Роль аэродинамической трубы. Принимая во внимание то, что F1 присуще большие скорости, одной из основных дизайнерских областей является аэродинамика. Аэродинамическое строение болида может влиять на такие вещи как скорость, прижимная сила, и т.д., также, аэродинамика влияет и на износ шин, количество требуемого топлива и т.п. Большие команды, обычно, отводят 12,000 часов на тестирование в аэродинамической трубе в процессе разработок болида.
Создание масштабных деталей для тестов в аэродинамической трубе было бы очень долгим и дорогим, так что команды создают масштабную модель, идеальную по всем параметрам. Разные команды используют разные масштабы, McLaren, к примеру, имеют 40% трубу, Ferrari создают полу-масштабные модели. Если модель оказывается большой, то аэро поток будет искажен боковыми сторонами аэродинамической трубы, эти взаимодействия называют 'блокирущие факторы' и они, несомненно, искажают верные результаты. Модели обычно создаются из карбона с алюминивыми "примочками", такими как антикрылья, подвеска. Модели должны быть очень прочными, т.к. тунель создает сильное давление на эродинамические компоненты, и гибкие детали, в данном случае, будут искажать результаты. Команды создают 3 или 4 модели, с различными частями, изменяющимися в течение разработок.
Renault хочет строить аэродинамическую трубу. Команда Renault в скором времени планирует приступить к постройке второй аэродинамической трубы в Энстоне. Сейчас в распоряжении команды есть две аэродинамических трубы - собственная старая в Великобритании, и еще одна в Италии, которой Renault пользуется по соглашению с ее владельцем, компанией Fondmetal Technologies.
В будущем году французская команда надеется сделать серьезный шаг вперед в техническом плане. Подготовка к следующему сезону идет полным ходом. По планам Renault новое шасси и двигатель 2003 года будут готовы уже в начале декабря.
Концерн General Motors ввел в строй самую мощную на сегодняшний день аэродинамическую трубу неподалеку от Детройта (штате Мичиган).
|[pic] |[pic] |
Воздушный поток, достигающий скорости 240 км/ч, создает циклопических размеров (диаметр около 13 метров) вентилятор, который приводится в действие электродвигателем мощностью 4500 л.с. Впечатляющий поперечник трубы вовсе не означает, что продувать в ней GM собирается даже крупногабаритные грузовые автомобили. Согласно законам аэродинамического моделирования, воздушный поток, огибающий машину, должен быть достаточно объемным — чтобы избежать влияния стен, искажающих картину обтекания. Как и любой прибор такого рода, мичиганская новинка оборудована точнейшими «весами», замеряющими аэродинамическое сопротивления автомобиля в целом и его отдельных частей. При необходимости исследователи могут прибегнуть к классическому методу визуализации — струей дыма, которая наглядно иллюстрирует ход воздушных потоков.
На другом континенте, в Европе, готовят к пуску новейшую аэродинамическую трубы для команды «Формулы-1» Sauber. Проект стоимостью около 48 млн евро увенчается созданием агрегата, благодаря которому «конюшня» намерена довести до лучших аэродинамических кондиций новую модель своего болида С23 и разработать следующую — С24. В отличие от заокеанского сооружения, диаметр его рабочей части всего 9,4 м, зато воздух в ней разгоняется до вполне «формульной» скорости 300 км/ч. Продувать в потоке собираются как болиды в натуральную величину, так и модели, чей размер составляет 50% и 60% от габаритов реальной машины.
Специальная поворотная площадка позволит моделировать не только фронтальное обтекание автомобиля, но и под углом до 10 градусов. Как считают инженеры, чрезвычайно важна и возможность проверить на масштабных моделях аэродинамику сразу двух болидов, как бы несущихся по трассе в непосредственной близости друг от друга.
3.4. Вазовская труба.
Российский автопром обзавелся собственной полноразмерной АТ только в 1988 г. Труба была построена на Дмитровском автополигоне под Москвой.
[pic]
Рис 3.11 Дмитровский автополигон под Москвой.
До этого для продувки автомобилей использовались авиационные трубы, но они были не слишком приспособлены. Масштабные модели продувались на кафедре механики МГУ, а на заключительном этапе разработки полноразмерные образцы испытывались в ЦАГИ и на западных автомобильных фирмах Re-nault, Porsche и др.
Нет ничего необычного в том, что первым из российских автогигантов своим комплексом аэроклиматических исследований обзавелся АвтоВАЗ. Как было отмечено выше, вазовская труба является практически точной копией поршевской. Но все по порядку.
Оказывается, аэродинамикой на ВАЗе занимались практически с самого начала. Существовала даже масштабная модель «копейки» (ВАЗ-2101), которую испытывали в Казанском авиационном институте. Первые целенаправленные аэродинамические опыты ВАЗ начал проводить с 1978 г. на оборудовании ЦАГИ в Москве. Трубы там авиационные и для автомобилей не предназначены (например, там нет пола). Пришлось строить специальные устройства для испытаний моделей автомобилей.
Уже в ноябре 1979 г. была проведена первая продувка автомобиля ВАЗ- 2108 в натуральную величину. Бытует мнение, что «восьмерку» помогали строить специалисты Porsche. Это утверждение верно лишь отчасти – некоторые консультации были, но не больше.
С появлением проекта ВАЗ-2110 возникла острая необходимость в собственной АТ. Многие сотни экспериментов в ЦАГИ не давали практически ничего. Требовалась специальная автомобильная АТ. Окончательная базовая форма «десятки» была утверждена лишь в апреле 1987 г. И в июле 1987 г. после подготовки и многочисленных проверок макетов 1:4 третий вариант масштабной модели автомобиля был испытан в исследовательском центре Вайсах. Там же совместно с сотрудниками Porsche была проведена оптимизация моделей, затем макета масштабом 1:1 и, наконец, автомобиля в натуральную величину. Но этого было недостаточно.
Опыт работы на Porsche с особой яркостью выявил необходимость создания своей испытательной базы. И здесь громадную роль сыграл первый президент СССР Михаил Сергеевич Горбачев. Его визит на ВАЗ и знаменитый призыв «стать законодателями мод в автомобилестроении» сослужил хорошую службу. Вскоре после этих событий был проявлен интерес к проблемам ВАЗа, выделено финансирование, и работа закипела.
Все начиналось в 1987–1988 гг. Был объявлен конкурс на лучший проект научно-технического центра (НТЦ). Откликнулись многие. Первой была финская фирма «Финстрой», но в итоге победила другая финская компания – «Экке Грен», которая предложила более рациональное строительное решение и нашла партнеров по проектированию и строительству корпусов НТЦ.
Для создания комплекса была привлечена канадская фирма DSMA International Inc (именно эта фирма строила аэроклиматические комплексы Porsche и Volvo). Строительные работы начались в 1989 г. Основной корпус был построен уже в 1990 г. Потом начался экономический кризис, и проект несколько замедлился. В 1996 г. начался последний этап строительства. Шел монтаж основного технологического оборудования. Причем сложнейшие аэродинамические весы пришлось монтировать самостоятельно. АТ ВАЗа вступила в строй в 1996 г., и первым автомобилем, который был в ней испытан, стал ВАЗ-1119 «Калина».
Рис 3.12 Отечественные автомобили в трубе.
Сначала необходимо определить площадь поперечного сечения автомобиля или макета. От точности этих данных будет зависеть точность дальнейших расчетов аэродинамических нагрузок на автомобиль.
Стенд для измерения площади поперечного сечения спроектирован фирмой ISRA Systemtechnik GmbH и рассчитан на объекты с высотой и шириной не более 2,5х2,5 м. На стенде можно проводить измерение автомобилей и моделей с площадью поперечного сечения до 4 м2. Время измерения – не больше 30 мин., а точность стенда – 0,2%. Луч гелий-неонового (НеNe) лазера диаметром 250 мм создает практически абсолютно параллельный пучок. Лучом производится сканирование по периметру объекта. Данные, полученные камерами, находящимися за объектом, обрабатываются на компьютере, и вычисляется площадь. Далее можно приступить к испытаниям в аэродинамической трубе.
АТ ВАЗа – это труба замкнутого (геттингенского) типа с одним обратным каналом и рабочей частью, выполненной с перфорированными стенами и потолком. Труба позволяет производить испытания автомобилей и моделей с площадью поперечного сечения до 4 м2 (т. е. практически любые легковые, спортивные автомобили, некоторые микроавтобусы в натуральную величину и макеты больших автобусов и грузовиков в масштабе 1:2, 1:2,5). Кроме того, можно испытывать и другие объекты: макеты зданий, спортивный инвентарь, амуницию и т. д. В результате можно не только произвести необходимые замеры сил, действующих на объект, но и выработать определенные рекомендации по оптимизации поверхностей.
Вазовская АТ имеет ряд особенностей, позволяющих говорить о ней как об одной из лучших в мире. Звукоизоляция трубы очень качественная. И благодаря тому, что собственный шум трубы достаточно низкий и есть возможность демонтировать щелевые стены и потолок, появляется возможность проводить не только аэродинамические испытания, но и доводку автомобиля по аэродинамическому шуму.
Система отсоса пограничного слоя в рабочей части АТ, состоящая из базовой и распределенной систем, позволяет снизить толщину пограничного слоя до минимальных значений. Это позволяет добиться очень высокой точности измерений даже для автомобилей с низким клиренсом (менее 50 мм).
Сейчас в ряде западных компаний начинают осваивать измерительные стенды с движущимся полотном, имитирующим движение автомобиля по дороге. Но пока такие устройства проигрывают в точности неподвижным столам с отсосом пограничного слоя. О точности измерений говорит тот факт, что данные дорожных испытаний и показателей в вазовской трубе различаются не больше чем на 1%.
Система поддержания заданной температуры воздушного потока обеспечивает рабочую температуру воздушного потока в диапазоне +20-25ОС с точностью до 0,5ОС. Параметры АТ хоть и не являются рекордными, но впечатляют своими масштабами и возможностями. Максимальная скорость ветра в трубе – 60 м/с (216 км/ч). При этом площадь сечения рабочей части трубы – 22,3 м2. Вентилятор (если так можно сказать о машине мощностью 2300 кВт – одна тысячная Волжской ГЭС) диаметром 7,4 м состоит из 11 лопастей высотой 1,8 м и вращается с частотой 300 об/мин.
Эту сложную и ответственную часть создавали, что называется, всем миром: двигатель и системы управления от шведской фирмы ABB, металлоконструкция вентилятора финская, а лопасти германской фирмы «Гофман».
Сам процесс создания воздушного потока не так прост, как может показаться. Дело в том, что если бы можно было просто обдувать машину мощным вентилятором, то в таких сложных сооружениях не было бы необходимости. Воздушный поток должен быть не только сильный, но и ровный как по составу, так и по температуре. Поэтому после вентилятора он расширяется, проходит два поворота и упирается в сложную систему фильтров. Сначала поток проходит через одну детурбулизирующую сетку. Затем идет теплообменник, поддерживающий постоянную температуру воздуха. Следом расположен хонейкомб, состоящий из множества шестигранных сот и служащий для выравнивания потока и разбивания крупных вихрей. Последними воздух преодолевает еще три слоя детурбулизирующих сеток и уже ровным потоком «наваливается» на автомобиль. В итоге степень турбулентности не превышает 0,2%, что способствует высокой точности измерений.
Но сердцем всего комплекса являются весы. Это 6-компонентные аэродинамические весы фирмы Carl Schenk AG с прямым измерением нагрузок. Особенностью данного типа весов является то, что ориентация всех стержней, передающих нагрузку, идеально совпадает с осями координат, благодаря чему отсутствует взаимное влияние измеряемых компонент друг на друга. Рама весов напрямую не связана с землей.
Рис 3.13 Аэродинамические весы фирмы Carl Schenk AG
Контакт осуществляется через шесть чувствительных элементов – тензодатчиков. Три датчика измеряют вертикальную составляющую нагрузки и два момента сил, отдельно одна балка отвечает только за аэродинамическое сопротивление (поэтому достигается такая точность измерений), а еще две балки измеряют боковую силу и поворачивающий момент. То есть все три силы и три момента, действующие на объект испытаний, снимаются отдельно друг от друга. Точность таких весов – 0,1%. Поворотный стол весов позволяет вращать автомобиль на угол от –180 до +180 градусов для имитации бокового ветра или изменения направления ветра при испытаниях зданий и сооружений. Жаль только, что вес объекта ограничен лишь тремя тоннами. Но для нужд АвтоВАЗа этого вполне достаточно.
В подвале расположена модельная труба. На ее «плечи» ложится основная работа по доводке автомобилей еще на стадии проектирования. Основные испытуемые модели – это макеты будущих автомобилей в масштабе 1:4. Но самое большое достоинство этой трубы в том, что она является точной копией (также в масштабе 1:4) большой трубы. Вплоть до аэродинамических весов. Та же скорость 60 м/с, но вентилятор всего 220 кВт (в 10 раз меньше). То есть себестоимость работ в такой трубе значительно ниже. А учитывая, что при доводке макета приходится проводить не одну сотню продувок, экономия становится еще более значимой.
В результате всех испытаний разброс в точности измерений не больше 0,7–0,8%. А благодаря большой накопленной базе испытаний как малых и больших моделей, так и реальных автомобилей удается уже на ранней стадии проектирования, по анализу моделей предположить, какими будут характеристики реального автомобиля. Точность прогноза 2–3%.
А вот один интересный факт. Дело в том, что разные АТ могут давать различные данные. Для сравнения результатов используются перекрестные сравнительные тесты, когда одни автомобили испытываются в различных трубах. В результате определяются некоторые поправочные коэффициенты.
К примеру, для пересчета показателей АТ компании Mercedes в результате сравнительных испытаний выведен коэффициент 0,91. То есть Cx ВАЗ-2112 в АТ Mercedes был бы равен не 0,335, как у нас, а 0,305 (0,335*0,91). И наоборот, новый Mercedes E-класса с Cx = 0,26 (по данным производителя) в нашей трубе равняется примерно 0,286.
Использованные источники.
1. Физика учебник
2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика М: Наука, 1969.
3. Пэнкхёрст Р. и Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М., Изд-во иностр. лит-ры, 1954
4. Прикладная аэродинамика (под ред. Краснова) М: Из-во Высшая школа,
1974.
5. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей М: Мир 1969.
6. Попов С.Г. Измерение воздушных потоков. М.-Л., Гостехиздат, 1947.
7. Жаркова Г.М., Корнилов В.М., Лебига В.А., Миронов С.Г., Павлов А.А.
Методы и средства исследований течений в аэрогазодинамическом эксперименте. // Теплофизика и аэромеханика, т.4, №3, 1997, стр. 283-
294.
8. Магомаев А. Экология автомобиля: [Комплекс испытаний автомобилей]/А.
Магомаев. // Наука и жизнь. - 2002. - N 9. - С. 30-33.
9. Мурадов Б. Труба зовет //Формула 1 – 2004. февраль, С. 34-41., 10.
----------------------- Зона разряжения
Подъемная сила
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
