2. Аэродинамика автомобилей и различные способы её улучшения.

2.1. Задачи аэродинамики

Обтекание внешним потоком воздуха приводит к возникновению сил и моментов, действующих на автомобиль, которые весьма существенно влияют на потребляемую мощность и курсовую устойчивость. Долгое время автомобильная аэродинамика занималась исключительно этими двумя эффектами обтекания. В последнее время круг задач расширился, и решается ряд следующих проблем:

1. уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.

2. предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости.

3. исключение загрязнения и скапливания дождевой воды на стеклах и фонарях автомобиля.

4. организация эффективного охлаждения двигателя и колесных тормозных механизмов.

5. уменьшение давления внутри колесной арки

а) Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.

Для уменьшения сопротивления воздуха можно воспользоваться двумя способами: уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова, и оптимизаций процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе). Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, - 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25. b) Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости. Чтобы удержать автомобиль в повороте нужен серьезный арсенал, превращающий подъемную силу в прижимную. Одним из подобных радикальных средств является сплиттер. Идея проста – не пустить воздух под днище, создав тем самым область пониженного давления, присасывающую автомобиль к дороге. Для большего эффекта и равномерного распределения прижимной силы одновременно может применяться и специальный обвес вдоль порогов, «герметизирующий» днище по бокам. Простое и эффективное это решение почти повсеместно применяется на гоночных автомобилях.

Более хитрым способом прижать автомобиль к земле является так называемый граунд-эффект. В его основе лежит все та же обратная зависимость между скоростью потока и давлением: если под днищем автомобиля разогнать воздух, то его статическое давление упадет, а прижимающая сила, соответственно, вырастет. Но как ускорить воздух? Для этого необходимо так спрофилировать днище, чтобы оно вместе с поверхностью дороги представляло собой сужающийся канал – в простейшем случае дно можно сделать не плоским, а немного выгнутым. Так же нужно правильно организовать его выход позади автомобиля, применив диффузор. Задача последнего – помочь «вытягиванию» воздуха из-под днища, используя область низкого давления, образующуюся за автомобилем, а параллельно и уменьшить саму область разряжения, направив в неё воздух. 

Одним из самых распространенных и действенных способом является установка спойлера (антикрыла) на заднюю часть автомобиля. Отличие спойлера от антикрыла состоит в том, что спойлер разрывает поток воздуха над машиной, тем самым уменьшая подъемную силу. Тогда как антикрыло создаёт подъемную силу, но действует как бы вниз головой, увеличивая прижимную, тем самым делая машину тяжелее на скорости. Правда, при установке параллельно воздушному потоку, как того требуют соображения о минимизации лобового сопротивления, заметный эффект достигается лишь на очень большой скорости, в то время как прижимная сила нужна в поворотах, где темп, наоборот, невысок. В связи с этим антикрылья обычно устанавливаются под некоторым углом к потоку (углом атаки), дабы прижимать автомобиль и за счет динамического давления встречного воздуха. Но опять незадача – при этом возрастает лобовое сопротивление! И чем выше нужна прижимная сила, тем больше угол атаки, и тем хуже обтекаемость. С этого момента и начинается инженерное искусство. Например, вместо антикрыла с одним профилем применяются двойные или даже тройные конструкции – так при заданных габаритах удается увеличить общую поверхность антикрыла и получить бОльшую прижимную силу, не прибегая к повышению угла атаки.

c) Исключение загрязнения и скапливания дождевой воды на стеклах и фонарях автомобиля. Используя данные о вихревом следе за автомобилем можно решать вопрос о загрязнении задней части автомобиля. В зависимости от состояния полотна дороги колесами захватывается пыль или грязная вода. Частицы пыли и воды в процессе турбулентного перемешивания распределяются по всему объему вихревого следа и оседают на задней поверхности автомобиля. Так как состояние потока в задней части автомобиля, в свою очередь, сильно влияет на силу сопротивления воздуха, то проблему загрязнения задней части автомобиля нельзя рассматривать изолированно. Также, чтобы исключить загрязнения боковых зеркал заднего вида, необходимо уменьшить завихрения воздуха после контакта с зеркалами.

d) Организация эффективного охлаждения двигателя и колесных тормозных механизмов.

Поток через радиатор определяется формой потока перед автомобилем. Хорошо видно, что точка разделения потока на верхний и нижний находится на высоте бампера; отверстия расположены выше и ниже бампера, поэтому поток по отношению к ним направлен под углом. Задача декоративной решетки перед радиатором - направить этот поток, по возможности без потерь, к радиатору, который располагается вертикально. Поток охлаждающего воздуха должен проходить таким образом, чтобы теплоотдача по всей площади радиатора по возможности была равномерной, за счет этого можно сэкономить дорогостоящий материал, из которого он изготовлен. Следует обратить внимание на то, что аэродинамическое сопротивление автомобиля вследствие потери скоростного напора в потоке охлаждающего воздуха возрастает; приняв соответствующие меры, можно уменьшить это сопротивление. Если образуемого при движении расхода воздуха для охлаждения недостаточно, должен включаться вентилятор; радиатор и вентилятор должны быть подобраны друг к другу таким образом, чтобы система охлаждения была экономичной с точки зрения ее стоимости и энергетических затрат на привод вентилятора. Также существует промежуточный охладитель наддувочного воздуха, интеркулер, представляющий собой теплообменник (воздухо-воздушный, водовоздушный), чаще радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. В основном используется в двигателях с системой турбонаддува.

Устройство предназначено для извлечения тепла из воздушного потока, который нагревается при сжатии в компрессоре. Существует много критериев, которыми руководствуются при создании интеркулера. Основные среди них — это максимальный отвод тепла, минимальные потери давления наддува, увеличения инерции потока.

Тормоза автомобиля также нуждаются в охлаждении. Чтобы осуществить эту затею, нужно всего лишь пустить воздуховоды от отверстия в бампере к самим тормозам – и все заработает. С охлаждением задних тормозов – аналогичная ситуация, только в данном случае воздух берется от специальных воздухозаборников в задних крыльях.

5. Уменьшение давления внутри колесной арки. Вследствие высоких скоростей вращения колес, внутриарочное давление увеличивается. Чтобы избежать скверных последствий, в конструкции арки делают отверстия особой формы, куда может уйти воздух, создающий избыточное давление. Часто делают небольшие спойлеры, имеющие прямую связь с арками задних колес. Это помогает эффективно использовать воздух, увеличивая прижимную силу сзади.

3. Аэродинамическая труба. Аэродинами́ческая труба́ — это экспериментальная установка, разработанная для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел (самолётов, автомобилей, ракет, мостов, зданий и др.) потоком, а также для экспериментального изучения аэродинамических явлений.

Аэродинамическая труба состоит из одного или нескольких вентиляторов (или других устройств нагнетания воздуха), которые нагнетают воздух в трубу, где находится модель исследуемого тела, тем самым создаётся эффект движения тела в воздухе с большой . Аэродинамические трубы классифицируют по диапазону возможных скоростей потока (дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые), размеру и типу рабочей части (открытая, закрытая), а также поджатию — соотношению площадей поперечных сечений сопла трубы и форкамеры. Также существуют отдельные группы аэродинамических труб:

• Высокотемпературные — дополнительно позволяют изучать влияние больших температур и связанных с ними явлений диссоциации и ионизации газов.

• Высотные — для исследования обтекания моделей разреженным газом (имитация полёта на большой высоте).

• Аэроакустические — для исследования влияния акустических полей на прочность конструкции, работу приборов и т. п.

Основные эксперименты: 1. Измерение давлений по поверхности тела.

Для исследования необходимо изготовить дренированную модель тела — в поверхности модели выполняются отверстия, которые соединяются шлангами с манометрами.