Конструкторский семинар 4.

Конструкция машины F-J/500, аэродинамика. Эксперименты в воде – чтобы понять взаимосвязь между формой тела и потоком воздуха.

Заметка из японского «Автоспорта» за июль 1971 года.

§ Борьба с воздухом

Воздух, который, как доказал Галилео Галилей, является веществом и имеет вес, представляет собой газ, состоящий из различных компонентов, таких как 78,9% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона и 0,03% углекислого газа. Эти компоненты составляют воздух в виде мелких частиц, молекул. Молекулы чрезвычайно малы; в нормальных условиях 1 мм куба воздуха содержит 250 миллионов молекул. Когда объект движется сквозь воздух, он вынужден проходить через бесчисленное количество молекул, и понятно, что это обязательно повлияет на него.

Чтобы ощутить величину аэродинамических сил воочию, попробуйте высунуть руку из окна автомобиля, движущегося на большой скорости. Когда я попытался это сделать на скорости около 80 км/ч, мою руку оттолкнуло назад с довольно внушительной силой. Как мы уже говорили во втором семинаре, (майский номер «Автоспорта»), даже в шпильке на «Фудзи» во время гонки скорость машины F-J не падает ниже 80 км/ч. Если учесть размеры техники, то становится ясно, что величину этой аэродинамической силы нельзя недооценивать.

Если скорость увеличится вдвое, сила (сопротивление) воздуха увеличится в четыре раза. Это связано с тем, что по мере увеличения скорости объем «проталкиваемого» воздуха и скорость, с которой воздух сталкивается, увеличиваются, поэтому сила, которая пытается толкнуть машину назад, также увеличивается. С машиной, которая может развивать максимальную скорость от 160 до 180 км/ч, удар можно сравнить с мощностью тайфуна.

Его силы хватит, чтобы снести частный дом, но это соответствует скорости от 160 до 180 км/ч. Если на машину F-J это влияет так сильно, вы можете себе представить, насколько велика сила воздуха, действующая на машину F-1 на скорости более 300 км/ч. На прямых большая часть огромной мощности в несколько сотен лошадиных сил этой огромной машины расходуется на сопротивление при движении сквозь воздух.

Кроме того, на таких скоростях сила воздуха легко может поднять вверх тело массой 600-700 кг (в зависимости от формы автомобиля). Если шины, являющиеся единственным «спасательным кругом» гоночного автомобиля, отрываются земли, машина уже не сможет пройти поворот, как бы сильно ни крутить руль.

Как известно, использование руля направления, как в самолете, в гонках запрещено регламентом. Поэтому при прохождении поворотов абсолютно необходимо держать шины как можно ближе к земле (конечно, на больших машинах также необходимо предотвратить пробуксовку шин из-за мощного крутящего момента двигателя). Методами, которые стали использоваться для этой цели, стали антикрылья, клиновидные формы кузова и «эффекты земли» в стиле «Чапаррала».

Прим.ред. – пожалуйста, обратите внимание на акценты, расставленные здесь современником событий. В начале 70х основные идеи самоделкиными черпались из гонок спортивных машин.

Как улучшить контакт шин с землей и снизить сопротивление воздуха – это самые большие проблемы, стоящие сегодня перед конструкторами гоночных машин. Чтобы спроектировать выигрышную технику, мы должны начать отсюда.

§ Изучение реального воздушного потока посредством экспериментов с потоком воды

Как течет воздух? Давайте для изучения этого вопроса воспользуемся водой, чтобы было легче видеть и наблюдать, как движется жидкость.

Прим.ред. – воздух – это тоже жидкость, просто, сильно разреженная. Именно поэтому вычислительной именуется гидродинамика (Computational fluid dynamics, CFD)

В отличие от воздуха, вода имеет более высокую вязкость, поэтому она не обязательно соответствует реальным условиям, возникающим в воздушной среде, но она очень полезна для изучения тенденций потока.

 

 

 

Пожалуйста, обратите внимание на фото 1. Тонкая стальная пластина с профилированным поперечным сечением корпуса помещается в устройство, состоящее из заполненного резервуара с водой и плавающего на поверхности порошка так, чтобы фиксировать направление, в котором течет вода.

Линии, обозначающие поток, называются линиями тока, и если присмотреться, то можно увидеть, что поток разделен на две части относительно линии ①. Верхняя линия тока ① находится под влиянием верхней поверхности корпуса и плавно изгибается. Кривизна тела также влияет на линии тока, расположенные намного выше него. С другой стороны, линии тока внизу, у пола, сужены: между ними и землей другого выхода нет, поэтому они проходят в уплотненном виде. Поток позади тела чрезвычайно турбулентен, создавая большие завихрения. Эти волнистые линии тока называются следами (ряды волнистых линий). Это по-настоящему противная штука, затрудняющая движение машины вперед из-за реакции со стороны задней части кузова.

На переднем конце корпуса можно увидеть движение линий тока, как показано на рисунке 1. Обратите внимание, что линия тока (①) слегка изгибается вверх, задолго до того, как коснуться тела. Это происходит потому, что весь поток заранее тянет ее вдоль верхней части тела. Этот эффект также виден в потоке, уходящем вниз.

Таким образом, поток снизу слегка подтягивается вверх, поток над кузовом более плавный.

 

 

 

Как работает воздушная сила, которую получает носовая часть от этих линий тока? Давайте посмотрим на рисунок 2. Поскольку поток в ① ударяется о голову тела, здесь действует толкающая сила. Когда мы измеряем давление потока на поверхность тела, мы обнаруживаем, что эта толкающая сила сосредоточена на кончике носа, как показано на (А). Когда он удаляется от кончика, возникает отрицательная сила, действующая в противоположном направлении, как показано далее, и действует она как тянущая сила на поверхности тела. Это легко понять, если представить себе воздух, текущий по кривой и пытающийся сорваться наружу, сопротивляясь тому, что поверхность тела притягивает его.

Если сложить силы, показанные стрелками на рисунке 2, то сила, направленная назад, представляет собой сопротивление воздуха, действующее на переднюю часть тела, а сила, направленная вверх, — это подъемная сила. Форма кузова, создающая чрезмерное сопротивление воздуха или подъемную силу, не подходит для гоночного автомобиля.

§ Воздушный поток за телом

Когда машина движется вперед сквозь воздух, ближайшая к корпусу машины часть воздуха (молекул) прилипает к поверхности тела и движется вместе с ней. Затем, по мере постепенного удаления от поверхности тела, она сливается с внешним потоком. Область изменения течения называется пограничным слоем. Толщина пограничного слоя очень мала, но если мы попробовали бы увеличить его, он будет выглядеть как на рисунке 3. Пограничный слой тоньше в носовой части, но становится толще сзади из-за влияния поверхности. Поток становится неустойчивым на дальних участках (на рисунке в виде петель) и удаляется от поверхности. Эта точка называется точкой отрыва. Плохая форма поверхности кузова приводит к тому, что пограничный слой быстро утолщается и быстро отделяется.

Как выглядит задняя часть тела? Линии тока обвивают заднюю кромку кузова и текут совершенно иначе. Как показано на рисунке 4(А), если в поток поместить круглый объект, возникнет след. Если вы придадите объекту форму, как показано на Ⓑ, ширина следа станет уже. Чем шире след, тем сильнее возмущается воздух и тем больше сопротивление воздуха. В таблице представлена зависимость между величиной этого сопротивления и формой предмета.

 

 

 

Внимание! Вы должны понимать, насколько важна форма задней части с точки зрения воздушного потока.

При рассмотрении этого вопроса на водном потоке след быстро исчезает из-за вязкости среды, чего нельзя сказать о воздушном потоке.

Часто говорят, что мощность генерируется за счет «слипстрима» (прим.ред. – аэродинамической тени, сам термин «слипстрим» пришел из авиации и обозначает след за винтом самолета). Это означает, что, когда вы ставите свою машину вслед за машиной впереди вас, поток воздуха, попадающий на кончик носа, уже не похож на тот, что показан на рисунках 1 и 2, и нет необходимости задействовать дополнительную мощность для его преодоления.

Внимание! С другой стороны, можно понять, что ключ к форме автомобиля, затрудняющей использование «слипстрима», находится в задней части кузова.

До сих пор мы исследовали обтекаемый, гладкий кузов автомобиля, но давайте представим несколько «шокирующих фотографий». Как бы аккуратно ни была сделана передняя половина автомобиля, если задняя выполнена небрежно, без ума, быстро ехать он не сможет. Учтите, что хотя между капсулой гонщика и двигателем имеется большое пространство, поток воздуха еще нужно уметь направить таким образом, чтобы способствовать охлаждению.

Есть интересная фотография, показывающая некоторые решения этой проблемы, но ее мы изучим в следующий раз.

§ Поток воздуха по бокам тела

Что вы думаете о форме машины в двухмерном виде? На фото 3-5 показаны поперечные сечения различной формы. Все три типа имеют форму клина, но клиновидный на фото 3 самый крупный. Чем шире задняя часть, тем более очевидной становится эта тенденция.

 

 

 

Хотя на фотографии это не показано, вы можете себе представить, что ширина следа позади машины станет уже, если слегка сузить заднюю часть.

Форма носа, показанная на фото 3, кажется наилучшей для плавного перемещения в воздухе. Неудивительно, что нос всех кораблей имеет такую форму.

Фото 4. Поток, попадающий в нос, разделяется по вертикали почти под прямым углом. Более того, в результате этого линии тока по бокам изначально нарушаются. Углы на кончике несколько закруглены, но если бы они были острыми, то течение было бы более беспорядочно. Даже у «Лотуса» 72, имеющего квадратный плоский обтекатель, эта часть не имеет острой формы.

На фото 5 обтекатель закруглен. Не думаю, что состояние линий тока такое хорошее, как на Фото 3. Однако даже в случае с самолетами все объекты, не превышающие скорость звука, стараются закруглить в таком стиле. Это делается по какой-то причине?

Вы можете понять почему на фотографиях 6 и 7. Направление обтекания изменено примерно на 30 градусов относительно потока.

 

 

 

Хорошо видно, что острая форма носа приводи к тому, что точка отрыва потока наступает довольно рано. Если это происходит на скорости, то сила воздуха, действующая на тело, существенно изменится. Другими словами, машина становится более чувствительной к изменениям положения относительно потока. Вот почему конструктора не любят острые края в самолетах. Гоночный автомобиль тоже отличается от корабля, у которого нос всегда острый. Не рекомендуется иметь острый обтекатель, поскольку он может поймать боковой ветер и снести машину в диагональном направлении.

§ Колеса и воздушный поток

В гоночном автомобиле колеса всегда открыты и взаимодействуют с потоком, как и кузов. Говорят, что при использовании широких шин, таких как на автомобиле Формулы-1, сопротивление воздуха для них составляет примерно 60% от общего значения. Каково состояние потока вокруг колеса?

На фото 8 показано колесо, помещенное в испытательный стенд. Поток одинаков как с верхней, так и с нижней стороны шины, и я не вижу ничего отличающегося от того, что объяснял до сих пор. Однако, когда колесо оказывается на земле, ситуация полностью меняется (фото 9).

 

 

 

Видно, что поток воздуха, приближающийся к шинам спереди, еще издалека как будто взмывает вверх. Воздух в нижней части потока задерживается между землей и шинами. В действительности этот воздух будет выходить по обеим сторонам от колеса, поэтому условия потока спереди будут несколько другими. Воздух в задней части шины образует большой след.

Этот вынужденный след создает еще большее сопротивление воздуха, чем в случае, показанном на Фото 8. Кроме того, воздушный поток в области, расположенной немного дальше от шины, имеет большую кривизну наверх, поэтому можно предположить, что создается значительная подъемная сила, которая представляет собой силу, которая пытается поднять саму шину, оторвать ее от дороги.

Если мы заставим колесо крутиться, то ситуация несколько изменится. Рассмотрим точку потока, слегка сдвинутую в направлении вращения шины. Точка отрыва переместится немного дальше, а длинна следа станет протяженнее. В результате сопротивление воздуха еще больше увеличивается; поток, огибающий шину, становится меньше, подъемная сила должна несколько уменьшиться.

 

 

 

Наконец, давайте объединим эксперименты, которые мы провели до сих пор, чтобы приблизиться к реальной ситуации (Фото 10). Поскольку рычаги подвески и амортизаторы были сняты, поток между шинами и кузовом достаточно чистый. Пи этом зона между передними и задними колесами все равно подвергалась воздействию следа передних колес, что делало ее несколько нестабильной.

***

Думаю, что благодаря вышеизложенным экспериментам я получил примерное представление о том, что такое воздушный поток. В следующий раз давайте попробуем применить ветер к трехмерной модели, немного лучше поймем суть воздушного потока, а затем продолжим работу над конструкцией.

• < Назад
• Вперёд >