18.11.2005, 15:28
УРОК АЭРОДИНАМИКИ
http://www.zr.ru/show_arch.pl?ida=42371
(для облегчения загрузки дан только текст. Иллюстрации по ссылке)
********СОПЕРНИК ВЕТРА
********ВИКТОР СЛЕСАРЕВ
********Вольный ветер постоянно вмешивается в дела человеческие. По рассказам историков, ураганы, смерчи, тайфуны не раз решали исход сражений, меняли расстановку политических сил в разных странах, давали начало страшным эпидемиям. В книге французского исследователя П. Моллэна "Охотники за тайфунами" упоминаются ветры в тропических циклонах со скоростью до 200 миль (!) в час, делавшие летучими железобетонные конструкции! Неспроста к старой, 12-балльной шкале Бофорта позднее добавили еще пять.
********Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру - ощутимо давит? Если менять угол, под которым ладонь атакует ветер, можно обнаружить и вертикальную силу - как на крыле самолета.
********Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не "соскальзывать" в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, въезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при небольших габаритах и при этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Полностью рассчитать его обтекаемость, заранее все увязать, увы, невозможно. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая огромные деньги.
********Между тем, мода заставляет людей покупать сомнительные "прибамбасы", влияющие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла часто совсем не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер думал только об изяществе линий! К счастью, большинство "жертв рекламы" быстрее 160-180 км/ч не ездит - и действие какого-нибудь безграмотного "антикрыла" мало ощутимо. Если же автомобиль быстроходнее, неосторожные игры с аэродинамическими предметами чреваты печальными последствиями.
********Даже серьезные фирмы не застрахованы от ошибок. Помните первые шаги "Ауди-ТТ"? Не сразу его "научили" крепко держаться за дорогу. Но у такой фирмы побольше возможностей устранять промахи, чем у частного владельца - у него в списке "расходных материалов" может оказаться жизнь.
********Вычислить прижимающую силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Поэтому приведем простой пример из параллельной области техники. У бомбардировщика В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес - 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Значит, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некоторые спортивные автомобили ездят и быстрее, - так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры "доводят" весьма дотошно. Хорошее антикрыло площадью всего треть квадратного метра способно создать прижимающую силу в четыре центнера, а то и больше.
********Но иной "гонщик" может купить высокоэффективное антикрыло, а поставить его неправильно - например чрезмерно вынесет назад. На высоких скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что зачастую "крыло" помещают в зону срыва ("аэродинамическую тень" кузова), где оно практически не работает.
********ЗАКОН "КВАДРАТА"
********К счастью для загадочной русской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас мало. Зато хватает тех, которым по плечу 180-200. А мысль о том, что "обвешанный" автомобиль на такой скорости может не послушаться руля, иные головы никогда не посещает. Зря что ли деньги уплачены на зависть соседям!
********"Проколы" обтекаемости заявляют о себе громко лишь на высоких скоростях. Силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока - V2. Ведь затормаживая поток (например, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз повышение давления от торможения потока ("скоростной напор") составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.
********Чтобы определить силу давления потока на щит (то есть аэродинамическое сопротивление), остается лишь умножить полученное давление на площадь щита S. Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления "Жигулей"). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н - закон "квадрата". Удвоив скорость,учетверяем силу.
********Кстати, определение величины S (рис. 1) - не самая простая задача. Делают это с очень высокой точностью на лазерном стенде.
********Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока порой вводит нас в заблуждение. Например, проехав по маршруту туда и обратно со скоростью 90 км/ч, вы забыли о слабом (20 км/ч) ветре, дующем вдоль трассы. Но в одном случае поток бьет в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом - 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах - кубу. В итоге средний расход топлива больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять - бензин, унесенный ветром!
********Управляя автомобилем, объективно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, трудно. Общее правило: встречный ветер отнимает больше, чем "дает" попутный той же силы.
********НЕ ТОЛЬКО "ЦЕ-ИКС"
********Только ли скоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Огромную роль играет форма тела, подставленного потоку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет бесконечно скапливаться перед ним (а) - он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют затрат энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (примерно на 17%) больше того, что дало полное торможение потока! Значит, для получения истинных сил сопротивления следует умножить полученные раньше значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, называют коэффициентом аэродинамического сопротивления - Сх. Одно из наиболее удобообтекаемых тел - удлиненная "капля", для которой Сх=0,04.
********Каков же Сх реального автомобиля? Даже у самых непритязательных начала ХХ века - около 0,8. У символа советской эпохи - "Жигулей" - получше: 0,52-0,53. Для сегодняшнего дня многовато.
********А вот результаты продувок в аэродинамической трубе НТЦ ВАЗа автомобилей "десятого" семейства: 2110 - 0,33, 2111 - 0,36, 2112 - 0,34. Это на уровне очень приличных зарубежных машин данного класса. Правда, "обмылки" некоторым не нравятся. Но законы движения воздуха-то всюду одни и те же! Считаясь с ними, непросто создать внешне оригинальную машину. А если не очень считаться?
********В России до сих пор популярны автомобили "самарского" семейства. После "классических" ВАЗов показалось, что стремительные "восьмерка" и "девятка" - огромный шаг вперед. На деле революции не получилось. Хотя Сх=0,47 все же меньше, чем 0,52, он гораздо выше, чем сегодня имеют небольшие машины "гольф-класса". Даже самая "навороченная" из "самар" - ВАЗ-2115 аэродинамически продвинулась недалеко: Сх=0,435. Впрочем, техника развивается: все больше появляется автомобилей, у которых отличная аэродинамика сочетается с броской внешностью.
********Если кому-то любопытно, для чего мы вспомнили о Сх, заметим: фактическое сопротивление "десятки" (даже с учетом большей, чем у "классики", лобовой площади) при одинаковых скоростях на 33-34% ниже, чем у "Жигулей". Отсюда улучшение скоростных и динамических показателей.
********ПО КИРПИЧИКУ
********А из чего складывается величина Сх?
********Первое - сопротивление давления или формы. Иногда это до 60% общих аэродинамических потерь. Поток, бьющий "в лоб" автомобиля, несколько уплотняется, затем струи расходятся. Позади "сольются" не сразу - здесь видна зона общего срыва с мелкими завихрениями воздуха. Движению машины препятствует повышенное давление воздуха спереди и пониженное сзади.
********В некоторых случаях по краям скоса задней части кузова индуцируются мощные вихревые "трубки" (рис. 3): они еще больше понижают статическое давление и существенно увеличивают потери. Сделать плавно спускающуюся (в подражание крыльевому профилю) "корму" - нереально, особенно для автомобилей малых классов. Один из способов борьбы с вредными вихрями - преднамеренный срыв потока, например небольшим спойлером (как на фото 1, 2 и рис. 4). Шлейф срыва (темный "мешок" на фото) отнимает меньше энергии, чем мощные вихри. На небольших автомобилях такой прием используют особенно часто.
********К сопротивлению формы можно отнести потери при обтекании выступающих деталей - зеркал, брызговиков, приоткрытого люка и т. д. Навешивая на машину модные прибамбасы, обув ее в широкие шины и т. п., Сх недолго увеличить процентов на 15.
********Обладая некоторой вязкостью, воздух "прилипает" ко всем поверхностям машины - а этот тонкий слой частично притормаживает соседние и т. д. В результате потери от трения воздуха могут достигать 20% общих. Это справедливо, по крайней мере, для автомобилей с малым Сх - особенно немытых. Но владельцы УАЗа, КамАЗа, или "Хаммера" могут быть спокойны: эта техника к грязи индифферентна.
********Наконец, есть внутренние потери, вызванные необходимостью охлаждать двигатель, тормоза, вентилировать и отапливать кузов.
********Специалисты-аэродинамики изучают и множество других вопросов. Например, как ведет себя машина в условиях косого обдува (при боковом ветре): насколько устойчива, управляема и т. д. Важно также, какие силы действуют на кузов в вертикальном направлении, какие моменты относительно осей они создают. Ни на каких скоростях подъемная сила кузова не должна разгружать колеса - автомобиль не самолет, его задача надежно двигаться по дороге. Поэтому стремятся упорядочить воздушные потоки снизу автомобиля (от них зависит до 15% общего сопротивления). Не обойтись без аэродинамики при доводке машины с точки зрения экономичности, при выборе передаточных чисел трансмиссии и так далее. Не гнушается наука и мелкими вопросами вроде правильной работы "дворников", рационального отвода дождевой воды, уменьшения шума от стоек, уплотнителей и т. п. Перечень задач можно продолжать...
http://www.zr.ru/show_arch.pl?ida=42371
(для облегчения загрузки дан только текст. Иллюстрации по ссылке)
********СОПЕРНИК ВЕТРА
********ВИКТОР СЛЕСАРЕВ
********Вольный ветер постоянно вмешивается в дела человеческие. По рассказам историков, ураганы, смерчи, тайфуны не раз решали исход сражений, меняли расстановку политических сил в разных странах, давали начало страшным эпидемиям. В книге французского исследователя П. Моллэна "Охотники за тайфунами" упоминаются ветры в тропических циклонах со скоростью до 200 миль (!) в час, делавшие летучими железобетонные конструкции! Неспроста к старой, 12-балльной шкале Бофорта позднее добавили еще пять.
********Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру - ощутимо давит? Если менять угол, под которым ладонь атакует ветер, можно обнаружить и вертикальную силу - как на крыле самолета.
********Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не "соскальзывать" в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, въезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при небольших габаритах и при этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Полностью рассчитать его обтекаемость, заранее все увязать, увы, невозможно. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая огромные деньги.
********Между тем, мода заставляет людей покупать сомнительные "прибамбасы", влияющие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла часто совсем не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер думал только об изяществе линий! К счастью, большинство "жертв рекламы" быстрее 160-180 км/ч не ездит - и действие какого-нибудь безграмотного "антикрыла" мало ощутимо. Если же автомобиль быстроходнее, неосторожные игры с аэродинамическими предметами чреваты печальными последствиями.
********Даже серьезные фирмы не застрахованы от ошибок. Помните первые шаги "Ауди-ТТ"? Не сразу его "научили" крепко держаться за дорогу. Но у такой фирмы побольше возможностей устранять промахи, чем у частного владельца - у него в списке "расходных материалов" может оказаться жизнь.
********Вычислить прижимающую силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Поэтому приведем простой пример из параллельной области техники. У бомбардировщика В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес - 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Значит, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некоторые спортивные автомобили ездят и быстрее, - так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры "доводят" весьма дотошно. Хорошее антикрыло площадью всего треть квадратного метра способно создать прижимающую силу в четыре центнера, а то и больше.
********Но иной "гонщик" может купить высокоэффективное антикрыло, а поставить его неправильно - например чрезмерно вынесет назад. На высоких скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что зачастую "крыло" помещают в зону срыва ("аэродинамическую тень" кузова), где оно практически не работает.
********ЗАКОН "КВАДРАТА"
********К счастью для загадочной русской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас мало. Зато хватает тех, которым по плечу 180-200. А мысль о том, что "обвешанный" автомобиль на такой скорости может не послушаться руля, иные головы никогда не посещает. Зря что ли деньги уплачены на зависть соседям!
********"Проколы" обтекаемости заявляют о себе громко лишь на высоких скоростях. Силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока - V2. Ведь затормаживая поток (например, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз повышение давления от торможения потока ("скоростной напор") составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.
********Чтобы определить силу давления потока на щит (то есть аэродинамическое сопротивление), остается лишь умножить полученное давление на площадь щита S. Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления "Жигулей"). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н - закон "квадрата". Удвоив скорость,учетверяем силу.
********Кстати, определение величины S (рис. 1) - не самая простая задача. Делают это с очень высокой точностью на лазерном стенде.
********Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока порой вводит нас в заблуждение. Например, проехав по маршруту туда и обратно со скоростью 90 км/ч, вы забыли о слабом (20 км/ч) ветре, дующем вдоль трассы. Но в одном случае поток бьет в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом - 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах - кубу. В итоге средний расход топлива больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять - бензин, унесенный ветром!
********Управляя автомобилем, объективно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, трудно. Общее правило: встречный ветер отнимает больше, чем "дает" попутный той же силы.
********НЕ ТОЛЬКО "ЦЕ-ИКС"
********Только ли скоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Огромную роль играет форма тела, подставленного потоку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет бесконечно скапливаться перед ним (а) - он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют затрат энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (примерно на 17%) больше того, что дало полное торможение потока! Значит, для получения истинных сил сопротивления следует умножить полученные раньше значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, называют коэффициентом аэродинамического сопротивления - Сх. Одно из наиболее удобообтекаемых тел - удлиненная "капля", для которой Сх=0,04.
********Каков же Сх реального автомобиля? Даже у самых непритязательных начала ХХ века - около 0,8. У символа советской эпохи - "Жигулей" - получше: 0,52-0,53. Для сегодняшнего дня многовато.
********А вот результаты продувок в аэродинамической трубе НТЦ ВАЗа автомобилей "десятого" семейства: 2110 - 0,33, 2111 - 0,36, 2112 - 0,34. Это на уровне очень приличных зарубежных машин данного класса. Правда, "обмылки" некоторым не нравятся. Но законы движения воздуха-то всюду одни и те же! Считаясь с ними, непросто создать внешне оригинальную машину. А если не очень считаться?
********В России до сих пор популярны автомобили "самарского" семейства. После "классических" ВАЗов показалось, что стремительные "восьмерка" и "девятка" - огромный шаг вперед. На деле революции не получилось. Хотя Сх=0,47 все же меньше, чем 0,52, он гораздо выше, чем сегодня имеют небольшие машины "гольф-класса". Даже самая "навороченная" из "самар" - ВАЗ-2115 аэродинамически продвинулась недалеко: Сх=0,435. Впрочем, техника развивается: все больше появляется автомобилей, у которых отличная аэродинамика сочетается с броской внешностью.
********Если кому-то любопытно, для чего мы вспомнили о Сх, заметим: фактическое сопротивление "десятки" (даже с учетом большей, чем у "классики", лобовой площади) при одинаковых скоростях на 33-34% ниже, чем у "Жигулей". Отсюда улучшение скоростных и динамических показателей.
********ПО КИРПИЧИКУ
********А из чего складывается величина Сх?
********Первое - сопротивление давления или формы. Иногда это до 60% общих аэродинамических потерь. Поток, бьющий "в лоб" автомобиля, несколько уплотняется, затем струи расходятся. Позади "сольются" не сразу - здесь видна зона общего срыва с мелкими завихрениями воздуха. Движению машины препятствует повышенное давление воздуха спереди и пониженное сзади.
********В некоторых случаях по краям скоса задней части кузова индуцируются мощные вихревые "трубки" (рис. 3): они еще больше понижают статическое давление и существенно увеличивают потери. Сделать плавно спускающуюся (в подражание крыльевому профилю) "корму" - нереально, особенно для автомобилей малых классов. Один из способов борьбы с вредными вихрями - преднамеренный срыв потока, например небольшим спойлером (как на фото 1, 2 и рис. 4). Шлейф срыва (темный "мешок" на фото) отнимает меньше энергии, чем мощные вихри. На небольших автомобилях такой прием используют особенно часто.
********К сопротивлению формы можно отнести потери при обтекании выступающих деталей - зеркал, брызговиков, приоткрытого люка и т. д. Навешивая на машину модные прибамбасы, обув ее в широкие шины и т. п., Сх недолго увеличить процентов на 15.
********Обладая некоторой вязкостью, воздух "прилипает" ко всем поверхностям машины - а этот тонкий слой частично притормаживает соседние и т. д. В результате потери от трения воздуха могут достигать 20% общих. Это справедливо, по крайней мере, для автомобилей с малым Сх - особенно немытых. Но владельцы УАЗа, КамАЗа, или "Хаммера" могут быть спокойны: эта техника к грязи индифферентна.
********Наконец, есть внутренние потери, вызванные необходимостью охлаждать двигатель, тормоза, вентилировать и отапливать кузов.
********Специалисты-аэродинамики изучают и множество других вопросов. Например, как ведет себя машина в условиях косого обдува (при боковом ветре): насколько устойчива, управляема и т. д. Важно также, какие силы действуют на кузов в вертикальном направлении, какие моменты относительно осей они создают. Ни на каких скоростях подъемная сила кузова не должна разгружать колеса - автомобиль не самолет, его задача надежно двигаться по дороге. Поэтому стремятся упорядочить воздушные потоки снизу автомобиля (от них зависит до 15% общего сопротивления). Не обойтись без аэродинамики при доводке машины с точки зрения экономичности, при выборе передаточных чисел трансмиссии и так далее. Не гнушается наука и мелкими вопросами вроде правильной работы "дворников", рационального отвода дождевой воды, уменьшения шума от стоек, уплотнителей и т. п. Перечень задач можно продолжать...