Аэродинамика автомобиля — основы

Движение автомобиля сопровождается многочисленными процессами взаимодействия с окружающим его воздухом. Эти процессы можно объединить в три группы:

• обтекание внешней поверхности автомобиля;
• потоки внутри кузова;
• потоки внутри агрегатов.

Процессы, объединенные в первые две группы, тесно связаны друг с другом. Так, например, поле скоростей потока в моторном отсеке непосредственно зависит от поля обтекания внешней поверхности автомобиля. Оба поля должны рассматриваться совместно, оба они являются объектом изучения автомобильной аэродинамики. Потоки внутри двигателя и трансмиссии, напротив, не связаны с процессом обтекания автомобиля; они связаны лишь с механикой работы этих агрегатов. Такие потоки не относятся к аэродинамике автомобиля.

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 новых проблем:

• исключение загрязнения и скапливания дождевой воды на стеклах и фонарях автомобиля;
• уменьшение аэродинамического шума ветра;
• исключение отрыва щеток стеклоочистителя от очищаемой поверхности стекла;
• организация эффективного охлаждения масляного поддона двигателя и колесных тормозных механизмов.

Аэродинамические силы

На рисунке 1 наглядно показано поле обтекания автомобиля. Струйки дыма, направленные в плоскости продольного осевого сечения, показывают характер линий тока в этой плоскости при симметричном обтекании. Такое обтекание имеет место при движении автомобиля в условиях отсутствия ветра (штиль) или когда направление ветра точно совпадает с линией движения (попутный ветер, встречный ветер). С помощью такой картины линий тока можно идентифицировать ряд основных процессов обтекания.

Обращает на себя внимание явление отрыва потока в задней части автомобиля. В то время, как линии тока для обширных участков контура автомобиля даже в областях более резких изломов контура проходят плавно, от задней кромки крыши поток отрывается. Образуется большая зона вихревого следа, хорошо видимая на рисунке 2 благодаря тому, что дым (как и на рисунке 1) не прилегает к контуру автомобиля, а устремляется в оторвавшийся поток.

Сопротивление воздуха W, а также другие компоненты результирующей аэродинамической силы и их моменты возрастают в квадратичной зависимости от скорости движения автомобиля:

W ∼ V²F							(1)

Для легкового автомобиля среднего класса доля сопротивления воздуха в суммарном сопротивлении движению при скорости V_F = 100 км/ч составляет уже 75—80 %. Следовательно, уменьшая сопротивление воздуха, можно значительно улучшить экономические показатели автомобиля. Поэтому, как и прежде, главной задачей аэродинамики автомобиля является уменьшение сопротивления воздуха до минимально возможного значения, независимо от того, является ли целью проектирования повышение максимальной скорости или снижение расхода топлива.

Если записать уравнение (1) для силы сопротивления воздуха в полном виде, имеем:

W = cWA(ρ/2)V²F						(2)

где c_W — коэффициент аэродинамического сопротивления (безразмерная величина);
А- площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную к его продольной оси (рисунок 3);
ρ - плотность окружающего автомобиль воздуха.

Таким образом, аэродинамическое сопротивление автомобиля W, с одной стороны, определяется габаритными размерами автомобиля, выраженными в виде площади фронтальной проекции А, с другой стороны, его формой, аэродинамическое качество которой определяется коэффициентом аэродинамического сопротивления c_W. Как правило, размеры автомобиля задаются предъявляемыми к нему требованиями, и уменьшение сопротивления воздуха сводится к уменьшению коэффициента c_W.

Подъемная сила

Сравнивая (см. рисунок 1) расстояние между линиями тока в сечении, расположенном перед автомобилем, с расстоянием между линиями тока над крышей автомобиля, можно получить представление о действующей на него подъемной силе. Малое расстояние между линиями тока означает высокую скорость потока; а она, в свою очередь, связана с малым статическим давлением. По разности давления над крышей и под днищем автомобиля можно вычислить приложенную в плоскости симметрии перпендикулярно к направлению движения силу, которая называется подъемной силой.

Как правило, подъемная сила действует вверх, т.е. она стремится приподнять автомобиль и тем самым уменьшить эффективные нагрузки на колеса. Эта сила связана с продольным аэродинамическим моментом (называемым также моментом галопирования), который приводит к тому, что уменьшение нагрузок на колеса передней и задней осей различно. В области скоростей, характерных для массового легкового автомобиля, т.е. при V_F < 150 км/ч, подъемная сила и продольный аэродинамический момент мало влияет на его ездовые качества, это утверждение верно и при боковом ветре. Тем не менее необходимо отметить, что они изменяют положение кузова автомобиля относительно дороги и тем самым несколько изменяют его лобовое сопротивление. Уменьшение нагрузок под действием аэродинамических составляющих по сравнению со статическими нагрузками на колеса от массы автомобиля мало, поэтому это едва ли ухудшает курсовую устойчивость автомобиля.

Сказанное выше не относится к высокоскоростным спортивным автомобилям. Так как у них, за счет установки спойлеров можно противодействовать уменьшению нагрузки на колеса. Еще дальше пошли в гоночных автомобилях, где с помощью вспомогательных устройств, вызывающих появление прижимающей силы, достигают эффекта, при котором нагрузка па колеса с возрастанием скорости автомобиля увеличивается.

Боковые силы и загрязнение задней части авто

При боковом ветре обтекающий автомобиль поток несимметричен относительно продольной осевой плоскости. За счет формообразования следует стремиться к тому, чтобы появляющиеся дополнительные силы и моменты оставались по возможности малыми, не вызывая при наличии бокового ветра значительного ухудшения курсовой устойчивости.

Чувствительность автомобиля к боковому ветру должна рассматриваться с двух точек зрения. Как правило, неизбежность реагирования на боковой ветер переменной силы и направления означает большее или меньшее ухудшение ездового комфорта; необходимость постоянной корректировки небольших отклонений от курса движения с помощью рулевого колеса ощущается водителем весьма тягостно. Только в очень редких случаях из-за бокового ветра возникает непосредственная опасность для водителя и автомобиля. Этого необходимо избегать с помощью аэродинамически удачного формообразования. Важно так же за счет правильного оформления дорог и прилегающей к ним местности предотвращать ситуации, в которых участники движения теряются перед внезапными порывами бокового ветра, предъявляющими к ним повышенные требования в отношении быстроты реакции.

Используя данные о вихревом следе за автомобилем (см. рисунок 2), 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.

Внутренняя аэродинамика

Пользуясь рисунком 1, можно сделать некоторые выводы о связи внешнего обтекания с внутренними потоками. 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 (они не видны на рисунке 1), 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.

В зоне сопряжения капота с ветровым стеклом поток прилегает к поверхности. Здесь образуется зона избыточного давления, которая может использоваться для забора воздуха системы отопления и вентиляции салона. На большинстве автомобилей отверстие для забора свежего воздуха располагается в центре указанной зоны. В этом месте давление зависит от скорости движения автомобиля. Поэтому с повышением скорости увеличивается объем свежего воздуха, подаваемого в салон, что сильно затрудняет поддержание удовлетворительного микроклимата внутри автомобиля. Если расположить отверстие для забора свежего воздуха в таком месте кузова, где коэффициент давления на поверхность равен нулю, то можно, по крайней мере, для симметричного обтекания (без бокового ветра) разделить поля внутреннего потока и внешнего обтекания.

Расположение вентиляционных отверстий для выхода воздуха системы вентиляции салона также в зонах с нулевым коэффициентом давления позволит при установке приточного вентилятора достаточно больших размеров обеспечить необходимый объемный расход воздуха, не зависящий от скорости движения.

Движение воздуха через радиатор

Важное значение имеет внутренняя аэродинамика, включающая движение воздуха через радиатор системы охлаждения двигателя, моторный отсек и потоки систем отопления и вентиляции салона. Некоторые типы автомобилей, например гоночные автомобили, дополнительно имеют воздуховоды охлаждения масляного радиатора и для подачи воздуха в камеры сгорания двигателя.

Воздушным потоком через радиатор и моторный отсек от двигателя отводится тепловой поток Q, который имеет примерно то же значение, что и полезная мощность двигателя P:

Q ≈ P						(3)

В свете общих тенденций развития автомобилестроения требования к конструктивному оформлению системы подачи охлаждающего воздуха сильно возросли. Учитывая то, что при водяном охлаждении требуется больший объемный расход холодного воздуха, чем при воздушном, эти возросшие требования к конструкции системы подачи воздуха будут обсуждаться лишь применительно к водяному охлаждению:

1. Мощность двигателей, устанавливаемых на автомобиль, постоянно увеличивалась. Поэтому становились необходимыми и возрастающие объемные расходы охлаждающего воздуха.
2. Поверхность кузовов становилась все более ровной; суммарная площадь отверстий для забора воздуха все меньше и меньше. Это хорошо видно на примере данных, приведенных на рисунке 4. Первоначально большая площадь забора воздуха была разделена на отдельные частичные площади.
3. Вследствие тенденции к компактности конструкции для радиатора и направляющих воздух устройств в моторном отсеке отводилось все меньше и меньше места.
4. В связи с необходимостью улучшения пассивной безопасности автомобиля кузов в передней части постоянно усиливался. Наличие широких бамперов и поперечин затрудняет организацию движения воздушных потоков в моторном отсеке.

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.

Вентиляция салона

Система вентиляции салона должна выполнять следующие три задачи.

1. Обеспечить удовлетворительную кратность воздухообмена в салоне. Путем подачи свежего воздуха должны удаляться все вредные вещества в форме газов, паров и пыли, а также восполняться расход кислорода, необходимого для дыхания человека.
2. Создавать приятный микроклимат в салоне и обеспечивать возможность его поддержания в широком диапазоне изменения внешних погодных условий. Для эксплуатации автомобиля зимой следует предусмотреть эффективную систему отопления. Летом комфортные условия можно обеспечить подачей необходимого количества свежего воздуха. В очень жарких странах этого недостаточно, воздух перед поступлением в салон должен охлаждаться в специальных устройствах.
3. Устранять запотевание и замораживание стекол. Для этого внутренний поток необходимо направить вдоль стекол, чтобы конденсируемая на них влага (вода) испарялась, и лед, который может образовываться с обеих сторон стекла, таял.

К динамическим свойствам системы распределения потока в салоне предъявляются особые требования. Так, например, система отопления должна обеспечивать быстрый прогрев воздуха в салоне после пуска двигателя. Во время езды микроклимат в салоне не должен зависеть от скорости автомобиля, режима работы двигателя и состояния окружающей среды. Поток должен перемещаться бесшумно, аэродинамические шумы должны быть устранены, шум от вентилятора должен быть минимально возможным. Отверстия в кузове, через которые внутренний поток связан с внешней средой, должны конструктивно выполняться таким образом, чтобы предотвратить проникновение влаги при экстремальных условиях (мойка автомобиля).

Аэродинамические мероприятия

При решении названных задач по формированию внешнего обтекания и внутренних потоков необходимо учитывать специфические особенности автомобиля. Если, например, при решении вопросов аэродинамики гоночного автомобиля формулы 1 на первом месте стоит проблема получения прижимающей силы, то для обычного легкового автомобиля основное внимание уделяется силе сопротивления воздуха. Для скоростного микроавтобуса или фургона актуальной может стать проблема уменьшения чувствительности к боковому ветру. Тип автомобиля определяет также и пути решения поставленных аэродинамических задач. Так, для гоночных автомобилей главная цель — улучшение силового замыкания между колесами и полотном дороги за счет прижимающей аэродинамической силы — достигается независимо от формы автомобиля. Крыловидные профили спереди и сзади стали составной частью внешнего вида современных гоночных автомобилей.

Стремясь уменьшить аэродинамическое сопротивление обычного легкового автомобиля, пользуются внешне незаметными средствами или пытаются приспособить аэродинамические мероприятия к изменяющемуся восприятию стиля.

Читайте также другие статьи по основам аэродинамики автомобилей:

• Аэродинамика автомобиля и самолета — подобия и отличия
• Области науки родственные с аэродинамикой автомобиля

Есть вопросы? ЗАДАВАЙ!