах, для нее назывался прямо-таки фантастический показатель: Сх=0,244! По-видимому, сыграло роль то обстоятельство, что испытание проводилось на модели в масштабе 1:5, а при этом ряд факторов трудно учесть. Позднее, при оценках по фактически полученным тяговым показателям, назывался Сх=0,31. И только в 1979 году в трубе фирмы "Фольксваген" исследовали, наконец, "натурный" объект, взяв его из автомобильного музея. Оказалось, что у "старушки" "Татры-87" Сх=0,36. Как видите, совсем неплохой даже по сегодняшним меркам. Правда, "Татра-87", при некоторой угловатости отдельных элементов, все же явно подражает упоминавшейся "полукапле": двигатель сзади, в "хвосте", миделево сечение несколько смещено вперед. Ледвинка знал, чего добивался. Сегодня у лучших легковых автомобилей коэффициент аэродинамического сопротивления стал ниже 0,3 и приближается к 0,25 (купе "Опель-Калибра" - 0,26!). Похоже, мы вступаем в эпоху все более совершенных, стремительно развивающихся в этом направлении машин. Достаточно сравнить хотя бы нынешние "Ауди-А6" или "Фольксваген-Пассат" с их предшественниками, выпускавшимися всего 5-6 лет назад, чтобы это увидеть. Посетители Автосалона-97 в Москве имели эту возможность... АЭРОДИНАМИКА АВТОМОБИЛЯ Прежде чем будущий автомобиль начнут изготовлять серийно, конструкторы проверяют его аэродинамические качества. В свое время это делали с помощью натурных экспериментов. Автомобиль (не модель!) ставили на железнодорожную платформу или на крышу специального автобуса. Во время движения с разной скоростью проводились замеры, фотографирование и киносъемка. Но позже выяснилось, что, расположенная наверху, машина попадала в воздушный поток, который создавал, скажем, мчавшийся автобус. Какие уж тут результаты — ведь важно было узнать обтекание в невозмущенном воздухе. Над движущимся агрегатом (так говорят специалисты) существует «зона спокойствия». Только она очень мала, настоящая автомашина в ней не уместится. Вот почему инженеры и ученые Горьковского сельскохозяйственного института и конструкторско-экспериментального отдела Горьковского автозавода решили располагать на крыше маленькие модели — копии взрослых автомашин, уменьшенные в пять раз (см. рис. на 1-й стр. обложки). Для них-то хватит места в «зоне спокойствия». Нужно было только узнать точные границы этой зоны. С этого и начались опыты горьковчан. К передней части автомобиля «Чайка» (ГАЗ-13) крепилось несколько металлических трубок, в них — металлический стакан с дымовой шашкой. Перед тем как трогаться с места, шашка поджигалась. Когда скорость «Чайки» достигала 80 км/час, включалась кинокамера и начиналось фотографирование. Дым четко показывал, куда дуют встречные ветры — незадымленным остался участок, не продуваемый ими. Тут и был поставлен экран для модели. Его размер — 3 X 1,8 м, высота над крышей — 0,4 м, передний край выступает впереди автомобиля на 0,65 м. В центре экрана сделаны специальные весы, к которым и крепится модель. Встречный поток пытается сорвать модель с места, сдвинуть ее. Весы регистрируют усилие и передают на осциллограф. Первыми на весы попали пластмассовые модели автомобиля «Волга» (ГАЗ-21 и ГАЗ-24-2 — один из промежуточных вариантов ГАЗ-24). Пассажирами на крыше «Чайки» они ездили в безветренную погоду по шоссе Москва — Горький. При скорости 120 км/час были записаны усилия, действующие на эти модели. Их сравнили с теми, что были получены раньше — при продувке в аэродинамической трубе. Отличие было ничтожным. Во второй серии испытаний модели обдувались тонкой струей дыма — прямо в центр их «радиатора». Фото- и киносъемка фиксировали поведение проявленного дымом воздушного потока. Выяснилось, например, что у «Волги» (модель ГАЗ-24) он обтекает плавно капот и ветровое стекло, затем опускается за моделью и сужается. У модели УАЗ-469 в передней части возникает мощный подпор воздуха, обтекание нарушается. Часть потока срывается у передней кромки капота, поднимается над УАЗом, образуя завихрения сзади. 3)АВТОМОБИЛЬ НА ВЕТРУ (ЮТ №2, 1970) Дорогая редакция! Недавно я видел на улице автомобиль, у которого сзади имелись вертикальные длинные выступы на багажнике, похожие на спинные плавники рыб. Я хотел бы узнать: для красоты это сделано или для увеличения скорости? Игорь Васильев, Москва Каждый, кто увлекается автомоделизмом, знает, что на пути автомотоспорта стоят такие проблемы: облегчение веса конструкции и увеличение мощности мотора. Как совместить эти требования в одной машине? Законы аэродинамики подсказали решение не только конструкторам самолетов, но и инженерам-автомобилистам. Посмотрите на рисунок 1. Вот так выглядит действие аэродинамических сил на корпус машины, идущей против ветра. Если сравнить это с самолетом, то нетрудно заметить, что на самолет действуют несколько сил: с одной стороны — сила его тяжести, с другой — аэродинамическая — подъемная и третья — сила сопротивления. Сумма их и определяет полет. Автомобиль тоже испытывает на себе действие этих сил. Главная из них — сила лобового сопротивления, которая складывается из силы трения и силы сопротивления воздуха. От первой, как говорится, никуда не денешься, а вторая... Над уменьшением ее и работают конструкторы: она ведь зависит от конфигурации самой машины. Итак, каким же по форме должен быть в таком случае силуэт машины? Мы до сих пор еще представляем его себе в форме капли, обтекаемой формы акулы или тунца (рис. 2), с вытянутой и заостренной задней частью корпуса, самая широкая часть которого не превышает одной трети длины машины. Так выглядит, например, модель на рисунке. Чтобы уменьшить лобовое сопротивление, конструкторы стараются сократить так называемую фронтальную поверхность. Достигнуть этого можно, уменьшая ширину и высоту машины. Так, уменьшение фронтальной поверхности у машины «кор-рера-6» на 60 см2 дало выигрыш в скорости 20 км/час. И вот, казалось бы, добились минимальной поверхности, если не принимать во внимание размеры шин, преобладающие над всеми другими элементами корпуса. Но снова инженеры в смущении — их подвел коэффициент формы, известный под знаком Сх. И вот модернизировано лобовое стекло, изменены фары, крылья, боковые поверхности. Все снова приближается к обтекаемому рыбообразному силуэту (рис. 3). Основное затруднение — как установить лобовое стекло, чтобы было удобно водителю, чтобы сохранился неплохой обзор и осталось прочным крепление стекла с крышей. Перед конструкторами автомобилей стоит и другая проблема: увеличение устойчивости машины при больших скоростях. Нужно, чтобы автомобиль не только сохранял заданную траекторию, но и возвращался на нее при малейших отклонениях. И тут возникает еще одна проблема: управление. Из законов динамики известно, что машину можно считать устойчивой, если при любой скорости результативная (F) всех сил направляет машину по прямолинейной траектории. Достигнуть этого можно, переместив так называемый центр давления ближе к геометрическому центру. Такова роль вертикальных рулей. Они в какой-то мере решают проблему устойчивости для машин с усиленной «хвостовой» частью. Есть и другое решение: усечение хвостовой части. Но в этом случае нужно проявить осторожность. Для машины, у которой «отрезали» «хвост» сразу за задними колесами, было зафиксировано увеличение сопротивления на 35%. Когда я узнал, что на гоночные автомобили стали ставить антиподъемные самолетные крылья для большей устойчивости, то подумал: а нельзя ли применить два элерона, которые можно расположить по концам крыла? Тогда, например, при повороте влево, когда автомобиль из-за центробежной силы стремится перевернуться вправо, молено опустить левый элерон, значит, увеличится действие антиподъемной силы на левый бок автомобиля. Левые колеса будут прижиматься к земле. Если при этом поднять правый элерон, то получится перевертывающий „эффект крыла", действующий в обратную сторону. Правые колеса будут отжиматься от земли. Когда нужно повернуть вправо, все делается наоборот. Благодаря элеронам можно будет поворачиватъ, не снижая cкopocти. Олег Егоров, Донецк. На старте стояли машины необычной формы. В общем-то они были похожи на гоночные автомобили, если бы не эти крылья, напоминающие самолетные. Ревели мощные моторы, трек стал похожим на аэродром. Зрители, собравшиеся здесь, с нетерпением ждали начала гонок на новых спортивных автомобилях (рис. 4) с антиподъемными крыльями. Но гонки эти, которые были разрекламированы как самые безопасные из всех, что когда-либо проводились, закончились печально. Две машины перевернулись. Один гонщик погиб... Попробуем разобраться, почему же это произошло. При сравнительно небольших скоростях (около 64 км/час) аэродинамические силы, действующие на автомобиль, становятся равными механическим силам. Но затем, по мере увеличения скорости, быстро превышают их, возрастая пропорционально квадрату скорости (рис. 5). Анализ всех аэродинамических сил не так прост. При ветре, например, результирующая аэродинамическая сила может находиться не в плоскости симметрии автомобиля, образуя три составляющих: подъемную силу, лобовое сопротивление и боковую силу. Анализ усложняется и упругой подвеской автомобиля. Это означает, что корпус машины может занимать различные положения относительно рамы, осей и покрытия трека. Как это ни странно, но большинство конструкторов гоночных автомобилей рассматривает уравнения движения машин с механической точки зрения, не принимая во внимание аэродинамические силы. Между тем изучение влияния постоянных аэродинамических сил показало, что они оказывают большое влияние на устойчивость автомобиля. Особенно сильно влияет на управление подъемная сила. Экспериментальным путем доказано, что при движении гоночного автомобиля возникает вертикальная аэродинамическая подъемная сила, причем часто весьма значительная. Между передней и задней осями она распределяется по-разному. В основ-ном она влияет на переднюю ось, затрудняя управление, поскольку сцепление колес с дорогой уменьшается. Особенно это чувствуется иа виражах. На заднюю ось влияние ее меньше. Как это отражается на гоночном автомобиле в целом? Подъемная сила, уменьшая нагрузку на колеса, снижает силу тяги, в результате на колеса передается меньшая мощность, снижается скорость — основная характеристика гоночной машины. К тому же она становится менее устойчивой. Есть ли выход из положения? Конструкторы нашли его, поставив над задней осью короткое крыло с наклоном вперед (вниз). Такая установка привела к созданию отрицательной подъемной силы, или, как ее еще называют, антиподъемкой силы. Крылья эти казались эффективным средством для преодоления вредной подъемной силы. Так, например, автомобиль с коэффициентом подъемной силы 0,3, мчащийся со скоростью 160 км/час, создает полную подъемную силу +,40 кг. Если же над задними колесами установить крыло, наклоненное вперед-вниз, то оно создаст отрицательную подъемную силу — 81 кг. Таким образом, на автомобиль будет давить сила, прижимающая его к покрытию трека и равная 41 кг (81—40 = 41 кг). Однако у таких крыльев оказались и свои недостатки. Крыло надо закреплять иад автомобилем довольно высоко, чтобы оно находилось в нетурбулентном потоке, где воздух обтекает крыло плавно. Однако в таком положении сила сопротивления воздуха (10% от подъемной силы) действует на длинный «рычаг», стремясь повернуть машину вокруг задней оси. В результате передние колеса теряют сцепление с покрытием дороги. Управление гоночным автомобилем ухудшается. Стремясь справиться с этой проблемой, некоторые конструкторы решили, что дополнительное крыло следует установить и над передними колесами. Однако, как оказалось, это ухудшает ходовые качества-автомобиля, особенно ускорение с места. Все эти обстоятельства, а также-происшедшие две катастрофы привели к тому, что спортивная комиссия Международной автомобильной ассоциации решила запретить установку крыльев на гоночных автомобилях. 4)АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА (ЮТ № , 1971) На оси укреплено коромысло с разными плечами — одно короткое, другое длинное. Ось свободно вращается в кронштейне, трение должно быть минимальным. Кронштейн приваривается или привинчивается к щиту, на котором размечена шкала, проградуированная в граммах. К коромыслу жестко прикреплен вертикальный стержень. К нижнему его концу — тоже жестко — подвешиваются различные физические тела. Коромысло несет два грузика. На коротком плече он более тяжелый и служит для установки коромысла в нулевое положение. На длинном плече грузик полегче и свободно по нему передвигается. Вся установка держится на штативе. Источником воздушного потока может служить пылесос, включенный ре-версивно, или вентилятор. Поток нужно направить в трубу, диаметр которой немного больше диаметра испытываемого тела. Опыт проходит так. Подвесьте тело, установите маленький грузик на ноль, а большой передвигайте по короткому плечу, чтобы стрелка коромысла встала против черты. Чтобы легче было регулировать коромысло, можно большой груз сделать на резьбе. Когда система уравновешена, начинайте подавать воздух. Коромысло отклонится кверху. Маленьким грузиком верните его снова к черте. Деление против грузика покажет величину сопротивления тела. Естественно, для тел с разной конфигурацией эта величина будет различной. Чтобы эксперимент был чистым, надо соблюдать следующие условия. Поток воздуха должен быть постоянной силы. Расстояние от конца трубы до места наибольшего сечения тела тоже всегда должно быть одинаковым. Следите, чтобы ось тела и ось аэродинамической трубы совпадали. Чтобы коромысло получилось нетяжелым, лучше . всего сделать его из дюралюминия. Материал остальных деталей устройства значения не имеет. Разумеется, испытываемые тела необходимо сделать из достаточно легкого материала. Осталось назвать автора конструкции — это И. М. Румянцев, сотрудник Научно-исследовательского института школьного оборудования и технических средств обучения. |
|
|
Подписчиков (1) |
|
|
Вы не можете начинать темы Вы не можете отвечать на сообщения Вы не можете редактировать свои сообщения Вы не можете удалять свои сообщения Вы не можете голосовать в опросах |
« Двадцать кубиков на сотню? | Транспорт здоровья - веломобиль. »
|
© ДЫРЧИК.РУ 2018 info@dyr4ik.ru |
|
Мобильная платформа для втуберов |