Curgere turbulentă
Conținut
Modul în care tehnologia modernă schimbă aerodinamica mașinii
Rezistența scăzută la aer ajută la reducerea consumului de combustibil. În această privință, există totuși oportunități extraordinare de dezvoltare. Până acum, desigur, experții în aerodinamică sunt de acord cu părerea proiectanților.
"Aerodinamica pentru cei care nu pot face motociclete." Aceste cuvinte au fost rostite de Enzo Ferrari în anii 60 și demonstrează clar atitudinea multor designeri ai vremii față de acest aspect tehnologic al mașinii. Cu toate acestea, doar zece ani mai târziu a venit prima criză a petrolului și întregul lor sistem de valori s-a schimbat radical. Momentele în care toate forțele de rezistență în mișcarea mașinii și, în special, cele care apar ca urmare a trecerii sale prin straturile de aer, sunt depășite de soluții tehnice extinse, cum ar fi creșterea deplasării și puterii motoarelor, indiferent de cantitatea de combustibil consumată, acestea dispar și inginerii încep căutați modalități mai eficiente de a vă atinge obiectivele.
În momentul de față, factorul tehnologic al aerodinamicii este acoperit cu un strat gros de praf de uitare, dar nu este complet nou pentru proiectanți. Istoria tehnologiei arată că, chiar și în anii 77, creierele avansate și inventive precum germanul Edmund Rumpler și maghiarul Paul Jaray (care a creat cultul Tatra T1930) au format suprafețe simplificate și au pus bazele unei abordări aerodinamice pentru proiectarea caroseriei auto. Au fost urmate de un al doilea val de specialiști în aerodinamică precum baronul Reinhard von Kenich-Faxenfeld și Wunibald Kam, care și-au dezvoltat ideile în anii 'XNUMX.
Este clar pentru toată lumea că, odată cu creșterea vitezei, vine o limită, peste care rezistența aerului devine un factor critic în conducerea unei mașini. Crearea de forme optimizate aerodinamic poate deplasa semnificativ această limită în sus și este exprimată prin așa-numitul coeficient de curgere Cx, deoarece o valoare de 1,05 are un cub inversat perpendicular pe fluxul de aer (dacă este rotit cu 45 de grade de-a lungul axei sale, astfel încât marginea sa din amonte este redusă la 0,80). Cu toate acestea, acest coeficient este doar o parte din ecuația rezistenței aerului - dimensiunea zonei frontale a mașinii (A) trebuie adăugată ca element esențial. Prima dintre sarcinile aerodinamiștilor este de a crea suprafețe curate, eficiente aerodinamic (factori dintre care, după cum vom vedea, sunt mulți în mașină), ceea ce duce în cele din urmă la o scădere a coeficientului de curgere. Pentru a măsura acestea din urmă, este nevoie de un tunel de vânt, care este o instalație costisitoare și extrem de complexă – un exemplu în acest sens este tunelul BMW de 2009 de milioane de euro, dat în funcțiune în 170. Cea mai importantă componentă din el nu este un ventilator uriaș, care consumă atât de multă energie electrică încât are nevoie de o stație de transformare separată, ci un suport de role precis, care măsoară toate forțele și momentele pe care jetul de aer le exercită asupra mașinii. Treaba lui este să evalueze toate interacțiunile mașinii cu fluxul de aer și să ajute specialiștii să studieze fiecare detaliu și să-l schimbe într-un mod care nu numai că o face eficientă în fluxul de aer, ci și în conformitate cu dorințele designerilor. Practic, componentele principale de rezistență pe care le întâlnește o mașină provin din momentul în care aerul din fața ei se comprimă și se schimbă și – ceva extrem de important – din turbulențele intense din spate din spate. Acolo se formează o zonă de joasă presiune care tinde să tragă mașina, care la rândul său se amestecă cu influența puternică a vortexului, pe care aerodinamiștii îl numesc și „excitație moartă”. Din motive logice, în spatele modelelor break, nivelul presiunii reduse este mai mare, drept urmare coeficientul de curgere se deteriorează.
Factorii de tracțiune aerodinamici
Acesta din urmă depinde nu numai de factori precum forma generală a mașinii, ci și de anumite părți și suprafețe. În practică, forma și proporțiile generale ale mașinilor moderne au o cotă de 40% din rezistența totală a aerului, un sfert din care este determinată de structura suprafeței obiectului și de caracteristici precum oglinzi, lumini, plăcuță de înmatriculare și antenă. 10% din rezistența aerului se datorează curgerii prin orificii către frâne, motor și cutie de viteze. 20% sunt rezultatul vârtejului în diferitele structuri de podea și suspensie, adică tot ceea ce se întâmplă sub mașină. Iar cel mai interesant lucru este că până la 30% din rezistența aerului se datorează vârtejurilor create în jurul roților și aripilor. O demonstrație practică a acestui fenomen oferă o indicație clară a acestui lucru - coeficientul de consum de la 0,28 pe mașină scade la 0,18 atunci când roțile sunt îndepărtate și găurile din aripă sunt acoperite odată cu completarea formei mașinii. Nu este o coincidență că toate mașinile cu kilometraj surprinzător de redus, precum prima Honda Insight și mașina electrică EV1 a GM, au aripi spate ascunse. Forma aerodinamică generală și partea frontală închisă, datorită faptului că motorul electric nu necesită o cantitate mare de aer de răcire, au permis dezvoltatorilor GM să dezvolte modelul EV1 cu un coeficient de curgere de doar 0,195. Modelul Tesla 3 are Cx 0,21. Pentru a reduce vortexul din jurul roților la vehiculele cu motoare cu ardere internă, așa-numitele. „Perdelele de aer” sub forma unui flux vertical subțire de aer sunt direcționate din deschiderea barei de protecție din față, suflând în jurul roților și stabilizând vârtejurile. Debitul către motor este limitat de obloane aerodinamice, iar fundul este complet închis.
Cu cât forțele măsurate de suportul cu role sunt mai mici, cu atât Cx este mai mic. Conform standardului, se măsoară la o viteză de 140 km/h - o valoare de 0,30, de exemplu, înseamnă că 30% din aerul prin care trece o mașină accelerează până la viteza sa. În ceea ce privește zona din față, citirea acesteia necesită o procedură mult mai simplă - pentru aceasta, cu ajutorul unui laser, contururile exterioare ale mașinii sunt conturate atunci când sunt privite din față și se calculează aria închisă în metri pătrați. Ulterior este înmulțit cu factorul de debit pentru a obține rezistența totală a aerului a vehiculului în metri pătrați.
Revenind la schița istorică a descrierii noastre aerodinamice, constatăm că crearea ciclului standardizat de măsurare a consumului de combustibil (NEFZ) în 1996 a jucat de fapt un rol negativ în evoluția aerodinamică a automobilelor (care a avansat semnificativ în anii 1980). ) deoarece factorul aerodinamic are un efect redus datorită perioadei scurte de mișcare de mare viteză. Deși coeficientul de curgere scade în timp, creșterea dimensiunii vehiculelor din fiecare clasă are ca rezultat o creștere a suprafeței frontale și, prin urmare, o creștere a rezistenței aerului. Mașini precum VW Golf, Opel Astra și BMW Seria 7 au avut o rezistență la aer mai mare decât predecesorii lor din anii 1990. Această tendință este alimentată de o cohortă de modele SUV impresionante, cu suprafața lor frontală mare și traficul deteriorat. Acest tip de mașină a fost criticat în principal pentru greutatea sa enormă, dar în practică acest factor capătă o importanță relativă mai mică odată cu creșterea vitezei - în timp ce atunci când se conduce în afara orașului cu o viteză de aproximativ 90 km/h, proporția rezistenței aerului este aproximativ 50 la sută, la vitezele pe autostradă, crește la 80 la sută din rezistența totală pe care o întâlnește vehiculul.
Tub aerodinamic
Un alt exemplu de rol al rezistenței aerului în performanța vehiculului este modelul tipic Smart city. O mașină cu două locuri poate fi inteligentă și agilă pe străzile orașului, dar un corp scurt și bine proporționat este extrem de ineficient din punct de vedere aerodinamic. Prin greutatea sa ușoară, rezistența la aer devine un element din ce în ce mai important, iar cu Smart începe să aibă un impact puternic la viteze de 50 km / h. Nu este surprinzător, a scăzut cu așteptările la costuri reduse, în ciuda designului său ușor.
Cu toate acestea, în ciuda deficiențelor Smart, abordarea aerodinamică a companiei-mamă Mercedes exemplifica o abordare metodică, consecventă și proactivă a procesului de creare a formelor eficiente. Se poate susține că rezultatele investițiilor în tuneluri de vânt și ale muncii asidue în acest domeniu sunt vizibile în special în această companie. Un exemplu deosebit de izbitor al efectului acestui proces este faptul că actuala Clasa S (Cx 0,24) are o rezistență mai mică la vânt decât Golf VII (0,28). În procesul de găsire a mai multor spațiu interior, forma modelului compact a dobândit o suprafață frontală destul de mare, iar coeficientul de curgere este mai slab decât cel al clasei S datorită lungimii mai scurte, care nu permite suprafețe lungi raționalizate. și în principal datorită unei tranziții brusce spre spate, favorizând formarea de vârtejuri. VW a fost ferm că noua generație a opta Golf va avea o rezistență semnificativ mai mică la aer și o formă mai joasă și mai rațională, dar în ciuda noilor capacități de design și testare, acest lucru s-a dovedit extrem de provocator pentru mașină. cu acest format. Cu toate acestea, cu un factor de 0,275, acesta este cel mai aerodinamic Golf realizat vreodată. Cel mai mic raport de consum de combustibil înregistrat de 0,22 per vehicul cu motor cu ardere internă este cel al Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Avantajul vehiculelor electrice
Un alt exemplu de importanță a formei aerodinamice față de greutate sunt modelele hibride moderne și cu atât mai mult vehiculele electrice. În cazul Prius, de exemplu, nevoia unei forme extrem de aerodinamice este, de asemenea, dictată de faptul că pe măsură ce viteza crește, eficiența motorului hibrid scade. În cazul vehiculelor electrice, orice este legat de kilometrajul crescut în regimul electric este extrem de important. Potrivit experților, o pierdere în greutate de 100 kg va crește kilometrajul mașinii cu doar câțiva kilometri, dar, pe de altă parte, aerodinamica are o importanță crucială pentru o mașină electrică. În primul rând, deoarece masa mare a acestor vehicule le permite să recupereze o parte din energia consumată de recuperare, și în al doilea rând, deoarece cuplul ridicat al motorului electric îi permite să compenseze efectul greutății în timpul pornirii, iar eficiența acestuia scade la viteze mari și viteze mari. În plus, electronica de putere și motorul electric necesită mai puțin aer de răcire, ceea ce permite o deschidere mai mică în fața mașinii, ceea ce, după cum am menționat, este cauza principală a debitului redus al caroseriei. Un alt element care îi motivează pe proiectanți să creeze forme mai eficiente din punct de vedere aerodinamic în modelele hibride plug-in moderne este modul electric fără accelerație sau așa-numitul. navigație. Spre deosebire de bărcile cu pânze, unde se folosește termenul și vântul trebuie să miște barca, în mașinile cu kilometri electrici ar crește dacă mașina ar avea o rezistență mai mică la aer. Crearea unei forme optimizate din punct de vedere aerodinamic este cea mai eficientă metodă de a reduce consumul de combustibil.
Factorii de consum ai unor mașini celebre:
Mercedes Simplex
Fabricare 1904, Cx = 1,05
Vagon de cădere Rumpler
Fabricare 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Fabricare 1927, Cx = 0,70
Model experimental Kama
Fabricat în 1938, Cx = 0,36.
Mașină record Mercedes
Fabricare 1938, Cx = 0,12
Autobuz VW
Fabricare 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Turtle"
Fabricare 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Fabricat în 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Fabricat în 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Producție din 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Fabricare 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Fabricare 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Fabricare 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Estate
Fabricare 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Fabricare 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Fabricare 1985, Cx = 0,29
Lamborghini countach
Fabricare 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Fabricare 1997, Cx = 0,29
