Turbulent flöde
Innehåll
Hur modern teknik förändrar aerodynamiken i en bil
Lågt luftmotstånd hjälper till att minska bränsleförbrukningen. I detta avseende finns det dock ett enormt utrymme för utveckling. Medan, naturligtvis, experter inom aerodynamik håller med designernas åsikt.
"Aerodynamik för dem som inte vet hur man bygger motorcyklar." Dessa ord uttalades av Enzo Ferrari på 60-talet och visar tydligt attityden hos många dåtida designers till denna tekniska aspekt av bilen. Men bara tio år senare kom den första oljekrisen och hela deras värdesystem förändrades radikalt. De tider då alla motståndskrafter i en bils rörelse, och särskilt de som uppstår som ett resultat av dess passage genom luftskikt, övervinns av omfattande tekniska lösningar, som att öka motorernas slagvolym och effekt, oavsett mängden bränsle som förbrukas, de är borta, och ingenjörer börjar leta efter mer effektiva sätt att uppnå sina mål.
För tillfället är den tekniska faktorn för aerodynamik täckt med ett tjockt lager av glömska damm, men det är inte helt nytt för designers. Teknikens historia visar att även på tjugotalet formade avancerade och uppfinningsrika hjärnor som tysken Edmund Rumpler och ungraren Paul Jaray (som skapade kulten Tatra T77) de strömlinjeformade ytorna och lade grunden för ett aerodynamiskt förhållningssätt till bilkarossdesign. De följdes av en andra våg av aerodynamiker som Baron Reinhard von Koenich-Faxenfeld och Wunibald Kam som utvecklade sina idéer på 1930-talet.
Det är uppenbart för alla att med ökande hastighet kommer en gräns, över vilken luftmotståndet blir en kritisk faktor vid bilkörning. Skapandet av aerodynamiskt optimerade former kan förskjuta denna gräns uppåt avsevärt och uttrycks av den så kallade flödeskoefficienten Cx, eftersom ett värde på 1,05 har en kub inverterad vinkelrätt mot luftflödet (om den roteras 45 grader längs sin axel, så att dess uppströmskant reduceras till 0,80). Denna koefficient är dock bara en del av luftmotståndsekvationen - storleken på bilens frontyta (A) måste läggas till som ett väsentligt element. Den första av uppgifterna för aerodynamiker är att skapa rena, aerodynamiskt effektiva ytor (faktorer som, som vi kommer att se, det finns många av i bilen), vilket i slutändan leder till en minskning av flödeskoefficienten. För att mäta det senare behövs en vindtunnel, vilket är en kostsam och extremt komplex anläggning – ett exempel på detta är BMW:s tunnel på 2009 miljoner euro som togs i bruk 170. Den viktigaste komponenten i den är inte en jättefläkt, som drar så mycket el att den behöver en separat transformatorstation, utan ett noggrant rullstativ som mäter alla krafter och moment som luftstrålen utövar på bilen. Hans jobb är att utvärdera all interaktion mellan bilen och luftflödet och hjälpa specialisterna att studera varje detalj och ändra den på ett sådant sätt att det inte bara gör det effektivt i luftflödet, utan också i enlighet med designernas önskemål . I grund och botten kommer de viktigaste dragkomponenterna en bil möter från när luften framför den komprimeras och växlar och – något extremt viktigt – från den intensiva turbulensen bakom den baktill. Där bildas en lågtryckszon som tenderar att dra bilen, som i sin tur blandar sig med virvelns starka inverkan, som aerodynamiker också kallar "död excitation". Av logiska skäl, bakom fastighetsmodeller, är nivån av reducerat tryck högre, vilket gör att flödeskoefficienten försämras.
Aerodynamiska motståndsfaktorer
Det senare beror inte bara på faktorer som bilens övergripande form, utan också på specifika delar och ytor. I praktiken har moderna bilars övergripande form och proportioner 40 procent av det totala luftmotståndet, varav en fjärdedel bestäms av objektets ytstruktur och egenskaper som speglar, lampor, registreringsskylt och antenn. 10 % av luftmotståndet beror på flödet genom hålen till bromsar, motor och växellåda. 20% är resultatet av virvel i de olika golv- och upphängningskonstruktionerna, det vill säga allt som händer under bilen. Och det mest intressanta är att upp till 30 % av luftmotståndet beror på virvlarna som skapas runt hjulen och vingarna. En praktisk demonstration av detta fenomen ger en tydlig indikation på detta - förbrukningskoefficienten från 0,28 per bil minskar till 0,18 när hjulen tas bort och hålen i vingen täcks med fullbordandet av bilens form. Det är ingen slump att alla bilar med förvånansvärt låg körsträcka, som den första Honda Insight och GM:s elbil EV1, har dolda bakskärmar. Den övergripande aerodynamiska formen och den stängda fronten, på grund av det faktum att elmotorn inte kräver en stor mängd kylluft, gjorde det möjligt för GM-utvecklarna att utveckla EV1-modellen med en flödeskoefficient på endast 0,195. Tesla modell 3 har Cx 0,21. Att minska virveln runt hjulen i fordon med förbränningsmotor, s.k. "Luftridåer" i form av en tunn vertikal luftström riktas från öppningen i den främre stötfångaren, blåser runt hjulen och stabiliserar virvlarna. Flödet till motorn begränsas av aerodynamiska fönsterluckor och botten är helt stängd.
Ju lägre krafter som mäts av rullstativet, desto lägre är Cx. Enligt standarden mäts den i en hastighet av 140 km/h – ett värde på 0,30 betyder till exempel att 30 procent av luften som en bil passerar accelererar till sin hastighet. När det gäller det främre området kräver dess avläsning en mycket enklare procedur - för detta, med hjälp av en laser, skisseras bilens yttre konturer när den ses framifrån, och det stängda området i kvadratmeter beräknas. Den multipliceras därefter med flödesfaktorn för att erhålla fordonets totala luftmotstånd i kvadratmeter.
För att återgå till den historiska översikten av vår aerodynamiska beskrivning, finner vi att skapandet av den standardiserade bränsleförbrukningsmätcykeln (NEFZ) 1996 faktiskt spelade en negativ roll i den aerodynamiska utvecklingen av bilar (som utvecklades avsevärt under 1980-talet). ) eftersom den aerodynamiska faktorn har liten effekt på grund av den korta perioden med höghastighetsrörelse. Även om flödeskoefficienten minskar med tiden, resulterar en ökning av storleken på fordon i varje klass i en ökning av frontytan och därför ett ökat luftmotstånd. Bilar som VW Golf, Opel Astra och BMW 7-serie hade högre luftmotstånd än sina föregångare på 1990-talet. Denna trend drivs av en kohort av imponerande SUV-modeller med sin stora frontyta och försämrade trafik. Den här typen av bilar har framför allt kritiserats för sin enorma vikt, men i praktiken får denna faktor en lägre relativ betydelse med ökande hastighet - medan man vid körning utanför staden med en hastighet av ca 90 km/h är andelen luftmotstånd. cirka 50 procent, vid Vid motorvägshastigheter ökar den till 80 procent av det totala motståndet fordonet möter.
Aerodynamisk rör
Ett annat exempel på luftmotståndets roll i driften av en bil är en typisk Smart city-modell. En tvåsitsig kan vara kvick och pigg på stadsgator, men en kort och välproportionerad kaross är mycket ineffektiv ur aerodynamisk synvinkel. Mot bakgrund av låg vikt blir luftmotståndet ett allt viktigare element, och med Smart börjar det få ett starkt genomslag i hastigheter på 50 km / h. Det är inte förvånande att det inte levde upp till lågkostnadsförväntningarna, trots sin lätta design.
Trots Smarts brister exemplifierar dock moderbolaget Mercedes inställning till aerodynamik ett metodiskt, konsekvent och proaktivt förhållningssätt till processen att skapa effektiva former. Det kan hävdas att resultaten av investeringar i vindtunnlar och hårt arbete inom detta område är särskilt synliga i detta företag. Ett särskilt slående exempel på effekten av denna process är det faktum att den nuvarande S-klassen (Cx 0,24) har mindre vindmotstånd än Golf VII (0,28). I processen att hitta mer inre utrymme har formen på den kompakta modellen fått en ganska stor frontyta, och flödeskoefficienten är sämre än den för S-klassen på grund av den kortare längden, vilket inte tillåter långa strömlinjeformade ytor och främst på grund av en skarp övergång till baksidan, vilket främjar bildandet av virvlar. VW var stenhård på att den nya åttonde generationens Golf skulle ha betydligt mindre luftmotstånd och en lägre och mer strömlinjeformad form, men trots den nya designen och testmöjligheterna visade sig detta vara extremt utmanande för bilen. med detta format. Men med en faktor på 0,275 är detta den mest aerodynamiska Golf som någonsin gjorts. Det lägsta registrerade bränsleförbrukningsförhållandet på 0,22 per fordon med förbränningsmotor är Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Fördelen med elfordon
Ett annat exempel på vikten av aerodynamisk form mot bakgrund av vikt är moderna hybridmodeller och ännu mer elfordon. I fallet med Prius, till exempel, dikteras behovet av en mycket aerodynamisk form också av det faktum att när hastigheten ökar, minskar effektiviteten i hybridframdrivningssystemet. När det gäller elfordon är allt relaterat till ökningen av körsträcka i elläge extremt viktigt. Enligt experter kommer en viktminskning på 100 kg att öka bilens körsträcka med bara några kilometer, men å andra sidan är aerodynamiken av största vikt för en elbil. För det första eftersom den höga massan hos dessa fordon gör att de kan returnera en del av den energi som förbrukas av återhämtning, och för det andra eftersom det höga vridmomentet hos elmotorn gör att du kan kompensera för vikteffekten vid start, och dess effektivitet minskar vid höga hastigheter och höga hastigheter. Dessutom kräver kraftelektroniken och elmotorn mindre kylluft, vilket möjliggör en mindre öppning framtill på bilen, vilket, som vi redan har noterat, är den främsta orsaken till dåligt karossflöde. En annan del av motivationen för designers att skapa mer aerodynamiskt effektiva former i dagens laddhybridmodeller är det icke-accelererade rörelsesättet av enbart elmotor eller så kallad. segling. Till skillnad från segelbåtar, där termen används och vinden ska flytta båten, i bilar, skulle körsträckan med el öka om bilen hade mindre luftmotstånd. Att skapa en aerodynamiskt optimerad form är det mest kostnadseffektiva sättet att minska bränsleförbrukningen.
Förbrukningskoefficienterna för några kända bilar:
Mercedes Simplex
Tillverkning 1904, Cx = 1,05
Rumpler drop bil
Tillverkning 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Tillverkning 1927, Cx = 0,70
Experimentell modell Kama
Tillverkad 1938, Cx = 0,36.
Mercedes skivbil
Tillverkning 1938, Cx = 0,12
VW-buss
Tillverkning 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Turtle"
Tillverkning 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Tillverkad 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Tillverkad 1957, Cx = 0,36.
Mg ex 181
1957 produktion, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Tillverkning 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Tillverkning 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Tillverkning 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Kombi
Tillverkning 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Tillverkning 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Tillverkning 1985, Cx = 0,29
Lamborghini countach
Tillverkning 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Tillverkning 1997, Cx = 0,29
