Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние аэродинамических исследований масштабных моделей легковых автомобилей 15
1.1 Аэродинамика легкового автомобиля как плохообтекаемого тела... 15
1.2 Анализ работ, посвященных аэродинамическим параметрическим исследованиям масштабных моделей легковых автомобилей в трубном эксперименте 21
1.3 Анализ работ, посвященных исследованию составляющих аэродинамического сопротивления 38
1.4 Выводы 45
2 Влияние изменения габаритной ширины масштабной модели легкового автомобиля на ее аэродинамические характеристики 46
2.1 Зависимость величин лобового сопротивления воздуха и индуктивного от изменения габаритной ширины масштабной модели легкового автомобиля 46
2.2 Влияние изменения габаритной ширины масштабной модели на величину подъемной силы 57
2.3 Определение зависимости аэродинамического лобового сопротивления от величины подъемной силы (поляры), действующей на модель легкового автомобиля при изменении ее габаритной ширины 66
2.4 Выводы 69
3 Влияние изменения габаритной длины масштабной модели легкового автомобиля на ее аэродинамические характеристики 70
3.1 Изменение величин лобового и донного сопротивлений при изме нении габаритной длины масштабной модели легкового автомобиля 70
3.2 Влияние изменения габаритной длины масштабной модели на величину подъемной силы 88
3.3 Построение поляры для модели переменной длины 103
3.4 Выводы 105
4 Исследование влияния изменения габаритов масштаб ной модели легкового автомобиля на величину состав ляющих аэродинамического сопротивления 106
4.1 Определение профильного сопротивления масштабной модели легкового автомобиля с применением ложных боковых моделей 106
4.2 Определение донного сопротивления масштабной модели с применением в эксперименте ложных задних элементов 114
4.3 Анализ величин индуктивного сопротивления, сопротивления поверхностного трения масштабной модели легкового автомобиля 119
4.4 Выводы 121
Основные результаты и выводы 122
Список использованной литературы 124
- Анализ работ, посвященных аэродинамическим параметрическим исследованиям масштабных моделей легковых автомобилей в трубном эксперименте
- Влияние изменения габаритной ширины масштабной модели на величину подъемной силы
- Влияние изменения габаритной длины масштабной модели на величину подъемной силы
- Определение донного сопротивления масштабной модели с применением в эксперименте ложных задних элементов
Анализ работ, посвященных аэродинамическим параметрическим исследованиям масштабных моделей легковых автомобилей в трубном эксперименте
Аэродинамика изучает законы движения воздуха в зависимости от действующих сил и на их основе устанавливает частные законы взаимодействия между воздухом и движущимся в нем твердым телом. Аэродинамика автомобиля изучает взаимодействие воздуха и движущегося в нем автомобиля. В зависимости от решаемых задач аэродинамика автомобиля делится на внешнюю и внутреннюю. Внешняя аэродинамика исследует аэродинамические характеристики, зависящие в первую очередь от формы кузова автомобиля. «Возможность установления аэродинамических характеристик натуры путем использования модели доказана» [22]. Но при переносе результатов исследования модели автомобиля на натурный объект следует проводить корреляцию. В ряде работ корреляцию предлагается проводить путем введения в результаты модельных испытаний поправочного коэффициента, называемого переходным. В работе А.Н. Евграфова [16] приводится величина переходного коэффициента применительно к магистральному автопоезду равная 1,30…1,35. В книге [45] Е.В. Михайловского для легкового автомобиля приводится величина переходного коэффициента равная 1,37. Величина переходного коэффициента для легкового автомобиля, приведенная в работе С.Б. Переверзева [47], равна 1,15 и 1,20. Применение результатов масштабных модельных испытаний при переносе на натурные объекты возможно только в узких исторических рамках. В процессе эволюции внешних форм кузова легкового автомобиля произошло значительное снижение величины аэродинамического сопротивления. При этом величина сопротивления внутренних потоков практически не изменилась. Следовательно, по мере развития аэродинамики кузовов изменялось соотношение величин сопротивления внутренних воздушных по 16 токов к общему аэродинамическому. И это кардинально влияет на величину переходного коэффициента. Целесообразнее при переносе результатов модельных испытаний на натуру учитывать добавочные сопротивления от влияния: - неровности днища; - вращения колес; - внутренних воздушных потоков салона; - наружных зеркал; - системы охлаждения двигателя.
Добавочные сопротивления следует представлять в абсолютных величинах. Сложность учета добавочных сопротивлений состоит в том, что они не являются постоянными величинами. Например, в работе Эшли [55] величина изменения коэффициента лобового сопротивления воздуха увеличивается: для разных вариантов исполнения нижней части легкового автомобиля в диапазоне 0,029...0,077, вращение колес дает добавку 0,035…0,076, установка наружных зеркал – 0,006…0,038, система охлаждения двигателя – 0,017…0,053.
В книге Е.В. Михайловского [45] приводятся следующие данные: - установка наружных зеркал увеличивает коэффициент Сх на 0,01; - система охлаждения увеличивает Сх на 0,009…0,109 По данным обширной картотеки Е.В. Королева: - имитация подднищевой зоны на модели увеличивает в среднем величину коэффициента Сх на 0,064; - установка колес на модель – 0,063; - зеркала дают прирост равный 0,010…0,016; - сопротивление внутренних потоков – 0,01…0,04 (0,022 в среднем);
Данные по 30 легковым автомобилям определяют, что величина переходного коэффициента от модели к натуре изменяется в широком диапазоне 1,16…1,70. Такой разброс объясняется в первую очередь отношением автомобилей к значительному историческому более чем полувековому интервалу. В данной диссертационной работе исследуются зависимости и закономерности внешней аэродинамики применительно к масштабным моделям легковых автомобилей. Аэродинамика как наука развивается в двух направлениях: экспериментальном и теоретическом. Аэродинамика автомобиля является относительно молодой наукой и опирается на опыт и знания авиационной аэродинамики. Но применение известных авиационных теоретических расчетов, с целью определения аэродинамических характеристик автомобилей уже на ранней стадии их проектирования затруднительно. Этому препятствуют различия многофакторного характера между хорошо обтекаемыми (объекты испытаний авиационной аэродинамики) и плохообтекаемыми телами (автомобили). Удобообтекаемыми или хорошо обтекаемыми телами называют такие, у которых срыв воздушного потока отсутствует или находится на незначительной части поверхности [46]. Для таких тел основную долю аэродинамического сопротивления составляет сопротивление поверхностного трения. Для автомобиля, как тела плохообтекаемого, величина аэродинамического сопротивления определяется в основном силами давления, которому характерно наличие отрывных и струйно-отрывных течений. Величина поверхностного трения автомобильного кузова имеет малую долю в общем аэродинамическом сопротивлении. При этом нужно учитывать влияние опорной поверхности на аэродинамическую характеристику, и особенно на величину и направление аэродинамической подъемной силы. Поэтому при проектировании автомобилей используют чаще экспериментальные методы, а расчетные применяют при решении частных, локальных задач.
Влияние изменения габаритной ширины масштабной модели на величину подъемной силы
Под профильным сопротивлением понимают аэродинамическое сопротивление бесконечно широкого тела. По определению Э. Торенбика [51] профильным сопротивлением называется комбинация двухразмерного тела сопротивления трения и сопротивления формы. Профильное сопротивление имеет большую долю в общем и включает в себя сопротивление давления, в том числе донное сопротивление, и сопротивление трения.
По данным Гухо [6] сопротивление трения для легковых автомобилей составляет 10…15%.
Индуктивное сопротивление для удобообтекаемых тел вызвано подъемной силой и находится вычитанием следового сопротивления из общего сопротивления [50].
Для плохообтекаемых тел, к которым относят автомобили, индуктивное сопротивление вызывает много вопросов. Отрицание наличия индуктивного сопротивления опровергается физической сутью его возникновения. Индуктивное сопротивление является составляющей подъемной силы из-за наличия скоса воздушного потока в задней части модели. Отрицание наличия скоса воздушного потока вблизи модели бессмысленно. Таким образом, снижение величины аэродинамического сопротивления целесообразнее достигать уменьшением сопротивлений давления, напрямую связанных с формообразованием тела.
Аэродинамическое сопротивление модели легкового автомобиля включает в себя следующие виды сопротивлений – профильное, индуктивное, кромочное, донное, поверхностного трения, подднищевой зоны. Часть сопротивлений можно выделить в чистом виде, например, профильное. Другие составляющие определяются косвенным, расчетным путем по результатам аэродинамического эксперимента. Так профильное сопротивление, определяемое геометрией продольного сечения кузова, включает в себя все перечисленные виды (кроме индуктивного) аэродинамического сопротивления. Причем только сопротивление поверхностного трения определяется расчетным путем.
Величину поверхностного трения можно определить и экспериментальным путем. Вычитанием из профильного сопротивления, найденного по распределению полного давления за телом, сопротивления формы, полученного по распределению давлений на поверхности модели [49]. Такой способ является сложным и не гарантирует высокой точности.
Распределение составляющих аэродинамического сопротивления представлено в ряде источников [45], [94].
Сведения о соотношении составляющих аэродинамического сопротивления, известные из технической литературы, вызывают некоторое недоверие. Это объясняется рядом причин. Во-первых, ни в одном источнике не указано, каким образом получены результаты. Во-вторых, не указано, для каких объектов они приведены (натурных, масштабных моделей и т.п.). В-третьих, с большой долей уверенности, сведения касаются легковых автомобилей первой половины двадцатого столетия. С изменением же формообразования кузовов должны меняться и соотношения составляющих аэродинамического сопротивления.
В книге [45] Е.В. Михайловского, первой в отечественной истории по аэродинамике автомобилей, приводится следующее распределение составляющих аэродинамического сопротивления: сопротивление формы – 57%, добавочное – 15%, внутреннее – 12%, трения – 9%, индуктируемое – 7%.
Под добавочным сопротивлением автор понимал сопротивление выступающих частей. Для того периода времени величина добавочного сопротивления была значительна. Она создавалась выступающими фарами, бамперами, дверными ручками, петлями, желобками и т.п. В настоящее время все эти элементы не являются выступающими.
Индуктируемое сопротивление, которое вызывается действием подъемной силы, должно быть приравнено к индуктивному. A.J. Skibor–Rylski [94] дает несколько иное распределение составляющих аэродинамического сопротивления: формы – 62%, трения – 11%, индуктивное – 10%, внутренних потоков –12%, выступающих частей –15%.
Профильное сопротивление обусловлено вязкостью потока и понимается как сопротивление профиля бесконечного размаха. У крыла индуктивное сопротивление возникает благодаря наличию сбегающих свободных вихрей.
Такие же вихри (назовем их вихревыми жгутами) существуют и в задней части движущегося автомобиля.
Природа возникновения сбегающих вихревых жгутов в задней части модели автомобиля та же что и у авиационных крыльев. Разность давлений на поверхностях кузова является причиной появления вихревых жгутов.
Величина индуктивного сопротивления для крыла конечного размаха зависит, во-первых, от величины подъемной силы и, во-вторых, от его удлинения. Автомобильные аэродинамики пока не находят прямой связи индуктивного сопротивления с величиной подъемной силы. Для автомобиля вертикальная аэродинамическая сила нередко является прижимающей. Но, безусловно, такая связь должна существовать.
В результате отрыва воздушного потока в месте перехода крыши к плоскости заднего стекла образуется зона пониженного давления. Это пониженное давление вызывает усиление вихревых жгутов, изменение величины подъемной силы.
Пониженное давление в ближнем следе за донным срезом модели также влияет на скос воздушного потока.
Все перечисленные факторы, влияющие на скос потока, мало изучены. Не определены их доли в общем аэродинамическом сопротивлении. Так как скос потока определяет индуктивное сопротивление, то, следовательно, имеет смысл говорить о его составляющих – индуктивном сопротивлении от наличия сбегающих вихревых жгутов, индуктивном сопротивлении от наличия отрывных зон, индук 42 тивном сопротивлении от пониженного давления в ближнем следе спутной струи за автомобилем.
Влияние изменения габаритной длины масштабной модели на величину подъемной силы
Изменение весовой нагрузки на задней части модели Соотношение аэродинамических подъемных сил, действующих на переднюю и заднюю части модели, зависит от перераспределения набегающих воздушных потоков (рис. 2.10). Такой вывод можно сделать после анализа результатов эксперимента, в котором кардинально изменялась внешняя форма передней части модели.
Анализ распределения вертикальных аэродинамических сил, действующих на переднюю и заднюю оси автомобиля, показывает, что поведение подъемной силы зависит от подъемной силы, действующей на заднюю часть модели. Таким образом, исследование механизма обтекания задней части автомобиля может привести к расчетному определению подъемной силы на ранней стадии проектирования кузова. Р2/Р1 А А А А
Обнаруживается следующий факт при анализе результатов испытаний моделей легкового автомобиля переменной ширины – величина подъемной силы зависит от изменения соотношения ее составляющих, подъемных сил действующих на переднюю и заднюю части модели. А это соотношение зависит от перераспределения воздушного потока, набегающего на модель. С увеличением ширины модели доля профильного воздушного потока увеличивается, а доля боковых потоков уменьшается. Можно предположить, что в зоне реальных габаритных размеров соотношение профильного воздушного потока и боковых потоков близко к единице.
Выявленные закономерности изменения подъемной силы от ширины моделей являются общими для всех режимов обтекания задней части (рис. 2.11). Определим зависимость коэффициента Czs от коэффициента размаха модели К.
Зависимость величины коэффициента подъемной силы Czs от коэффициента размаха для модели К Для уменьшения погрешности расчета величины коэффициента Сzs приведем систему уравнений для каждого внутреннего интервала всего диапазона размаха модели К:
Рисунок 2.14 – Зависимость величины коэффициента подъемной силы Czs от коэффициента размаха для модели ПШ Из рис. 2.14 видно, что график, построенный одним уравнением, отличается от полученных экспериментальных данных. Для более точного описывания зависимости, ниже приводится система уравнений:
В авиационной аэродинамике полярой первого рода называют зависимость между коэффициентами аэродинамической подъемной силы и силы лобового сопротивления [2]. Для легкового автомобиля целесообразнее вести речь о зависимости величины коэффициента лобового воздушного сопротивления от подъемной аэродинамической силы. Этим обеспечивается ранжирование коэффициентов и их взаимосвязь. Подъемная сила является более важным показателем для само лета, чем лобовое сопротивление. Для автомобиля важнейшим показателем является величина лобового сопротивления. Величина индуктивного сопротивления легкового автомобиля, связанная с подъемной силой, и входящая в лобовое сопротивление, мала. Аэродинамические характеристики легкового автомобиля получают исключительно эмпирическим путем в результате проведения трубного эксперимента.
Величина подъемной силы, действующей на автомобиль значительно меньше, чем у самолета и не имеет такого жизненно важного значения. Но скос воздушного потока вблизи автомобиля значителен и, следовательно, индуктивным сопротивлением с ним связанным, нельзя пренебрегать. Прослеживается зависимость аэродинамического сопротивления от подъемной силы.
По результатам испытаний масштабных моделей легковых автомобилей переменной ширины построены поляры (рис 2.16).
Увеличению размаха модели соответствует уменьшение аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы. При определенных значениях коэффициента размаха происходит резкое изменение связи коэффициентов аэродинамических сил. Смена взаимосвязи коэффициентов происходит в диапазоне реальных значений для легковых автомобилей. И этим обусловлен тот факт, что до сих пор не обнаружена связь аэродинамических коэффициентов, позволяющая вести расчет.
Характер зависимости коэффициентов аэродинамических сил при изменении коэффициента размаха указывает на существование двух режимов. При преимущественном профильном обтекании модели набегающим воздушном потоке зависимость коэффициента лобового сопротивления от подъемной аэродинамической силы менее значительна, чем при увеличении доли боковых потоков.
Вывод согласуется с тем, что с увеличением доли боковых потоков увеличивается и напряжение сбегающих вихревых жгутов. Вихревые жгуты изменяют подъемную силу и как следствие индуктивное сопротивление.
Определение донного сопротивления масштабной модели с применением в эксперименте ложных задних элементов
Проблемой автомобильной аэродинамики является определение связи аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы. Связь необходима для расчета величины индуктивного сопротивления. Полученные результаты серии аэродинамических испытаний позволяют сделать вывод о существовании такой связи. Графически связь представлена в виде универсальной автомобильной поляры (рис. 3.37), построенной по результатам испытаний моде ли R.
Параметры, изменяемые в исследованных границах, влияют на величину коэффициента подъемной силы Czs в большей степени (на 350%), чем на коэффициент лобового сопротивления Cx (25%). Для базовой модели изменение величины коэффициента Сzs произошло на 200%, коэффициента Сх на 6%.
Имеется возможность интерполирования результатов экспериментальных данных. К экстраполированию необходимо подходить с осторожностью. Например, известно, о критическом угле наклона задней части, при котором происходит нестационарный режим обтекания. По этой причине в эксперименте максимальная величина угла 0 = 260.
На рис. 3.37 представлена универсальная автомобильная поляра, которая определяет взаимосвязи аэродинамических коэффициентов Сх и Czs с геометрическими параметрами – коэффициентом удлинения и углом наклона задней части 0.
Увеличение длины модели приводит к уменьшению величин коэффициентов аэродинамических сил. Связь коэффициентов зависит от режима обтекания (угла наклона 0), но не является линейной.
Анализируя универсальную автомобильную поляру, сделаем некоторые предположения. При увеличении угла наклона 0, с приближением к критической величине, кривые зависимостей будут стремиться к одному пределу с максимальными значениями аэродинамических коэффициентов.
Характер изменения поляры модели с максимальными длинами указывает на то, что при угле наклона задней части 0 = 00 и какой-то увеличенной габаритной длине величина коэффициента лобового сопротивления приблизится к значению коэффициента Сх, характеризующего в основном переднюю часть модели. Следует учитывать, что при увеличении габаритной длины будет расти сопротивление трения.
Определение профильного сопротивления масштабной модели легкового автомобиля с применением ложных боковых моделей
Определение профильного сопротивления возможно путем измерения давлений в следе за моделью [46], [50]. Такой метод применяют в авиационной аэродинамике. Об использовании этого метода применительно к автомобилю нам не известно. Трудоемкость эксперимента велика, а точность результатов зависит от числа выбранных точек измерений. В авиационной аэродинамике при проведении эксперимента по определению профильного сопротивления модели летательного аппарата налагается требование к расположению насадков относительно задней кромки. Это требование вызвано тем, что насадки не должны попадать в отрывную зону. Но отрывная зона характеризует донное сопротивление, которое входит в состав профильного для плохообтекаемого тела. Таким образом, применение этого метода для моделей автомобиля нецелесообразно. Предполагаем, что к пло-хообтекаемым телам этот метод не применим также из-за неопределенности расположения задней точки отрыва воздушного потока.
Метод импульсов разработан и применяется для хорошо обтекаемых объектов.
Применение концевых пластин или шайб для определения профильного сопротивления масштабных моделей легковых автомобилей не принесло ожидаемых результатов. В ходе проведенного нами эксперимента, с установкой концевых шайб по бокам модели, обнаружено перетекание потоков с внешних сторон на их внутренние поверхности, что в значительной степени изменяет аэродинамические характеристики.
Апробированными применительно к масштабным моделям легковых автомобилей являются полярный метод и метод последовательного приближения [23].
Основой метода последовательного приближения является тот факт, что при увеличении габаритной ширины модели уменьшается доля индуктивного сопротивления в общем аэродинамическом сопротивлении. Роль сбегающих вихревых жгутов ослабевает в степени, зависящей от величины возрастания габаритной ширины модели. При этом величина лобового сопротивления воздуха стремится к пределу – профильному сопротивлению.
Предлагается новый способ определения профильного сопротивления масштабных моделей автомобилей с использованием в аэродинамическом эксперименте ложных моделей. Ложными моделями называем модели, которые участвуют в аэродинамическом эксперименте вместе с основной моделью, но при этом не связаны с весами. Ложными могут быть не только модели, но и отдельные их элементы. Известны единичные примеры применения ложных моделей в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями автомобилей. Для получения более достоверных аэродинамических характеристик, экран, имитирующий земную поверхность, заменяла ложная модель, подвешенная зеркально по отношению к основной. Обе модели имели тождественные внешние формы. При выявлении зависимости изменения аэродинамических характеристик при имитации обгона одного транспортного средства другим также применяли ложную модель. Других примеров применения ложных моделей в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями легковых автомобилей не известно. Применение ложных моделей, элементов модели является на наш взгляд перспективным направлением в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями автомобилей. Их применение позволяет определить составляющие полного аэродинамического сопротивления – профильного, донного и индуктивного сопротивлений.