Основы аэродинамики автомобилей

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная  школа №33 с углубленным

изучением отдельных  предметов

 

 

 

 

 

Научно –  исследовательская работа по математике

 

Основы  аэродинамики автомобилей

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Грязнов Максим Олегович

Ученик 10А класса.

Руководитель:

Курзанова М.А.

 

 

 

 

 

г. Нижний Новгород

2012 год

 

Содержание

 
Введение. …………………………………………………………………......2

 

1. Общие понятия…………………………………………..3-11

 

1.1. Аэродинамика………………...………….………….………….3

1.2. Лобовое сопротивление……….………………...…….……….4

1.3. Подъемная сида..……………….………………..……………...4

1.4. Закон Бернулли………………..…………………...…………...5

1.5. Миделево сечение………………..………………...…………...5 

2. Аэродинамика автомобилей и различные способы её улучшения….6-13

 

2.1. Задачи аэродинамики..…………………….…………………...6-13

a) Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива....................7

b) Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости………………………………………………….….7 
c) Исключение загрязнения и скапливания дождевой воды на стеклах и фонарях автомобиля……………………………………………….10 
d) Организация эффективного охлаждения двигателя и колесных тормозных механизмов…………………………………………….11 
e) Уменьшение давления внутри колесной арки…………………13 

3. Аэродинамическая труба………………………...………………..….14-15 
 
Заключение…………………………..……………………………………….1,,

 

Литература……………..……………………………………..…………........1,,

 

Приложение……………………………..………………………….………...17-26

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Тема  нашей работы – основы аэродинамики автомобилей.

Объект  исследования – влияние потока воздуха на поведение автомобилей

Предмет исследования – автомобили, крылья самолетов.

Цель  работы – исследовать различные свойства влияния набегающего потока воздуха, изучая историческую и научную литературу. 
Цель предполагает следующие задачи:

1. Ознакомиться с современными понятиями аэродинамики автомобилей и изучить решение важных проблем.
2. Провести анализ изученного теоретического материала по данной теме.
3. Рассмотреть интересные примеры, закономерности.

 

Практическая  значимость исследования заключается в расширении кругозора учеников.

Работа состоит  из введения, основной части, заключения и прилагается список литературы.

 

 

 

1. Общие понятия и первые автомобили с а-кой заморочкой

1.1. 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 Женетти, 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. 
Также существует такое понятие, как сила сопротивления воздуха вычисляется по формуле: 
 
                                             

Где ρ — плотность воздуха, S — площадь поперечной проекции автомобиля, Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. На больших скоростях сила сопротивления воздуха превосходит другие силы сопротивления. Из формулы также видно, что уменьшить силу сопротивления можно путем уменьшения коэффициента Cx и уменьшения площади поперечной проекции. Наличие силы сопротивления воздуха объясняется тем, что при движении автомобиль сжимает воздух, находящийся перед ним, и там образуется область повышенного давления, и разрежает воздух позади себя, где образуется область пониженного давления.

 

1.2. Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы. 

Поток и форма  препятствия	Профильное сопротивление	Сопротивление обшивки
	0%	100%
	~10%	~90%
	~90%	~10%
	100%	0%

 
1.3. Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком.

В соответствии с законом  Бернулли, статическое давление среды  в тех областях, где скорость потока более высока, будет ниже, и наоборот. Например, крыло самолета имеет несимметричный профиль (верхняя часть крыла  более выпуклая), вследствие чего скорость потока по верхней кромке крыла будет  выше, чем над нижней. Создавшаяся  разница давлений и порождает  подъёмную силу.

 

 

 

 

 

 

1.4. Закон Бернулли – При уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Иначе говоря, чем больше скорость, тем меньше давление, и наоборот. 

 

 — плотность жидкости,

 — скорость потока,

 — высота, на которой  находится рассматриваемый элемент жидкости (если труба не горизонтальна, а имеет различные диаметры в разных местах),

 — давление 

 — ускорение свободного  падения. 
Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящаяся на единицу объёма жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Миделево сечение  — наибольшее по площади поперечное сечение тела, движущегося в воде или воздухе. Можно сказать, что это тень тела, если светить фонарем, расположенным в бесконечно удаленной точке от лицевой стороны данного тела. 

 

2. Аэродинамика автомобилей и различные  способы её улучшения. 

2.1. Задачи аэродинамики

Обтекание внешним потоком  воздуха приводит к возникновению  сил и моментов, действующих на автомобиль, которые весьма существенно  влияют на потребляемую мощность и  курсовую устойчивость. Долгое время  автомобильная аэродинамика занималась исключительно этими двумя эффектами  обтекания. В последнее время  круг задач расширился, и решается ряд следующих проблем:

 

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

 

а) Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.

 
Для уменьшения сопротивления воздуха можно  воспользоваться двумя способами: уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова, и оптимизаций процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе). Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, - 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25. 
 
b) Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости. 
 
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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c) Исключение загрязнения и скапливания дождевой воды на стеклах и фонарях автомобиля.  
 
Используя данные о вихревом следе за автомобилем можно решать вопрос о загрязнении задней части автомобиля. В зависимости от состояния полотна дороги колесами захватывается пыль или грязная вода. Частицы пыли и воды в процессе турбулентного перемешивания распределяются по всему объему вихревого следа и оседают на задней поверхности автомобиля. Так как состояние потока в задней части автомобиля, в свою очередь, сильно влияет на силу сопротивления воздуха, то проблему загрязнения задней части автомобиля нельзя рассматривать изолированно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Также, чтобы исключить загрязнения боковых зеркал заднего вида, необходимо уменьшить завихрения воздуха после контакта с зеркалами. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d) Организация эффективного охлаждения двигателя и колесных тормозных механизмов.

Поток через радиатор определяется формой потока перед автомобилем. Хорошо видно, что точка разделения потока на верхний и нижний находится на высоте бампера; отверстия расположены выше и ниже бампера, поэтому поток по отношению к ним направлен под углом. Задача декоративной решетки перед радиатором - направить этот поток, по возможности без потерь, к радиатору, который располагается вертикально. Поток охлаждающего воздуха должен проходить таким образом, чтобы теплоотдача по всей площади радиатора по возможности была равномерной, за счет этого можно сэкономить дорогостоящий материал, из которого он изготовлен. Следует обратить внимание на то, что аэродинамическое сопротивление автомобиля вследствие потери скоростного напора в потоке охлаждающего воздуха возрастает; приняв соответствующие меры, можно уменьшить это сопротивление. Если образуемого при движении расхода воздуха для охлаждения недостаточно, должен включаться вентилятор; радиатор и вентилятор должны быть подобраны друг к другу таким образом, чтобы система охлаждения была экономичной с точки зрения ее стоимости и энергетических затрат на привод вентилятора.  
Также существует промежуточный охладитель наддувочного воздуха, интеркулер, представляющий собой теплообменник (воздухо-воздушный, водовоздушный), чаще радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. В основном используется в двигателях с системой турбонаддува.