Обзор и анализ методов оценки аэродинамических свойств автомобилей

1.1 Обзор и анализ методов оценки аэродинамических свойств автомобилей. 

       Существует  несколько способов экспериментального определения лобовой силы сопротивления, наиболее известными и распространенными из них являются:

1. В полномасштабных аэродинамических трубах различной конструкции;
2. Расчет по методу выбега;
3. На железнодорожной платформе;
4. На масштабной модели, закрепленной на крыше реального автомобиля;
5. На лабораторной установке аэродинамической трубы;
6. Компьютерное моделирование.

       Рассмотрим  подробнее каждый из способов.

     1. Аэродинамические трубы - это установки, создающие  поток воздуха для экспериментального изучения явлений,  сопровождающих  обтекание тел. С их помощью определяются  силы, возникающие при полёте  самолётов и вертолётов,  ракет   и   космических кораблей,  при движении  надводных и подводных судов, исследуются их устойчивость и управляемость. Автомобильные аэродинамические трубы используются при проектировании и доводке автомобилей до наилучших аэродинамических кондиций. Для автомобилей проводятся испытания по целому комплексу параметров, влияющих на аэродинамическое сопротивление по внешнему и внутреннему контурам. В частности, определяется лобовая сила сопротивления, прижимная и подъемная силы, моменты сил от набегающего потока воздуха, влияющие на курсовую устойчивость. 

     

     

           Испытания в аэродинамических  трубах базируются на принципе  относительности Галилея, который  гласит, что перемещение  тела  относительно  воздуха  (или   жидкости)  можно заменить движением  воздуха, набегающего на неподвижное  тело.

           В  аэродинамических  трубах  натурные   явления   обращаются.  Вместо поступательного, прямолинейного и равномерного движения  тела  в  однородной неограниченной  среде  изучается  обтекание  неподвижного  тела  равномерным потоком  с  той  же   скоростью.   По   принципу   относительности, разработанному Галилеем, механические явления взаимодействия среды и тела  будут в обоих случаях одинаковыми. [2]

           Для моделирования движения тела  в аэродинамической трубе   необходимо  создать  равномерный ламинарный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные  скорости  (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру.

     В зависимости от способа подачи воздуха  различают два типа конструкций. На рис. 1.1а. приведена схема аэродинамической трубы незамкнутого типа (конструкция Эйфеля). В такой трубе через рабочую часть проходит в каждый момент времени новая порция воздуха, входящего из окружающей среды и выходящего наружу с обратной стороны. На рис. 1.1б. представлена замкнутая аэродинамическая труба с перемещением одной и той же массы воздуха по замкнутому каналу  (Геттингенская конструкция). Циркуляция воздуха по каналу обеспечивается вентилятором.

     Наряду  с этими двумя типами была разработана  конструкция, являющаяся как бы переходной между ними - с открытым возвратом воздуха, которая, как правило, тоже связывается с именем Эйфеля. При такой конструкции воздух внутри здания, окружающего аэродинамическую трубу, возвращается от выпускного диффузора к входной воронке.

Рис. 1.1а. Аэродинамическая труба незамкнутого типа (конструкция Эйфеля)

       Рис. 1.1б. Аэродинамическая труба замкнутого типа (Геттингенская конструкция)

     Все три типа аэродинамических труб имеют  свои преимущества и недостатки, оценить  которые в количественном отношении  можно только в каждом конкретном случае применения.

     

     Достоинством  аэродинамической трубы Геттингенской  конструкции является меньшая требуемая  мощность привода. Это приводит к  меньшим эксплуатационным затратам, с одной стороны, благодаря меньшему расходу потребляемой электродвигателем  энергии, а с другой стороны, благодаря  меньшим потерям энергии в подводящих кабелях, которая для больших аэродинамических труб составляет весьма существенное значение. Меньшими будут и капитальные вложения на приобретение и монтаж привода, но капитальные затраты на строительство самого аэродинамического канала будут существенно более высокими, чем незамкнутого аэродинамического канала. Модели автомобилей для динамических испытаний изготовляются преимущественно из пластилина, но он при повышении температуры теряет свою твердость. Поэтому в динамических трубах замкнутого типа необходимо предусматривать теплообменник для охлаждения воздуха, даже тогда, когда аэродинамическая труба не является климатической. Потеря давления в теплообменнике, в свою очередь, требует дополнительного  увеличения мощности привода, что несколько уменьшает выигрыш, получаемый в эксплуатации для труб замкнутого типа.

     Существенным  недостатком незамкнутой аэродинамической трубы по схеме Эйфеля, устанавливаемой, как правило, вне здания на открытом пространстве, является зависимость  параметров потока от внешних погодных условий. При этом особые трудности  связаны с предотвращением влияния  атмосферного ветра на качество потока в рабочей части трубы. Поэтому  ее можно использовать только в местах с умеренным климатом. Из опыта  эксплуатации большой аэродинамической трубы Эйфеля в автомобильной  промышленности известно, что в среднем  один день измерений в неделю теряется из-за неблагоприятных погодных условий. Сетки, устанавливаемые на входном трубопроводе аэродинамической трубы и используемые для предотвращения попадания вместе с воздухом посторонних предметов (камней, листьев деревьев, птиц и т.п.) могут исключать влияние погоды только при соответствующей конструкции. Другим недостатком аэродинамической трубы Эйфеля, расположенной на свободном пространстве, является излучение ею шума в окружающую среду.

       Достоинствами аэродинамической трубы Эйфеля являются малые затраты на ее сооружение и  эксплуатацию. Если она располагается  на открытом воздухе, то при проведении испытаний автомобиля с работающим двигателем можно отказаться от отсоса выхлопных газов. В простейшем случае аэродинамическую трубу Эйфеля можно выполнить с закрытой со всех четырех сторон рабочей частью, возможен также вариант с открытой рабочей частью, но он обходится дороже в строительстве.

       

     2. Более простой и дешевый способ определения лобовой силы сопротивления – расчет по методу выбега.

     Для испытаний используется участок  ровного шоссе без существенных уклонов и спусков. Автомобиль разгоняется до скорости 80-120 км/ч, после чего включается нейтральная передача и осуществляется свободный выбег.

     По  начальной скорости и пути, пройденному  до приобретения автомобилем скорости 50-60 км/ч, вычисляется суммарная сила сопротивления движению, включающая в себя силу сопротивления качению P_f  и силу аэродинамического сопротивления P_w.

                             1.1

     Далее, замерив силу сопротивления качению P_f  экспериментально или посчитав ее, зная коэффициент сопротивления качению f для данного фона по упрощенной формуле 

       ,      1.2

находим силу аэродинамического сопротивления  P_w:

                              1.3

     Достоинства данного метода, заключающиеся в  простоте и дешевизне, могут привлечь обычных автолюбителей для проведения так называемых «уличных» испытаний  своих автомобилей. Однако, низкая точность измерений и то, что в результаты расчетов неизбежно будут включены потери в трансмиссии и на качение вследствие нелинейной зависимости P_f  от V_a, не позволяет использовать этот метод при создании или моделировании внешнего и внутреннего контуров АТС.

     

     

     3. Для исключения влияния на результаты опытов сопротивления качению и трения в трансмиссии используется другой сравнительно дешевый метод – на железнодорожной платформе. Суть его заключается в том, что исследуемый автомобиль устанавливается на плоскую платформу, которую сзади толкает локомотив. Крепление автомобиля позволяет ему перемещаться в продольном направлении, что через систему рычагов передается самопишущему динамометру.

     Однако, передвигающаяся платформа создаёт завихрения, что влияет на результаты опытов. Кроме того, нарушается взаимодействие автомобиля с дорогой и колёса остаются неподвижными. Для испытаний этим способом требуется специальная платформа, локомотив, что создаёт дополнительные трудности.  

     4. Испытания, проводимые на масштабной модели, закрепленной на крыше реального автомобиля, не требуют большого количества оборудования. Единственное, что необходимо – это корректно закрепить модель и самопишущий динамометр на крыше автомобиля и двигаться по ровному участку дороги с различной скоростью.

     Недостатки  данного способа существенны: поток воздуха, обтекающий автомобиль, становится неоднородным и набегает на масштабную модель с наличием турбулентных потоков; горизонтальные и вертикальные ускорения автомобиля создают дополнительные погрешности в показаниях динамометра; из-за конструкции крепления модели и динамометра нарушается её обтекание набегающим потоком воздуха.

     

     

       5. Испытания масштабных моделей в малых трубах в условиях лаборатории - это общепринятый в мировом автомобилестроении этап, составляющий третью часть всего цикла аэродинамического проектирования: от идеи дизайнера до оптимизированного натурного макета создаваемого автотранспортного средства. Этот вид испытаний позволяет в десятки раз уменьшить сроки и стоимость доводочных работ по сравнению с исследованиями в большой аэродинамической трубе. При этом основное назначение модельных испытаний - поиск оптимальных аэродинамических и дизайнерских решений на ранней стадии проектирования. Особенно это касается длиннобазных крупногабаритных магистральных автопоездов, испытания и аэродинамическая доводка натурных образцов которых в больших трубах практически невозможны. Эффективность модельных испытаний в значительной мере зависит от правильного выбора масштаба моделей, степени их подобия, а также возможности использования результатов модельных исследований применительно к натурным образцам.

       Достоверность результатов модельных исследований в аэродинамических трубах во многом определяется правильным моделированием, выбором масштаба и качеством  изготовления модели. При выборе масштаба и проектировании моделей, предназначенных  для испытаний в аэродинамической трубе, необходимо учитывать влияние  целого ряда факторов, и, в первую очередь, таких, как масштабный эффект, возможность влияния границ потока в аэродинамической трубе на результаты испытаний, влияние качества поверхности (волнистости, шероховатости) на сопротивление трения при малой начальной турбулентности потока, технику и методику исследований в данной аэродинамической трубе, достигаемую в ней точность измерений.

       Для получения достоверных данных важно, чтобы подготовленная к испытаниям модель была как можно большего размера. Однако, при этом необходимо исключить нежелательное влияние границ рабочей части аэродинамической трубы.

       Для получения достоверных результатов  измерений при проведении модельных  испытаний следует использовать модели с высоким уровнем подобия  возможно больших (насколько позволяют  размеры рабочей части трубы) размеров с реальным днищем и имитацией  перетекания внутренних потоков.

       

       Как показывает практика, достаточно крупные  детализированные модели (М 1:7 для магистральных  автопоездов и междугородных  автобусов, М 1:4 для легковых автомобилей) позволяют получить сравнительно достоверные  данные по оптимальной с точки  зрения обтекаемости и дизайна форме  кузовов для последующего снятия с них размеров и изготовления по ним крупномасштабных (М 1:2) моделей и натурных макетов создаваемых автомобилей. Допускаемые отклонения при изготовлении модели: габаритные высота и ширина ±1,5 мм; радиусы закругления ±0,5 мм; углы наклона ±0,30.

       Поскольку испытания масштабных моделей автомобилей  ведутся в аэродинамических трубах дозвуковых скоростей, где в основу положено подобие по учитывающему силы вязкости числу Рейнольдса, модель должна изготавливаться с максимально  возможной точностью. При изготовлении масштабной модели выдерживается строгое геометрическое подобие по основным частям натурного автотранспортного средства. Мелкие детали (дверные замки, антенны, щетки и т.д.) можно не воспроизводить.  

       6. Трудности, связанные с выполнением натурного аэродинамического эксперимента, и ошибки, получаемые при масштабном моделировании, с одной стороны, а с другой – прогресс в сфере математического моделирования и компьютеризации стали стимулом развития теоретических методов оценки аэродинамических свойств автомобилей. Тем не менее, метод математического моделирования пока не дал результатов, превосходящих по точности результаты измерений аэродинамического сопротивления с помощью продувки масштабных моделей в трубах.