Аэродинамика — раздел аэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и других газов и их силовое взаимодействие с движущимися твердыми телами. В соответствии с этим аэродинамика автомобиля изучает явления, происходящие в результате взаимодействия автомобиля с воздушной средой.

В практике проектирования автомобилей все чаще возникают проблемы улучшения их формы с целью уменьшения затрат мощности двигателей на преодоление сопротивления воздуха, снижения расхода топлива и повышения аэродинамической устойчивости. Серьезного внимания требует вопрос улучшения состояния воздушной среды внутри автомобиля. Успешное решение этих проблем возможно при использовании результатов многочисленных исследований в области аэродинамики автомобиля и в смежных областях техники. Опубликованные работы дают материал для проектирования автомобилей с учетом их аэродинамических качеств и решения связанных с этим вопросов (мощность двигателя, передаточные числа трансмиссии, расход топлива, устойчивость, вентиляция пассажирских помещений, кабин и подкапотного пространства).

К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем (рис. 1), появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле- и самолетостроении. Наибольшего внимания заслуживает автомобиль конструкции инж. Ярая, который считал, что для тела, движущегося в непосредственной близости к поверхности дороги, в качестве теоретически наивыгоднейшей формы может служить разделенный пополам корпус дирижабля со слегка выпуклой нижней стороной и тщательно закругленными краями.

Рис. 1. Первые модели автомобилей обтекаемой формы, предложенные конструкторами:

а — Женетти (Бельгия, 1899 г.); б — Бергманом (Германия, 1911 г.);  в— Альфа-Ромео (Италия, 1913 г.); г — Румплером (Германия, 1921 г.); д — Яраем (Германия, 1923 г.); е —Румплером (Германия, 1924 г.); ж — Никитиным (СССР, 1934 г.); и — Каммом (Германия, 1940 г.)

Трансформируя подобную форму применительно к условиям использования автомобильного кузова (J-форма), Ярай стремился свести до минимума вихреобразование, возникающее у обычных автомобилей позади кузова, отклоняя с этой целью встречный поток воздуха вверх (через крышу автомобиля) и обеспечивая ему плавное стекание в задней части и соединение, по возможности без завихрений, с боковыми потоками.

Однако в конструкциях автомобильных кузовов, предложенных Яраем, вскоре были обнаружены серьезные недостатки, так как окончание кузова острием или ребром требует применения для задних колес автомобиля отдельных обтекателей и удобно лишь при заднем расположении двигателя.

В автомобилях, использующих J-форму, при соблюдении требований компоновки не удалось обеспечить прилегание пограничного слоя от миделева сечения до заднего острия или ребра автомобильного кузова. Поэтому появилась форма автомобиля с «отрезанной» задней частью кузова. В этом случае сужение за миделевым сечением выполняют лишь настолько, насколько это вызвано необходимостью прилегания пограничного слоя, т. е. место «отреза» является местом отделения пограничного слоя. Автомобили с кузовами такой формы имеют по сравнению с J-формой три основных характерных особенности:

·         хвостовая часть не ограничивается острием или ребром;

·         кузов за миделевым сечением имеет сужение, обеспечивающее плотное прилегание пограничного слоя с отрывом у задней поверхности;

·         форма кузова по всей длине используется для уменьшения сопротивления воздуха.

Отчет об испытаниях моделей автобусов подобной формы, проведенных Кёниг-Фахсенфельдом, появился в 1936 г. одновременно с учебником Камма «Автомобиль», в котором также указывалось на возможность подобного оформления задней части автомобильного кузова (K-форма). Исследования, проводившиеся с авиационными моделями в аэродинамических трубах еще до 1914 г., показали возможность укорочения, в определенных границах, несущих плоскостей и обтекаемых стоек без существенного увеличения сопротивления воздуха. Использование результатов этих исследований в автомобилестроении позволило получить для автомобильных кузовов K-формы (рис. 1, и) с_х≈0,20÷0,23.

Конечно J- и К-формы далеко не исчерпывают возможности создания удобообтекаемых форм автомобильных кузовов и исследовательские работы по аэродинамике автомобилей, проведенные в разных странах, показали все многообразие возможностей уменьшения сопротивления воздуха.

Все аэродинамические испытания моделей автомобилей проводили, как правило, в аэродинамических трубах организаций авиационной промышленности и лишь в 1929 г. фирмой Форд была построена первая аэродинамическая труба для испытаний моделей автомобилей в 1/4 натуральной величины, а в 1936 г. — для испытаний автомобилей в натуральную величину. Затем аэродинамические трубы были построены многими автомобильными фирмами в различных странах. Одновременно были разработаны и методы дорожных аэродинамических испытаний.

Таким образом, к 1940 г. некоторые вопросы аэродинамики автомобиля были в основном решены, созданы методы аэродинамических испытаний автомобилей в лабораторных и дорожных условиях, построены специальные аэродинамические трубы и найдены наиболее обтекаемая J-форма и практически целесообразная, отличающаяся высокими аэродинамическими качествами, K-форма.

С 1946 г. аэродинамика автомобиля переживает период своего наиболее бурного развития, связанный с увеличением скоростей движения автомобилей и применением для легковых автомобилей формы «понтон» со ступенчатым переходом в задней части от крыши кузова к багажнику. Это привело к новым аэродинамическим исследованиям и созданию научно-исследовательских организаций, лабораторий и институтов при заводах и учебных заведениях, ведущих в широких масштабах исследования в области изучения аэродинамических качеств автомобилей различных форм.

В СССР Ю. А. Долматовский и К. А. Зейванг проводили испытания моделей автомобилей в 1/10 натуральной величины в аэродинамической трубе, установленной в Московском авиационном институте. Аэродинамическими исследованиями автобусов типа ЛАЗ занимались К. М. Атоян, М. Н. Возный, Г. Г. Гуменюк и Н. Б. Яскилка. Работы по аэродинамике легковых и грузовых автомобилей и автобусов были выполнены на кафедре «Тракторы и автомобили» Горьковского сельскохозяйственного института (ГСХИ) при участии В. Н. Андронова, В. Д. Вавилова, Ю. С. Виноградова, А. М. Конакова, Ю. И. Палутина, Е. Я. Тура и О. И. Чумакова.

Первые работы, связанные с аэродинамикой грузовых автомобилей, появляются лишь после 1946 г. Интересные результаты испытаний в аэродинамической трубе модели грузового автомобиля были получены Б. И. Миндровым. Незначительными изменениями стандартного автомобиля (затягивание кузова брезентом, применение добавочных щитков обтекателей) удалось снизить коэффициент сопротивления воздуха на 20%, а расширением кабины до ширины кузова — на 39%.

Большие работы по аэродинамическим испытаниям грузовых автомобилей были проведены в США.

Постепенно наряду с испытаниями моделей все большее распространение получают испытания автомобилей в натуральную величину в аэродинамической трубе.

В 1959 г. широкие возможности по испытаниям автомобилей в натуральную величину получила английская промышленность после введения в действие Английской научно-исследовательской организацией MJRA большой аэродинамической трубы для испытания легковых автомобилей. В результате проведенных MJRA работ были оценены аэродинамические качества современных автомобилей различных типов и конструкций и даны рекомендации по уменьшению сопротивления воздуха.

Новые методы аэродинамических испытаний разработаны на кафедре «Тракторы и автомобили» ГСХИ, где проведены испытания автомобилей в натуральную величину с записью крутящих моментов на полуосях и создана установка для дорожных испытаний моделей автомобилей.

Вопросам аэродинамической устойчивости автомобиля посвящено большое число исследований зарубежных авторов и в том числе работы Барта. В России этой проблемой занимались Н. А. Яковлев и, особенно, Я. М. Певзнер.

До последнего времени аэродинамике внутренней части автомобильных кузовов и кабин и подкапотного пространства уделяли значительно меньше внимания. В этой области проведены работы во Львовском ГСКБ по испытанию автобусов (К. М. Атоян, В. И. Гнипович, Е. М. Иванусь) и на Горьковском автомобильном заводе по испытанию автомобильных радиаторов (А. И. Матвеев).

С каждым годом уделяется все большее внимание аэродинамическим качествам автомобилей. Так, в течение ряда лет аэродинамические исследования автомобилей проводят на Горьковском и Запорожском автомобильных, а также на Павловском и Львовском автобусных заводах. Были выполнены аэродинамические испытания автомобилей на Ульяновском автомобильном заводе. Начинают проводить аналогичные испытания на Ижевском и Волжском автомобильных заводах.

Автор: Е.В. Михайловский

ГЛАВА 1

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ В ПРИМЕНЕНИИ К АВТОМОБИЛЮ

§ 1. Основные физические свойства жидкости и газа

Жидкость и газ отличаются от твердых тел отсутствием определенной формы (они принимают форму тех сосудов, в которых находятся). Основным отличием газа от жидкости является его способность очень значительно менять величину объема при изменении давления и температуры. Молекулярное давление и поверхностное натяжение жидкости обусловлены межмолекулярным силовым взаимодействием. В отличие от жидкости газ практически не оказывает сопротивления растягивающим усилиям.

Газ представляет собой совокупность молекул и является дискретной средой. Однако, исследуя взаимодействие газа с обтекаемым телом, его обычно рассматривают как сплошную материальную среду, не имеющую межмолекулярных промежутков.

Параметры состояния газа: температура, давление и плотность, определяют его главные физические свойства. Эти параметры связаны между собой уравнением

P = ϱRT,

где R — газовая постоянная данного газа (для 1 кг).

Газ может переходить из одного состояния в другое Если этот переход совершается при постоянной температуре, то процесс носит название изотермического. Процесс изменения состояния газа без теплообмена с окружающей средой называют адиабатическим и к нему очень близки процессы, быстро протекающие в неизолированном газе.

Для идеального газа его удельные теплоемкости при постоянном давлении с_р и постоянном объеме c_v являются постоянными величинами, т. е.

где k = c_P/c_v — показатель адиабаты.

Законы превращения энергии подчиняются законам термодинамики, которые используют при исследовании течений. Общая энергия Е данного объема газа представляет собой сумму кинетической энергии Е_к массы газа, потенциальной энергии Е_П и внутренней энергии Е_В, обусловленной тепловым движением молекул, т. е.

Если газ не совершает внешней работы и не расширяется (изохорный процесс), то подведенное к газу тепло dQ увеличивает его внутреннюю энергию dE_B, т. е.

Первый закон термодинамики может быть выражен уравнением

где δQ — подведенное к системе элементарное количество тепла; δL — совершаемая системой элементарная внешняя работа; δQ и δL — очень малые величины.

Условия, при которых возможны превращения энергии, не определяются первым законом термодинамики. Они отвечают второму закону термодинамики: без затраты работы теплота не может переходить от холодного к теплому телу.

Отношение приращения теплоты dQ системы к ее температуре Т носит название энтропии (s) и зависит только от начального и конечного состояния газа, т. е.

При адиабатическом обратимом процессе (s = const)

Необратимые потери при адиабатических процессах приводят к увеличению энтропии. В аэродинамике автомобиля к таким процессам можно отнести вихревое движение воздуха со срывом потока с поверхности и движение воздуха в пограничном слое.

Характерной особенностью газов является их сжимаемость. Мерой сжимаемости газа может служить скорость распространения звука в газовой среде. В абсолютно несжимаемой среде она бесконечно велика, а в реальном газе зависит от его абсолютной температуры.

По мере приближения движущегося газа к твердой поверхности скорости в различных точках поперечного сечения его потока уменьшаются и на поверхности твердого тела равны нулю. Это является следствием вязкости среды, т. е. ее свойства оказывать сопротивление перемещению соседних слоев. Это свойство проявляется в виде ускорения перемещения слоя с меньшим количеством движения при попадании в него молекул из слоя с большим количеством движения.

Вязкость жидкости характеризуется коэффициентом μ пропорциональности между касательным напряжением τ и градиентом dv/dn скорости по нормали к поверхности перехода между смежными слоями, называемым динамическим коэффициентом вязкости, т. е. τ = μ(dv/dn). При расчетах иногда применяют кинематический коэффициент вязкости V = (μ/ϱ)

В нижней части воздушной оболочки земного шара (первые 10 км высоты), носящей название тропосферы, сосредоточено 75% всей массы атмосферного воздуха. Состояние воздуха в тропосфере не может быть точно определено, так как давление, температура и плотность воздуха непрерывно изменяются. Например, в Сибири в течение года амплитуда изменения температуры составляет 90° С. Довольно значительны также и колебания давления. Однако для практических расчетов необходимо оперировать с определенными параметрами. Поэтому для стандартной атмосферы (ГОСТ 4401—64) на уровне моря для воздуха приняты следующие параметры: барометрическое давление р=101∙10^-3 Н/м², температура Т = 288° К; плотность ϱ = 1,225 кг/м³, кинематический коэффициент вязкости V = 1,46∙10^-5 м²/с.

Автор: Е.В. Михайловский