XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Еще с незапамятных времен люди мечтали научиться летать. Тысячелетия живет миф о бесстрашном Икаре. Но шли столетия, а мечты оставались мечтами. Изобретатели пытались создать крылья, которые подняли бы человека в воздух. Но все эти попытки не имели успеха. В XV веке Леонардо да Винчи проектировал летательные аппараты, главным атрибутом которых являлись крылья. В истории развития многих видов техники различают два периода: период возникновения, становления этой техники и период ее широкого применения [1].

Аэродинамика — раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение. В Аэродинамике рассматривают движение с дозвуковыми скоростями, то есть в нормальных условиях до 340 м/сек (1200 км/ч). Аэродинамика автомобиля — это раздел аэродинамики изучающий аэродинамику автомобилей и другого дорожного транспорта, здесь много неразрешенных вопросов и чуть-чуть черной магии. Но некоторые вещи вполне понятны. К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Жанетте, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем, появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле- и самолетостроении.

Лобовое сопротивление - это сила, действующая параллельно воздушному потоку и в том же направлении, что и воздушный поток. Коэффициент лобового сопротивления автомобиля измеряет то, как автомобиль проходит через окружающий воздух.

Лобовое сопротивление машины зависит от многих факторов, таких как форма кузова, размер и форма лобового стекла, форма и размер зеркал, наличие или отсутствие спеллеров, а также форма и размер колес. Чтобы уменьшить лобовое сопротивление машины, производители автомобилей используют различные методы, например, создают более обтекаемые формы кузова, уменьшают количество выступающих элементов, а также используют более легкие материалы для изготовления деталей автомобиля [3].

Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. В случаях для автомобилей подъемная сила создается за счет обтекания воздухом кузова автомобиля и создания разницы давлений сверху и снизу. Это позволяет автомобилю “прилипнуть” к дороге и уменьшить сопротивление воздуха при движении на высоких скоростях.

Для увеличения подъемной силы автомобиля используются различные аэродинамические элементы, такие как антикрылья, диффузоры и другие. Они изменяют форму кузова автомобиля таким образом, чтобы создать максимальную разницу давлений и увеличить подъемную силу.

Однако стоит отметить, что слишком большая подъемная сила может привести к ухудшению управляемости автомобиля, особенно на высоких скоростях и при прохождении поворотов. Поэтому важно находить баланс между аэродинамической эффективностью и стабильностью автомобиля на дороге.

Закон Бернулли устанавливает зависимость между скоростью стационарного потока жидкости и её давлением.

Здесь

ρ — плотность жидкости,

v — скорость потока,

h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p — давление.

Константа в правой части обычно называется напором, или полным давлением, а также интегралом Бернулли. Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости [3]. Закон Бернулли применяется в карбюраторе, чем быстрее движется воздух, тем ниже его статическое давление и выше динамическое. Рычаг дроссельной заслонки (акселератора) непосредственно не управляет потоком жидкого топлива. Вместо этого он приводит в действие карбюраторные механизмы, которые измеряют поток воздуха, подаваемого в двигатель [4].

Автомобильная аэродинамика - это изучение аэродинамики дорожных транспортных средств. Его основными целями являются снижение лобового сопротивления и шума ветра, минимизация шумового излучения и предотвращение нежелательных подъемных сил и других причин аэродинамической нестабильности на высоких скоростях [5].

Задачи аэродинамики:

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.

a) Для снижения сопротивления воздуха при движении автомобиля можно использовать два основных подхода: уменьшить площадь поперечного сечения кузова автомобиля (создать более узкий и низкий кузов) и оптимизировать процесс обтекания кузова воздухом (совершенствовать коэффициент аэродинамического сопротивления, известный как Cx или Cw).Коэффициент Cx отражает эффективность обтекания автомобиля воздухом и имеет значение от 0,04 (для обтекаемых тел, похожих на каплю воды) до 1,05 (для кубов с гранями, перпендикулярными воздушному потоку). Если куб повернуть так, чтобы угол между потоком воздуха и гранями был 45 градусов, Cx снижается до 0.8. Cx большинства автомобилей находится в этом же диапазоне, начиная от 0.25.Улучшение аэродинамических характеристик автомобиля достигается за счет снижения высоты и ширины кузова, а также улучшения его обтекаемости воздухом. Это может быть достигнуто путем создания более гладких и плавных форм кузова, минимизации количества острых углов и выступов, а также использования специальных аэродинамических элементов и обвесов.

b) 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 [6].

c) Анализируя данные о вихревом следе за автомобилем, можно изучать проблему загрязнения его задней части. В зависимости от состояния дорожного покрытия, колеса могут поднимать пыль или грязную воду. Частицы пыли и воды в процессе перемешивания в вихревом следе распределяются по всему объему и оседают на поверхности задней части автомобиля. Так как состояние потока воздуха в задней части автомобиля существенно влияет на сопротивление движению, проблему загрязнения задней части автомобиля нельзя рассматривать отдельно. Для предотвращения загрязнения боковых зеркал заднего вида необходимо уменьшить завихрения воздуха после их контакта.

d) Текст может быть изменен следующим образом:

Поток через радиатор определяется формой потока перед автомобилем. Точка разделения потока на верхний и нижний находится на высоте бампера, а отверстия расположены выше и ниже бампера. Это приводит к тому, что поток направлен под углом к отверстиям. Однако задача декоративной решетки перед радиатором - направить этот поток к радиатору без потерь. Это позволит осуществить равномерную теплоотдачу по всей площади радиатора, что позволит сэкономить материал, из которого он изготовлен. Кроме того, учет потери скоростного напора в потоке охлаждающего воздуха может помочь уменьшить аэродинамическое сопротивление автомобиля. В случае недостаточного потока воздуха для охлаждения, включается вентилятор. Важно подобрать радиатор и вентилятор друг к другу для обеспечения экономичности системы охлаждения.

Также существует промежуточный охладитель наддувочного воздуха, называемый интеркулером. Интеркулер является теплообменником и используется в двигателях с системой турбонаддува. Его основная задача - извлечение тепла из воздушного потока, который нагревается при сжатии в компрессоре. При создании интеркулера учитывается несколько критериев, включая максимальный отвод тепла, минимальные потери давления наддува и увеличение инерции потока.

Тормоза автомобиля также нуждаются в охлаждении. Для этого воздуховоды можно проложить от отверстий в бампере до тормозов. Для охлаждения задних тормозов используются специальные воздухозаборники в задних крыльях.

e) Высокие скорости вращения колес повышают внутриарочное давление. Чтобы предотвратить негативные последствия, конструкция арки включает специальные отверстия особой формы, через которые избыточный воздух может выходить. Часто арки задних колес соединяются с небольшими спойлерами, что позволяет эффективно использовать поток воздуха, в результате увеличивается прижимная сила на задней части автомобиля.

Список литературы

1.http://taviak.ru/distance/Materials/162105/uchebnyye%20posobiya/Aerodinamika%20T.Demonova.pdf

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Automotive_aerodynamics

3.https://studfile.net/preview/8998561/page:8/

4.https://tr-page.yandex.ru/translate?lang=en-ru&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FFeedback_carburetor#:~:text=Карбюратор%20работает%20по%20принципу%20Бернулли%3A,поток%20воздуха%2C%20подаваемого%20в%20двигатель3

5. https://tr-page.yandex.ru/translate?lang=en-ru&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FAutomotive_aerodynamics#:~:text=Автомобильная%20аэродинамика%20-%20это%20изучение,аэродинамической%20нестабильности%20на%20высоких%20скоростях

6.https://studfile.net/preview/8856853/page:2/

Код для цитирования: Скопировать