Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор проведенных ранее работ и поста новка задач исследования а
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование обтекания подднищевой зоны автомобиля 2.1
2.1. Математическая модель обтекания днища автомобиля.. 2.1
2.2. Влияние параметров днища и расположения кузова относительно дороги на аэродинамику подднищевой зоны 37
2.3. Методика расчета аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автомобиля
2.4. Расчетное определение аэродинамического сопротивления колес
2.5. Расчет параметров нижнего обтекателя моторного от сека автомобиля
2.6.Влияние типа аэродинамического экрана на обтекае мость подднищевой зоны 73
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования аэродинамики подднищевой зоны автомобиля 83
3.1. Результаты исследований масштабной модели в аэродинамической трубе 83
3.2. Результаты дорожных испытаний легкового автомобиля
ГЛАВА 4. Возможности повышения технических и экологических свойств автомобиля путем улучшения обтекаемости подднищевой
4.1. Повышение топливной экономичности и безопасности автомобиля
4.2. Снижение загрязняемости автомобиля
ГЛАВА 5. Методика и оборудование для проведения экспериментальных исследований
5.1. Методика модельных испытаний в аэродинамической трубе -
5.2. Методика дорожных испытаний легкового автомобиля .
Выводы и результаты иисследовании
Библиографический список
Приложение
- Влияние параметров днища и расположения кузова относительно дороги на аэродинамику подднищевой зоны
- Расчет параметров нижнего обтекателя моторного от сека автомобиля
- Снижение загрязняемости автомобиля
- Методика дорожных испытаний легкового автомобиля
Введение к работе
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к аэродинамике автомобиля. На сегодня насчитывается более двадцати сложных аэродинамических и аэроклиматических комплексов, которые стали неотъемлемой частью некоторых автомобильных фирм или научно-технических центров, занимающихся постройкой и доводкой автомобилей. Затраты на строительство таких комплексов и стоимость проведения исследований в них значительны. Так, например, стоимость аэродинамического комплекса на фирме ^Порше» составляет около 37 млн. немецких марок, а один час испытаний в аэродинамической трубе там обходится в 5 тыс.марок. Однако, несмотря на высокую стоимость, строительство подобных комплексов расширяется, поскольку сегодня автомобильная техника стала показателем технического уровня не только фирмы, но и государства в целом. Автомобильное оборудование базируется на сложной электронной технике, к разработке автомобиля привлекаются специалисты из различных областей науки и техники. Одним из важнейших направлений этой работы стало аэродинамическое проектирование автомобильного кузова, поскольку оптимизация его аэродинамических показателей позволяет существенно повысить топливную экономичность, динамические качества, производительность автомобиля, снизить загрязняемость и уровень шума. При этом достижение минимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх кузова не является единственной задачей аэродинамического проектирования автомобиля. В ходе его решается целый ряд важных задач, влияющих на технико-экономические и потребительские качества автомобиля.
Выполненная к настоящему времени тщательная, с точки зрения обтекаемости, отработка формы кузова современных легковых автомобилей практически исчерпала возможности улучшения их внешней аэродинамики. Поэтому ведется поиск дополнительных путей совершенствования аэродинамических свойств легковых автомобилей. Одним из них является малоизученное в автомобильной аэродинамике направление, связанное с исследованием и улучшением обтекаемости подднищевой зоны автомобиля, что является предметом рассмотрения данной работы.
По литературным данным аэродинамические потери в подднищевой зоне при высоких скоростях движения составляют 10-15 % от общего аэродинамического сопротивления легкового автомобиля. Наряду с ростом сопротивления движению, затрудненное протекание воздушного потока в подднищевой зоне приводит к увеличению действующей на автомобиль подъемной силы. Это отрицательно сказывается на его курсовой устойчивости и управляемости.
Совершенствование механизма обтекания подднищевой зоны позволит снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля и действующую на него подъемную силу, что обеспечит уменьшение расхода топлива, повышение его скоростных свойств и безопасности движения.
Влияние параметров днища и расположения кузова относительно дороги на аэродинамику подднищевой зоны
До настоящего времени сопротивлению трения автомобильного кузова уделялось очень мало внимания. Это объяснялось тем, что основную часть аэродинамического сопротивления выпускаемых автомобилей составляло сопротивление давления. Однако с развитием прогрессивных, обтекаемых форм кузова, и разработкой перспективных высокоскоростных автомобилей, обладающих малым аэродинамическим сопротивлением, главным образом за счет снижения сопротивления давления, сопротивление трения стало приобретать все большее значение, поскольку его уменьшение - дополнительный резерв улучшения обтекаемости. Это касается как наружной поверхности кузова, так и его днища.
При аэродинамической доводке современного скоростного автомобиля с обтекаемым кузовом большое внимание уделяется исследованию и оптимизации обтекания подднищевои зоны. Это связано с необходимостью дополнительного снижения аэродинамического сопротивления и действующей на автомобиль подъемной силы. Серийные автомобили имеют ступенчатое днище с многочисленными макронеровностями и значительным количеством находящихся вблизи него элементов ходовой части и трансмиссии. При этом, как правило, зона под двигателем не имеет днища. Такая сложная форма и шероховатая поверхность днища, где наблюдается значительное количество локальных отрывных течений, затрудняет расчет его сопротивления трения.
Днище перспективных обтекаемых автомобилей, в целях снижения аэродинамического сопротивления и подъемной силы, делается по возможности плоским. Процесс обтекания такого днища можно смоделировать, рас смотрев взаимодействие воздушного потока с плоской пластиной большого удлинения. Как известно, при течении воздушного потока вдоль плоской пластины на ней образуется утолщающийся к ее кормовой части пограничный слой. Структура и толщина пограничного слоя на днище зависят от его формы, шероховатости и протяженности. Образующийся на пластине пограничный слой по своей структуре может быть ламинарным или турбулентным, что определяется числом Рейнольдса.
Для расчета сопротивления трения плоского днища необходимо располагать законом распределения скоростей в пограничном слое. Для этого, введем, следуя Л.Прандтлю, следующее допущение: распределение скоростей в пограничном слое на пластине такое же как и в трубе. Небольшая разница в распределении скоростей потока в трубе и на пластине не играет особой роли, так как сопротивление трения определяется в основном интегралом импульса. Это подтверждается результатами выполненных М.Ханзеном [75] исследований, показавших, что степенной закон распределения скоростей, полученный для труб, при умеренных числах Рейнольдса довольно хорошо выполняется также в пограничном слое на пластине.
Исходя из принятого допущения, для оценки сопротивления пластины можно использовать степенной закон распределения скоростей и логарифмический.При степенном законе распределения скоростей величина коэффициента трения на пластине рассчитывается по формуле ;Область применения этого закона ограничена числами Рейнольдса R i , заключенными в пределах:в число которых входят числа Рейнольдса для легковых автомобилей.
Более сложный вид имеет формула для определения сопротивления пластины при логарифмическом законе распределения скоростей: где: A - виличина, зависящая от положения точки перехода ламинарной формы течения в пограничном слое в начале пластины в турбулентную. Этот закон определения сопротивления пластины применим для чисел Рейнольдса
Днище автомобиля имеет определенную шероховатость, которая проявляется по разному при ламинарном и турбулентном пограничном слое. Допустимой высотой шероховатости называется та предельная высота элементов шероховатости, которая при обтекании днища еще не вызывает увеличения сопротивления по сравнению с сопротивлением гладкой пластины. Понятие допустимой высоты шероховатости весьма важно с практической точки зрения, так как позволяет определить к какой степени гладкости днища скоростного автомобиля следует стремиться при его технологической обработке с целью уменьшения сопротивления трения. Значение допустимой величины шероховатости для плоской пластины может быть определено посредством следующей формулы:где кдоп - допустимая величина шероховатости.Откуда:Величина допустимой шероховатости плоского днища автомобиля при скорости движения 100 км/ч, рассчитанная по формуле (2.15) составляет: кдоп - 0,06 мм.
Таким образом, при движении автомобиля с плоским днищем на его поверхности образуется толстый пограничный слой, что уменьшает реальное проходное сечение подднищевой зоны автомобиля. При этом происходит торможение потока под автомобилейм и увеличивается давление на днище, что повышает аэродинамическое сопротивление и действующую на него
Расчет параметров нижнего обтекателя моторного от сека автомобиля
Как отмечалось выше, одной из причин повышенного аэродинамического сопротивления является торможение потока под автомобилем и возникающая при этом подъемная сила. Если увеличить скорость потока в под-днищевой зоне, то можно уменьшить подъемную силу. Одним из способов увеличения скорости потока является подача на днище высокоскоростной струи воздуха, например путем щелевого выброса его из подкапотного пространства. На рис. 2.16 показана схема протекания потока под моделью автомобиля при наличии выброса воздуха из подкапотного пространства в под-днищевую зону посредством установки специального нижнего обтекателя моторного отсека. Увеличение скорости Vnn потока в подднищевой зоне за счет энергии воздуха, выбрасываемого из подкапотного пространства в зоне 1-І меняет эпюру скоростей Удн в зоне П-П по сравнению с показанной на рис. 2.1 и 2.16 - вследствие сдува пограничного слоя с днища модели и экрана, скорость потока становится практически одинаковой по всей высоте h дорожного просвета модели.
Для определения оптимального проходного сечения отверстия нижнего обтекателя и степени снижения аэродинамических потерь модели автомобиля за счет выброса воздуха из подкапотного пространства в подднищевую зону, которая будет зависеть от скорости Vnn, определяемой в свою очередь проходным сечением этого отверстия, запишем уравнение Бернулли для сечения П-П, где имеет место установившаяся по высоте дорожного просвета скорость Уд„:Р Vl 12- скоростной напор под днищем модели автомобиля; fV p/2- скоростной напор над крышей модели; Рдн РкР- статическое давление на днище и крыше модели соответственно.
Величина действующей на модель подъемной силы Pz определяется по формуле:где Cz - коэффициент подъемной силы; р - плотность воздуха; FM - лобовая площадь модели; Vа- скорость невозмущенного потока. С другой стороны силу Pz можно определить следующим образом:где S„- рабочая площадь днища автомобиля без учета нижнего обтекателямоторного отсека.
Преобразовав уравнение (2.43) с учетом (2.41), получим:Для получение расчетной формулы по определению оптимального, с точки зрения снижения индуктивного сопротивления, сечения отверстия для выброса воздуха из подкапотного пространства необходимо провести всего один эксперимент и определить значения Схо и С2о при заданной длине 10 указанного отверстия.
Тогда, применяя уравнение (2.41) для двух различных выпускных отверстий с площадями сечений 10 Врдн и 1Ы В%н , где В рди - неизменная ширина отверстия; 1о и 1; - два значения его длины (исходное - при проведении предварительного эксперимента и искомое соответственно), получим: в С учетом зависимости (2.42), получаем формулу для определения коэффициента подъемной силы:
Опираясь на закон о равенстве расходов воздуха по длине подцнище-вого пространства, т.е. в передней (сечение 1-І) и средней (сечение П-П) его зонах, запишем следующее уравнение для определения скорости потока в подднищевой зоне:где 8 - толщина пограничного слоя на нижнем обтекателе моторного отсека и на экране под моделью, условно принятая одинаковой; h - расстояние от днища модели до экрана (дорожный просвет); Уд„п - скорость потока под передней частью модели; Vnn - скорость воздуха, выбрасываемого из подкапотного пространства через отверстие в нижнем обтекателе моторного отсека в поддни-щевую зону. Таким образом, для получения искомой скорости потока в подднищевой зоне VgHj необходимо знать величину скорости Vnn. Скорость вытекающего из подкапотного пространства воздуха зависит от площади выпускного отверстия, поэтому для двух отверстий с длиной 10и lj можно записать:
В результате, используя зависимости (2.47) и (2.48), получаем формулу для определения скорости УдНІ в общем виде:Подставив формулы (2.49) в (2.46) и проведя упрощения, получим итоговуюзависимость для определения коэффициента Cz, модели:При этом доля индуктивного сопротивления в общем аэродинамической сопротивлении модели может быть выражена в следующем виде: где Ьднр - рабочая длина днища модели.
Максимальное снижение коэффициента аэродинамического сопротивления модели за счет увеличения скорости протекания потока в подднищевои зоне будет иметь место при нулевой подъемной силе. Таким образом, приравняв в (2.50) нулю коэффициент CZj и проведя соответствующие преобразования, получим формулу для определения оптимальной длины выпускного отверстия в нижнем обтекателе моторного отсека, обеспечивающей максимальное снижение коэффициента Сх модели:
Степень относительного снижения коэффициента Сх автомобиля за счет установки нижнего обтекателя моторного отсека со щелевым выбросом воздуха из подкапотного пространства можно определять по следующей, полученной в результате проведенного теоретического исследования на основе разработанной математической модели обтекания подднищевои зоны, формуле:
Здесь Сх - исходное значение коэффициента аэродинамического сопротивления модели автомобиля без нижнего обтекателя моторного отсека.
На рис. 2.17 с использованием полученных формул (2.50), (2.51), (2.52) построена расчетная зависимость относительного приращения коэффициента аэродинамического сопротивления АСХ = (СХ-СХІ)/СХ от длины отверстиядля выброса воздуха из подкапотного пространства в подднищевую зону. Значения расчетных параметров принимались следующими:- площадь миделя модели: FM = 0,105 м2;- плотность воздуха: р = 1,25 Н с2/м4;- скорость натекающего воздушного потока: VOT= 30 м/с;
Снижение загрязняемости автомобиля
В настоящее время повышенное внимание уделяется вопросам безопасности охраны окружающей среды. При движении автомобильного транспорта наблюдается интенсивное загрязнение окружающей среды вредными выбросами, а также распылением грязеводяной суспензии, разбрасываемой колесами АТС. Одновременно загрязняются сами автомобили, их лобовые, боковые и задние стекла, наружные зеркала заднего вида, что снижает безопасность движения из-за ухудшения обзорности. В таблице 4.1 показано влияние ряда факторов на загрязняемость автомобиля. Видно, что основными факторами, определяющими интенсивность загрязнения являются: разность і давлений на крыше и днище автомобиля, тип и конструкция колес и шин, а также форма кормовой части кузова.
Предлагаемые в работе конструктивные мероприятия по улучшению обтекаемости подднищевой зоны способствуют заметному снижению давления на днище автомобиля, что в свою очередь уменьшает количество кольцевых вихрей вокруг кузова - от днища к его крыше и количество грязеводя-ной суспензии, загрязняющей автомобиль. Установка нижнего обтекателя моторного отсека в сочетании с отрицательным тангажом кузова обеспечивает увеличение скорости воздушного потока в подднищевой зоне, что уменьшает давление на днище, а следовательно загрязняемость автомобиля на 15-20 %.
Существенное внимание на загрязняемость оказывает форма кормовой части автомобиля в сочетании с характером течения воздушного потока в его подднищевой зоне. При неправильно, с точки зрения аэродинамики, выбранном угле наклона задней панели кормовая часть кузова интенсивно загрязняется, а за автомобилем образуется длинный спутный след, что является причиной загрязнения идущих следом автомобилей и прилегающей к шоссе местности. Это объясняется тем, что обтекающий крышу воздушный поток срывается с ее задней кромки, при этом образуется зона разрежения на всей длине задней панели кузова.
Правильный, с точки зрения обтекания кормовой части автомобиля, угол наклона задней панели, составляющий 10-20 от поверхности крыши, в сочетании с увеличивающей скорость вытекающего из подднищевой зоны воздушного потока диффузорностью задней части днища обеспечивают практически безотрывное стекание воздушного потока с крыши на заднюю стенку кузова и сведение к минимуму длины спутного следа. Следствием этого является значительное снижение загрязняемости задней части автомобиля и повышение безопасности, в том числе экологической.
Модельные исследования проводились в аэродинамической трубе А-6 НИИ механики МГУ. Аэродинамическая труба А-6 представляет собой установку замкнутого типа с открытой рабочей частью. Схема аэродинамической трубы показана на рис. 5.1 Длина рабочей части трубы равна 4,5 м. Площадь сопла эллиптической формы составляет 7,32 м . Степень поджатия сопла 5,09. Основным элементом трубы является шестилопастной вентилятор диаметром 4,4 м, вращаемый двигателем постоянного тока мощностью 2000 кВт. Максимальная скорость создаваемого им воздушного потока в рабочей части трубы достигает 100 м/с. Следует отметить высокое качество потока в рабочей части трубы:скосы потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях не превышают 0,25;продольная составляющая интенсивности начальной турбулентности потока не выше 0,2 %. Для измерения сил и моментов, действующих на испытуемую модель в воздушном потоке, труба оборудована шестикомпонентными аэродинамическими весами АВМ-2 с гибким ленточным подвесом. Модель крепится к подвесу в трех точках. Схема подвеса и конструкция весов выполнены так, что позволяют раздельно измерить три компоненты полной аэродинамической силы: лобовое сопротивление, подъемную силу, боковую силу и полного аэродинамического момента: момент рысканья, момент тангажа и опрокидывающий момент.
На ленточных 6-компонентных аэродинамических весах с гибкой подвеской установка модели в перевернутом виде осуществлялась в трех точках посредством закрепленных на ней державок - поперечной и продольной. Рис 5//.Схема дозвуковой аэродинамической труоы А-6 Института механики МГУсопло; 5 - турбулизирущиемодель; Ю- профилированнаядвигатель; 14- обратный канал; поворотными лопатками
Данный способ обычно применяют при круговой обдувке модели (по углу натекания потока /? ) или при испытаниях ее в большом диапазоне углов атаки а.
При такой установке две точки крепления расположены по бокам модели на одной линии, проходящей через метацентр модели. Третья точка находится позади модели в ее продольной плоскости симметрии (рис.5.2).
В качестве державок использовались цилиндрические штанги диаметром 20 мм. Штанги были изготовлены из специальной стали ЗОХГСА с последующей термообработкой. Обработка поверхности - по VI классу шероховатости. Концы штанг имели коническую форму с переходом на цилиндрические валики с резьбой на конце, служащие для соединения штанги с передними узлами подвески аэродинамических весов. На рис.5.3 показано крепление поперечной державки в корпусе модели.
Для определения поля скоростей и скосов потока, распределения интенсивности турбулентности в рабочей части и характеристик потока вблизи исследуемой модели труба оборудована телескопическим координатником, обеспечивающим перемещение насадков в ее рабочей части по всем координатным осям (X, Y, Z). На координатнике монтируются, в зависимости от типа аэродинамического эксперимента: а) шестиствольный пневмонасадок (для измерения скорости и скосов потока); б) гребенка полных напоров (для измерения поля скоростей); в) трубка Пито-Прандтля или Т-образный насадок (для измерения скорости потока в пограничном слое и в области отрывных течений); датчик термоанемометра «Disa» (для измерения скорости потока и интенсивности турбулентности, в томчисле в спутном следе).
Скорость потока в трубе А-6 замерялась весовым способом. Для этого в форкамере сопла был установлен приемник давлений, присоединенный к весовому элементу, измеряющему разность давлений в форкамере и атмосфере. При такой схеме скорость потока в рабочей части определяется по формуле:
Методика дорожных испытаний легкового автомобиля
Дорожные исследования аэродинамики подднищевой зоны проводились на автомобиле «Москвич»-2141 (рис.5.8).
При проведении дорожных испытаний характер обтекания подднищевой зоны автомобиля исследовался путем использования изготовленных из тонкостенных медных трубок с внутренним диаметром 1,2 мм «Т» - образных датчиков давлений, схема установки которых была показана на рис.3.15. Измерение полного и статического давлений в каждом «Т» - образном насадке, а также определение атмосферного давления производилось посредством установленного в салоне автомобиля батарейного манометра, измерительные трубки которого соединялись с каждым насадком посредством магистральных резиновых трубок. Установка батарейного манометра в салоне автомобиля показана на рис.5.9. Манометр был оборудован сканирующим клапаном, что позволяло вести последовательное измерение и фиксацию значений полного и статического давлений в каждой из 20-ти исследованных точек при движении автомобиля с различными скоростями.«Т» - образные датчики давлений позволяют одновременно измерить полное давление (РПОЛн) и статическое давление (Рст) в каждой из исследовавшихся точек. Наличие данных по полному и статическому давлению позволяет определить искомую скорость воздушного потока в заданной точке по формуле:Здесь: Vj - скорость воздушного потока в і-той точке;РПОЛНІ - полное давление перед «Т» - образным насадком (давление торможения) в і-той точке;PCTj - статическое давление в і-той точке;р - плотность воздуха в подкапотном пространстве и подднищевойзоне.
Поскольку плотность воздуха зависит от температуры воздуха, значение плотности воздуха в подкапотном пространстве (рпдк) принималось с где рпдк - плотность воздуха в подкапотном пространстве;
Ратм - атмосферное давление воздуха;tndK - температура воздуха в подкапотном пространстве;ро - плотность воздуха нормальной атмосферы (t = + 15).
В соответствии с разработанной методикой программа испытаний включала по 4 заезда автомобиля в каждой комплектации (без нижнего обтекателя и с обтекателем) при установившейся скорости 80 км/ч по ровному асфальтобетонному шоссе в сухую безветренную погоду при температуре воздуха + 19 с измерением посредством установленного в автомобиле батарейного манометра полного и статического давления в каждом из 20-ти «Т» -образных насадков. После статической обработки результатов испытаний был произведен пересчет и определены значения Vj скорости воздушного потока во всех исследованных точках.
Для определения расхода топлива автомобиля с нижним обтекателем моторного отсека использовался разработанный в ГНЦ РФ НАМИ высокоточный топливомер ТП -3 . 1. Разработаны математическая модель обтекания днища и алгоритм расчета аэродинамического сопротивления подднищевой зоны легкового автомобиля.2. Установлена зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления Сх от степени шероховатости днища, а также вертикального и углового расположения кузова автомобиля относительно поверхности дороги.3. Создана методика расчета аэродинамического сопротивления подднищевой зоны легкового автомобиля, которая может использоваться на стадии его проектирования.4. Получены расчетные формулы для определения аэродинамического сопротивления колес легкового автомобиля и оценки влияния на его величину их установочных параметров относительно кузова.5. Разработана методика расчета конструктивных и установочных параметров нижнего обтекателя моторного отсека. Установлено, что наибольшее снижение коэффициентов аэродинамического сопротивления Сх и подъемной силы С2 автомобиля, составляющее 3 % и 6 % соответственно, достигается при следующем соотношении длин отверстия для выброса воздуха и моторного отсека: 0,01 lm ILMO 0,02.6. Установлена степень влияния неподвижного экрана на результаты испытаний масштабной модели в аэродинамической трубе. Для повышения их точности при использовании неподвижного экрана полученные значения коэффициентов Сх и Сг следует увеличивать на 3 и 5 % соответственно.7. Улучшение обтекаемости подднищевой зоны путем применения плоского днища в сочетании с нижним обтекателем моторного отсека, установки кузова с отрицательным углом тангажа -1 и оптимальным дорожным просветом относительно дороги снижает аэродинамическое сопротивление автомобиля, его расход топлива и действующую на него подъемную силу на 9-10%, 3%и 12-15% соответственно.
