อากาศพลศาสตร์ยานยนต์ทำงานอย่างไร เหตุผลที่อากาศพลศาสตร์ชอบรูปทรงเพรียวบาง

ทำไมคุณถึงต้องการอากาศพลศาสตร์สำหรับรถยนต์ ทุกคนรู้ ยิ่งร่างกายมีความคล่องตัวมากเท่าไร ก็ยิ่งต้านทานการเคลื่อนไหวและการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยลงเท่านั้น รถยนต์คันดังกล่าวไม่เพียงแต่ช่วยให้คุณประหยัดเงิน แต่ยังปล่อยขยะสู่สิ่งแวดล้อมน้อยลงด้วย คำตอบนั้นง่าย แต่ยังไม่สมบูรณ์ ผู้เชี่ยวชาญด้านแอโรไดนามิกส์ที่ตกแต่งตัวถังของรุ่นใหม่ยัง:

• คำนวณการกระจายตามแกนของแรงยกซึ่งสำคัญมากเมื่อพิจารณาจากความเร็วของรถยนต์สมัยใหม่
• ให้อากาศเข้าเพื่อระบายความร้อนของเครื่องยนต์และกลไกเบรก
• คิดถึงสถานที่ของช่องอากาศเข้าและทางออกสำหรับระบบระบายอากาศภายใน
• พยายามลดระดับเสียงในห้องโดยสาร
• ปรับรูปร่างส่วนต่างๆ ของร่างกายให้เหมาะสมเพื่อลดมลภาวะของกระจก กระจก และอุปกรณ์ให้แสงสว่าง

นอกจากนี้ การแก้ปัญหาของงานหนึ่งมักจะขัดแย้งกับการดำเนินการของงานอื่น ตัวอย่างเช่น การลดค่าสัมประสิทธิ์การลากจะช่วยเพิ่มความคล่องตัว แต่ในขณะเดียวกันก็ทำให้ความต้านทานของรถต่อลมกระโชกแรงลดลง ดังนั้นผู้เชี่ยวชาญจึงต้องแสวงหาการประนีประนอมอย่างสมเหตุสมผล

ลดแรงต้าน

อะไรเป็นตัวกำหนดแรงลาก? พารามิเตอร์สองตัวมีอิทธิพลชี้ขาด - ค่าสัมประสิทธิ์การลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ Cx และพื้นที่หน้าตัดของรถ (กลางเรือ) คุณสามารถลดช่วงกลางคันได้โดยการทำให้ตัวรถต่ำลงและแคบลง แต่ไม่น่าเป็นไปได้ที่จะมีผู้ซื้อรถคันนี้จำนวนมาก ดังนั้น ทิศทางหลักของการปรับปรุงแอโรไดนามิกของรถคือการเพิ่มประสิทธิภาพการไหลรอบร่างกาย กล่าวคือ เพื่อลด Cx ค่าสัมประสิทธิ์การลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ Cx เป็นปริมาณไร้มิติ ซึ่งถูกกำหนดโดยการทดลอง สำหรับรถยนต์สมัยใหม่จะอยู่ในช่วง 0.26-0.38 ในแหล่งต่างประเทศ สัมประสิทธิ์การลากบางครั้งเรียกว่า Cd (สัมประสิทธิ์การลาก) หุ่นทรงหยดน้ำมีความเพรียวลมในอุดมคติ Cx ซึ่งเท่ากับ 0.04 เมื่อเคลื่อนที่ มันจะตัดกระแสลมอย่างราบรื่น จากนั้นปิดใน "หาง" ของมันอย่างแนบเนียน

มวลอากาศมีพฤติกรรมแตกต่างกันเมื่อรถเคลื่อนที่ ที่นี่ความต้านทานอากาศประกอบด้วยสามองค์ประกอบ:

• ความต้านทานภายในเมื่ออากาศไหลผ่าน ห้องเครื่องและร้านเสริมสวย
• ความต้านทานแรงเสียดทานของอากาศที่ไหลบนพื้นผิวด้านนอกของร่างกายและ
• รูปแบบความต้านทาน

องค์ประกอบที่สามมีผลกระทบมากที่สุดต่ออากาศพลศาสตร์ของรถ การเคลื่อนที่ของรถจะบีบอัดมวลอากาศด้านหน้าทำให้เกิดพื้นที่ที่มีความกดอากาศสูง กระแสลมไหลไปทั่วร่างกายและที่ปลายอากาศจะแยกออกจากกัน เกิดกระแสลมปั่นป่วนและบริเวณที่มีแรงดันลมพัด ดังนั้นพื้นที่ ความดันสูงด้านหน้าป้องกันไม่ให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและพื้นที่แรงดันต่ำด้านหลัง "ดูด" มันกลับ ความแรงของความปั่นป่วนและขนาดของพื้นที่ของความกดอากาศต่ำถูกกำหนดโดยรูปร่างของส่วนหลังของร่างกาย

ประสิทธิภาพการทำให้เพรียวลมที่ดีที่สุดแสดงให้เห็นโดยรถยนต์ที่มีส่วนท้ายแบบขั้นบันได - ซีดานและคูเป้ คำอธิบายนั้นง่าย - กระแสลมที่ไหลออกจากหลังคาจะกระทบกับฝากระโปรงหลังทันที ซึ่งทำให้ปกติแล้วจึงหลุดออกจากขอบ ลำธารด้านข้างยังตกลงบนลำตัวซึ่งป้องกันไม่ให้กระแสน้ำวนที่เป็นอันตรายเกิดขึ้นหลังรถ ดังนั้นยิ่งฝากระโปรงหลังสูงและยาวขึ้นเท่าใด ประสิทธิภาพแอโรไดนามิกก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น สำหรับรถเก๋งและรถเก๋งขนาดใหญ่ บางครั้งถึงกับสามารถเคลื่อนตัวไปรอบๆ ตัวรถได้อย่างไร้รอยต่อ ด้านหลังที่แคบลงเล็กน้อยยังช่วยลด Cx ขอบของลำตัวมีความแหลมหรือยื่นออกมาเล็กน้อย - ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอากาศจะแยกจากกันโดยไม่เกิดความปั่นป่วน ส่งผลให้พื้นที่ระบายด้านหลังรถมีขนาดเล็ก

ส่วนล่างของรถก็มีผลกระทบต่อแอโรไดนามิกด้วยเช่นกัน ชิ้นส่วนช่วงล่างยื่นออกมาและ ระบบไอเสียเพิ่มความต้านทาน เพื่อลดความมัน พวกเขาพยายามทำให้ด้านล่างเรียบให้มากที่สุดหรือปิดทุกสิ่งที่ "ยื่นออกมา" ใต้กันชนด้วยเกราะป้องกัน บางครั้งติดตั้งสปอยเลอร์หน้าขนาดเล็ก สปอยเลอร์ช่วยลดการไหลเวียนของอากาศใต้ท้องรถ แต่ที่นี่สิ่งสำคัญคือต้องรู้มาตรการ สปอยเลอร์ขนาดใหญ่จะเพิ่มความต้านทานได้อย่างมาก แต่รถจะ "แนบชิด" กับถนนได้ดีขึ้น แต่เพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป

ดาวน์ฟอร์ซ

เมื่อรถเคลื่อนที่ กระแสลมใต้ท้องรถจะเป็นเส้นตรง และส่วนบนของกระแสลมจะไหลไปรอบๆ ตัวรถ กล่าวคือ มันเดินทางในระยะทางที่ไกลกว่า ดังนั้นความเร็วของสตรีมบนจึงสูงกว่าความเร็วที่ต่ำกว่า และตามกฎของฟิสิกส์ ยิ่งความเร็วลมสูง ความกดอากาศก็จะยิ่งต่ำลง ดังนั้นจึงมีการสร้างพื้นที่ของแรงดันที่เพิ่มขึ้นภายใต้ด้านล่างและส่วนล่างจะถูกสร้างขึ้นด้านบน สิ่งนี้สร้างแรงยก และถึงแม้ว่าค่าของมันจะมีน้อย แต่ปัญหาก็คือมันกระจายไปตามแกนอย่างไม่สม่ำเสมอ หากโหลดเพลาหน้าด้วยกระแสที่กดบนฝากระโปรงหน้าและ กระจกหน้ารถจากนั้นส่วนท้ายจะถูกขนถ่ายเพิ่มเติมโดยโซนคายประจุที่เกิดขึ้นด้านหลังรถ ดังนั้น เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น เสถียรภาพจะลดลงและรถมีแนวโน้มที่จะลื่นไถล

ไม่จำเป็นต้องคิดค้นมาตรการพิเศษใดๆ เพื่อต่อสู้กับปรากฏการณ์นี้ เนื่องจากสิ่งที่ทำเพื่อปรับปรุงการทำให้เพรียวลมไปพร้อม ๆ กันจะเพิ่มแรงกดลง ตัวอย่างเช่น การปรับส่วนท้ายให้เหมาะสมจะลดโซนสุญญากาศด้านหลังรถ ดังนั้นจึงลดการยกตัวลง การปรับระดับด้านล่างไม่เพียงแต่ช่วยลดแรงต้านของอากาศ แต่ยังเพิ่มอัตราการไหล ดังนั้นจึงช่วยลดแรงดันใต้ท้องรถ และส่งผลให้ลิฟต์ลดลง ในทำนองเดียวกัน สปอยเลอร์หลังทำหน้าที่สองอย่าง ไม่เพียงลดการก่อตัวของกระแสน้ำวน ปรับปรุง Cx แต่ยังกดรถไปที่ถนนพร้อมกันเนื่องจากการไหลของอากาศขับไล่ออกจากมัน บางครั้งสปอยเลอร์หลังได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มแรงกดเท่านั้น ในกรณีนี้เขามี ขนาดใหญ่และเอียงหรือพับเก็บได้โดยเข้าสู่การทำงานด้วยความเร็วสูงเท่านั้น

สำหรับกีฬาและ โมเดลรถแข่งแน่นอนว่ามาตรการที่อธิบายไว้จะไม่ได้ผล เพื่อให้พวกเขาอยู่บนท้องถนน คุณต้องสร้างแรงกดจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้จึงใช้สปอยเลอร์หน้าขนาดใหญ่ สเกิร์ตข้าง และปีกหลัง แต่ติดตั้งบน รถผลิตองค์ประกอบเหล่านี้จะเล่นเพียงบทบาทการตกแต่งที่น่าขบขันในความภาคภูมิใจของเจ้าของ พวกมันจะไม่ให้ประโยชน์ในทางปฏิบัติใดๆ แต่ในทางกลับกัน พวกมันจะเพิ่มความต้านทานต่อการเคลื่อนไหว ผู้ขับขี่รถยนต์หลายคนสับสนกับสปอยเลอร์ด้วยปีกแม้ว่าจะแยกความแตกต่างได้ง่าย สปอยเลอร์จะกดทับที่ตัวรถเสมอ ประกอบเป็นชิ้นเดียวด้วย ปีกถูกติดตั้งที่ระยะห่างจากร่างกาย

อากาศพลศาสตร์เชิงปฏิบัติ

การปฏิบัติตามกฎง่ายๆ ไม่กี่ข้อจะช่วยให้คุณประหยัดจากอากาศได้โดยลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม เคล็ดลับเหล่านี้จะมีประโยชน์เฉพาะกับผู้ที่ขับบ่อยและต้องขับรถมากในสนามแข่ง

เมื่อขับรถ กำลังเครื่องยนต์ส่วนสำคัญจะถูกใช้เพื่อเอาชนะแรงต้านของอากาศ ยิ่งความเร็วสูงขึ้น ความต้านทานก็จะยิ่งสูงขึ้น (และทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง) ดังนั้น หากคุณลดความเร็วลงถึง 10 กม./ชม. คุณจะประหยัดได้ถึง 1 ลิตรต่อ 100 กม. ในกรณีนี้จะเสียเวลาเปล่าๆ อย่างไรก็ตาม ผู้ขับขี่ส่วนใหญ่ทราบความจริงข้อนี้ แต่รายละเอียดปลีกย่อย "แอโรไดนามิก" อื่น ๆ นั้นไม่เป็นที่รู้จักสำหรับทุกคน

ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การลากและพื้นที่หน้าตัดของรถ หากคุณคิดว่าพารามิเตอร์เหล่านี้ถูกตั้งค่าไว้ที่โรงงาน และเจ้าของรถไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ แสดงว่าคุณคิดผิด! การเปลี่ยนแปลงนั้นไม่ยากเลย และคุณสามารถบรรลุผลทั้งด้านบวกและด้านลบ

อะไรเพิ่มการบริโภค? "กิน" เชื้อเพลิงบนหลังคาอย่างไม่สมเหตุสมผล และแม้แต่กล่องที่มีความคล่องตัวก็จะใช้เวลาอย่างน้อยหนึ่งลิตรต่อร้อย เป็นเรื่องไม่สมเหตุสมผลที่จะเผาผลาญเชื้อเพลิงเมื่อเปิดหน้าต่างและซันรูฟขณะขับรถ หากคุณกำลังขนส่งสินค้าขนาดยาวโดยเปิดแง้มท้ายรถ คุณก็จะถูกบุกรุกด้วย องค์ประกอบตกแต่งต่างๆ เช่น แฟริ่งบนฝากระโปรง ("ไม้ตีแมลงวัน"), "kenguryatnik", ปีกและองค์ประกอบอื่นๆ ของการปรับแต่งพื้นบ้าน แม้ว่าจะนำมาซึ่งสุนทรียภาพด้านสุนทรียภาพ แต่ก็จะทำให้คุณแยกออกเป็นพิเศษ ดูด้านล่าง - สำหรับทุกสิ่งที่ลดลงและดูต่ำกว่าเกณฑ์ คุณจะต้องจ่ายเพิ่ม แม้แต่เรื่องเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่ไม่มีฝาพลาสติกบนล้อเหล็กก็เพิ่มการบริโภค ปัจจัยหรือรายละเอียดที่ระบุไว้แต่ละรายการเพิ่มการบริโภคเล็กน้อย - จาก 50 เป็น 500 กรัมต่อ 100 กม. แต่ถ้าคุณสรุปทุกอย่าง มันจะ "วิ่งเข้า" อีกครั้งประมาณหนึ่งลิตรต่อร้อย การคำนวณเหล่านี้ใช้ได้กับรถยนต์ขนาดเล็กที่ความเร็ว 90 กม./ชม. เจ้าของ รถใหญ่และผู้ชื่นชอบความเร็วสูง ให้ปรับตามการบริโภคที่เพิ่มขึ้น

หากตรงตามเงื่อนไขข้างต้นทั้งหมด เราสามารถหลีกเลี่ยงการใช้จ่ายที่ไม่จำเป็น เป็นไปได้ไหมที่จะลดความสูญเสียเพิ่มเติม? สามารถ! แต่จะต้องใช้เวลาหน่อย การปรับแต่งภายนอก(แน่นอนว่าเรากำลังพูดถึงองค์ประกอบที่ดำเนินการอย่างมืออาชีพ) ชุดแอโรไดนามิกด้านหน้าไม่อนุญาตให้อากาศ "แตก" ใต้ท้องรถ, ธรณีประตูครอบคลุมส่วนที่ยื่นออกมาของล้อ, สปอยเลอร์ป้องกันการก่อตัวของความปั่นป่วนด้านหลัง "ท้ายรถ" ของรถ แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วสปอยเลอร์จะรวมอยู่ในโครงสร้างตัวถังของรถสมัยใหม่แล้ว

ดังนั้นการประหยัดค่าใช้จ่ายในอากาศจึงค่อนข้างสมจริง

กฎระเบียบปัจจุบันอนุญาตให้ทีมทดสอบใน อุโมงค์ลมรุ่นรถไม่เกิน 60% ของมาตราส่วน ในการให้สัมภาษณ์กับ F1Racing อดีตผู้อำนวยการด้านเทคนิคของทีม Renault Pat Symonds ได้พูดถึงลักษณะเฉพาะของงานนี้...

Pat Symonds: “วันนี้ ทุกทีมทำงานกับโมเดลที่มีขนาด 50% หรือ 60% แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป การทดสอบแอโรไดนามิกครั้งแรกในยุค 80 ดำเนินการด้วยการจำลอง 25% ของมูลค่าที่แท้จริง - พลังของอุโมงค์ลมที่มหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตันและวิทยาลัยอิมพีเรียลในลอนดอนไม่อนุญาตให้มีมากขึ้น - มีเพียงที่นั่นเท่านั้นที่สามารถติดตั้งได้ โมเดลบนฐานที่เคลื่อนย้ายได้ จากนั้นอุโมงค์ลมก็ปรากฏขึ้นซึ่งเป็นไปได้ที่จะทำงานกับแบบจำลองที่ 33% และ 50% และตอนนี้เนื่องจากความจำเป็นในการจำกัดค่าใช้จ่าย ทีมงานตกลงที่จะทดสอบแบบจำลองไม่เกิน 60% ที่ความเร็วการไหลของอากาศไม่ มากกว่า 50 เมตรต่อวินาที

เมื่อเลือกขนาดของแบบจำลอง ทีมงานจะดำเนินการจากความสามารถของอุโมงค์ลมที่มีอยู่ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ ขนาดของแบบจำลองไม่ควรเกิน 5% ของพื้นที่ทำงานของท่อ การผลิตโมเดลขนาดเล็กมีราคาถูกกว่า แต่กว่า รุ่นเล็กยิ่งยากต่อการรักษาความแม่นยำที่ต้องการ เช่นเดียวกับปัญหาอื่น ๆ ในการพัฒนารถ Formula 1 ที่นี่คุณต้องมองหาการประนีประนอมที่ดีที่สุด

ในสมัยก่อนแบบจำลองทำจากไม้ของต้น Diera ซึ่งเติบโตในมาเลเซียและมี ความหนาแน่นต่ำขณะนี้มีการใช้อุปกรณ์เลเซอร์สเตริโอลิโทกราฟี - ลำแสงเลเซอร์อินฟราเรดทำให้วัสดุผสมเป็นโพลีเมอร์ ส่งผลให้ชิ้นส่วนมีลักษณะเฉพาะ วิธีนี้ช่วยให้คุณทดสอบประสิทธิภาพของแนวคิดทางวิศวกรรมใหม่ในอุโมงค์ลมได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง

ยิ่งสร้างแบบจำลองได้แม่นยำมากเท่าใด ข้อมูลที่ได้รับในระหว่างการเป่าก็จะยิ่งน่าเชื่อถือมากขึ้นเท่านั้น ทุกสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ นับที่นี่ แม้กระทั่งผ่าน ท่อไอเสียการไหลของก๊าซจะต้องผ่านด้วยความเร็วเท่ากับในเครื่องจริง ทีมงานพยายามที่จะบรรลุความแม่นยำสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับอุปกรณ์ที่มีอยู่ในการจำลอง

หลายปีที่ผ่านมา ยางเลียนแบบไนลอนหรือคาร์บอนไฟเบอร์ได้ถูกนำมาใช้แทนยาง แต่มีความก้าวหน้าอย่างมากเมื่อมิชลินทำยางจำลองสำหรับรถแข่งของพวกเขา รุ่นรถมีเซ็นเซอร์หลายตัวสำหรับวัดความดันอากาศและระบบที่ช่วยให้คุณเปลี่ยนสมดุลได้

โมเดลรวมทั้งอุปกรณ์วัดที่ติดตั้งอยู่นั้นมีราคาที่ต่ำกว่าเล็กน้อย รถจริงตัวอย่างเช่น มีราคาแพงกว่า รถจริง GP2. นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาที่ซับซ้อนมาก เฟรมพื้นฐานพร้อมเซนเซอร์มีราคาประมาณ 800,000 เหรียญสหรัฐ และสามารถใช้ได้หลายปี แต่โดยปกติแล้วทีมจะมีสองชุดเพื่อให้งานดำเนินต่อไป

การแก้ไขตัวถังรถหรือระบบกันกระเทือนในแต่ละครั้งทำให้จำเป็นต้องผลิตชุดแต่งรอบคันเวอร์ชันใหม่ ซึ่งมีค่าใช้จ่ายอีกสี่ในสี่ของล้าน ในเวลาเดียวกัน การทำงานของอุโมงค์ลมนั้นมีค่าใช้จ่ายประมาณหนึ่งพันเหรียญต่อชั่วโมง และต้องมีพนักงาน 90 คน ทีมที่จริงจังใช้เงินประมาณ 18 ล้านดอลลาร์ต่อฤดูกาลในการศึกษาเหล่านี้

ค่าใช้จ่ายจ่ายออก แรงกดที่เพิ่มขึ้น 1% ช่วยให้คุณได้รับหนึ่งในสิบของวินาทีในสนามจริง ด้วยตารางงานที่เสถียร วิศวกรเล่นกันประมาณหนึ่งเดือน ดังนั้นในแผนกการสร้างแบบจำลองเพียงอย่างเดียว ทุก ๆ สิบค่าใช้จ่ายทีมหนึ่งและครึ่งล้านดอลลาร์

ไม่มีรถคันเดียวที่จะผ่านกำแพงอิฐ แต่ทุกวันมันผ่านกำแพงจากอากาศซึ่งมีความหนาแน่นเช่นกัน

ไม่มีใครรับรู้อากาศหรือลมเป็นกำแพง บน ความเร็วต่ำในสภาพอากาศที่สงบ เป็นเรื่องยากที่จะเห็นว่าการไหลของอากาศมีปฏิสัมพันธ์กับรถอย่างไร แต่ที่ความเร็วสูง ในลมแรง แรงต้านของอากาศ (แรงที่กระทำต่อวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่านอากาศ - หรือที่เรียกว่าแรงต้าน) จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเร่งความเร็วของรถ การจัดการ และการใช้เชื้อเพลิงของรถ

นี่คือจุดเริ่มต้นของศาสตร์แห่งอากาศพลศาสตร์ โดยศึกษาแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุในอากาศ รถยนต์สมัยใหม่ได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงอากาศพลศาสตร์ รถแอโรไดนามิกที่ดีตัดผ่านกำแพงอากาศเหมือนมีดผ่าเนย

เนื่องจากความต้านทานกระแสลมต่ำ รถคันดังกล่าวเร่งความเร็วได้ดีกว่าและกินน้ำมันมากขึ้น เนื่องจากเครื่องยนต์ไม่ต้องใช้กำลังพิเศษในการ "ดัน" รถทะลุกำแพงอากาศ

เพื่อปรับปรุงแอโรไดนามิกของรถ รูปทรงของตัวรถจะโค้งมนเพื่อให้ช่องอากาศไหลไปรอบๆ รถโดยมีแรงต้านน้อยที่สุด ในรถสปอร์ต รูปทรงของตัวถังได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ลมไหลเวียนผ่านส่วนล่างเป็นส่วนใหญ่ คุณจะเห็นสาเหตุด้านล่าง พวกเขายังใส่ปีกหรือสปอยเลอร์บนท้ายรถ ปีกหลังกดลงไปที่ด้านหลังของรถ ป้องกันไม่ให้ล้อหลังยกขึ้นเนื่องจากกระแสลมแรงเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ซึ่งทำให้รถมีเสถียรภาพมากขึ้น ปีกหลังบางตัวไม่เหมือนกันและไม่ได้ใช้งานทั้งหมดตามวัตถุประสงค์ บางปีกใช้เป็นส่วนประกอบในการตกแต่งรถยนต์ที่ไม่ทำหน้าที่ตามหลักอากาศพลศาสตร์โดยตรง

ศาสตร์แห่งอากาศพลศาสตร์

ก่อนที่จะพูดถึงแอโรไดนามิกของยานยนต์ เรามาพูดถึงพื้นฐานของฟิสิกส์กันก่อน

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศ มันจะแทนที่อากาศโดยรอบ วัตถุยังอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงและความต้านทาน ความต้านทานเกิดขึ้นเมื่อวัตถุแข็งเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นของเหลว - น้ำหรืออากาศ แรงต้านจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วของวัตถุ ยิ่งเคลื่อนที่ผ่านอวกาศได้เร็วเท่าใด แรงต้านก็จะยิ่งได้รับประสบการณ์มากขึ้น

เราวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุด้วยปัจจัยที่อธิบายไว้ในกฎของนิวตัน - มวล ความเร็ว น้ำหนัก แรงภายนอก และความเร่ง

ความต้านทานส่งผลโดยตรงต่อการเร่งความเร็ว ความเร่ง (a) ของวัตถุ = น้ำหนัก (W) ลบแรงลาก (D) หารด้วยมวล (m) จำได้ว่าน้ำหนักเป็นผลคูณของมวลของร่างกายและความเร่งของการตกอย่างอิสระ ตัวอย่างเช่น บนดวงจันทร์ น้ำหนักของบุคคลจะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากไม่มีแรงโน้มถ่วง แต่มวลจะยังคงเท่าเดิม พูดง่ายๆ ว่า:

เมื่อวัตถุเร่งความเร็ว ความเร็วและการลากจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดสิ้นสุดที่การลากจะเท่ากับน้ำหนัก วัตถุจะไม่เร่งความเร็วอีกต่อไป ลองนึกภาพว่าวัตถุในสมการคือรถยนต์ ในขณะที่รถเคลื่อนที่เร็วขึ้นและเร็วขึ้น อากาศก็ต่อต้านการเคลื่อนที่มากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้รถมีอัตราเร่งสูงสุดที่ความเร็วที่กำหนด

เราเข้าใกล้ตัวเลขที่สำคัญที่สุด - สัมประสิทธิ์การลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่กำหนดว่าวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ง่ายเพียงใด ค่าสัมประสิทธิ์การลาก (Cd) คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

Cd = D / (A * r * V/2)

โดยที่ D คือความต้านทาน A คือพื้นที่ r คือความหนาแน่น V คือความเร็ว

ค่าสัมประสิทธิ์การลากในรถยนต์

เราพบว่าสัมประสิทธิ์การลาก (Cd) เป็นค่าที่วัดแรงต้านอากาศที่ใช้กับวัตถุ เช่น รถยนต์ คราวนี้ลองนึกภาพว่าแรงลมปะทะตัวรถขณะเคลื่อนที่ไปตามถนน ด้วยความเร็ว 110 กม. / ชม. แรงกระทำมากกว่าที่ความเร็ว 55 กม. / ชม. ถึงสี่เท่า

ความสามารถตามหลักอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์วัดจากค่าสัมประสิทธิ์การลาก ยิ่งค่า Cd ต่ำเท่าไร อากาศพลศาสตร์ของรถก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น และยิ่งผ่านผนังอากาศที่กดทับจากด้านต่างๆ ได้ง่ายขึ้น

ลองพิจารณาตัวบ่งชี้ซีดี จำ Volvos ทรงกล่องเหลี่ยมจากปี 1970, 80 ได้หรือไม่? ที่เก่า รถเก๋งวอลโว่ 960 สัมประสิทธิ์การลาก 0.36 ใหม่ ตัวรถวอลโว่ราบรื่นและราบรื่นด้วยเหตุนี้สัมประสิทธิ์ถึง 0.28 รูปร่างที่นุ่มนวลและเพรียวบางมากขึ้นแสดงแอโรไดนามิกได้ดีกว่ารูปทรงเชิงมุมและสี่เหลี่ยม

เหตุผลที่อากาศพลศาสตร์ชอบรูปทรงเพรียวบาง

มาจดจำสิ่งที่แอโรไดนามิกที่สุดในธรรมชาติ - น้ำตา รอยฉีกขาดมีลักษณะกลมและเรียบทุกด้าน และมีเรียวที่ด้านบน เมื่อน้ำตาหยดลงมา อากาศจะไหลไปรอบๆ อย่างง่ายดายและราบรื่น นอกจากนี้ สำหรับรถยนต์บนพื้นผิวเรียบและโค้งมน อากาศจะไหลเวียนอย่างอิสระ ช่วยลดแรงต้านของอากาศต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ปัจจุบัน โมเดลส่วนใหญ่มีค่าสัมประสิทธิ์การลากเฉลี่ย 0.30 SUVs มีค่าสัมประสิทธิ์การลาก 0.30 ถึง 0.40 หรือมากกว่า สาเหตุของค่าสัมประสิทธิ์สูงในมิติ Land Cruisers และ Gelendvagens พอดีกับผู้โดยสารมากขึ้น มีพื้นที่เก็บสัมภาระมากขึ้น ตะแกรงขนาดใหญ่เพื่อทำให้เครื่องยนต์เย็นลง จึงมีการออกแบบที่เหมือนสี่เหลี่ยมจัตุรัส รถกระบะที่ออกแบบด้วย Cd ที่มีจุดประสงค์มากกว่า 0.40

การออกแบบตัวรถเป็นที่ถกเถียงกัน แต่ตัวรถมีรูปทรงแอโรไดนามิกที่เผยให้เห็น ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านของ Toyota Prius อยู่ที่ 0.24 ดังนั้นการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงของรถจึงต่ำ ไม่เพียงเพราะระบบไฮบริด โรงไฟฟ้า. จำไว้ว่าทุก ๆ ลบ 0.01 ในสัมประสิทธิ์จะลดการใช้เชื้อเพลิงลง 0.1 ลิตรต่อ 100 กิโลเมตร

รุ่นที่มีการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ไม่ดี:

รุ่นที่มีการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ดี:

วิธีการปรับปรุงแอโรไดนามิกส์เป็นที่ทราบกันดีมาเป็นเวลานาน แต่ผู้ผลิตรถยนต์จะเริ่มใช้วิธีการเหล่านี้ในการสร้างรถยนต์ใหม่เป็นเวลานาน

โมเดลของรถยนต์คันแรกที่ปรากฏไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องแอโรไดนามิก มาดูรถยนต์รุ่น Model T ของฟอร์ดกันดีกว่า รถคันนี้ดูเหมือนรถม้าที่ไม่มีม้ามากกว่า ซึ่งก็คือผู้ชนะการประกวดการออกแบบรูปทรงกล่อง ตามความจริง โมเดลส่วนใหญ่เป็นผู้บุกเบิกและไม่ต้องการการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ ขณะที่ขับช้าๆ ไม่มีอะไรจะต้านทานด้วยความเร็วเช่นนี้ อย่างไรก็ตาม รถแข่งในช่วงต้นทศวรรษ 1900 พวกเขาเริ่มแคบลงทีละน้อยเพื่อที่จะชนะการแข่งขันอันเนื่องมาจากอากาศพลศาสตร์

ในปี 1921 นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน Edmund Rumpler ได้สร้าง Rumpler-Tropfenauto ซึ่งแปลว่า "รถฉีกขาด" ในภาษาเยอรมัน แบบจำลองตามรูปทรงแอโรไดนามิกในธรรมชาติ รูปทรงหยดน้ำ รุ่นนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การลาก 0.27 การออกแบบ Rumpler-Tropfenauto ไม่เคยพบการยอมรับ Rumpler สามารถสร้างหน่วย Rumpler-Tropfenauto เพียง 100 หน่วยเท่านั้น

ในอเมริกา การออกแบบแอโรไดนามิกที่ก้าวกระโดดเกิดขึ้นในปี 1930 ด้วยการเปิดตัว Chrysler Airflow วิศวกรสร้าง Airflow โดยคำนึงถึงอากาศพลศาสตร์เป็นหลัก โดยได้รับแรงบันดาลใจจากการบินของนก เพื่อปรับปรุงการจัดการ น้ำหนักของรถถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างด้านหน้าและ เพลาหลัง- 50/50. สังคมที่เบื่อหน่ายกับภาวะเศรษฐกิจตกต่ำครั้งใหญ่ไม่ยอมรับรูปลักษณ์ที่แหวกแนวของ Chrysler Airflow โมเดลนี้ถือเป็นความล้มเหลว แม้ว่าการออกแบบที่เพรียวบางของ Chrysler Airflow จะล้ำหน้ากว่าเวลามาก

ทศวรรษ 1950 และ 60 ได้เห็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่ที่สุดในด้านแอโรไดนามิกของยานยนต์ที่มาจากโลกแห่งการแข่งรถ วิศวกรเริ่มทดลองกับรูปร่างต่างๆ โดยรู้ว่ารูปร่างที่เพรียวบางจะทำให้รถเร็วขึ้น จึงถือกำเนิดเป็นรูปทรงของรถแข่งที่มีชีวิตรอดมาจนถึงทุกวันนี้ สปอยเลอร์ด้านหน้าและด้านหลัง สเปดดอดส์ และชุดอุปกรณ์แอร์โรทั้งหมดมีจุดประสงค์เดียวกัน โดยนำกระแสลมไปเหนือหลังคา และสร้างแรงกดที่จำเป็นไปยังล้อหน้าและล้อหลัง

อุโมงค์ลมมีส่วนทำให้การทดลองประสบความสำเร็จ ในส่วนถัดไปของบทความ เราจะบอกคุณว่าเหตุใดจึงจำเป็นและเหตุใดจึงสำคัญในการออกแบบรถยนต์

วัดแรงต้านในอุโมงค์ลม

ในการวัดประสิทธิภาพแอโรไดนามิกของรถยนต์ วิศวกรได้ยืมเครื่องมือจากอุตสาหกรรมการบิน นั่นคือ อุโมงค์ลม

อุโมงค์ลมคืออุโมงค์ที่มีพัดลมทรงพลังที่สร้างกระแสลมเหนือวัตถุภายใน รถยนต์ เครื่องบิน หรืออย่างอื่นที่วิศวกรวัดแรงต้านอากาศ จากห้องด้านหลังอุโมงค์ นักวิทยาศาสตร์สังเกตว่าอากาศมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอย่างไรและกระแสอากาศทำงานอย่างไรบนพื้นผิวต่างๆ

รถหรือเครื่องบินภายในอุโมงค์ลมไม่เคลื่อนที่ แต่เพื่อจำลองสภาพจริง พัดลมจ่ายลมด้วย ความเร็วต่างกัน. บางครั้ง รถจริงไม่แม้แต่จะเหยียบท่อ - นักออกแบบมักพึ่งพา รุ่นที่แน่นอนที่สร้างจากดินเหนียวหรือวัตถุดิบอื่นๆ ลมพัดเหนือรถในอุโมงค์ลม และคอมพิวเตอร์คำนวณค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน

อุโมงค์ลมถูกใช้มาตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษที่ 1800 เมื่อพวกเขากำลังพยายามสร้างเครื่องบินและวัดผลกระทบของการไหลของอากาศในอุโมงค์ลม แม้แต่พี่น้องตระกูลไรท์ก็มีเสียงแตร หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 วิศวกรรถแข่งที่มองหาความได้เปรียบในการแข่งขัน ได้เริ่มใช้อุโมงค์ลมเพื่อประเมินประสิทธิภาพขององค์ประกอบแอโรไดนามิกของการออกแบบ ต่อมาเทคโนโลยีนี้ได้เข้าสู่โลกของรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและรถบรรทุก

ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา อุโมงค์ลมขนาดใหญ่ที่มีราคาหลายล้านเหรียญสหรัฐถูกใช้น้อยลงเรื่อยๆ การสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ค่อยๆ เข้ามาแทนที่วิธีการทดสอบอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ (เพิ่มเติม) อุโมงค์ลมทำงานเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการคำนวณผิดพลาดในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

มีแนวคิดเกี่ยวกับแอโรไดนามิกมากกว่าการต้านทานอากาศเพียงอย่างเดียว และยังมีปัจจัยของการยกและแรงกดทับด้วย แรงยก (หรือยก) คือแรงที่กระทำต่อน้ำหนักของวัตถุ โดยยกและยึดวัตถุนั้นไว้ในอากาศ แรงกดตรงข้ามกับลิฟต์คือแรงที่ผลักวัตถุลงไปที่พื้น

ใครก็ตามที่คิดว่าค่าสัมประสิทธิ์การลากของรถแข่ง Formula 1 320 กม./ชม. ต่ำนั้นผิด รถแข่ง Formula 1 ทั่วไปมีค่าสัมประสิทธิ์การลากประมาณ 0.70

สาเหตุของค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศสูง รถแข่งสูตร 1 คือรถยนต์เหล่านี้ได้รับการออกแบบเพื่อสร้างแรงกดให้มากที่สุด ด้วยความเร็วที่ลูกไฟเคลื่อนที่ด้วยน้ำหนักที่เบามาก พวกมันจึงเริ่มสัมผัสประสบการณ์การยกของ ความเร็วสูง- ฟิสิกส์ทำให้พวกมันลอยขึ้นไปในอากาศเหมือนเครื่องบิน รถยนต์ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้บินได้ (แม้ว่าในบทความ - รถยนต์หม้อแปลงที่บินได้จะอ้างเป็นอย่างอื่น) และหากรถเริ่มลอยขึ้นไปในอากาศ คุณก็คาดหวังได้เพียงสิ่งเดียวเท่านั้น - อุบัติเหตุร้ายแรง ดังนั้นแรงกดจะต้องสูงสุดเพื่อให้รถอยู่บนพื้นด้วยความเร็วสูง ซึ่งหมายความว่าค่าสัมประสิทธิ์การลากจะต้องมีขนาดใหญ่

รถฟอร์มูล่าวันมีดาวน์ฟอร์ซสูงด้วยชิ้นส่วนด้านหน้าและด้านหลังของรถ ปีกเหล่านี้ควบคุมการไหลของอากาศเพื่อให้กดรถลงกับพื้น - แรงกดเดียวกัน ตอนนี้คุณสามารถเพิ่มความเร็วได้อย่างปลอดภัยและไม่สูญเสียเมื่อเข้าโค้ง ในเวลาเดียวกัน แรงกดจะต้องสมดุลอย่างระมัดระวังกับลิฟต์ยก เพื่อให้รถได้รับความเร็วของเส้นตรงที่ต้องการ

รถยนต์สำหรับการผลิตจำนวนมากมีการเพิ่มอากาศพลศาสตร์เพื่อสร้างแรงกด สื่อวิพากษ์วิจารณ์การปรากฏตัว การออกแบบที่ขัดแย้งกัน และทั้งหมดเป็นเพราะทั้งหมด บอดี้ GT-Rออกแบบมาเพื่อควบคุมกระแสลมเหนือตัวรถและย้อนกลับผ่านสปอยเลอร์หลังทรงวงรี ทำให้เกิดแรงกดมากขึ้น ไม่มีใครคิดเกี่ยวกับความสวยงามของรถ

นอกสนามแข่งรถ Formula 1 ปีกหลังมักพบในรถสต็อก เช่น รถเก๋ง บริษัทโตโยต้าและฮอนด้า บางครั้งองค์ประกอบการออกแบบเหล่านี้เพิ่มความเสถียรเล็กน้อยด้วยความเร็วสูง ตัวอย่างเช่น on ออดี้ตัวแรก TT ตอนแรกไม่มีสปอย แต่ Audiฉันต้องเพิ่มเข้าไปเมื่อปรากฏว่า TT ที่มีรูปร่างโค้งมนและน้ำหนักเบาสร้างแรงยกมากเกินไป ซึ่งทำให้รถไม่เสถียรที่ความเร็วมากกว่า 150 กม./ชม.

แต่ถ้ารถไม่ใช่ Audi TT ไม่ใช่รถสปอร์ต ไม่ใช่รถสปอร์ต แต่เป็นรถเก๋งครอบครัวธรรมดาหรือแฮทช์แบค ก็ไม่จำเป็นต้องติดตั้งสปอยเลอร์ สปอยเลอร์จะไม่ปรับปรุงการจัดการกับรถคันนี้ เนื่องจาก "รถครอบครัว" มีดาวน์ฟอร์ซสูงอยู่แล้วเนื่องจาก Cx สูงและคุณไม่สามารถบีบความเร็วเกิน 180 ได้ สปอยเลอร์บน รถธรรมดาอาจทำให้โอเวอร์สเตียร์หรือตรงกันข้าม ไม่เต็มใจที่จะเข้าโค้ง อย่างไรก็ตาม หากคุณคิดว่าสปอยเลอร์ฮอนด้าซีวิคขนาดยักษ์อยู่ในตำแหน่งนั้น อย่าให้ใครมาโน้มน้าวใจคุณเป็นอย่างอื่น

ในหลาย ๆ ด้านของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว มักจะจำเป็นต้องคำนวณแรงที่กระทำต่อวัตถุ รถสมัยใหม่เครื่องบินรบ เรือดำน้ำ หรือรถไฟฟ้าความเร็วสูง ล้วนได้รับผลกระทบจากแรงแอโรไดนามิก ความแม่นยำในการกำหนดขนาดของแรงเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อลักษณะทางเทคนิคของวัตถุเหล่านี้และความสามารถในการทำงานบางอย่าง ในกรณีทั่วไป แรงเสียดทานจะกำหนดระดับกำลังของระบบขับเคลื่อน และแรงตามขวางส่งผลต่อความสามารถในการควบคุมของวัตถุ

ในรูปแบบการออกแบบแบบดั้งเดิม การเป่าลมในอุโมงค์ลม (โดยปกติคือรุ่นที่เล็กกว่า) การทดสอบในสระน้ำและการทดสอบเต็มรูปแบบจะใช้เพื่อกำหนดแรง อย่างไรก็ตาม การวิจัยเชิงทดลองทั้งหมดเป็นวิธีที่ค่อนข้างแพงในการได้มาซึ่งความรู้ดังกล่าว ในการทดสอบอุปกรณ์รุ่น คุณต้องสร้างอุปกรณ์ก่อน จากนั้นจึงจัดทำโปรแกรมทดสอบ เตรียมขาตั้ง และสุดท้าย ดำเนินการชุดการวัด ในเวลาเดียวกัน ในกรณีส่วนใหญ่ ความน่าเชื่อถือของผลการทดสอบจะได้รับผลกระทบจากสมมติฐานที่เกิดจากการเบี่ยงเบนไปจากสภาพการทำงานจริงของวัตถุ

ทดลองหรือคำนวณ?

ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมถึงสาเหตุของความคลาดเคลื่อนระหว่างผลการทดลองกับพฤติกรรมที่แท้จริงของวัตถุ

เมื่อศึกษาแบบจำลองในสภาวะที่มีพื้นที่จำกัด เช่น ในอุโมงค์ลม พื้นผิวขอบมีผลอย่างมากต่อโครงสร้างของกระแสน้ำรอบๆ วัตถุ การลดขนาดของแบบจำลองช่วยให้คุณแก้ได้ ปัญหานี้อย่างไรก็ตาม เราควรคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงในหมายเลข Reynolds (เอฟเฟกต์มาตราส่วนที่เรียกว่า)

ในบางกรณี การบิดเบี้ยวอาจเกิดจากความคลาดเคลื่อนพื้นฐานระหว่างสภาวะจริงของการไหลรอบร่างกายกับสภาวะที่จำลองในท่อ ตัวอย่างเช่น เมื่อเป่า รถเร็วหรือรถไฟ การไม่มีพื้นผิวแนวนอนเคลื่อนที่ในอุโมงค์ลมทำให้รูปแบบการไหลโดยรวมเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และยังส่งผลต่อความสมดุลของแรงแอโรไดนามิกอีกด้วย ผลกระทบนี้สัมพันธ์กับการเติบโตของชั้นขอบ

วิธีการวัดยังทำให้เกิดข้อผิดพลาดในปริมาณที่วัดได้ การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ที่ไม่ถูกต้องบนวัตถุหรือการวางแนวที่ไม่ถูกต้องของชิ้นส่วนที่ทำงานอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง

การเร่งความเร็วการออกแบบ

ปัจจุบัน บริษัทอุตสาหกรรมชั้นนำที่อยู่ในขั้นตอนของการออกแบบเบื้องต้นใช้เทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ CAE อย่างกว้างขวาง วิธีนี้ช่วยให้คุณพิจารณาตัวเลือกเพิ่มเติมเมื่อมองหาการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด

ระดับการพัฒนาปัจจุบันของแพ็คเกจซอฟต์แวร์ ANSYS CFX ขยายขอบเขตการใช้งานอย่างมีนัยสำคัญ: จากการสร้างแบบจำลองการไหลแบบราบเรียบไปจนถึงการไหลแบบปั่นป่วนด้วยพารามิเตอร์แอนไอโซโทรปีที่แข็งแกร่ง

แบบจำลองความปั่นป่วนที่ใช้หลากหลายรวมถึงรุ่น RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks) แบบดั้งเดิมซึ่งมีอัตราส่วนความเร็วต่อความแม่นยำที่ดีที่สุด แบบจำลองความปั่นป่วน SST (Shear Stress Transport) (แบบจำลอง Menter สองชั้น) ซึ่งรวมเข้าด้วยกันได้สำเร็จ ข้อดีของแบบจำลองความปั่นป่วน "k-e" และ "k-w" สำหรับกระแสที่มี anisotropy ที่พัฒนาแล้ว โมเดล RSM (Reynolds Stress Model) จะเหมาะสมกว่า การคำนวณโดยตรงของพารามิเตอร์ความปั่นป่วนในทิศทางทำให้สามารถกำหนดลักษณะของการเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนได้แม่นยำยิ่งขึ้น

ในบางกรณี ขอแนะนำให้ใช้แบบจำลองตามทฤษฎีกระแสน้ำวน: DES (Detachable Eddy Simulation) และ LES (Large Eddy Simulation) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกรณีที่มีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องคำนึงถึงกระบวนการของการเปลี่ยนแปลงแบบราบเรียบ-ปั่นป่วน แบบจำลองการเปลี่ยนแปลงความปั่นป่วนได้รับการพัฒนาโดยใช้เทคโนโลยี SST ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว โมเดลดังกล่าวได้ผ่านโปรแกรมการทดสอบอย่างละเอียดเกี่ยวกับวัตถุต่างๆ (ตั้งแต่เครื่องพายไปจนถึงเครื่องบินโดยสาร) และแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ที่ดีเยี่ยมกับข้อมูลการทดลอง

การบิน

การสร้างเครื่องบินรบและเครื่องบินพลเรือนสมัยใหม่เป็นไปไม่ได้หากไม่มีการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะทั้งหมดในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น ประสิทธิภาพของเครื่องบิน ความเร็ว และความคล่องแคล่วนั้นขึ้นอยู่กับการศึกษาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับรูปร่างของพื้นผิวและรูปทรงของตลับลูกปืน

ทุกวันนี้ บริษัทผู้ผลิตเครื่องบินรายใหญ่ทั้งหมดใช้คอมพิวเตอร์วิเคราะห์ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ในระดับหนึ่ง

โอกาสที่ดีสำหรับการวิเคราะห์กระแสที่ซับซ้อนเปิดขึ้นสำหรับนักวิจัยโดยแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงของความปั่นป่วน ซึ่งวิเคราะห์ระบอบการไหลใกล้กับลามินาร์ได้อย่างถูกต้อง ไหลด้วยโซนที่พัฒนาแล้วของการแยกการไหลและการติดตั้งใหม่ สิ่งนี้จะช่วยลดความแตกต่างระหว่างผลลัพธ์ของการคำนวณเชิงตัวเลขกับภาพจริงของโฟลว์

ยานยนต์

รถยนต์สมัยใหม่ต้องมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นพร้อมประสิทธิภาพพลังงานสูง และแน่นอน ส่วนประกอบที่กำหนดหลักคือเครื่องยนต์และตัวถัง

เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพของระบบเครื่องยนต์ทั้งหมด บริษัทชั้นนำของตะวันตกจึงใช้เทคโนโลยีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์มาอย่างยาวนาน ตัวอย่างเช่น Robert Bosch Gmbh (เยอรมนี) ผู้ผลิตส่วนประกอบที่หลากหลายสำหรับรถยนต์ดีเซลสมัยใหม่ เมื่อพัฒนาระบบจ่ายน้ำมัน เชื้อเพลิงทั่วไป Rail ใช้ ANSYS CFX (เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการฉีด)

บริษัท BMWซึ่งเครื่องยนต์ได้รับตำแหน่งชนะเลิศของ " เครื่องยนต์ที่ดีที่สุดปี” (International Engine of the Year) ใช้ ANSYS CFX เพื่อจำลองกระบวนการในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

อากาศพลศาสตร์ภายนอกยังเป็นวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้กำลังเครื่องยนต์อีกด้วย โดยปกติแล้ว ไม่เพียงแต่เกี่ยวกับการลดสัมประสิทธิ์แรงต้าน แต่ยังเกี่ยวกับความสมดุลของแรงกดที่จำเป็นสำหรับรถความเร็วสูงทุกคันด้วย

รถแข่งของคลาสต่าง ๆ ทำหน้าที่เป็นสุดยอดของคุณสมบัติเหล่านี้ ผู้เข้าร่วมการแข่งขันชิงแชมป์ F1 ทุกคนจะใช้คอมพิวเตอร์วิเคราะห์อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์โดยไม่มีข้อยกเว้น ความสำเร็จด้านกีฬาแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงประโยชน์ของเทคโนโลยีเหล่านี้ ซึ่งหลายๆ อย่างถูกใช้อยู่แล้วในการสร้างรถยนต์เพื่อการผลิต

ในรัสเซีย ทีม Active-Pro Racing เป็นผู้บุกเบิกในด้านนี้: รถแข่งคลาส "Formula-1600" พัฒนาความเร็วมากกว่า 250 กม. / ชม. และเป็นจุดสูงสุดของเซอร์กิตมอเตอร์สปอร์ตของรัสเซีย การใช้คอมเพล็กซ์ ANSYS CFX (รูปที่ 4) สำหรับการออกแบบส่วนท้ายตามหลักอากาศพลศาสตร์ใหม่ของรถทำให้สามารถลดจำนวนตัวเลือกการออกแบบลงได้อย่างมากเมื่อค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมที่สุด

การเปรียบเทียบข้อมูลที่คำนวณได้และผลการพัดถล่มในอุโมงค์ลมแสดงให้เห็นความแตกต่างที่คาดหวัง อธิบายโดยพื้นคงที่ในท่อซึ่งทำให้ความหนาของชั้นขอบเพิ่มขึ้น นั่นเป็นเหตุผลที่ องค์ประกอบแอโรไดนามิกซึ่งอยู่ต่ำพอ ทำงานในสภาพที่ไม่ปกติสำหรับตัวเอง

อย่างไรก็ตามรูปแบบคอมพิวเตอร์มีความสอดคล้องกันอย่างเต็มที่ เงื่อนไขที่แท้จริงการเคลื่อนไหวซึ่งทำให้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของขนนกได้อย่างมาก

การก่อสร้าง

สถาปนิกทุกวันนี้มีอิสระที่จะเข้าหามากขึ้น รูปร่างอาคารที่ออกแบบเมื่อ 20 หรือ 30 ปีที่แล้ว การสร้างสรรค์แห่งอนาคตของสถาปนิกสมัยใหม่ตามกฎแล้วมีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนซึ่งไม่ทราบค่าของสัมประสิทธิ์แอโรไดนามิก (จำเป็นสำหรับการกำหนดแรงลมในการออกแบบให้กับโครงสร้างรับน้ำหนัก)

ในกรณีนี้ นอกเหนือจากการทดสอบอุโมงค์ลมแบบดั้งเดิมแล้ว เครื่องมือ CAE ยังถูกนำมาใช้มากขึ้นเพื่อให้ได้ลักษณะตามหลักอากาศพลศาสตร์ของอาคาร (และปัจจัยด้านแรง) ตัวอย่างของการคำนวณดังกล่าวใน ANSYS CFX แสดงในรูปที่ 5.

นอกจากนี้ ANSYS CFX ยังใช้ในการสร้างแบบจำลองระบบระบายอากาศและทำความร้อนสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม อาคารบริหาร, สำนักงานและศูนย์กีฬาและความบันเทิง

วิศวกร Olof Granlund Oy (ฟินแลนด์) ใช้ชุดซอฟต์แวร์ ANSYS CFX เพื่อวิเคราะห์ระบบอุณหภูมิและธรรมชาติของการไหลของอากาศในลานน้ำแข็งของศูนย์กีฬา Krylatskoye (มอสโก) อัฒจันทร์ของสนามกีฬาสามารถรองรับผู้ชมได้ประมาณ 10,000 คน และสามารถรับความร้อนได้มากกว่า 1 เมกะวัตต์ (ที่อัตรา 100-120 วัตต์/คน) สำหรับการเปรียบเทียบ: ใช้พลังงานมากกว่า 4 กิโลวัตต์เล็กน้อยในการให้ความร้อนน้ำ 1 ลิตรจาก 0 ถึง 100 ° C

ข้าว. 5. การกระจายแรงกดบนพื้นผิวของโครงสร้าง

สรุป

อย่างที่คุณเห็น เทคโนโลยีการคำนวณในแอโรไดนามิกมาถึงระดับที่เราฝันได้เมื่อ 10 ปีที่แล้วเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน เราไม่ควรคัดค้านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์กับการวิจัยเชิงทดลอง - จะดีกว่ามากหากวิธีการเหล่านี้ช่วยเสริมซึ่งกันและกัน

ANSYS CFX ยังช่วยให้วิศวกรสามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้ เช่น การพิจารณาการเสียรูปของโครงสร้างเมื่อใช้โหลดตามหลักอากาศพลศาสตร์ สิ่งนี้มีส่วนช่วยในการกำหนดปัญหาต่างๆ ของแอโรไดนามิกทั้งภายในและภายนอกได้อย่างถูกต้องมากขึ้น: จากปัญหาการกระพือปีกของเครื่องจักรที่ใช้ใบมีดไปจนถึงการกระทำของลมและคลื่นบนโครงสร้างนอกชายฝั่ง

ความสามารถในการคำนวณทั้งหมดของคอมเพล็กซ์ ANSYS CFX ยังมีอยู่ในสภาพแวดล้อม ANSYS Workbench

บทนำ.

วัสดุ

ค่าสัมประสิทธิ์การลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ (ต่อไปนี้จะเรียกว่า CAC) ถูกกำหนดโดยการทดลองระหว่างการทดสอบในอุโมงค์ลมหรือการทดสอบเมื่อแล่นไปตามชายฝั่ง คำจำกัดความของ CAS มาพร้อมกับสูตร 1

สูตร 1

CAS ของรูปแบบต่างๆ ผันผวนในวงกว้าง รูปที่ 1 แสดงค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้สำหรับรูปทรงต่างๆ ในแต่ละกรณี สันนิษฐานว่าอากาศที่ปะทะกับตัวถังไม่มีส่วนประกอบด้านข้าง โปรดทราบว่าจานแบนธรรมดามีค่าสัมประสิทธิ์การลาก 1.95 ค่าสัมประสิทธิ์นี้หมายความว่าแรงลากมากกว่าแรงกดแบบไดนามิกที่กระทำต่อพื้นที่จาน 1.95 เท่า ความต้านทานที่สูงมากที่สร้างขึ้นโดยเพลตนั้นเกิดจากการที่อากาศที่กระจายไปทั่วเพลตทำให้เกิดพื้นที่แยกที่ใหญ่กว่าตัวเพลทมาก

รูปที่ 1

ในชีวิตนอกจากองค์ประกอบลมที่เกิดจากความเร็วของรถแล้ว ยังคำนึงถึงความเร็วของการค้นหาลมบนรถด้วย และเพื่อกำหนดความเร็วการไหล ข้อความต่อไปนี้เป็นจริง: V=Vauto+Vwind
หากลมที่ค้นพบคือลมหาง ความเร็วจะถูกหักออก
จำเป็นต้องใช้ค่าสัมประสิทธิ์การลากเพื่อกำหนดแรงต้านอากาศพลศาสตร์ แต่ในบทความนี้จะพิจารณาเฉพาะค่าสัมประสิทธิ์เท่านั้น

ข้อมูลเบื้องต้น

รูปที่ 2

ขั้นตอนในการตั้งค่าเงื่อนไขเริ่มต้นและขอบเขตในการจำลองโฟลว์

ขั้นตอนการเพิ่มโมดูล FS และ หลักการทั่วไปการก่อตัวของงานสำหรับการคำนวณได้อธิบายไว้ในอันนี้ แต่ฉันจะอธิบาย ลักษณะเฉพาะสำหรับการวิเคราะห์ภายนอกผ่านภายใน

1. ในขั้นตอนแรก เราเพิ่มโมเดลลงในพื้นที่ทำงาน

รูปที่ 2

2. ต่อไป เราจำลองห้องแอโรไดนามิกสี่เหลี่ยม คุณสมบัติหลักในการสร้างแบบจำลองคือการไม่มีจุดสิ้นสุด มิฉะนั้น เราจะไม่สามารถกำหนดเงื่อนไขขอบเขตได้ รุ่นรถจะต้องอยู่ตรงกลาง ความกว้างของท่อต้องเท่ากับ 1.5 * ความกว้างของรุ่นทั้งสองทิศทาง ความยาวของท่อ 1.5 * ความยาวของรุ่น จากด้านหลังของรุ่น และ 2 * ความยาวของรถจากกันชน ความสูงของท่อ 1.5 * ความสูงของรถจากเครื่องบินที่รถยืนอยู่

รูปที่ 3

3. เราเข้าสู่โมดูล FS เรากำหนดเงื่อนไขขอบเขตในหน้าแรกของกระแสข้อมูลเข้า

รูปที่ 4

เลือกประเภท: อัตราการไหล/ความเร็ว->ความเร็วขาเข้า เราตั้งค่าความเร็วของเรา เลือกหน้าคู่ขนานกับหน้ารถ เรากดเครื่องหมายถูก

รูปที่ 5

เรากำหนดเงื่อนไขขอบเขตที่เอาต์พุต เลือกประเภท: ดัน ปล่อยให้ทุกอย่างเป็นค่าเริ่มต้น เรากดดอว์

เงื่อนไขขอบเขตถูกกำหนดแล้ว ไปที่งานการคำนวณกัน

4. คลิกที่ตัวช่วยสร้างโครงการและปฏิบัติตามคำแนะนำในภาพด้านล่าง

รูปที่ 6

รูปที่ 7

รูปที่ 8

รูปที่ 9

รูปที่ 10.

รูปที่ 11

ที่จุดสิ้นสุด เราปล่อยให้ทุกอย่างไม่เปลี่ยนแปลง เรากดเสร็จสิ้น

5. ในขั้นตอนนี้ เราจะจัดการและสร้างกริดในเครื่อง คลิกที่แผนผังองค์ประกอบ FS ในรายการ: กริด คลิกขวาและเลือก: เพิ่มกริดในเครื่อง

รูปที่ 12.

รูปที่ 13

ที่นี่คุณสามารถระบุพารามิเตอร์และพื้นที่ของกริดท้องถิ่นสำหรับโมเดลที่ซับซ้อน มุมของความโค้งและขนาดต่ำสุดขององค์ประกอบก็ถูกตั้งค่าเช่นกัน ขนาดต่ำสุดอยู่ในคอลัมน์ "ปิดช่องว่างแคบ" ฟังก์ชันนี้ช่วยลดเวลาในการคำนวณได้อย่างมากและเพิ่มความถูกต้องของข้อมูลที่ได้รับ ขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำเพียงใด พารามิเตอร์การปรับแต่งตาข่ายถูกตั้งค่าไว้ สำหรับการวิเคราะห์ภายใน การตั้งค่ามาตรฐานค่อนข้างเหมาะสม ต่อไปจะแสดงการเรนเดอร์ตาข่ายบนพื้นผิว

6. ก่อนที่คุณจะเริ่มการคำนวณ คุณต้องกำหนดเป้าหมายของการคำนวณก่อน เป้าหมายถูกระบุในทรี FS เป้าหมาย ในตอนเริ่มต้น เราตั้งเป้าหมายระดับโลก เลือกกองกำลังสำหรับแต่ละองค์ประกอบ

รูปที่ 14.

รูปที่ 15.

สูตรที่ 2

เราสร้าง "เป้าหมายการแสดงออก" ที่สองเขียนสูตร 1 ที่นั่น

รูปที่ 16.

CAS คำนวณสำหรับกระจกหน้ารถ ในรุ่นนี้ กระจกบังลมเป็นแบบหน้าลาด ใบหน้าเอียง 155 องศา ดังนั้นแรงใน X จึงคูณด้วยค่าบาป(155*(pi/180)) ต้องจำไว้ว่าการคำนวณนั้นดำเนินการตามระบบ SI และดังนั้นควรวัดพื้นที่ของใบหน้าเอียงเป็นตารางเมตร

7. ตอนนี้คุณสามารถเริ่มการคำนวณ เริ่มการคำนวณได้

รูปที่ 17.

เมื่อเริ่มการคำนวณ โปรแกรมจะมีตัวเลือกว่าจะคำนวณอะไร เราสามารถเลือกจำนวนคอร์ที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณและเวิร์กสเตชันได้

รูปที่ 18.

เนื่องจากงานไม่ได้ยาก การคำนวณใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที ดังนั้นเราจะกดหยุดชั่วคราวหลังจากเริ่ม

รูปที่ 19.

ตอนนี้เราคลิกที่ปุ่ม "แทรกแผนภูมิ" เลือกเป้าหมายนิพจน์ของเรา

รูปที่ 20.

กราฟจะแสดงค่าสำหรับนิพจน์ของเราสำหรับการวนซ้ำแต่ละครั้ง

คุณสามารถใช้ "การแสดงตัวอย่าง" เพื่อสังเกตกระบวนการต่อเนื่องระหว่างการคำนวณ เมื่อเปิดใช้งานการแสดงตัวอย่าง เวลาของการคำนวณของเราจะเพิ่มขึ้น และไม่มีเหตุผลจากสิ่งนี้ ฉันไม่แนะนำให้เปิดใช้งานตัวเลือกนี้ แต่ฉันจะแสดงให้คุณเห็นว่ามันมีลักษณะอย่างไร

รูปที่ 21.

รูปที่ 22.

ความจริงที่ว่าไดอะแกรมกลับด้านนั้นไม่ใช่เรื่องใหญ่ มันขึ้นอยู่กับการวางแนวของโมเดล

การคำนวณจะสิ้นสุดลงเมื่อเป้าหมายทั้งหมดมาบรรจบกัน

รูปที่ 23.

ผลลัพธ์ควรถูกโหลดโดยอัตโนมัติ หากไม่เกิดขึ้น ให้โหลดด้วยตนเอง: tools->FS->results->load from file

8. หลังจากคำนวณแล้ว คุณจะเห็นเมชบนโมเดล

บ้าน » ล็อค » อากาศพลศาสตร์ยานยนต์ทำงานอย่างไร เหตุผลที่อากาศพลศาสตร์ชอบรูปทรงเพรียวบาง