Аэродинамика "прибамбасов" (сойлеры, мухобойки...

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=36230
Ветерком по наворотам

********СИМПАТИЧНЫ, ОПАСНЫ, БЕСПОЛЕЗНЫ...

********Определяем в аэродинамической трубе плюсы и минусы спойлеров, дефлекторов, накладок и других модных изделий такого рода.

********Сергей МИШИН

********Чего только не увидишь сегодня на машине автомобильного модника! Лишь бы смотрелась "круто"! Такой энтузиаст не жалеет сил и средств, покупая навесные детали, назначение которых зашифровано в наукоемких названиях.

********Мы решили выяснить, как подобная "бижутерия" влияет (или не влияет) на эксплуатационные показатели машины. На рынке выбрали то, что, по словам продавцов, пользуется повышенным спросом.

********Уточним, что в нашу задачу входила лишь принципиальная оценка таких изделий. Отвечают ли они назначению, заявленному изготовителем? Например, защищает ли "мухоотбойник" от насекомых ветровое стекло. Как влияет установка таких аксессуаров на аэродинамику автомобиля, обзорность, шумы в машине, вентиляцию салона...

********Работу разделили на два этапа. На первом наши эксперты оценивали каждый навесной элемент и их сочетания в условиях реального движения. На втором исследовали аэродинамику автомобилей ВАЗ-2109 и ВАЗ-2110 при различных вариантах "обвески" в аэродинамической трубе Дирекции технического развития (бывшем НТЦ) ВАЗа.

********Оба автомобиля укомплектовали шинами 175/70R13, двумя наружными зеркалами, штатными фартуками задних колес. Кстати, для любознательных: даже эти мелочи заметно отражаются на аэродинамике машины. Например, стандартные наружные зеркала способны увеличить "фактор обтекаемости" - произведение коэффициента аэродинамического сопротивления Cx на площадь F поперечного сечения машины (табл. 1) - на 0,011 м2.

********Специалисты объяснили нам назначение каждого аэродинамического элемента. Так, дефлектор направляет воздушный поток в ту или иную зону, - например, позади пятой двери на ВАЗ-2109, снижая ее загрязнение из-за "подсоса" сюда пыли, дыма из выхлопной трубы и т. д.

********Спойлер уменьшает завихрения при отрыве воздушной струи от кузова - и этим снижает аэродинамическое сопротивление.

********Крыло (антикрыло) создает подъемную (прижимающую) силу под действием набегающего воздушного потока.

********Итак, перед нами результаты продувки. Некоторые - скажем сразу - просто неожиданны. Например, "мухобойка" заметно - на 2,7-2,8% - увеличивает коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля, а защищает от "бомбардировки" камешками только ту узкую зону капота, которую закрывает. Дефлектор же, который владельцы машин "восьмого" семейства устанавливают на "затылок", хорошо справляется со своей ролью "чистильщика" заднего стекла, практически не влияя на коэффициент сопротивления. Но... заметно ухудшает картину вертикальных сил, действующих на оси автомобиля. Это помнить особенно важно излишне темпераментным водителям на скользкой дороге, а также тем, кто, "экономя", оснащает шипованными шинами только ведущую ось, оставляя на другой что придется.

********Недавно подобная проблема возникла даже у серьезной фирмы. Оказалось, что "Ауди-ТТ" в комплектации без заднего спойлера на скорости свыше 200 км/ч почти полностью теряет сцепление задних колес с дорогой. Это - результат серьезного "прокола" в аэродинамике.

********Производителей "обвеса", как правило, мало интересуют подобные "мелочи"! А уж о согласовании своих "произведений" с заводом - изготовителем автомобилей, для которых эти украшения предусматриваются, и речи не идет. Между тем, из представленных в нашем тесте "украшений" лишь накладки на ручки и кромки дверей не влияют на безопасность, за которую несет ответственность каждый завод-производитель авто.

********Элементы навески, из тех что названы здесь (равно как и другие), могут оказаться полезными или вредными с позиций аэродинамики, и не только ее. При этом некоторые отрицательные эффекты - например, радикальное изменение распределения подъемных сил по осям "Самары" с дефлектором - предсказать умозрительно, без исследований в аэродинамической трубе, практически невозможно. Обязательно это учтите, покупая такие аксессуары.

********А теперь перейдем к самому главному - результатам продувки навесных элементов в аэродинамической трубе (указаны цены в Москве).

********НАКЛАДКА НА КАПОТ, в народе именуемая "МУХОБОЙКОЙ".

********Предположительное назначение - защита ветрового стекла от насекомых.

********Производитель - Aileron Tuning, Санкт-Петербург

********Цена для "десятого" семейства - 600 руб.

********Цена для "самар" - 500 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********ВАЗ-2110 - увеличение коэффициента аэродинамического сопротивления на 0,009 (2,7%). Увеличение аэродинамической подъемной силы на передней оси на 19,7%, на задней оси - на 10,2%.

********ВАЗ-2109 - увеличение коэффициента аэродинамического сопротивления на 0,013 (2,8%). Увеличение аэродинамической подъемной силы на передней оси на 23%.

********Результаты экспертной оценки

********На машинах с накладками комары и мошки продолжают биться о стекло и размазываться по нему так же, как и без накладок, что вполне объяснимо. Наивные люди, полагающие, что "мухобойка" способна коренным образом изменить характер обтекания машины, подняв поток поверх крыши, - неисчерпаемый контингент для торговцев этими изделиями. Спрос рождает предложение! Но муха, между тем, сделана не из воздуха - и посему летит в соответствии с иными законами. Это справедливо и для гораздо более плотных песчинок, камешков и... просто камней. Реально "мухобойка" защищает от бомбардировки только ту узкую зону, которую прикрывает. Поэтому, если развивать идею, то "мухобойку" нужно сделать размерами с бульдозерный нож - и тогда будет защищен весь автомобиль. Но зачем в таком случае платить немалые суммы за дизайн машины!

********Крепится накладка опять-таки не к воздуху. В узкую щель между ней и капотом вместе с возникающим вихрем хорошо засасывается песок, удалить который, не сняв накладку, сложно. А так как в движении и капот, и накладка вибрируют, то песчинки оставляют на лакокрасочном покрытии все более глубокие царапины. У некоторых автомобилей под "мухобойками" краска протиралась до металла.

********Плюсы - сомнительные.

********Минусы - некоторое увеличение расхода топлива и аэродинамической подъемной силы; натиры на передней кромке капота под накладкой при длительной ее эксплуатации.

********На снимках хорошо видно, что основной воздушный поток, атакующий ветровое стекло, "мухобойка" почти не изменяет.

********Диагноз: "Мухобойки" не просто бесполезны - в какой-то мере даже вредны.

********НАКЛАДКИ НА БОКОВЫЕ СТЕКЛА.

********Предположительное назначение - уменьшает поддувание воздуха и попадание дождя в салон при открытых стеклах.

********Цена - 100-200 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********На коэффициент аэродинамического сопротивления практически не влияют.

********Результаты экспертной оценки

********Значительно ухудшилась обзорность из-за "расширения" рамы ветрового стекла. Через накладки 2110 увидеть что-либо трудно - очень темные. Накладки 2109 и вовсе не прозрачные. (Кстати, на грязной дороге и прозрачные станут непрозрачными - не стоит этого забывать.)

********Вместе с тем уменьшились сквозняки в салоне, особенно при частично открытом окне, в салон меньше проникает каплей дождя, хорошо вытягивается сигаретный дым.

********Плюсы - ослабление сквозняков в салоне, защита его от дождя.

********Минусы - ухудшение обзорности.

********Резюме: Меняем "шило на мыло". Накладки улучшают воздухообмен в салоне, ослабляют сквозняки, но достигается это ухудшением обзорности.

********Стойка ветрового стекла (ВАЗ-2109) с накладкой кажется вдвое шире.

********СПОЙЛЕР НА КРЫШКУ БАГАЖНИКА ВАЗ-2110.

********Предположительное назначение - "для красоты".

********Производитель - Aileron tuning, Санкт-Петербург.

********Цена - 900 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********ВАЗ-2110 - снижение коэффициента аэродинамического сопротивления на 0,005 (1,5%) и аэродинамической подъемной силы на передней оси на 7%, на задней - на 41,5%.

********Результаты экспертной оценки

********При обычной эксплуатации изменений в поведении автомобиля не отмечено. Дополнительный стоп-сигнал на спойлере признан полезным.

********Плюсы - улучшение аэродинамических характеристик автомобиля.

********Минусы - не отмечены.

********Резюме: Симпатично. Полезно с точки зрения аэродинамики.

********Так работает спойлер "десятки" в аэродинамической трубе.

********СПОЙЛЕР НА ДВЕРЬ ЗАДКА "САМАРЫ".

********Предположительное назначение - "для красоты".

********Производитель - Aileron tuning, Санкт-Петербург.

********Цена - 800 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********ВАЗ-2109 - снижение коэффициента аэродинамического сопротивления на 0,007 (1,5%) и аэродинамической силы, прижимающей к дороге заднюю ось, на 14,6%. На переднюю практически не влияет.

********Результаты экспертной оценки

********Изменений в поведении автомобиля не отмечено. Несколько меньше загрязняется стекло двери задка - спойлер частично отсекает от двери возмущенный поток воздуха, поднимающий грязь, пыль или снег с дорожного полотна.

********Дополнительный стоп-сигнал полезен.

********Плюсы - снижение загрязнения заднего стекла; улучшение обтекаемости автомобиля. Минусы - не отмечены.

********Резюме: Симпатично. Полезно с точки зрения аэродинамики.

********НАКЛАДКИ НА РУЧКИ ДВЕРЕЙ

********автомобилей "САМАРА".

********Предположительное назначение - "чтоб красиво"!

********Цена - 80 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********На коэффициент аэродинамического сопротивления практически не влияют.

********Результаты экспертной оценки

********Ручками дверей стало труднее пользоваться - сложнее найти "курок". Дизайн же - дело вкуса...

********Плюсы - нет.

********Минусы - нет.

********Резюме: Сущая безделица.

********Красиво?..

********ДЕФЛЕКТОР НА "ЗАТЫЛОК" "САМАРЫ".

********Предположительное назначение - уменьшение загрязнения заднего стекла.

********Цена - 200 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********На коэффициент аэродинамического сопротивления практически не влияет.

********Аэродинамическая подъемная сила при скорости 144 км/ч увеличивается на передней оси с 21,4 до 36,5 кгс, а на задней меняется с прижимающей (-15,5 кгс) на подъемную (35,3 кгс).

********Результаты экспертной оценки

********Заднее стекло в дождливую погоду загрязняется мало. Эффективность работы дефлектора зависит от правильности его установки.

********Отмечаются колебания дефлектора, возникающие на определенных скоростях. Специалисты объясняют это его недостаточной жесткостью в сочетании со значительной массой - дефлектор из стального листа.

********Плюсы - предотвращает загрязнение заднего стекла.

********Минусы - значительно увеличивает аэродинамические подъемные силы.

********Резюме: Полезен для сохранения чистоты заднего стекла.

********Опасен на высоких скоростях. Наиболее нежелателен зимой, на скользких дорогах, особенно если на задней оси установлены нешипованные шины.

********Целесообразна установка дефлектора в паре со спойлером - он позволяет значительно компенсировать вызванную дефлектором подъемную силу на задней оси.

********Дефлектор направляет воздух вдоль стекла, уменьшая разрежение за ним.

********СПОЙЛЕР РЫЧАГОВ СТЕКЛООЧИСТИТЕЛЯ (оценивается на автомобиле "САМАРА").

********Предположительное назначение - повышение эффективности очистки стекла на высоких скоростях благодаря дополнительному аэродинамическому прижиму к стеклу.

********Цена - 50 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********На коэффициент аэродинамического сопротивления практически не влияет.

********Результаты экспертной оценки

********Повышения эффективности очистки стекла не отмечено.

********Плюсы - нет.

********Минусы - нет.

********Резюме: Выброшенные деньги.

********ЗАЩИТНЫЕ НАКЛАДКИ НА ДВЕРИ. Оценивались на автомобиле "САМАРА".

********Предположительное назначение - защита лакокрасочного покрытия дверей, когда они, открываясь, соприкасаются с "соседями" на стоянках и со стенками в гараже.

********Цена - 30 руб.

********Результаты испытаний в аэродинамической трубе

********На коэффициент аэродинамического сопротивления практически не влияют.

********Результаты экспертной оценки

********Накладки действительно оберегают от повреждений кромки дверей автомобиля при соприкосновении со стенкой гаража или боковиной близко стоящей машины.

********Плюсы - назначение оправдывают.

********Минусы - нет.

********Резюме: Накладки полезны тем, кто пользуется тесными стоянками и узкими гаражами. С точки зрения аэродинамики практически безвредны.

********Полезный пустячок...

********Фото Сергея Мишина