Коэффициент аэродинамического сопротивления

Введение

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сx) - безразмерная величина, которая отражает отношение силы лобового сопротивления автомобиля к произведению скоростного напора на площадь поперечного сечения автомобиля.
Актуальность темы реферата заключается в том, что в процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели и изучаемый коэффициент важнейший показатель в аэродинамике автомобиля.
Цель работы – более полное изучение коэффициента аэродинамического сопротивления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть характеристику коэффициента аэродинамического сопротивления, способы, используемые для измерения коэффициента аэродинамического сопротивления их принципы работы, а также измерение коэффициента аэродинамического сопротивления при производстве, испытании, диагностировании, техническом обслуживании и ремонте автомобилей.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.


1. Характеристика коэффициента аэродинамического сопротивления

Коэффициент аэродинамического сопротивления определяется экспериментально при испытаниях в аэродинамической трубе или испытаниях при движении накатом.
Коэффициент аэродинамического сопротивления разных форм колеблется в широком диапазоне. Рисунок 1.1 показывает эти коэффициенты для ряда форм. В каждом случае предполагается, что воздух, набегающий на тело, не имеет боковой компоненты (то есть движется прямо вдоль продольной оси транспортного средства). Простая плоская пластина имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 1.95. Этот коэффициент означает, что сила лобового сопротивления в 1.95 раза больше, чем динамическое давление, действующее на площадь пластины. Крайне большое сопротивление, создаваемое пластиной, связано с тем, что воздух, растекающийся вокруг пластины, создаёт область отрыва гораздо большую, чем сама пластина.1

Рисунок 1.1 - Коэффициенты аэродинамического сопротивления различных тел
На практике транспортное средство, едущее по дороге, в дополнение к составляющей ветра, вытекающей из его скорости, подвергается воздействию атмосферных ветров.
Атмосферный ветер будет случайным по направлению по отношению к направлению движения транспортного средства. Таким образом, относительный ветер, встречаемый транспортным средством, будет состоять из большой компоненты вследствие его скорости, а также меньшей составляющей атмосферного ветра в любом направлении.2
В среднем, относительный ветер может быть представлен ​​в виде вектора, исходящего из любой точки на периметре окружности, и среднее аэродинамическое сопротивление на дороге не будет эквивалентно просто средней скорости движения транспортного средства. Особенно важным в этой связи является то, каким образом коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от боковой компоненты ветра. Для тракторных прицепов боковые ветры особенно важны, потому что они нарушают поле аэродинамического потока. Рисунок 1.2 показывает поток воздуха вокруг трактора с прицепом, когда относительный ветер имеет угол в 30 градусов. Обратите внимание, что поток хорошо идёт вдоль правой стороны транспортного средства, но на подветренной стороне есть огромная область, где происходит отрыв. В дополнение к аэродинамическому сопротивлению, созданному таким ветром, сталкивающимся с передней частью грузовика, большие изменения импульса ветра, ударяющего прицеп, добавляют ещё одну большую компоненту аэродинамического сопротивления. Таким образом, для грузовых и легковых автомобилей изменение коэффициента аэродинамического сопротивления с углом направления ветра является очень важным.


Рисунок 1.2 - Воздушный поток вокруг трактора-полуприцепа при ветре, дующем под углом в 30 градусов

В отличие от этого, при гораздо лучшей аэродинамической конструкции легковых автомобилей, их коэффициент аэродинамического сопротивления не так чувствителен к углу рысканья, потому что поток не будет так легко отрываться. Как правило, коэффициент аэродинамического сопротивления увеличивается от 5 до 10% при углах рыскания в типичном диапазоне при вождении легковых автомобилей по дороге. Рисунок 1.3 показывает типичное влияние угла рыскания на коэффициенты аэродинамического сопротивления нескольких различных типов транспортных средств.

Рисунок 1.3 - Влияние угла рыскания на коэффициенты аэродинамического сопротивления обычных типов транспортных средств
2

. Способы, используемые для измерения коэффициента аэродинамического сопротивления их принципы работы

Коэффициент аэродинамического сопротивления определяется экспериментально, и он главная величина, которая описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины, однако, как выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной на самом деле ее коэффициент аэродинамического сопротивления равен примерно 1,2. Самый низкий коэффициент аэродинамического сопротивления у капли - примерно 0,05.3
При нормальной эксплуатации авто важнее всего сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива. Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить коэффициент аэродинамического сопротивления) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние они оказывают небольшое.
Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова автомобиля (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Силы, действующие на автомобиль

Удалось достигнуть многого: у большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,26-0,27. Хотя на самом деле он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова, и приведенные значения - можно сказать, идеал, которого может достичь данная модель.
Используемые в настоящее время для испытаний автомобилей аэродинамические установки можно разделить на три группы: большие (натурные) аэродинамические трубы, малые (модельные) аэродинамические трубы и аэроклиматические трубы (комплексы). В больших трубах проводятся исследования натурных образцов и крупномасштабных макетов автомобилей, автопоездов, скоростных автопоездов. В малых трубах исследуются их масштабные модели, а также проводятся физические опыты по изучению отдельных аэродинамических явлений. В аэроклиматических трубах наряду, с аэродинамическими испытаниями, главным образом определяется влияние климатических факторов (влажности, температуры и ряда других) на основные узлы и агрегаты проектируемого автомобиля.
3. Измерение коэффициента аэродинамического сопротивления при производстве, испытании, диагностировании, техническом обслуживании и ремонте автомобилей

Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля в реальном времени, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.4
По сути, аэродинамическая труба является туннелем с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Это может быть автомобиль, самолет, или что-нибудь еще, чье сопротивление воздуху необходимо измерить инженерам. Из помещения, который находится за туннелем, инженеры наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом, а также за поведением воздушных потоков на разных поверхностях.
Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы никогда не двигаются, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные автомобили даже не используются в данном тестировании – дизайнеры часто полагаются на точные масштабные модели своих автомобилей для измерения сопротивления ветру. В то время как ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, компьютеры проводят расчет коэффициента аэродинамического сопротивления.
На самом деле аэродинамические трубы не являются чем-то новым. Их используют еще с конца 1800-х годов для измерения воздействия воздушного потока во многих ранних попытках создания самолета. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей в поисках преимущества над конкурентами стали использовать аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамического оборудования своих автомобилей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских автомобилей и грузовиков.
Тем не менее, в последние годы, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США используются все реже и реже