2.5 Aerodynamika. W = 0,5 c x A v 2 ρ

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "2.5 Aerodynamika. W = 0,5 c x A v 2 ρ"

Dominika Nawrocka
7 lat temu
Przeglądów:

1 2.5 Aerodynamika Spośród oporów, jakie napotyka i pokonuje samochód podczas jazdy, dla konstruktora nadwozi najistotniejszy jest opór powietrza. Zjawiska aerodynamiczne mają bowiem wpływ nie tylko na osiągi, zużycie paliwa i stateczność ruchu, ale także na poziom generowanego hałasu - zewnętrznego i wewnętrznego, funkcjonowanie układu przewietrzania kabiny, wydajność układu chłodzenia silnika oraz szybkość i intensywność brudzenia się powierzchni nadwozia, w tym ważnych dla bezpieczeństwa czynnego szyb i kloszy lamp i reflektorów. Przy danej, stałej gęstości powietrza ρ, jako ośrodka, w którym porusza się bryła, czyli pojazd, siła oporu aerodynamicznego W zależy wprost proporcjonalnie od kwadratu prędkości jazdy v oraz iloczynu powierzchni czołowej samochodu A i bezwymiarowego współczynnika c. W = 0,5 c x A v 2 ρ Całkowity opór aerodynamiczny jest sumą oporu samego pojazdu oraz oporu wynikającego z ruchu obrotowego kół, istotnego przy prędkości powyżej 150 km/h. Na sumaryczną wartość oporu pojazdu składają się: - opór profilowy (wynikający z profilu podłużnego przekroju nadwozia) - ok. 60%; - opór zakłóceń (wynikający z zaburzeń opływu spowodowanych przez elementy wystające poza obrys bryły) ok. 15%; - opór wewnętrzny (wynikający z przepływu powietrza przez komorę silnika i przedział pasażerski) ok. 10% - opór tarcia (wynikający z turbulencji w warstwie przyściennej, w bezpośredniej bliskości bryły nadwozia) ok. 5-8 % - opór indukcyjny (wynikający z zawirowań strug powietrza na bocznych płaszczyznach nadwozia) ok. 7-10% -

2 W praktyce okazuje się, że do prędkości 80 km/h opór powietrza nie ma większego znaczenia dla bilansu mocy. W pojazdach miejskich zatem nie stanowi on godnego rozważań problemu. Jednak już przy prędkości 120 km/h jego wartość sięga połowy sumy całkowitych oporów ruchu. Powierzchnia czołowa, rozumiana jako pole rzutu przekroju poprzecznego samochodu na płaszczyznę prostopadłą do jego podłużnej osi symetrii, jest ściśle powiązana z rodzajem i wielkością nadwozia. Obecnie wynosi ona około 1,8 2,4 m 2. Uwzględniając wymagania użytkowe, projektant ma tu niewielkie pole manewru. Pozostaje mu odpowiedni dobór wartości współczynnika oporu. Współczynnik oporu powietrza jest miarą doskonałości aerodynamicznej bryły, o kształcie umożliwiającym opływ bez zawirowań i oderwań strugi. Obok czołowego (c x ), wyróżnia się boczny (c y ), uwzględniający działanie bocznego wiatru i pionowy (c z ) Oddziaływanie wiatru bocznego ma wpływ zarówno na czołowy opór aerodynamiczny, jak i siłę nośną. W związku z tym wprowadza się pojęcie kąta odchylenia, rozumianego jako kąt między podłużną osią symetrii pojazdu a kierunkiem wiatru. Wypadkowy kąt napływu powietrza zależy przy tym nie tylko od kierunku i siły działania wiatru, ale także od prędkości jazdy samochodu. Wpływ wiatru bocznego unaocznia się dobitnie np. podczas poruszania się drogą przebiegającą przez las i otwartą przestrzeń lub wyprzedzania ciągnika siodłowego z naczepą. Siła nośna (pionowa składowa całkowitego oporu powietrza) jest nazywana siłą docisku, jeśli przyjmuje wartości ujemne. Obecnie, przynajmniej w przypadku pojazdów przeznaczonych do eksploatacji na drogach publicznych, dąży się do zminimalizowania jej wartości poprzez uzyskanie c z bliskiego zeru. Upraszczając, dodatnia siła nośna pogarsza stateczność ruchu, a ujemna poprawia ją, co jest szczególnie istotne dla samochodów wyścigowych. Siła nośna w znacznej mierze zależy od przepływu powietrza i rozkładu ciśnień pomiędzy nadwoziem a nawierzchnią drogi.

3 Rzeczywiste wartości współczynników oporu powietrza c można dokładnie określić dopiero podczas badań modelu naturalnej wielkości w tunelu aerodynamicznym Pojazd pozostaje wówczas nieruchomy, ruch powietrza zostaje natomiast wymuszony przez dmuchawę. Dla upodobnienia warunków przepływu do rzeczywistych konieczna jest symulacja wpływu nawierzchni pod modelem. Następuje ona poprzez wprowadzenie dodatkowej płyty, odsysanie warstwy przyściennej, dodatkowy nadmuch powietrza, zastosowanie dwóch identycznych modeli stykających się kołami lub użycie ruchomej taśmy, odwzorowującej drogę. Pomiar działających sił i momentów aerodynamicznych umożliwiają tensometryczne wagi umieszczone pod kołami, lub połączone z układem wysięgnikowym, na którym mocowany jest model. Charakter przepływu odzwierciedla jego wizualizacja, za pomocą przyklejanych do nadwozia nitek bądź pasków, barwnika pokrywającego powierzchnie karoserii lub nadmuchiwanych smug dymu. W tunelach wodnych stosuje się do tych celów barwne płyny, pęcherzyki gazu lub kulki z tworzywa sztucznego.

4 Przykładowe parametry tunelu do pomiarów obiektów o powierzchni czołowej do 4 m2, w układzie 150 metrowego obwodu zamkniętego: 1. Dmuchawa [średnica 7,4m; moc 2,3 MW] 2. Kanał powrotny [prędkość strugi 60 m/s] 3. Kierownice 4. Wymiennik ciepła [zakres temp Cdeg] 7. Dysza [22,3 m2] 9. Waga [średnica 5m, z odsysaniem warstwy przyściennej, tensometryczny pomiar sił (do 5.000N) i momentów (6.000Nm) w układzie współrzędnościowym odcinka pomiarowego] 10.Dyfuzory odcinka pomiarowego [6,2x3,6x17,5m]

5 Symulacje komputerowe i badania modelowe w skali pozwalają jedynie na mniej lub bardziej dokładne oszacowanie. Idealny kształt nadwozia z punktu widzenia aerodynamiki (kropla, banan) jest nie do zaakceptowania przez użytkownika. Toteż działania konstruktorów koncentrują się na optymalizacji szczegółów (lusterka, wloty powietrza, spoilery), odpowiednim doborze geometrii płaszczyzn (np. kąty pochylenia szyb) i zaniedbywanym przez długie lata zagadnieniu aerodynamiki podwozia (osłony). W masowo produkowanych samochodach osobowych uzyskuje się już wartości c X poniżej 0,3 (c Y w przypadku pojazdów międzymiastowych ma wartość dwukrotnie większą - około 0,6). Symulacja komputerowa: Badania rzeczywiste:

6 Wstępna symulacja rozkładu ciśnień na nadwoziu umożliwia nie tylko weryfikację zachowań trakcyjnych (audi TT bez deflektora czasem wypada z drogi). Rozkład ciśnień na powierzchni nadwozia określa rozmieszczenie stref nadciśnienia i podciśnienia. Oczywistym jest, że wloty powietrza do układu wentylacji umieszczamy w strefach najwyższego nadciśnienia, a ich wyloty w strefach podciśnienia. Oto inne przykłady symulacji CFD w zastosowaniu do szeroko rozumianych problemów aerodynamiki nadwozia:

7 Szczegóły optymalizacyjne. Gładki spód idee dr Pawłowskiego z lat siedemdziesiątych w aktualnej realizacji szacuję wpływ na zmniejszenie c X ca 10 % (audi): Wpływ optymalizacji innych szczegółów na wielkość współczynnika czołowego oporu powietrza: Szczegół Zmiana c x (%) Gładkie kołpaki kół -1 do 3 Wklejane szyby boczne - 1 Zmniejszenie szczelin -2 do 5 technologicznych Dodatkowe osłony i deflektory - 1 do 7 Wpływ kąta pochylenia szyby przedniej na wielkość współczynnika czołowego oporu powietrza Kąt pochylenia szyby ( o ) Zmiana c x (%) 65-1,4 55-0, , , ,0

Podobne dokumenty

Pomiar rozkładu ciśnień na modelu samochodu

Miernictwo C-P 1 Pomiar rozkładu ciśnień na modelu samochodu Polonez (Część instrukcji dotyczącą aerodynamiki samochodu opracowano na podstawie książki J. Piechny Podstawy aerodynamiki pojazdów, Wyd. Komunikacji