Столкновение с воздухом: аэродинамика автомобиля

Существует масса разных способов заставить автомобиль ехать быстрее - поднять мощность мотора, залить бензин с более высоким октановым числом, включить "овердрайв" на автомате или, наконец, научится переключать передачи на механике в "спортивном" режиме. Кто бы мог подумать, что установка качественного аэродинамического обвеса, удаление с кузова всевозможных дополнительных фар, зеркал, "мухобойников", и даже банальное закрытие окон может оказать не меньший эффект.

Для начала, давайте разберемся с тем, каким образом действует набегающий воздушный поток на автомобиль во время его движения. Всего существуют два типа аэродинамического сопротивления - сопротивление трения воздуха и сопротивление давления. В общем случае, на автомобиль действует в основном сила трения давления - именно она оказывает львинную долю влияния на результирующий коэффициент аэродинамики автомобиля.



Не один супекомпьютер в мире не сможет посчитать вам точный коэффицент аэродинамики автомобиля. Дело в том, что область в которой возникает интересующее нас сопротивление давления - это зона отрыва набегающего потока от плоскости и следующий за этим отрывом вихревой след. Посчитать сопротивление давления в таком турбулентном потоке на данный момент невозможно.

Так как аэродинамическое сопротивление не поддается расчету, то были предприняты попытки каталогизировать его в зависимости от основных параметров формы. Можно сказать, что эти усилия до сегодняшнего дня безуспешны.

Именно поэтому уважающие себя производители вынуждены проводить дорогостоящие испытания автомобилей в аэродинамических трубах, причем только в натуральную величину. Воздушный поток обтекающий автомобиль неизбежно сталкивается с провалами, неровностями и стыками поверхностей. В том случае, если вслед за отрывом поток снова прилегает к поверхности, в промежутке возникают вихри.



Такие вихри могут возникать в следующих местах: на передней кромке капота; сбоку на крыльях; в зоне, образованной пересечением капота и ветрового стекла; на переднем спойлере и, возможно, в зоне излома при ступенчатой форме задней части автомобиля. Вихревой след за задней кромкой кузова является основным. Возникающая циркуляция воздуха в общем случае носит двухмерный характер, другими словами, вихри не хаотично "бурлят", а движутся вокруг оси параллельной задней кромке автомобиля или перпендикулярно набегающему потоку.Нижний вихрь вращается в направлении против часовой стрелки; именно он переносит частицы грязи на обратную сторону автомобиля. Верхний вихрь вращается в противоположную сторону, т.е. по часовой стрелке.



По этой причине, задняя дверь хэтчбека или универсала загрязняется гораздо больше задней части седана или купе - большая равномерная площадь за линией отрыва создает гораздо более сильные вихревые потоки, которые поднимают грязь с поверхности. Величина вихревых потоков результирует на общую аэродинамику автомобиля. Так как набегающему воздуху приходится проходить прямо над вихрями, образованными нижним слоем, это увеличивает силу трения и, соответственно, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля.

Английское слово спойлер можно было бы дословно перевести как "портитель". Будучи установленным на верхнюю кромку пятой двери, он разделяет набегающий поток на две части - большая часть уходит в пространство не инициируя вихрей, а меньшая "подныривает" под спойлер, создавая минимальный уровень турбулентности и улучшая аэродинамику автомобиля.



Как уже говорилось ранее, в основном, аэродинамическое сопротивление автомобиля - это сопротивление давления. Чем больше поверхностей автомобиля находятся перпендикулярно к направлению набегающего воздушного потока - тем больше коэффициент лобового аэродинамического сопротивления - Cx.

Что делают производители автомобилей чтобы уменьшить Cx? Ответ напрашивается сам собой - они уменьшают поперечное сечение автомобиля настолько, насколько позволяют утвержденные для конкретного автомобиля размеры и/или улучшают его форму. Среднестатистический коэффициент лобового сопротивления для автомобиля равен 0.37-0.34. За отправную точку в расчете берется сопротивление давления для круглой пластины, естественно - перпендикулярной потоку, он равен 1(позднее выяснилось, что из-за турбулентности потоков за кромкой и, соотвественно, возникновением сопротивления трения он равен 1.2).

Проработка аэродинамики некоторых моделей автомобилей настолько высока, что их Cx может быть намного меньше - к примеру, для нынешней модели Audi A8 он составляет всего 0.27, а у Lexus LS 460 и вовсе рекордный для серийных четырехдверных седанов - 0.26.



Логично предположить, что аэродинамика суперкаров еще более совершенна. Однако это не совсем так. В качестве наглядного примера можно взять последний Porsche 911 Turbo серии 997. Его коэффициент равен 0.31. Много? Инженеры компании просто счастливы что им удалось добиться таких низких показателей и гордятся этим.Все дело в том, что в отличие от обычных автомобилей двигатель среднестатического суперкара нужно охлаждать гораздо большими объемами воздуха. Однако эти объемы, как это ни странно не берутся из...да, да его самого. Дополнительные кубометры поступают в моторный отсек из крупных дополнительных радиаторов, которые(правильно!) весьма существенно увеличивают поперечное сечение автомобиля и как результат - Cx. Тот же эффект оказывают и широкие крылья вкупе с огромными шинами и заднее антикрыло. У лучших образцов суперкаростроения коэффициент Cx доходит до 0.40-0.42(!) Именно такие цифры демонстрирует известный всем Bugatti Veyron.

Однако, бывают и исключения. К примеру специалистам, работавшим над аэродинамикой нового Nissan GT-R удалось добиться коэфициента 0.27 - и это при том, что даже на высокой скорости автомобиль прижимается к дороге и передней и задней осью, а интеркулер турбины достаточно охлаждается набегающим воздушным потоком. Именнл благодаря оптимизации аэродинамики, по заявлениям конструкторов, им удалось добится тех потрясающих результатов на трассе Нюбургринг - всемирно известном "бенчамарке" для спортивных машин.



А что дает маленькое поперечное сечение и проработанная форма обычным автомобилям, не ставящим рекорды? Ответ прост и очевиден - топливную экономичность. Инженеры ведущих автомобильных фирм бьются над созданием рекордно экономичных автомобилей, которые без труда вписаться в ужесточающиеся экологические нормы и привлечь сотни тысяч покупателей не желающих выбрасывать деньги в трубу. К примеру, разработанный компанией Volkswagen для покорения "литрового" рубежа расхода на 100 км прототип VW 1-L обладает Cx равным 0.153. В будущем, такие автомобили получат широкое распространение, а пока можно воспользоваться более "народными" способами улучшение аэродинамики.

Воспользуемся приведенными выши базовыми принципами аэродинамической инженерии. Во-первых, можно попробовать уменьшить поперечное сечение. Дополнительные зеркала, "мухобойники", корпусные противотуманки, многочисленные антены, брызговики - убираем все это и гарантированно получаем лишний литр на 100 км/пути при скорости в 150 км/ч. Не помешает и умеренное открытие окон, ведь забегающие в салон на большой скорости воздушные потоки создают лишние вихри, на которые наталкиваются последующая "порция" потока. // amobil.ru