Аэродинамика подднищевой зоны автомобиля

Характер течения воздушного потока в подднищевой зоне колесного транспорта в значительной мере влияет на его аэродинамические характеристики. По нашим данным, которые корреспондируются с технической информацией в литературных источниках, доля аэродинамических потерь в подднищевой зоне магистрального автопоезда составляет 15-20% от его общего аэродинамического сопротивления. Достаточно велико влияние течения потока в подднищевой зоне на действующую на транспортное средство подъемную силу. Наличие на днище кузова значительного количества элементов ходовой части и трансмиссии, а также присутствие колес приводит к большому загромождению подднищевой зоны. В результате протекающий в ней воздушный поток тормозится. Дополнительным фактором, способствующим уменьшению скорости потока в подднищевой зоне по мере его приближения к кормовой части кузова, является образование на днище пограничного слоя. На рис. 5.5 показаны схемы обтекания крыши и днища, а также схемы образования пограничного слоя на днище легкового автомобиля. Характерной особенностью формирования пограничного слоя является его утолщение по длине днища. Это явление наблюдается при обтекании плоской пластины, его проявление заметно у автомобилей с плоским днищем |34J.

Степень торможения потока в подднищевой зоне автомобиля зависит в основном от следующих факторов:

- толщины и структуры пограничного слоя на днище;

— степени шероховатости днища;

- величины дорожного просвета;

- наличия и величины диффузорности днища;

- углов установки управляемых колес;

- длины и ширины автомобиля.

Для достижения наименьших потерь в подднищевой зоне надо стремиться к возможно плоскому днищу и меньшей толщине пограничного слоя, а также к сдуванию последнего с поверхности днища.

В отличие от перемещающихся в воздушном потоке летательных аппаратов, характер взаимодействия автомобиля с воздушной средой в значительной мере подвержен влиянию дороги, выполняющей роль своеобразного аэродинамического экрана. При натекании на автомобиль воздушного потока часть его попадает в подднищсвую зону, где взаимодействует с днищем, элементами ходовой части и трансмиссии, колесами. В результате образования на днище пограничного слоя, сопротивления элементов ходовой части и трансмиссии, а также колес происходит торможение потока с соответствующим увеличением давления на днище кузова и аэродинамического сопротивления подднищевой зоны.

Аэродинамическое сопротивление подднищевой зоны складывается из сопротивления трения шероховатого днища и конструктивных элементов на нем, сопротивления трения воздуха о воздух, индуктивного сопротивления и сопротивления колес.

Одним из способов снижения аэродинамических потерь в подднищевой зоне является уменьшение индуктивного сопротивления. Это может быть достигнуто за счет уменьшения степени торможения потока под автомобилем путем установки нижнего обтекателя днища с отверстием для выброса воздуха из подкапотного пространства на днище. Такой щелевой выброс струйного течения воздуха с соответствующей скоростью V„„ из подкапотного пространства обеспечивает сдув пограничного слоя с днища. При этом эффективность мероприятия зависит от величины V„,„ определяемой проходным сечением отверстия в подкапотном днище.

Для определения оптимального проходного сечения отверстия в подкапотном днище и степени снижения аэродинамического сопротивления за счет его установки запишем уравнение Бернулли для средней (по длине модели автомобиля) части подднищевой зоны, где наблюдается установившаяся скорость потока у днища

(5.3)

где- скоростной напор под днищем модели автомобиля;

- скоростной напор над крышей модели автомобиля; - статическое давление на днище и крышу модели соответственно.

Величина действующей на модель подъемной силы Р- рассчитывается по формуле

(5.4)

где- коэффициент подъемной силы; р - плотность воздуха;

- лобовая площадь модели автомобиля; V, - скорость невозмущенного воздушного потока.

С другой стороны, силуможно определить следующим образом:

(5.5)

где- рабочая площадь днища автомобиля без учета величины его подкапотного днища.

Преобразовав уравнение (6.5) сучетом (6.3), получим

(5.6)

Для получения расчетной формулы по определению оптимального с точки зрения снижения индуктивного сопротивления сечения отверстия для выброса воздуха из подкапотного пространства необходимо провести один эксперимент и определить значенияпри заданной длине /₀ выходного отверстия.

Тогда, применив уравнение (6.3) для двух различных выпускных отверстий с площадями сечений- неизменная

рабочая ширина отверстия днища; /₀. 'о/ - два значения его длины: исходное при проведении предварительного эксперимента и искомое соответственно), получим

(5.7)

С учетом зависимости (6.4) найдем формулу для определения коэффициента подъемной силы

(5.8)

Опираясь на закон о равенстве расходов воздуха в передней и средней по длине автомобиля зонах его подднищевого пространства, для определения скорости потока в подднищевой зоне запишем следующее уравнение:

(5.9)

где 8 - толщина пограничного слоя на подкапотном днище и на экране под моделью, условно принятая одинаковой; h - расстояние от днища модели до экрана (дорожный просвет);- скорость потока под передней частью модели;- скорость воздуха, выбрасываемого из подкапотного пространства в подднищевую зону через отверстие в подкапотном днище.

Таким образом, для получения искомой скорости потока в подднищевой зоне необходимо знать величину скорости V„„. Скорость вытекающего из подкапотного пространства воздуха зависит от площадивыпускного от верст ия, поэтому для двух о тверстий с длинойможно записать

(5.10)

В результате, используя зависимости (6.9) и (6.10), получаем формулу для оппелеления скопости V.,...- в общем виде

(5.11)

Подставляя формулу (6.11) в (6.8) и проведя упрощения, запишем итоговую зависимость для определения коэффициента С. модели

Максимальное снижение коэффициентамодели автомобиля за счет увеличения скорости протекания потока в подднищевой зоне будет иметь место при нулевойподъемной силе. Таким образом, приравнивая в (5.12) к нулюи проведя соответствующие преобразования, получим формулу для определения оптимальной длины выпускного отверстия в подкапотном днище, обеспечивающей максимальное снижение коэффициента модели:

Степень относительного снижения коэффициента С„ автомобиля за счет установки подкапотного днища со щелевым (эжектор-

ным) выбросом воздуха можно определить по полученной в результате проведенного аналитического исследования формуле

где- исходное значение коэффициента аэродинамического сопротивления модели автомобиля без подкапотного днища:

- рабочая длина днища модели автомобиля.

Для оценки возможностей снижения аэродинамического сопротивления легковых автомобилей за счет оптимизации протекания потоков в подкапотном пространстве и подднищевой зоне были проведены весовые испытания изготовленной из пластмассы пустотелой масштабной (М 1:4) модели легкового автомобиля. Испытания проводились в малой аэродинамической трубе НИИ механики МГУ при скорости потока 35 м/с.

В облицовке радиатора модели были сделаны щели для забора воздуха и проведена имитация подкапотного пространства с установкой в нем смоделированных узлов и агрегатов: двигателя, радиатора, коробки передач, сцепления, генератора, запасного колеса и т.д. Таким образом, в ходе весовых испытаний имелась возможность имитации протекания воздушного потока через подкапотное пространство. При этом подднищевая зона под двигателем была перекрыта таким образом, что имелась возможность дозированного выброса прошедшего через подкапотное пространство воздуха в поддншцевую зону модели. Дозирование выброса воздуха осуществлялось путем изменения степени перекрытия подднищевой зоны за счет изменения площади зоны выброса (рис. 5.6). Выброс воздушного потока производился через прямоугольное отверстие со сдувом пограничного слоя с днища. При этом ширина его (В_дн = 0,265 м) оставалась в ходе опытов постоянной, а длина /₀ принимала дискретные значения. На рис. 5.6 приведены зависимости снижения коэффициента обтекаемостимодели при различной длине выпускного отверстия. Видно, что по мере уменьшения его длины (площади сечения) значение коэффициента С_х снижается. Это объясняется тем, что с уменьшением проходного сечения выпускного отверстия скорость выбрасываемого из подкапотного пространства воздуха возрастает. При этом за счет сдува пограничного слоя с днища увеличивается скорость протекания пото-

ка в подцнищевой зоне, что и обеспечивает снижение индуктивной составляющей аэродинамического сопротивления модели.

Наибольшее снижение коэффициента обтекаемости модели за счет улучшения протекания потоком к подднищевой зоне путем организованного выброса из подкапотного пространства составило более 8% при длине выпускного отверстия 0,01 м.

Рис. 5.6. Зависимость снижения коэффициента Схмодели автомобиля от длины отверстия в подкапотном днище

Дополнительно модель легкового автомобиля была испытана с плоским днищем и с его имитацией, в том числе при различной величине дорожного просвета. Имитация элементов днища (выхлопной трубы, глушителя, нижней части топливного бака и др.) увеличивает коэффициент обтекаемости модели на 15%, что связано со снижением скорости в подднищевой зоне и увеличением индуктивной составляющей аэродинамического сопротивления.