большого количества всеразличных «тонельчиков» и «разделителей», которые аккуратно и очень точно контролируют потоки воздуха для лучшего засасывания. Так как диффузор находится в зоне выхлопных газов и заднего рычага подвески, то это накладывает жесткие требования на его конструкцию, в противном случае (при некорректном создании и регулировках диффузора) при изменении скорости выхлопные газы будут влиять на аэродинамический баланс болида.
Появление диффузоров обусловлено запретом FIA поднимать «хвостовую» часть болида. В этом случае невозможно обеспечить нужный аэродинамический эффект без диффузоров.
2.3. Боковые дефлекторы.
Боковые дефлекторы разделяют и направляют воздух от передних колес на две части – одна направляется на охлаждение двигателя в воздухозаборники, вторая направляется наружу.
Это приспособление было впервые применено в 1993 году. Без них набегающий поток воздуха будет идти прямо, и, соответственно, давить на заднюю стенку воздухозаборника, создавая лобовое сопротивление. Дефлектор же (если рассмотреть для примера левый относительно гонщика воздухозаборник) закручивает поток против часовой стрелки (глядя спереди), причем, когда поток входит внутрь водухозаборника, то он уже направлен внутрь болида, т.е. на охлаждаемую поверхность.
Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигается две цели: снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение. Устанавливаются они, как правило, между передними колесами и боковыми понтами болида (см. Рис. 2.11).
|
|
|
Рис. 2.11
Боковые дефлекторы выглядят несколько лишними, но на самом деле являются важной частью аэродинамического пакета. Они расположены в тех местах, где турбулентность воздушного потока максимальна и может снизить аэродинамическую эффективность болида. Стабилизаторы рассчитаны так, чтобы направлять воздушный поток под болид для создания там разрежения и тем самым — увеличения прижимной силы (см. Рис. 2.12).
Рис. 2.12
В сравнении с предыдущим поколением боковых панелей, новый дизайн является гораздо более сложным и тонким. На Рис. 2.11 изображена которая использовалась McLaren в 1993 году. В то время боковые панели представляли собой тонкие ровные поверхности в форме прямоугольника, но сейчас, после эволюции, они представляют собой гораздо более сложные разновидности. Теперь они приобрели некоторый объем и особые очертания, чтобы направлять воздушный поток в различных направлениях.
Именно все эти, перечисленные выше, элементы играют важную роль в организации аэродинамического пакета болида.
2.4. Воздухозаборник.
Воздух, необходимый для работы двигателя, забирается из отверстия прямо над шлемом пилота. На размер этого отверстия ограничений нет, но при чрезмерно большом отверстии сильно возрастает тормозящий эффект.
Рис. 2.13
2.5. Слипстрим.
«Рубенс Баррикелло на стартовой прямой догоняет Дэвида Култхарда и перед первым поворотом обходит его классическим
Нечто подобное можно услышать в репортажах о Формуле-1. Что такое слипстрим ? Как этот прием помогает гонщику обогнать своего соперника?
разрежение воздуха, которое образуется позади движущегося автомобиля
Рис. 2.14
для седана ВАЗ-2110 на скорости 144 км/ч.
Этот эффект гонщики научились использовать себе во благо. Ведь если вплотную за автомобилем соперника, то твоя машина окажется в зоне пониженного давления. А это сулит снижение силы лобового сопротивления. «Зависнув» у соперника на хвосте, гонщик при равной или даже немного меньшей мощности мотора получает преимущество — он может разогнаться в зоне пониженного давления, выскочить из «тени» и за счет большей скорости обойти соперника в конце длинной прямой!
Здесь вся проблема в том, что окружающий машину воздух не обладает достаточной энергией, чтобы самому устраниться, и поэтому он вслед за болидом. Любые выступающие элементы внешней обшивки корпуса болида влияют на характер потока воздуха, его обтекающего, а, следовательно, и на характер потока воздуха, за машиной (кильватер).
В болида F1 все аэродинамические элементы расположены в непосредственной близости друг от друга, поэтому они активно взаимодействуют между собой. Все, включая заднее антикрыло, колеса и даже диффузор под днищем машины определяет характер и свойства обтекающего потока воздуха. Этот поток, путешествуя по поверхности машины, постепенно теряет энергию, и значения его скорости и давления уже не могут вернуться к первоначальным.
Таким образом, получается, что двигаясь в воздушной среде болид Формулы 1, как, впрочем, и любая другая машина на его месте, будет генерировать разряженную среду позади себя (в кильватере).
Например, заднее антикрыло болида Формулы 1 образует довольно стабильную пару сильных завихрений на довольно большом расстоянии позади себя. В дождь или просто при большой влажности воздуха можно наблюдать эти завихрения потока воздуха в виде белых вихрей на концах заднего антикрыла. Еще в начале 1990-х это зрелище было обычным явлением в гонках Гран При.
При обтекании болида Формулы 1 эти вихри обуславливают движение потока воздуха вверх и назад — непосредственно за машиной, и вниз и вперед — по ее бокам. Вдобавок к этому, поток воздуха под машиной тоже вносит свой весомый вклад в общую картину обтекания болида.
Технический Регламент Формулы 1 гласит, что основная часть днища машины должна быть плоской, но диффузоры все-таки можно использовать. Воздух, вылетающий из канала диффузора, немедленно направляется вверх, благодаря влиянию заднего антикрыла и восходящему потоку воздуха непосредственно позади машины.
Совокупность всех этих явлений как раз и приводит к тому, что позади болида образуется зона разряжения. Поскольку эта область разряжения двигается вместе с машиной, то она создает некоторую силу сопротивления, и, кроме того, представляет определенные проблемы для машин, следующих сзади в непосредственной близости от нее.
Остановимся более подробно на том влиянии, которое зона разряжения оказывает на позади идущую машину. Если два болида движутся по прямой, то второй, находясь в непосредственной близости от первого, попадает в эту область разряжения и как бы «подтягивается к первому, словно на канате». Здесь все дело в том, что эта турбулентность позади первого болида автоматически уменьшает силу сопротивления, действующую на второй болид.
Пилоты говорят, что это притяжение (как раз его они и называют ощущается даже на расстоянии в пять-шесть корпусов от впереди идущей машины — чем ближе, тем сильнее, разумеется. Есть мнение, что у болидов старых времен гораздо более эффективным, что можно легко объяснить значительно большей прижимной силой, действовавшей на болид старой модели. Именно из-за снижения эффективности появились проблемы с обгонами, ставшие столь актуальными в современной Формуле 1.
При движении по прямой, чем более сильный легче и быстрее можно приблизиться к впереди идущей машине и попытаться обогнать ее. Если слипстрим недостаточно эффективен, может возникнуть хронический в ситуациях, благоприятных для обгона.
При движении в поворотах, напротив, эффект турбулентной зоны разряжения позади впереди идущего болида оказывает резко отрицательное влияние на болид, следующий в непосредственной близости позади первого. Пилоты часто жалуются на эффект недостаточной управляемости и недостаточного сцепления с трассой, который ощущается на расстояниях в четыре корпуса и меньше. Здесь все дело в прижимной силе.
У движущегося сзади болида она меньше, поскольку воздух, действующий на антикрылья и, собственно, создающий эту прижимную силу, обладает меньшей энергией, так как он только что «поработал на первую машину». Этот воздух отрывается от поверхности антикрыла раньше, чем положено, вследствие чего прижимная сила оказывается меньше. Получается, что сзади идущая машина не может совершать те же маневры и проходить повороты с той же скоростью, что и впереди идущая. Таким образом, она будет откатываться назад и никогда не попадет в ситуацию, благоприятную для обгона! (Едва ли кому-то это может понравиться!)
аэродинамической трубе
аэродинамические испытания
«Аэродинамика – первоочередной фактор, определяющий техническое совершенство современного болида Формулы 1. Следовательно, аэродинамическая труба – первостепенная необходимость для создания такого болида», — заявил Питер Заубер на презентации аэродинамической трубы его команды (см. Рис. 3.1) в декабре 2003 г.
Рис. 3.1 Питер Заубер и его технический директор Вилли Рампф
в новой аэродинамической трубе команды Sauber.
Аэродинамическая труба (АТ) —
Область использования технологии АТ, конечно же, не ограничивается аэродинамическими испытаниями болидов F1. С помощью АТ определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении надводных и подводных судов, исследуются их устойчивость и управляемость. В АТ определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения — мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п.
принципе относительности Галилея
обращаются
равномерный поток
АТ дороги, поэтому обычно в них исследуется обтекание модели проектируемого объекта (или его частей), и определяются действующие на неё силы. При этом необходимо соблюдать условия подобия , которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект. При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в аэродинамической трубе, рассчитать силу, действующую на натуру.
3.1. История создания и развития технологии аэродинамической трубы.
Еще в далеком прошлом исследователи понимали, что для более точных тестов нельзя опираться на естественные ветры. Исаак Ньютон и до него Леонардо да Винчи предполагали, что перемещение модели через воздушную среду с необходимой скоростью или ее обдув значительно выгоднее для проведения экспериментов, чем ветры естественного происхождения.
на свободно падающих телах
Леонардо да Винчи, Галилео Галилей, Исаак Ньютон
естественные источники ветра
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/aerodinamicheskaya-truba/
Бенджамин Робинс
Его первая машина (см. Рис. 3.2) имела рычаг длиной 4 фута (~1,26 м), закрепленный на шкиве.
Рис. 3.2 Центрифуга Бенджамина Робинса.
Вращение осуществлялось при помощи груза, тянущего под своим весом веревку, намотанную на шпиндель. При этом достигались скорости несколько метров в секунду. Закрепляя на конце рычага различные предметы – пирамиду, лист металла и т. п., Робинс установил несостоятельность существующих теорий воздушного сопротивления. «Различные формы, даже если предположить, что они имеют одинаковую площадь, не всегда обладают тем же воздушным сопротивлением или обтекаемостью» .
Явно сложное отношение между обтекаемостью, формой, положением модели и скоростью воздуха шло вразрез с простой теорией, выдвинутой Ньютоном.
Джорж Кайли
«двигатель нужно использовать лишь для движения вперед, а подъемную силу будут создавать крылья».
До конца XIX века рычажное приспособление оставалось практически единственным для исследования аэродинамики. Но ряд существенных недостатков и сложностей этой конструкции привел к появлению более совершенного – аэродинамической трубы.
Франк Уинхэм
Это была труба более 3,5 м в длину и сечением 116 см 2 (Рис. 3.3).
Вентилятор, обдувавший модели, приводился в движение паровым двигателем.
|
|
|
| а | б |
Рис. 3.3 Первые аэродинамические трубы.
а – труба Франка Уинхэма, б – воздуходувка Циолковского
Уже первые эксперименты доказали абсолютное превосходство АТ перед другими способами проведения аэродинамических тестов.
В. А. Пашкевич
Для создания воздуходувки (рис.3.4) — так он ее называл — Циолковский использовал веялку, лопасти которой крутились вручную. К сожалению, в опытах Циолковского скорости оказались недостаточно большими, чтобы результаты можно было применять для нужд авиации. Однако такая воздуходувка весьма пригодна для малых опытов по исследованию силы сопротивления.
Н. Е. Жуковского
С тех пор построено великое множество АТ, от миниатюрных до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в АТ проводились разработчиками авиационной техники. Серьезно изучалась обтекаемость водных судов. Как и следовало ожидать, первым наземным транспортным средством, которое продули в АТ, стал поезд . Случилось это в 1899 г . Автомобили начали подвергаться испытаниям в АТ только после Первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира.
6 моторов мощностью 22500 л.с. каждый
Рис. 3.4 Исследовательский центр имени Эймса (Моффетт-Филд, Калифорния)
Виртуальная АТ
Рис. 3.5 Компьютерная модель автомобиля в виртуальной аэродинамической трубе
Разумеется, на обычном персональном компьютере такие исследования не проведешь. Необходимы высокопроизводительные суперкомпьютеры стоимостью несколько миллионов долларов, и не один, а несколько. Один из таких самых современных комплексов установлен в компании Opel. Вот лишь некоторые параметры системы: 6 компьютеров IBM eServer 690 «Regatta» с процессором 32 «POWER 4» 1,3 GHz, операционная память каждого компьютера – 64 GB, внешняя память емкостью 96 тера байт, вес – 1,2 тонны.
Возможно, когда-нибудь компьютер и сможет заменить реальную АТ, но порой даже специалисты с огромным опытом работы удивляются тем результатам, которые дает испытание трубами. И хотя иногда, основываясь на интуиции, удается создать удачный, с точки зрения аэродинамики, дизайн автомобиля, то без такого сложного устройства, как аэродинамическая труба, вряд ли будет возможным производство автомобилей будущего.
3.2. Конструкции аэродинамических труб.
дозвуковые,трансзвуковые,сверхзвуковые
на компрессорные (непрерывного действия),
на замкнутые инезамкнутые.
Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.
Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции, а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.
Простейшие схемы труб малых скоростей
|
|
|
| а | б |
Рис. 3.6 Простейшие схемы аэродинамических труб малых скоростей
1 — рабочая часть, 2 — коллектор (а) либо сопло (б) в обоих случаях — каналы, сужающиеся по течению (конфузоры); 3 — диффузор, расширяющийся по течению; 4 — вентилятор с мотором 5; пунктиром показаны предохранительная сетка « С» и в замкнутой трубе — поворотные лопатки «Л ».
Труба прямого действия Рис. 3.6,а (не замкнутая) показана с закрытой стенками рабочей частью, а замкнутая труба — с открытой рабочей частью; но первую можно сделать с открытой рабочей частью, если убрать ее стенки, заменив их герметичной камерой (показана пунктиром), а вторую — сделать с закрытой рабочей частью, если вместо свободной границы поставить стенки.
Дозвуковые аэродинамические трубы.
Рис. 3.7 Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы.
1- хонейкомб 2 — сетки 3 — форкамера 4 — конфузор 5 — направление потока 6 — рабочая часть с моделью 7 — диффузор, 8 — колено с поворотными лопатками, 9 – компрессор,
10 – воздухоохладитель
Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (высотной камерой).
Исследуемая модель 6 крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло , которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей).
Диффузор 7 уменьшает скорость и соответственно повышает давление из рабочей части. Компрессор (вентилятор) , приводимый в действие силовой установкой, компенсирует потери энергии лопатки уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 8 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся диффузором. Радиатор обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан.
Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.
В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов. На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей.
Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы.
Рис. 3.8 Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы
1 — баллон со сжатым воздухом 2 — трубопровод 3 — регулирующий дроссель 4 — выравнивающие сетки 5 — хонейкомб 6 — детурбулизирующие сетки 7 — форкамера 8 — конфузор 9 — сверхзвуковое сопло 10 — рабочая часть с моделью 11 — сверхзвуковой диффузор 12 — дозвуковой диффузор 13 — выброс в атмосферу
Рис. 3.9 Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы
1 — баллон с высоким давлением 2 — трубопровод 3 — регулирующий дроссель 4 — подогреватель 5 — форкамера с хонейкомбом и сетками 6 — гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 — рабочая часть с моделью 8 — гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 — воздухоохладитель 10 — направление потока 11 — подвод воздуха в эжекторы 12 — эжекторы 13 — затворы 14 — вакуумная емкость 15 — дозвуковой диффузор
Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т. для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.
В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося — расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна ), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т.
