Turbulentné prúdenie
Obsah
Ako moderná technológia mení aerodynamiku auta
Nízky odpor vzduchu pomáha znižovať spotrebu paliva. V tomto ohľade však existujú obrovské možnosti rozvoja. Zatiaľ sa samozrejme odborníci na aerodynamiku zhodujú s názorom konštruktérov.
„Aerodynamika pre tých, ktorí nemôžu vyrábať motocykle.“ Tieto slová vyslovil Enzo Ferrari v 60. rokoch a zreteľne demonštrujú postoj mnohých vtedajších dizajnérov k tejto technologickej stránke automobilu. Avšak až o desať rokov neskôr prišla prvá ropná kríza a celý ich systém hodnôt sa radikálne zmenil. Časy, keď všetky sily odporu v pohybe automobilu, najmä tie, ktoré vznikajú v dôsledku jeho prechodu vzduchovými vrstvami, prekonávajú rozsiahle technické riešenia, ako je zvýšenie zdvihového objemu a výkonu motorov, bez ohľadu na množstvo spotrebovaného paliva, odchádzajú a inžinieri začínajú hľadajte efektívnejšie spôsoby, ako dosiahnuť svoje ciele.
Momentálne je technologický faktor aerodynamiky pokrytý hrubou vrstvou prachu zabudnutia, pre dizajnérov to však nie je úplne nové. História technológie ukazuje, že ešte v dvadsiatych rokoch pokrokové a vynaliezavé mozgy ako Nemec Edmund Rumpler a Maďar Paul Jaray (ktorí vytvorili kult Tatry T77) formovali zjednodušené povrchy a položili základy aerodynamického prístupu k dizajnu karosérie. Po nich nasledovala druhá vlna aerodynamických špecialistov, ako boli barón Reinhard von Könich-Faxenfeld a Wunibald Kam, ktorí svoje myšlienky rozvinuli v 1930. rokoch.
Každému je jasné, že s narastajúcou rýchlosťou prichádza hranica, nad ktorou sa odpor vzduchu stáva kritickým faktorom pri jazde autom. Vytvorenie aerodynamicky optimalizovaných tvarov môže túto hranicu výrazne posunúť nahor a vyjadruje sa takzvaným prietokovým koeficientom Cx, keďže hodnota 1,05 má kocka prevrátenú kolmo na prúdenie vzduchu (ak je otočená o 45 stupňov pozdĺž svojej osi, tak jeho predná hrana sa zníži na 0,80). Tento koeficient je však len jednou časťou rovnice odporu vzduchu – k podstatnému prvku treba pripočítať veľkosť čelnej plochy auta (A). Prvou z úloh aerodynamikov je vytvárať čisté, aerodynamicky efektívne povrchy (ktorých faktorov, ako uvidíme, je v aute veľa), čo v konečnom dôsledku vedie k zníženiu koeficientu prúdenia. Na meranie posledne menovaného je potrebný aerodynamický tunel, ktorý je nákladným a mimoriadne zložitým zariadením – príkladom je tunel BMW za 2009 miliónov eur uvedený do prevádzky v roku 170. Najdôležitejším komponentom v ňom nie je obrí ventilátor, ktorý spotrebuje toľko elektriny, že potrebuje samostatnú trafostanicu, ale presný valčekový stojan, ktorý meria všetky sily a momenty, ktorými prúd vzduchu na auto pôsobí. Jeho úlohou je vyhodnotiť všetky interakcie automobilu s prúdením vzduchu a pomôcť odborníkom preštudovať každý detail a zmeniť ho tak, aby bol nielen efektívny v prúdení vzduchu, ale aj v súlade s prianiami dizajnérov. . V zásade hlavné komponenty odporu, s ktorými sa auto stretáva, pochádzajú zo stlačenia a posunu vzduchu pred ním a – čo je mimoriadne dôležité – z intenzívnych turbulencií za ním vzadu. Tam sa vytvorí zóna nízkeho tlaku, ktorá má tendenciu ťahať auto, čo sa následne mieša so silným vplyvom víru, ktorý aerodynamiky nazývajú aj „mŕtve budenie“. Z logických dôvodov je za modelmi kombi vyššia úroveň zníženého tlaku, v dôsledku čoho sa zhoršuje prietokový koeficient.
Faktory aerodynamického odporu
To posledné závisí nielen od faktorov, ako je celkový tvar auta, ale aj od konkrétnych častí a povrchov. V praxi majú celkový tvar a proporcie moderných áut 40-percentný podiel na celkovom odpore vzduchu, z čoho štvrtinu určuje povrchová štruktúra objektu a prvky, ako sú zrkadlá, svetlá, ŠPZ a anténa. 10% odporu vzduchu pripadá na prúdenie cez otvory k brzdám, motoru a prevodovke. 20% je výsledkom vírenia v rôznych podlahových a závesných štruktúrach, teda všetkého, čo sa deje pod autom. A najzaujímavejšie je, že až 30% odporu vzduchu majú na svedomí víry vytvorené okolo kolies a krídel. Praktická ukážka tohto javu to jasne naznačuje - koeficient spotreby z 0,28 na auto klesá na 0,18 po odstránení kolies a prekrytí otvorov v krídle s dotvorením tvaru auta. Nie je náhoda, že všetky autá s prekvapivo nízkym počtom najazdených kilometrov, ako prvá Honda Insight a elektromobil GM EV1, majú skryté zadné blatníky. Celkový aerodynamický tvar a uzavretá predná časť vďaka tomu, že elektromotor nevyžaduje veľké množstvo chladiaceho vzduchu, umožnili vývojárom GM vyvinúť model EV1 s koeficientom prietoku iba 0,195. Tesla model 3 má Cx 0,21. Na zníženie víru okolo kolies vo vozidlách so spaľovacím motorom, tzv. Z otvoru v prednom nárazníku smerujú „vzduchové clony“ v podobe tenkého vertikálneho prúdu vzduchu, ktorý fúka okolo kolies a stabilizuje víry. Prietok k motoru je obmedzený aerodynamickými uzávermi a spodok je úplne uzavretý.
Čím nižšie sú sily namerané valcovým stojanom, tým nižšie je Cx. Podľa normy sa meria pri rýchlosti 140 km/h – hodnota 0,30 napríklad znamená, že 30 percent vzduchu, ktorým auto prejde, sa zrýchli na jeho rýchlosť. Čo sa týka prednej plochy, jej odčítanie si vyžaduje oveľa jednoduchší postup – na to sa pomocou laseru vytýčia vonkajšie obrysy auta pri pohľade spredu a vypočíta sa uzavretá plocha v metroch štvorcových. Následne sa vynásobí koeficientom prietoku, čím sa získa celkový odpor vzduchu vozidla v metroch štvorcových.
Ak sa vrátime k historickému náčrtu nášho aerodynamického popisu, zistíme, že vytvorenie štandardizovaného cyklu merania spotreby paliva (NEFZ) v roku 1996 skutočne zohralo negatívnu úlohu v aerodynamickom vývoji automobilov (ktorý výrazne pokročil v 1980. rokoch). ), pretože aerodynamický faktor má malý vplyv v dôsledku krátkeho obdobia vysokorýchlostného pohybu. Hoci sa koeficient prietoku časom znižuje, zväčšovanie rozmerov vozidiel v každej triede má za následok zväčšenie čelnej plochy a tým aj zvýšenie odporu vzduchu. Autá ako VW Golf, Opel Astra a BMW radu 7 mali vyšší odpor vzduchu ako ich predchodcovia v 1990. rokoch. Tento trend podporuje skupina pôsobivých modelov SUV s veľkou prednou plochou a zhoršujúcou sa premávkou. Tomuto typu auta bola vyčítaná najmä jeho enormná hmotnosť, no v praxi tento faktor naberá so stúpajúcou rýchlosťou menší relatívny význam - kým pri jazde mimo mesta rýchlosťou okolo 90 km/h je podiel odporu vzduchu nižší. o 50 percent, pri diaľničných rýchlostiach sa zvýši na 80 percent celkového odporu, s ktorým sa vozidlo stretáva.
Aerodynamická trubica
Ďalším príkladom úlohy odporu vzduchu vo výkone vozidla je typický model Smart city. Dvojmiestny automobil môže byť v uliciach mesta svižný a svižný, ale krátka a dobre proporcionálna karoséria je z aerodynamického hľadiska mimoriadne neúčinná. Na pozadí nízkej hmotnosti sa odpor vzduchu stáva čoraz dôležitejším prvkom a u modelu Smart začína mať silný vplyv pri rýchlosti 50 km / h. Niet divu, že napriek svojej ľahkej konštrukcii nesplnil očakávania týkajúce sa nízkych nákladov.
Napriek nedostatkom Smartu je však prístup materskej spoločnosti Mercedes k aerodynamike príkladom metodického, konzistentného a proaktívneho prístupu k procesu vytvárania efektívnych tvarov. Dá sa tvrdiť, že v tejto spoločnosti sú obzvlášť viditeľné výsledky investícií do aerodynamických tunelov a tvrdej práce v tejto oblasti. Zvlášť nápadným príkladom efektu tohto procesu je fakt, že súčasná trieda S (Cx 0,24) má menšiu odolnosť voči vetru ako Golf VII (0,28). V procese hľadania väčšieho vnútorného priestoru nadobudol tvar kompaktného modelu pomerne veľkú prednú plochu a koeficient prietoku je horší ako u triedy S kvôli kratšej dĺžke, ktorá neumožňuje dlhé aerodynamické povrchy. a to hlavne vďaka ostrému prechodu dozadu, podporujúcemu tvorbu vírov. VW bol presvedčený, že nová ôsma generácia Golfu bude mať výrazne menší odpor vzduchu a nižší a aerodynamickejší tvar, no napriek novému dizajnu a testovacím schopnostiam sa to ukázalo ako mimoriadne náročné pre auto. s týmto formátom. S faktorom 0,275 však ide o najaerodynamickejší Golf, aký bol kedy vyrobený. Najnižší zaznamenaný pomer spotreby paliva 0,22 na vozidlo so spaľovacím motorom má Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Výhoda elektrických vozidiel
Ďalším príkladom dôležitosti aerodynamického tvaru na pozadí hmotnosti sú moderné hybridné modely a ešte viac elektrické vozidlá. Napríklad v prípade modelu Prius je potreba vysoko aerodynamického tvaru diktovaná aj skutočnosťou, že s rastúcou rýchlosťou klesá účinnosť hybridného hnacieho ústrojenstva. V prípade elektrických vozidiel je čokoľvek spojené so zvýšeným počtom najazdených kilometrov v elektrickom režime mimoriadne dôležité. Podľa odborníkov strata hmotnosti 100 kg zvýši kilometrový výkon automobilu len o niekoľko kilometrov, na druhej strane má však pre elektromobil prvoradý význam aerodynamika. Jednak preto, že veľká hmotnosť týchto vozidiel im umožňuje spätne získavať časť energie spotrebovanej rekuperáciou, jednak to, že vysoký krútiaci moment elektromotora umožňuje kompenzovať vplyv hmotnosti počas štartovania, a jeho účinnosť klesá pri vysokých rýchlostiach a vysokých rýchlostiach. Výkonová elektronika a elektromotor navyše vyžadujú menej chladiaceho vzduchu, čo umožňuje menší otvor v prednej časti vozidla, čo je, ako sme už poznamenali, hlavnou príčinou zníženého prietoku tela. Ďalším prvkom motivácie dizajnérov k vytváraniu aerodynamicky efektívnejších foriem v moderných plug-in hybridných modeloch je režim bez akcelerácie iba na elektrický pohon, alebo tzv. plachtenie. Na rozdiel od plachetníc, kde sa tento výraz používa a vietor musí pohybovať loďou, v automobiloch by sa elektricky poháňaný počet kilometrov zvýšil, keby malo auto menší odpor vzduchu. Vytvorenie aerodynamicky optimalizovaného tvaru je nákladovo najefektívnejším spôsobom zníženia spotreby paliva.
Koeficienty spotreby niektorých slávnych automobilov:
Mercedes Simplex
Výroba 1904, Cx = 1,05
Vagón s vyklápacím vozom
Výroba 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Výroba 1927, Cx = 0,70
Kama experimentálny model
Vyrobené v roku 1938, Cx = 0,36.
Rekordné auto Mercedes
Výroba 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Výroba 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "korytnačka"
Výroba 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Vyrobené v roku 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Vyrobené v roku 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Produkcia 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Výroba 1963, Cx = 0,33
Športový princ NSU
Výroba 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Výroba 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 kombi
Výroba 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Výroba 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Výroba 1985, Cx = 0,29
Počítadlo Lamborghini
Výroba 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Výroba 1997, Cx = 0,29
