ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

Аэродинамические трубы для испытаний автомобилей

Летательные аппараты появились по причине копирования человеком живой природы и естественного желания летать. Из наблюдений за живой природой можно сделать некоторые выводы о рациональной форме перемещающегося тела, которая будет отличаться меньшим сопротивлением. Живые существа, образ жизни которых связан с быстрыми перемещениями в вязкой среде - в воде, в воздухе, - в процессе эволюции приобрели своеобразную форму тела с удлиненной, плавно сужающейся задней частью, без резких выступов. Такие формы характерны для птиц, рыб, морских животных. Подобные очертания имеют, например, самолеты с дозвуковыми скоростями.

Попытки придать сходную форму автомобилям предпринимались неоднократно, но аналогии с самолетами не могут привести к успеху, так как есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике летательных аппаратов.

Во-первых, характерная форма автомобилей намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом в силу функционального назначения. Кузов автомобиля должен иметь определенное поперечное сечение на длине, достаточной для размещения пассажиров и груза. Создание длинного сужающегося "хвоста" - а его длина должна быть в несколько раз больше поперечного сечения основной части кузова - делает автомобиль совершенно непригодным для эксплуатации в обычных дорожных условиях.

Во-вторых, для автомобилей необходимо учитывать влияние дороги на потоки воздуха. Автомобиль, в отличие от самолета, перемещается вблизи неподвижной поверхности дороги, и характер его обтекания воздухом существенно иной, чем у летательного аппарата в свободном воздушном пространстве.

В-третьих, скорости наземного транспорта намного меньше.

В-четвертых, у наземного транспорта меньше степеней свободы, чем у воздушного, и его движение меньше зависит от аэродинамических сил.

В-пятых, наземный транспорт имеет особые ограничения во внешнем виде, связанные с высокими требованиями безопасности.

И, наконец, большинство водителей наземного транспорта менее обучены, чем пилоты и обычно управляют автомобилем, не стремясь достичь максимальной экономичности.

Однако конструктор автомобиля имеет определенные возможности для уменьшения его аэродинамического сопротивления, используя опыт создания летательных аппаратов. При этом первостепенное значение имеет экспериментальное исследование аэродинамических характеристик автомобиля и, прежде всего, с использованием аэродинамических труб.

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.

Следует отметить, что, как правило, все крупнейшие

автопроизводители имеют в дополнение к основной большой аэродинамической (аэроклиматической) трубе малую трубу для испытания масштабных моделей.

Аэродинамические трубы для испытания автомобильных моделей применяют в тех случаях, когда требуется сравнительно быстро определить аэродинамические качества вновь проектируемого автомобиля еще до изготовления его опытного образца и в случае необходимости внести в форму его кузова или оперения соответствующие изменения. Все возможные варианты формы кузова могут быть быстро осуществлены при помощи пластилиновых моделей, а достигнутые результаты оценены в процессе испытаний в аэродинамической трубе. Испытания с масштабными моделями позволяют получать сравнительные данные, показывающие целесообразность тех или иных решений, но абсолютные значения аэродинамических характеристик могут быть получены в натурных аэродинамических трубах.

Испытания масштабных моделей в малых трубах - это общепринятый в мировом автостроении первый этап, составляющий третью часть всего цикла аэродинамического проектирования: от идеи дизайнера до

оптимизированного натурного макета создаваемого транспортного средства. Этот вид испытаний позволяет в 10 раз уменьшить сроки и стоимость доводочных работ по сравнению с исследованиями в большой аэродинамической трубе. При этом основное назначение модельных испытаний - поиск оптимальных аэродинамических и дизайнерских решений на ранней стадии проектирования путем проведения многофакторных параметрических исследований с применением метода математического планирования эксперимента. Особенно это касается длиннобазных крупногабаритных магистральных автопоездов и больших междугородных автобусов, испытания и аэродинамическая доводка натурных образцов которых в больших трубах практически невозможны. Эффективность модельных испытаний в значительной мере зависит от правильного выбора масштаба моделей, степени их подобия, а также возможности использования результатов модельных исследований применительно к натурным образцам.

Достоверность результатов модельных исследований в аэродинамических трубах во многом определяется правильным моделированием, выбором масштаба и качеством изготовления модели. При выборе масштаба и проектировании моделей, предназначенных для испытаний в аэродинамической трубе, необходимо учитывать влияние целого ряда факторов, и в первую очередь таких, как масштабный эффект, влияние загромождения рабочей части аэродинамической трубы на результаты испытаний, влияние качества поверхности (волнистости, шероховатости) на сопротивление формы при малой начальной турбулентности потока, технику и методику исследований в данной аэродинамической трубе, достигаемую в ней точность измерений.

Рассмотрим требования к моделям автомобилей.

Результат эксперимента в аэродинамической трубе достоверен лишь в том случае, когда соблюдено геометрическое подобие модели и автомобиля. Однако в большинстве случаев геометрическое подобие моделей и автомобилей является лишь приблизительным. Обычно такие детали, как оконные выемки, дверные ручки, дождевые желобки, фары, оси, рессоры и т.п. на модели не воспроизводят. Как правило, на моделях не создают каналы для прохода воздуха, охлаждающего радиатор. Особенные трудности представляет, также, копирование работающего вентилятора. Не имитируется и вращение колес автомобиля.

В качестве материала для изготовления моделей применяют дерево, металлы, пластмассы и пластилин. Большое распространение получили деревянные модели, которые часто для уменьшения их массы изготовляют пустотелыми. Высоким качеством поверхности и точным соблюдением формы (без коробления) отличаются модели из стеклопластика. Однако изготовление таких моделей относится к числу вредных производств. Пластилиновые модели на деревянном каркасе позволяют быстро изменять их форму непосредственно в процессе испытаний.

Для получения достоверных данных желательно, чтобы подготовленная к испытаниям модель, была возможно больших размеров, однако при этом необходимо исключить нежелательное влияние границ рабочей части аэродинамической трубы.

Для получения достоверных результатов при проведении модельных испытаний следует использовать модели с высоким уровнем подобия возможно больших (насколько позволяют размеры рабочей части трубы) размеров с реальным днищем и имитацией перетекания внутренних потоков. Как показывает практика, достаточно крупные детализированные модели (масштаба 1:7 для магистральных автопоездов и междугородных автобусов, масштаба 1:4 для легковых автомобилей) позволяют получить сравнительно достоверные данные по оптимальной с точки зрения обтекаемости и дизайна форме кузовов для последующего снятия с них размеров и изготовления по ним крупномасштабных (масштаб 1:2) моделей и натурных макетов создаваемых автомобилей.

Правомерность переноса результатов модельных испытаний на натурные определяется соблюдением двух законов аэродинамического подобия: геометрического и кинематического при испытаниях масштабной модели в аэродинамической трубе по отношению к натурному автомобилю. Полное геометрическое подобие, достигается высокоточным копированием масштабной модели с натурного автомобиля. Условием полного кинематического подобия обтекающих их воздушных потоков является равенство чисел Рейнольдса (Re) модели и натуры:

или, раскрывая физический смысл числа Рейнольдса:

где ReM=ReH ~ числа Рейнольдса для модели и натуры; Ум, LM, vM и Ун, LH, vH - скорость потока у поверхности модели и натуры, их длина и значения коэффициента кинематической вязкости воздуха. Однако значения чисел Re для моделей значительно меньше, чем для натурных образцов, что объясняется их существенно большей длиной.

Равенства чисел Рейнольдса модели и натуры теоретически можно достичь путем значительного увеличения скорости обтекающего модель воздушного потока или использованием при испытаниях воздушной среды с уменьшенной вязкостью. Однако в первом случае заметно нарушается механизм обтекания модели, а реализация второго направления технически затруднена.

В дополнение к различным числам Рейнольдса у модели и натуры при испытаниях масштабных моделей в трубах не имитируется ряд факторов, типичных при испытаниях натурных образцов на дороге. Для нивелирования влияния числа Рейнольдса на результаты исследований испытания масштабных моделей должны проводиться в зоне, где их аэродинамические характеристики практически не зависят от скорости натекающего воздушного потока.

Как показывают экспериментальные исследования плохо обтекаемых тел, к числу которых относятся модели автомобилей, графические зависимости их аэродинамического сопротивления от числа Рейнольдса имеют три зоны, зависящие от его величины: докритическую, критическую и закритическую. В докритической зоне наблюдается повышенное аэродинамическое сопротивление модели. В критической зоне происходит резкое снижение сопротивления, а в закритической зоне оно становится практически постоянным. В закритической зоне числа Re аэродинамические коэффициенты остаются постоянными и не зависят от числа Рейнольдса. Поэтому перед испытаниями масштабной модели автомобиля в аэродинамической трубе следует определить так называемую зону «автомодельности» для нее, в которой аэродинамические коэффициенты практически не зависят от числа Re. После этого можно вести параметрические испытания модели при этих значениях чисел Re и соответствующей им скорости воздушного потока.

Впервые испытания автомобильных моделей были проведены в аэродинамической трубе завода Цеппелин в Германии (1914-1917 гг.), производившего дирижабли. Впоследствии для этих целей использовали аэродинамические трубы, принадлежащие в основном авиационным заводам и институтам. Однако стремление обеспечить условия для наилучшего выявления аэродинамических характеристик автомобилей привело к созданию аэродинамических труб, предназначенных исключительно для испытаний автомобилей.

Специальная аэродинамическая труба с удобной для испытания моделей автомобилей площадкой была создана в Геттингенском университете. Аэродинамическая лаборатория при Высшей технической школе в городе Штутгарте располагает несколькими трубами, из которых наибольший интерес представляет труба для испытаний автомобилей в натуральную величину. Схема большой аэродинамической трубы показана на рис. 4.1.

Схема большой трубы аэродинамической лаборатории при Высшей технической

Рис. 4.1. Схема большой трубы аэродинамической лаборатории при Высшей технической

школе в городе Штутгарте:

1 - рабочая часть трубы; 2 - коллектор; 3 - вентилятор; 4 - поворотные лопатки; 5 - выпрямляющая решетка; 6 - сопло

Труба замкнутая, с размером площади рабочего сечения 35 м2 (максимальная высота 4,8 м, а ширина - 7,3 м). Вентилятор мощностью 4000 кВт (5440 л. с.) позволяет развивать скорость воздушного потока в рабочей части до 70 м/с (250 км/ч). Труба оборудована электрическими шестикомпонентными весами с проволочным подвесом. Показания весов при помощи телевизионной установки передаются на пульт управления, где также одновременно регистрируется динамическое давление и угол натекания воздушного потока. Для имитации влияния бокового ветра на автомобиль вместе с подвесным устройством можно при помощи телеуправления поворачивать автомобиль округ вертикальной оси на ±25°. Взаимодействие автомобиля с дорогой имитируется при помощи неподвижного экрана или движущихся ремней под его колесами. Погрешность измерений в трубе составляет ±1%.

Различные виды сопротивления имитируются стендом с беговыми барабанами при помощи программного устройства. Благодаря наличию в трубе климатической установки и стенда с беговыми барабанами можно имитировать самые разнообразные условия эксплуатации автомобиля и проводить исследования не только его аэродинамических качеств, но и анализировать работу систем охлаждения двигателей, вентиляции и отопления кузовов применительно к разным климатическим условиям.

Пульт управления и центр обработки результатов, имеющий специальное электронно-счетное управляющее устройство, расположены возле рабочей части трубы. Все необходимые данные (давление, температуру, влажность воздуха и т.п.) регистрируют датчики, сигналы которых суммируют в электронном блоке управления, анализируют и выдают в готовом виде. Контроль режима испытаний осуществляют при помощи специального вычислительного устройства. Перед началом исследований программу испытаний в цифровом виде закладывают в компьютер. Аэродинамическими трубами в городе Штутгарте пользуются ведущие автомобильные фирмы Германии, но фирма Фольксваген имеет собственную аэродинамическую трубу в городе Вольдебурге, используемую одновременно для климатических испытаний. Она отличается не только своими размерами, но и оснащенностью самыми современными средствами измерений.

Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген (рис. 4.2) представляет собой систему труб четырехугольной формы и каждое ее колено занимает одну сторону большого четырехугольного здания. В наиболее узкой части ширина трубы 8 м, в наиболее широкой - около 14 м. Поток воздуха создается осевым вентилятором диаметром 9 м, колесо которого имеет лопатки с переменным углом наклона. Скорость потока в открытой части трубы около 150 км/ч. Воздух, нагнетаемый вентилятором 6, попадает через два угловых отражателя 8 в антикамеру 12 диффузора, где установлен охладитель 9, позволяющий понижать температуру воздуха до -20° С. Максимальная температура воздуха в трубе может достигать +45° С.

Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген

Рис. 4.2. Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген:

1 - место установки автомобиля; 2 и 7- диффузоры; 3 - коллектор; 4 - шторы экспериментальной камеры; 5 - электродвигатель привода вентилятора; 6 - вентилятор; 8 - угловой отражатель; 9 - охладитель; 10 - выпрямитель; 11 - турбулентный фильтр; 12 - антикамера диффузора; 13 - аэродинамические весы; 14 - испытательный стенд; 15 - пульт управления; 16 - центр обработки результатов; 17 - мастерская; 18 - бюро; 19 -

машины холодильной камеры

Силы и моменты, действующие на испытуемый автомобиль, замеряют самобалансирующимися шестикомпонентными механическими весами. Поворотная станина, на которой смонтированы весы, позволяет поворачивать исследуемый автомобиль на любой угол по отношению к продольной оси трубы, т. е. к направлению воздушного потока.

Различные виды сопротивления имитируются стендом с беговыми барабанами при помощи программного устройства. Благодаря наличию в трубе климатической установки и стенда с беговыми барабанами можно имитировать самые разнообразные условия эксплуатации автомобиля и проводить исследования не только его аэродинамических качеств, но и анализировать работу систем охлаждения двигателей, вентиляции и отопления кузовов применительно к разным климатическим условиям.

Для проведения испытаний с понижением или повышением температуры, открытую рабочую часть трубы можно закрывать передвижной теплоизоляционной оболочкой. Схема применяемой холодильной установки показана на рис. 4.3. Регулирование температуры осуществляется двухступенчатым компрессором мощностью 2300 кВт. Парообразное охлаждающее вещество фреон сжижается в конденсаторе, откуда оно поступает через сепаратор в испаритель, где охлаждает трихлорэтилен, циркулирующий через охладитель, установленный в аэродинамической трубе. Мощность холодильной установки составляет 2-106 ккал/ч.

87

Схема холодильной установки аэродинамической трубы фирмы Фольксваген

Рис. 4.3. Схема холодильной установки аэродинамической трубы фирмы Фольксваген:

1 - охладитель воды; 2 - горячая вода; 3 - охлаждающая вода; 4 - холодильная башня; 5 - конденсатор; 6 - электродвигатель; 7 - компрессор; 5 - испаритель; 9 - сепаратор; 10 -

клапан; 11 - теплообменник

Схема управления трубой показана на рис. 4.4.

Схема управления аэродинамической трубой фирмы Фольксваген

Рис. 4.4. Схема управления аэродинамической трубой фирмы Фольксваген

Во Франции с 1946 г. для испытания автомобилей построены две аэродинамических трубы: большая, размером 7,9x15,8 м и малая (для испытания моделей) размером 1,82x2,125 м. В Италии испытания моделей автомобилей в аэродинамических трубах (преимущественно автобусов и гоночных автомобилей) проводит фирма ФИАТ.

Следует отметить, также, предназначенные для испытаний автомобилей две трубы английской научно-исследовательской организации MIRA, эксплуатируемые с 1960 г. Одна труба, используемая для исследования моделей в 1/4 натуральной величины, имеет размер рабочей части 2,048x1,024 м и в ней создают скорость потока 160 км/ч. Другая труба используется для испытания автомобилей в натуральную величину.

Рабочая часть большой трубы имеет длину 15,2 м, ширину 7,9 м, высоту 4,4 м и в ней создают скорость потока 130 км/ч. Труба оборудована шестикомпонентными весами и динамометрическим стендом для снятия тяговых характеристик автомобилей. Для замера аэродинамических сил автомобиль устанавливают на круглую стальную платформу диаметром 3,81 м, укрепленную на уровне пола и поворачивающуюся вместе с автомобилем в каждую сторону на угол 90°. Угол поворота фиксируется с точностью до 0,5°. Управляют испытаниями из специальной кабины, где осуществлена, также, и регистрация показаний приборов.

Испытания автомобильных моделей в аэродинамических трубах регулярно проводят в Голландии и Швеции (Стокгольмский технический университет).

Испытания всех моделей автомобилей завода Татра проводились в аэродинамической трубе.

Широкий круг аэродинамических испытаний осуществляют ведущие автомобильные фирмы США: Крайслер, Форд, DMC. Для этих целей фирмы используют аэродинамические трубы, установленные в университетах, и проводят эти испытания преимущественно с моделями автомобилей. Фирмой Форд в 1929 г. была построена первая аэродинамическая труба, предназначенная специально для испытаний моделей легковых автомобилей в 1/4 натуральной величины, а в 1936 г. была создана труба для испытаний автомобилей в натуральную величину.

Труба фирмы Форд для испытания моделей представляет собой обычную низкоскоростную трубу замкнутого типа с закрытой рабочей частью прямоугольного сечения 2,36x3,66 м, доступ в которую осуществляется через широкие, во всю высоту сечения, двери по обе стороны трубы. Тяжелые модели устанавливают при помощи тельфера и верхнего люка. Наблюдают за экспериментом и фотографируют модели, находящиеся в трубе, через широкие окна из небьющегося стекла. Шестикомпонентные аэродинамические весы пирамидальной конструкции размещают под полом рабочей части. Аэродинамические силы и моменты регистрируют на пульте управления. Погрешность измерений составляет 0,1%.

Для имитации взаимодействия автомобиля с дорогой фирма Форд обычно использует установку модели над неподвижным экраном, занимающим всю ширину рабочей части трубы. Для выравнивания давления на верхнюю и нижнюю поверхности экрана его задний край имеет подвижный элерон из трех секций, которые могут отклоняться вверх и вниз. На переднем крае экрана и в центрах секций элерона имеются отверстия для замера давления воздуха. Скорости воздушного потока изменяются ступенями в пределах 126-320 км/ч с интервалом 32 км/ч; угол натекания воздушного потока меняется в пределах 40° с интервалом 5°.

Большая труба имеет площадь рабочего сечения 10,2 м2, скорость потока 33,3 м/сек; рабочая часть трубы оборудована беговыми барабанами. Специальная установка позволяет создавать температурные условия от -29° до +50° С. В трубе можно испытывать и отдельные части кузова, радиаторы ит. д.

В связи с возросшим объемом исследований в 1959-1966 гг. фирмой Форд была построена и введена в эксплуатацию труба еще больших размеров, позволяющая имитировать условия работы автомобилей в самых широких пределах. Труба замкнутого типа с шестилопостным вентилятором диаметром 7,5 м, имела длину 9,15 м, ширину 6,1 м и высоту 3,8 м. Скорость воздушного потока достигла 62,5 м/с (224 км/ч). Неравномерность потока в рабочей зоне не превышала 3%. Степень затенения автомобилем рабочего сечения трубы была равна 8-10%. В трубе было возможно изменение влажности и температуры воздуха (от -20 до +70°С), атмосферного давления, количества выпадающих осадков; для имитации солнечного излучения на потолке рабочей части было установлено 240 ламп.

В аэродинамической лаборатории Института механики при МГУ была создана замкнутая, одноканальная труба с открытой рабочей частью эллиптического сечения и использованная для ряда экспериментов с моделями автомобилей. Эта труба показана на рис. 4.5.

Схема дозвуковой аэродинамической трубы А-6 института механики МГУ

Рис. 4.5. Схема дозвуковой аэродинамической трубы А-6 института механики МГУ:

1 - форкамера; 2 - хонейкомб; 3 - детурбулизирующие сетки; 4 - сопло; 5 - турбулизирующие устройства; б - рабочая часть; 7- рама весов; 8 - экран; 9- модель; 10- профилированный насадок; 11 - диффузор; 12 - вентиляторная установка; 13 - электродвигатель; 14 - обратный канал; 15 - колонна с поворотными лопатками; 16-

пол трубы

Размеры ее рабочей части следующие: большая ось 4000 мм, малая ось 2330 мм, длина 4000 мм. Вентилятор-шестилопастный диаметром 440 мм с мощностью двигателя 2060 кВт. Возможная максимальная скорость в рабочей части 100 м/с. Критическое число Рейнольдса, соответствующее начальной турбулентности в рабочей части трубы, /teKp-375000.

В СССР большая часть аэродинамических испытаний моделей автомобилей проводилась в трубе, установленной в Казанском авиационном институте. Эта труба того же типа, что Института механики при МГУ, но с круглым сечением рабочей части (диаметром 2,25 м). Максимальная скорость потока 62 м/с; критическое число ReKp=334000.

Первая отечественная большая автомобильная аэродинамическая труба была построена в 1988 г. на Дмитровском автополигоне под Москвой Научно-исследовательский центр по испытаниям автомототехники (НИЦИАМТ, город Дмитров). Общий вид трубы и отдельные элементы представлены на рис. 4.6, 4.7, 4.8, а ее схема- на рис. 4.9.

Большая аэродинамическая труба НИЦИАМТ

Рис. 4.6. Большая аэродинамическая труба НИЦИАМТ

Большая аэродинамическая труба НИЦИАМТ (Россия) используется для исследований и доводочных работ по совершенствованию аэродинамических свойств автотранспортных средств.

Вентилятор аэродинамической трубы НИЦИАМТ

Рис. 4.7. Вентилятор аэродинамической трубы НИЦИАМТ

Элементы аэродинамической трубы НИЦИАМТ

Рис. 4.8. Элементы аэродинамической трубы НИЦИАМТ: а - рабочая часть трубы; б - визуализация воздушного потока при испытании автомобиля

АЗЛК-2141

Схема большой аэродинамической трубы НИЦИАМТ

Рис. 4.9. Схема большой аэродинамической трубы НИЦИАМТ:

1 - вентилятор; 2 - диффузор № 01; 3 - диффузор № 02; 4 - поворотное колено № 04; 5 - хонейкомб; 6 - форкамера; 7- сопло; 8 - рабочая часть; 9 - диффузор №01; 10 - шахта выпуска; 11 - щели для выпуска воздуха; 12 - защитная решетка и поворотное колено № 01; 13- диффузор № 02; 14 - створки системы воздухообмена; 15 - камера Эйфеля

Это труба замкнутого типа с одним горизонтально расположенным каналом. Рабочая часть трубы имеет полупроницаемые стенки и камеру Эйфеля.

Назначение: испытания, исследования и доводочные работы по

снижению сопротивления воздуха и сопротивления качению автомобилей, повышению их аэродинамической устойчивости, снижению аэродинамического шума, оптимизации систем охлаждения двигателя, отопления и вентиляции салона.

Объекты испытаний: натурные образцы и полноразмерные макеты легковых автомобилей и микроавтобусов с площадью сечения миделя до 2,9 м2, а также грузовые автомобили без тента и автобусы с сечением миделя до 6,14 м2 и максимальной осевой массой до Ют.

Технические характеристики:

  • - общая площадь установки 1,88 тыс. м2;
  • - габаритные размеры контура в осях - 80x30 м;
  • - размеры рабочей части (х, у, z) 18,0x6,0x4,5 м;
  • - площадь выходного сечения сопла 25,7 м2;
  • - степень поджатия потока 5,8;
  • - диаметр вентилятора 7,5 м;
  • - число лопастей вентилятора 8 шт;
  • - мощность электродвигателя 1500 кВт;
  • - номинальная производительность вентиляторного агрегата 1200

м3/с;

  • - скорость потока 150 км/ч;
  • - неравномерность поля скоростей в ядре потока не более 1%;
  • - наибольшие местные отклонения скосов потоков от среднего значениям 1,0%;
  • - градиент статического давления по оси в пределах рабочей части трубы не более ±0,001м'1;
  • - толщина пограничного слоя у пола рабочей части не более 100

мм;

- степень начальной турбулентности не более 0,5%; интенсивность низкочастотных пульсаций скорости в ядре потока

не более 1,0%;

- аэродинамические весы 6-компонентные с точностью измерений

± 0,02;

- диапазон измерений параметров потока в рабочей части трубы координатно-измерительным механизмом (х, у, z) 15200x6000x4500 м;

мощность стенда с беговыми барабанами, встроенного в рабочую часть трубы 330 кВт,

суммарное быстродействие управляющего измерительно-

информационного комплекса 1,0 млн. опер./мин.;

- объём оперативной памяти 1,024 Мбайт.

На АвтоВАЗе в 1996 году построена аэродинамическая труба для испытаний полноразмерных автомобилей.

Общий вид трубы представлен на рис. 4.10, а вид главного вентилятора на рис. 4.11.

Общий вид комплекса

Рис. 4.10. Общий вид комплекса

Главный вентилятор аэродинамической трубы

Рис. 4.11. Главный вентилятор аэродинамической трубы

Труба имеет следующие характеристики: главный вентилятор: диаметр - 7.4 м;

мощность (постоянная) - 2300 кВт; шах скорость потока - 60 м/с; координатный механизм:

длина перемещения по оси X - 12 м; длина перемещения по оси У - 5.18 м; длина перемещения по оси Z - 2.85 м; точность позиционирования - 1мм.

Объекты испытаний:

натурные пассажирские, спортивные автомобили, а также микроавтобусы с площадью поперечного сечения до 4 м2;

макеты автобусов и грузовых автомобилей в масштабе 1:2, 1:2,5; промышленные и спортивные объекты.

Виды работ, осуществляемые в полномасштабной аэродинамической трубе:

  • 1. Оценка аэродинамических характеристик
  • 2. Визуализация процесса обтекания:
    • • поверхностная при помощи ниточного спектра двуокиси титана;
    • • объёмная при помощи дымогенератора.
  • 3. Оценка эффективности очистки ветрового стекла на соответствие директиве 78/318 ЕЭС по максимальной скорости отрыва стеклоочистителей.
  • 4. Оценка самозагрязнения остекления при работе стеклоочистителей ветрового стекла.
  • 5. Оценка загрязнения отражающей поверхности наружных зеркал.
  • 6. Оценка эффективности работы форсунок системы омывателя ветрового и заднего стекол.
  • 7. Измерение полей скоростей и давлений на поверхности кузова в зонах входа - выхода воздушного потока в каналы системы охлаждения, системы вентиляции, тормозные каналы.
  • 8. Определение центра масс автомобиля относительно осей х, у.
  • 9. Доводочные работы по оптимизации аэродинамических характеристик кузова и отдельных элементов автомобиля: внешняя форма кузова, навесные элементы кузова, каналы системы охлаждения двигателя, тормозных механизмов, формы наружных зеркал, конструкции водосточных желобков, спойлеров, стеклоочистителя.

Возможность проведения испытаний автомобилей и их моделей в аэродинамических трубах определяется выполнением требований, предъявляемых к измерительным приборам и к самой трубе. Одно из основных требований к трубе возможность создания воздушного потока высокого качества, которое зависит от того, как изменяется скорость потока в рабочей части во времени и по продольной и главным осям ее поперечного сечения.

Очень важно, чтобы в рабочей части трубы поддерживалась область воздушного потока возможно большего сечения, в которой сохранялось бы поле равномерных прямолинейных скоростей, а область снижения скоростей была бы возможно меньшей. Градиент статического давления по всей длине рабочей части должен отсутствовать, чтобы не менялись условия испытания различных частей автомобилей. Недопустимым, считается изменение скорости воздушного потока, превышающее 1%. Для современных высококачественных труб отклонение скорости воздушного потока в отдельных точках рабочей части трубы от её среднего значения не должно превышать 0,8%.

Другое важное требование, предъявляемое к аэродинамической трубе, малая начальная турбулентность в ее рабочей части. Степень турбулентности каждой трубы определяют во время продувки шара диаметром 150 мм при различных скоростях воздушного потока и в процессе построения кривой зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления Сх в функции числа Re. По этой зависимости находят значение числа Re при Сх=0,3 (число Reкр для трубы), а затем, пользуясь специальной диаграммой (рис. 4.12), степень турбулентности ?. Чем выше ReKp для трубы, тем меньше величина начальной турбулентности и однороднее будет воздушный поток. В атмосферных условиях для шара 7teKp-36500.

Диаграмма для определения степени турбулентности аэродинамической трубы

Рис. 4.12. Диаграмма для определения степени турбулентности аэродинамической трубы

Ниже в таблице 4.1 приведены технические характеристики современных аэродинамических труб, в таблице 4.2 приведены значения коэффициента аэродинамического сопротивления воздуха Сх для некоторых отечественных и зарубежных автомобилей.

Таблица 4.1

Технические характеристики аэродинамических труб_

Аэродинамическая труба

Параметры трубы

Тип аэродинамической трубы

Тип рабочей части

Площадь поперечного сечения рабочей части,

м2

Длина рабочей части, м

Максимальная скорость потока, км/ч

Мощность

электродвигателя, кВт

«Дженерал моторе» (США)

Замкнутая

Закрытая

65,9

23

240

2950

«Локхид Джорджия» (США)

Закрытая

35,1

13,1

406

6700

«Форд» (США)

Замкнутая

23,2

9,15

201

1865

«Фольксваген» (Г ермания)

Открытая

37,5

10

180

2600

«Даймлер-Бенц» (Г ермания)

35,6

270

4000

«Форд» (США)

Закрытая

24

180

2000

«Порше» (Германия)

Закрытая

Открытая с возвратной циркуляцией

22,3

12

230

«БМВ» (Германия)

Открытая с возвратной циркуляцией

Закрытая с продольцым и прорезями

20

12,5

160

1676

«Мазда» (Япония)

24

12

230

-

«Мицубиси» (Япония)

10

216

2350

«Ниссан» (Япония)

Закрытая

21

119

480

«Тойота» (Япония)

17,5

8

200

1500

«J.A.R.I.» (Япония)

12

10

205

-

«Кавасаки» (Япония)

п,з

6

125

«MIRA»

(Великобритания)

35

15,24

133

970

«Фиат» (Италия)

Замкнутая

Открытая

30

10,5

200

1865

«Пинифарина»

(Италия)

Открытая с возвратной циркуляцией

11,75

9,5

150

625

«Вена-Арсенал» (Австрия)

30

51,5

250

-

«Вольво» (Швеция)

27

16

180

2300

«НИЦИАМТ»

(Россия)

Замкнутая

25,7

18

150

1500

«N.R.S.» (Канада)

Открытая с возвратной циркуляцией

18,2

8,5

220

-

«Аэротехнический институт» (Франция)

Открытая с возвратной циркуляцией

Закрытая с продольцым и прорезями

15

10

144

516

Таблица 4.2

Значения коэффициента аэродинамического сопротивления воздуха Сх_

Отечественные автомобили

Зарубежные автомобили

Модель автомобиля

Сх

Модель

автомобиля

Фирма-изготовитель

Сх

Иж-2715

0,523

Eltec

Ford, США

0,315

ГАЗ-53 А

0,965

Junior

Opel. Германия

0,310

ЗИЛ-130 (без прицепа)

0,85

Auto-2000

Audi, Г ермания

0,285

КамАЗ-5320 (без прицепа)

0,673

Topolino

Fiat, Италия

0,280

РАФ-2203

0,439

Mersedes-

Benz-2000

Deimler-Benz, Г ермания

0.280

УАЗ-452А

0,460

V.E.S.T.A.

Renault, Франция

0,250

КавЗ-685

0,518

X 1/75

Fiat, Италия,

0,250

ЛиАЗ-677

0,734

VW Auto- 2000

Volkswagen, Германия

0,250

ЗАЗ-968

0,382

ECV-3

British Leyland, Великобритания

0,250

ЗАЗ-968М

0,432

LCP

Volvo, Швеция

0,250

ЗАЗ-1102

0,370

NX-21

Nissan, Япония

0,250

ВАЗ-2101

0,563

ORCA

Ital Design, Италия

0.245

ВАЗ-2102

0,579

Tech-I

Opel, Г ермания

0,240

ВАЗ-2106

0,509

EVE

Renault, Франция

0,239

ВАЗ-21018

0,561

Aero-2000

General Motors, США

0,230

ВАЗ-2108

0,380

Unicar

Технические Вузы, Германия

0,226

Москвич-2140

0,560

EVE Plus

Renault, Франция

0,225

Москвич-2141

0,34

Probe-Ill

Ford, США

0,220

ГАЗ-24

0,465

MX-02

Mazda, Япония

0,220

ГАЗ-3102

0,413

V.E.R.A. Plus

Peugeot. Франция

0.220

УАЗ-469

0,6

ECO-2000

Citroen, Франция

0,210

ЛАЗ-698

0,60

Eole

Citroen, Франция

0.190

ЛАЗ-4207

0,72

V.E.S.T.A. 2

Renault, Франция

0.190

НАМИ-0284 «Дебют»

0,210

Probe-IV

Ford, США

0,150

Как видно из таблицы 4.1 во всех промышленно развитых странах имеются аэродинамические трубы. Часто они принадлежат крупным автомобильным концернам. Как правило, в конкретной аэродинамической трубе продуваются модели определенной фирмы. Можно ли сравнивать результаты, полученные в разных трубах для разных автомобилей?

При этом нужно учитывать следующие обстоятельства.

Во-первых, каждая труба имеет свои особенности, связанные с формированием воздушного потока, обтекающего автомобиль и настройкой измерительных устройств. И хотя эти расхождения невелики, в ряде случаев это должно учитываться, поскольку значения коэффициента

аэродинамического сопротивления воздуха Сх может указываться с точностью до третьего знака после запятой.

Во-вторых, коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха Сх конкретного автомобиля существенно зависит от наличия и расположения на автомобиле дополнительных устройств таких, как стеклоочистители, зеркала заднего вида, антенны, ручки дверей и т. и. Это представлено в таблице 4.4.

Таблица 4.4

Доли аэродинамического сопротивления отдельных конструктивных элементов на кузове

автомобиля

Дополнительный элемент на кузове

Доля коэффициента аэродинамического сопротивления ДС*

Наружное зеркало заднего вида

0,01-0,02

Антенна

0,002-0,004

Дверные ручки

0,001-0,002

Стеклоочистители

0,005-0,007

Кондиционер на крыше кабины автопоезда

0,016-0,021

Номерной знак

0,001-0,002

Водосточные желоба

0,015-0,017

Боковые поворотные фонари

0,002-0,003

Багажник на крыше легкового автомобиля

0,04-0,07

Флажок на капоте

0,008-0,015

С одной стороны эти устройства являются неотъемлемой частью автомобиля, без них автомобиль эксплуатироваться не может, но с другой - автомобили имеют разную комплектацию и разную конструкцию этих устройств.

В-третьих, между наружными панелями кузова имеются зазоры, которые вносят свои погрешности.

В-четвертых, набегающий поток воздуха проходит во внутренние объемы автомобиля, что, также, происходит по-разному в разных автомобилях.

Есть и другие причины возникновения погрешностей при определении коэффициента аэродинамического сопротивления воздуха Сх

Указанные погрешности позволяют автопроизводителям лукавить и в сравнении с конкурентами заявлять лучшие характеристики.

Для владельца автомобиля это не имеет принципиального значения, для него важны конечные потребительские свойства автомобиля, в первую очередь расход топлива.

Но при создании новой модели автомобиля это должно учитываться при проектировании и доводке автомобиля с целью получения более совершенных аэродинамических форм.

Для возможности сравнения аэродинамических характеристик автомобилей в одинаковых условиях необходимо проводить исследования в одной аэродинамической трубе или учитывать влияние трубы с помощью коэффициентов корреляции; автомобили не должны иметь дополнительных устройств, влияющих на сопротивление воздуха, зазоры между наружными панелями кузова должны заклеиваться, отверстия, по которым воздух проходит во внутренние объемы автомобиля, должны закрываться.

По такой методике исследовался, например, автомобиль АЗЛК-2141 в аэродинамической трубе фирмы РЕНО.

Коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха для этих условий составил: С*=0,34.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >