Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние рассматриваемого вопроса постановка задач исследования 9
Глава 2. Испытания масштабной модели автомобиля в аэродинамической трубе 28
2.1 .Описание экспериментальной установки 28
2.2. Методика проведения аэродинамического эксперимента 31
Глава 3. Исследование влияния формы и параметров кузова на обтекаемость автомобиля 40
3.1. Расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязь коэффициента Сх автомобиля с параметрами кузова , 40
3.2. Взаимосвязь формы и параметров кузова с аэродинамикой автомобиля 43
3.3. Возможности снижения Сх автомобиля путем оптимизации формы кузова 72
Глава 4. Совершенствование методики модельных аэродинамических испытаний 86
4.1.Требования к масштабным моделям автомобилей 86
4.2. Влияние факторов масштабного моделирования на аэродинамические характеристики автомобиля 99
4.3 Технико-экономическая эффективность использования модельных аэродинамических испытаний при проектировании автомобиля.. 110.
5. Основные выводы и результаты работы 118
6. Библиографический список 119
7. Приложение 134
- Методика проведения аэродинамического эксперимента
- Взаимосвязь формы и параметров кузова с аэродинамикой автомобиля
- Возможности снижения Сх автомобиля путем оптимизации формы кузова
- Влияние факторов масштабного моделирования на аэродинамические характеристики автомобиля
Введение к работе
Современный технический уровень производства открывает широкие перспективы для проектирования автомобиля. Технологии и, следовательно, возможности формообразования, оказывают непосредственное влияние на дизайнерское проектирование кузова.
Все большую актуальность приобретает сейчас проблема развития ме-
тодов художественного конструирования автомобиля.
Для успешной деятельности и развития современного промышленного предприятия его стратегия должна отвечать таким целям, как повышение конкурентоспособности продукции, сокращение сроков выхода продукции на рынок, уменьшение общих затрат на производство. Эволюция инженерных технологий привела к смене принципов проектирования высокотехнологичных промышленных изделий и взаимодействия специалистов, участвующих в этом процессе. Надо отметить, что тема, затрагивающая особенности дизайнерского проектирования в контексте производства, мало изучена.
На настоящий момент отсутствует единая методика создания и использования трехмерной электронной модели промышленного изделия. Помимо общих вопросов не выявлены способы и подходы к современному дизайнерскому проектированию, которое серьезно трансформировалось в связи с бурным развитием пакетов трехмерного моделирования. А ограниченный набор исследуемых в современных работах показателей практически никак не затрагивает вопросы влияния компьютерных средств моделирования на художественный облик проектируемых изделий. Так же не разработаны теоретические основы системы «дизайн-конструкция-технологичность».
Основной задачей автомобильного дизайна является повышение технического уровня и конкурентоспособности проектируемых автомобилей. При этом есть возможность непосредственного влияния на технический уровень и конкурентоспособность скоростных автотранспортных средств путем
совершенствования их аэродинамических свойств, достигаемого за счет от-
работки формы и параметров кузова в процессе художественного конструирования автомобиля.
Аэродинамика в значительной степени влияет на такие важные показатели автомобиля как: топливная экономичность, динамика, безопасность, производительность, экологичность, а также на уровень его потребительских качеств. Поскольку влияние аэродинамики проявляется при высоких скоростях движения, то основное внимание уделяется исследованию и улучшению аэродинамических характеристик скоростных автотранспортных средств.
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 исследования в них значительны. Так, например, стоимость аэродинамического комплекса на фирме «Порше» составляет около 19 млн. евро, а один час испытаний в аэродинамической трубе там обходится в 1500 евро. 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 автомобиля, основанное на системной оптимизации его аэродинамических свойств, позволяющей существенно повысить топливную экономичность, динамические качества, производительность автомобиля, снизить загрязняемость и уровень шума. При этом достижение минимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления не является единственной задачей аэродинамического проектирования автомобиля. В ходе его решается целый ряд важных
задач, влияющих на технико-экономические, потребительские и экологические качества автомобиля.
Наряду с экспериментальной аэродинамикой развиваются и совершенствуются расчетные методы определения аэродинамических характеристик автотранспортных средств с разработкой соответствующих алгоритмов и программ расчётной оптимизации их параметров обтекаемости. Разрабатываются новые методы определения и доводки аэродинамических характеристик автомобилей в дорожных условиях, когда обеспечивается полное геометрическое и кинематическое аэродинамическое подобие.
Исследованиями установлено, что снижение аэродинамического сопротивления на 4% обеспечивает уменьшение расхода топлива автотранспортным средством примерно на 1% [60]. Учитывая имеющуюся в настоящее время необходимость повышения уровня аэродинамических качеств отечественных легковых и грузовых автомобилей, а также автопоездов, можно ожидать, что совершенствование их позволит обеспечить снижение расхода топлива на 4-5%. При этом за счет разработки, постановки на производство и накопления в автомобильном парке страны автотранспортных средств со сниженным на 15-20% аэродинамическим сопротивлением ориентировочно может быть достигнута экономия топлива около 2 млн. т. [60].
Наряду с экономией топлива весьма остро стоит проблема повышения производительности автотранспортных средств, улучшения их аэродинамической устойчивости и управляемости, снижения уровня загрязнения и аэродинамического шума. Таким образом, вопросы исследования и совершенствования аэродинамики автотранспортных средств следует отнести к числу важных для нашей страны технико-экономических проблем.
Одним из основных направлений работ, обеспечивающих их решение являются экспериментальные исследования автотранспортных средств в аэродинамических трубах. При этом, учитывая необходимость достаточно быстрого повышения технического уровня и качества отечественной автомобильной продукции, что возможно при сокращении сроков исследований и
разработок в 3-4 раза с максимальным использованием стендового оборудования, возрастает роль модельных исследований, поскольку масштабное моделирование позволяет значительно интенсифицировать аэродинамические исследования, существенно уменьшить продолжительность и стоимость аэродинамического проектирования. Это подтверждается и мировой практикой, где при аэродинамическом проектировании первым обязательным и наиболее ответственным этапам являются модельные исследования. Если стоимость одного часа работы в большой зарубежной аэродинамической трубе составляет от 1000 до 1500 долларов, а стоимость одного поточного часа работы в большой трубе Т-104 ЦАГИ, в которой могут испытываться натурные автомобили, составляет 30000 руб., то стоимость одного часа работы на моделях в аэродинамической трубе А-6 Института механики МГУ составляет около 3000 руб. Таким образом, экономическая выгода от применения модельных аэродинамических исследований очевидна. Важно отметить, что если легковые и небольшие по габаритам грузовые автомобили и микроавтобусы можно испытывать в больших трубах в натуральную величину, то для тентовых грузовиков, магистральных автопоездов, особенно многозвенных, а также больших автобусов, имеющих значительные габаритные размеры, такой вид испытаний практически невозможен. Потому применительно к этим автотранспортным средствам, являющимся одним из основных потребителей жидкого топлива, модельные испытания в аэродинамических трубах служат основным видом экспериментальных исследований в процессе их аэродинамического проектирования.
Наряду с экспериментальной модельной аэродинамикой остро стоит вопрос о развитии и совершенствовании расчетных методов определения аэродинамических характеристик автотранспортных средств. Как известно применительно к отечественному автомобильному транспорту это направление аэродинамического проектирования проходит период развития. В этой связи также значительна роль модельных испытаний в малой аэродинамической трубе, поскольку в ней можно быстро и качественно смоделировать
процесс или вид обтекания той или иной зоны автомобиля и его кузова для последующего правильного математического описания взаимодействия потока с автомобилем. В трубе возможна также достаточно быстрая проверка правильности предлагаемых математических моделей по определению характера обтекания автомобиля воздушным потоком. При этом важно обеспечение получения высокоточных результатов трубного аэродинамического эксперимента.
Цель данной работы - расширение и уточнение банка данных для расчетного определения влияния геометрических параметров кузова на аэродинамику автомобиля и совершенствование методики модельных аэродинамических испытаний при проектировании автомобилей.
Методика проведения аэродинамического эксперимента
Установка модели в перевернутом виде на высокоточных аэродинамических весах с гибкой подвеской осуществлялась в трех точках посредством закрепленных на ней державок: поперечной и продольной (рис.2.2). данный способ применяют при круговой обдувке модели ( по углу набегания потока Р) 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. Третья точка находится позади модели в ее продольной плоскости симметрии. Точки крепления образовывали равнобедренный треугольник, основанием которого являлась поперечная база Ly равная 800 мм. Высота этого треугольника- продольная база Lx, равная 700 мм. Выбор поперечных и продольных баз определялся как конструктивными особенностями модели, так и требованиями наименьших деформаций в воздушном потоке.
В качестве державок использовались цилиндрические штанг диаметром 20 мм, которые были изготовлены из специальной стали 30ХГСА с последующей термообработкой и полировкой поверхности. Концы штанг имели коническую форму с переходом на цилиндрические валики с резьбой на конце, служащие для их соединения с передними узлами подвески аэродинамических весов. При круговой обдувке модели в аэродинамической трубе следует учитывать, что малые диаметры валиков (4 мм) ограничивают предельно допустимые нагрузки от массы модели и от действующих на нее аэродинамических сил. В связи с этим при испытаниях моделей в небольшом диапазоне углов атаки (а -5-н-10), а также при больших аэродинамических нагрузках применяются цилиндрические штанги со специальными узлами крепления. На рис. 2.3 показано крепление державок в корпусе модели.
Поперечную цилиндрическую штангу устанавливали на расстоянии от носовой части модели,, равном примерно 1/3 ее длины, таким образом, чтобы ось штанги располагалась перпендикулярно центральной продольной плоскости симметрии и выходила бы из модели под прямым углом к ее поверхности. Выбор места установки штанги должен быть согласован с местом крепления задней державки при соблюдении продольной базы. Для этого на модели размечают место под отверстие для задней штанги, которая должна располагаться строго в центральной продольной плоскости симметрии. Задняя продольная штанга крепится аналогично поперечной, с которой она свинчивается после установки в корпус модели. Вслед за разметкой производится сквозное сверление модели под поперечную штангу и частичное под продольную. Отверстия под штанги делаются с диаметром, большим диаметра штанги на 1.5-2 мм. Сверление модели производится с обеих сторон в несколько приемов с постепенным приближением к заданной величине отверстия ( в три-четыре приема), просверленное сквозное отверстие под штангу на выходе из модели дополнительно расширялось для размещения в нем с левого борта модели шайбы, с правого втулки, скрепляющей штангу с моделью. Диаметр гнезд должен превышать диаметр шайбы и втулки на 1.5-2 мм. Для повышения точности измерений испытания проводились с применением подвижного аэродинамического экрана, установленном на штатном деревянном экране. На рис 2.4 показана схема установки подвижного аэродинамического экрана в трубе А-6. Движение дороги относительно модели автомобиля имитировалось посредством изготовленной из полотна бесконечно бегущей ленты, опоясывающей штатный деревянный экран трубы. Длина рабочей части ленты составляла 4260 мм, а ширина 500 мм. Лента была установлена на направляющих, которыми служили конусные барабаны диаметром 180 мм. Лента приводилась в движение от электродвигателя постоянного тока мощностью 50 кВт с максимальным числом оборотов 2800 мин"1.
Вращение ленты от двигателя осуществлялось посредствам клиноре-менной передачи. Электродвигатель устанавливался сбоку на деревянном ране- вне рабочей зоны подвижной ленты. Для предотвращения вертикального биения ленты были установлены профилированные направляющие. Пункт управления электродвигателем обеспечивал плавное изменения его числа оборотов и скорости движения ленты. Определение и изменение скорости движения ленты при проведении экспериментов осуществлялось на основании тарировки: по числу оборотов ведущего барабана и напряжению тока, подаваемого на электродвигатель.
Взаимосвязь формы и параметров кузова с аэродинамикой автомобиля
Тип и форма кузова оказывают решающее влияние на аэродинамические свойства автомобиля. Среди современных легковых автомобилей наиболее распространены трехобъемные кузова типа «седан» и двухобъемные типа «универсал» и «хэтчбек». Наблюдается тенденция к применению кузовов монообъемной формы или приближающихся к ней. Это объясняется компоновочными соображениями, а также заметным улучшением обтекаемости автомобиля, оборудованного монообъемным кузовом. Возможное снижение аэродинамического сопротивления автомобиля с монообъемным кузовом за счет наличия сплошной лобовой панели (без излома между крышкой капота и лобовым стеклом) составляет 5-6 %.
Влияние формы носовой части кузова. Носовая часть кузова формирует характер обтекания автомобиля в целом и совместно с кормовой частью определяет величину основной составляющей его аэродинамического сопротивления - профильного сопротивления формы.
К числу параметров, определяющих степень влияния формы носовой части на характер обтекания и аэродинамическое сопротивление автомобиля, следует отнести: форму и исполнение переднего бампера и колесного «фартука» под ним, угол наклона облицовки радиатора, радиусы закругления фронтальных кромок капота и кузова, углы наклона лобового стекла. Для обеспечения безотрывного обтекания при переходе с лобовой панели облицовки радиатора на крышку и боковые стенки капота необходимо оптимизировать угол наклона радиатора 5 и радиусы закругления фронтальных кромок капота и кузова RkB, RiA Rk3Bj Rb Для решения этой задачи можно использовать математические зависимости, представленные в таблице 3.1.
Нашими исследованиями установлено, что оптимальные углы наклона облицовки радиатора составляют: 8 8 12. Однако окончательный выбор оптимальных значений угла наклона облицовки радиатора и радиусов закруглений фронтальных кромок капота и кузова должен проводиться по результатам аэродинамических испытаний с учетом дизайна и стиля проектируемого автомобиля.
Влияние углов наклона крышки капота и лобового стекла. В сочетании с формой носовой части угол наклона крыши капота и лобового стекла в значительной степени определяют характер обтекания передней части автомобиля, а следовательно, и величину его аэродинамического сопротивления. Для обеспечения наименьшего аэродинамического сопротивления лобовой части автомобиля необходимо выполнение условия безотрывного обтекания по всему контуру его носовой части: облицовке радиатора, крышке капота, лобовому стеклу, включая зону перехода в крышу. В предельном случае это достигается наличием сплошной (без изломов) образующей крышки капота и лобового стекла и увеличением наполненности этой поверхности в сочетании с оптимизированными радиусами перехода в крышку капота и боковые поверхности панели облицовки радиатора и угла ее наклона. Возможно снижение аэродинамического сопротивления автомобиля на 5-6% за счет наличия сплошной лобовой панели (без излома между крышкой капота и лобовым стеклом).
Влияние формы крыши. Форма крыши в сочетании с радиусом перехода в нее лобового стекла и углом его наклона влияет на характер и величину отрывных течений и действующих на крышу нормальных давлений. При отработке формы крыши автомобиля весьма важно правильно выбрать относительное положение максимума высоты крыши по длине кузова и высоту задней кромки крыши. Оптимизация положения максимума высоты крыши по ее длине обеспечивает снижение коэффициента Сх на 12-15%. Это объясняется тем, что, в отличие от плоской, при движении воздушного потока по выпуклой наполненной крыше с оптимизированным расположением максимума ее высоты по длине в сочетании с правильно выбранным углом наклона лобового стекла и радиусам его перехода в крышу создаются предпосылки для безотрывного обтекания этой зоны кузова автомобиля. На рис. 3.2 приведены результаты экспериментальных исследований крупномасштабной модели легкового автомобиля с кузовом «универсал», у которой изменилось расположение максимума высоты крыши по ее длине , Видно, что наибольшее снижение коэффициента Сх модели наблюдается при расположении максимума высоты крыши. На расстоянии 0,7Lkp от ее начала. При этом наибольшее снижение коэффициента Cz имеет место при расположении максимума высоты крыши на расстоянии 0,3Lkp.
Заметное влияние на изменение коэффициента Сх и Cz модели оказывает диффузорность кормовой части днища. При этом наибольшее снижение коэффициента Сх происходит при углах диффузора 4 и 7, а коэффициент Cz при углах 7 и 4. По нашим данным расположение максимума высоты крыши по ее длине зависит от типа и формы кузова.
Для трехобъемных кузовов типа «седан» оптимальным является расположение максимума высоты крыши на расстоянии 0,5Lkp от ее начала. Для двухобъемных кузовов типа «универсал» оптимальным может быть расположение максимума высоты крыши на расстоянии 0,7Lkp от ее начала. Для двухобъемных кузовов типа «хэтчбек» оптимальным можно считать расположение максимума высоты крыши на расстояние 0,3 Lkp при монообъемном передке и 0,7Lkp при ступенчатом передке.
Однако максимум высоты крыши может быть перемещен при компоновке кузова для улучшения входа и выхода водителя и пассажиров.
Существенное влияние на аэродинамическое сопротивление автомобиля оказывает высота задней кромки крыши. Экспериментальными исследованиями установлено, что применительно к кузову типа «универсал» опускание верхней кромки крыши модели автомобиля на 25мм (для натурного автомобиля на 100мм) снижает коэффициент Сх на 7-9% в сравнении с плоскопараллельной крышей.
Возможности снижения Сх автомобиля путем оптимизации формы кузова
В дополнении к проведенным исследованиям было проведено аэродинамическое проектирование легкового автомобиля с целью получения минимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх . В процессе аэродинамической оптимизации использовалось компьютерное моделирование, разработанные аналитические зависимости и испытания корковых масштабных моделей в аэродинамической трубе А-6 НИИ Механики МГУ.
В качестве базовой была использована модель серийного легкового автомобиля с 2х объемным кузовом «хэтчбек». Путем указанных исследований она была реконструирована в автомобили с кузовами «универсал» и «фаст-бек».
Исследования проводились на масштабных (М 1:4) моделях автомобилей, в форму которых предварительно вводились конструктивные изменения, направленные на улучшение аэродинамических характеристик. Использование разработанной методики аэродинамического проектиро-вания и метода последовательной аэродинамической оптимизации моделей позволило в сжатые сроки провести большой объем параметрических исследований с внесением значительных изменений в их форму и существенно снизить аэродинамическое сопротивление создаваемых перспективных автомобилей. На первом этапе были проведены исследования по переходу от кузова «хэтчбек» к кузову «универсал». В таблице 3.3 представлены варьировавшиеся элементы кузова в процессе изменения его формы, а также условные обозначения этих элементов и вариантов вносившихся изменений. В таблице 3.4 показано достигаемое за счет вносившихся изменений в форму кузова снижение коэффициента Сх. На рис. 3.5 и 3.6 приведены экспериментальные зависимости коэффициентов Сх и Cz модели с вносившимися, согласно таблице 3.4, изменениям в форму кузова от угла натекания воздушного потока. Исходная (до аэродинамической доводки) модель автомобиля с кузовом «универсал» имела всего на 3% меньше коэффициент Сх, чем с кузовом «хэтчбек». Применение плоского днища, увеличение радиусов скруглення верхней и боковых передних кромок капота, понижение задней кромки крыши с одновременным увеличением угла наклона лобового стекла позволили снизить аэродинамическое сопротивление модели с кузовом «универсал» на 4,2; 3; 3.6; 2,5 % соответственно.
Наибольшее снижение аэродинамического сопротивления этой модели, составившее 7%, достигнуто за счет комплекса следующих мероприятий: применения опущенного переднего бампера обтекаемой конфигурации, заднего поддона в форме диффузора, обтекателей задних колес и элементов системы выпуска. В целом в ходе аэродинамической доводки модели с кузовом «универсал» ее аэродинамическое сопротивление по сравнению с моделью базового автомобиля было снижено на 20% с доведением значения коэффициента Сх до величины Сх=0,287. Наряду со снижением аэродинамического сопротивления, введение указанных конструктивных мероприятий позволило значительно уменьшить величину коэффициента подъемной силы модели, о чем свидетельствуют данные, приведенные на рис. 3.6 . Следующим этапом аэродинамического проектирования была отработка формы и аэродинамических характеристик модели автомобиля с кузовом «фастбек» с использованием в качестве базовой также модели серийного автомобиля с кузовом «хэтчбек». В табл. 3.5 показаны изменения конфигурации кузова в процессе этого аэродинамического проектирования, а также получавшиеся при этом снижение коэффициента Сх.. В форму кузова вносились следующие изменения: перекрытия плоскими панелями передней и задней частей днища, были увеличины радиусы закругления фронтальных кромок кузова, заужена его кормовая часть в плане. Кроме того было исследовано влияние на коэффициент Сх модели автомобиля установки заднего спойлера. На рис. 3.7 показаны-зависимости коэффициента Сх. модели автомобиля с кузовом «фастбек» различной конфигурации от угла натекания воздушного потока. Наибольшее снижение аэродинамического сопротивления модели автомобиля с кузовом «фастбек» достигнуто за счет следующих конструктивных мероприятий: применение плоского днища - 6,7%; увеличения радиусов скруглення носовой части модели - 7.3%: сужения кормовой части кузова в плане - 5.6%. Установлена возможность дополнительного снижения аэродинамического сопротивления модели за счет установки заднего спойлера -4.8%. Проведенные оптимизации аэродинамического исследования позволили снизить аэродинамическое сопротивление модели автомобиля с кузовом «фастбек» более чем на 28% по сравнению с исходной и довести значение ее коэффициента Сх=0,236. Для определения возможностей дальнейшего снижения аэродинамического сопротивления легковых автомобилей были испытаны модели с кузовами обтекаемой формы. В ходе аэродинамической доводки и испытаний в аэродинамической трубе коэффициент аэродинамического сопротивления второй масштабной модели был доведен до величины Сх= 0,170. Это было достигнуто (см. таблицу 3.6) за счет следующих конструктивных мероприятий: окончательной доводки формы носовой части; оптимизации днища; некоторым увеличением, в пределах заданной в ТЗ, длины модели; доработка формы крыши и боковин путем их заужения к задней части кузова; введение отрицательного тангажа. Особое внимание в этом цикле испытаний было уделено отработке днища и оптимизации протекания потока в подднищевой зоне. По результатам модельных исследований были отработаны также показатели аэродинамической устойчивости и управляемости автомобиля. Так коэффициент подъемной силы модели составил Cz= -0,05. Для отработки формы перспективных обтекаемых автомобилей были испытаны две корковых модели улучшенной обтекаемости. На рис.3.8 показана установка модели автомобиля с обтекаемым кузовом в рабочей части аэродинамической трубы А-6 НИИ Механики МГУ. Первая модель представляла собой сопряжение нескольких гладких усеченных тел вращения и в целом была близка к торпедообразной форме. Днище носовой части имело конфузорную форму с углом полураскрытия, равным 20. Колеса полуутоплены в обтекатели каплевидной формы. Кормовая часть имеет форму усеченного конуса. Для данной модели значение коэффициента аэродинамического сопротивления составило Сх=0,153.
Влияние факторов масштабного моделирования на аэродинамические характеристики автомобиля
В процессе испытаний масштабных моделей автомобилей сказывается влияние модельных факторов, что приводит к искажению результатов аэродинамических исследований. При испытаниях масштабных моделей в малых трубах не имитируется целый ряд факторов, типичных при испытаниях натурных образцов автомобилей на дороге: перетекание воздуха в подкапотном пространстве и системах вентиляции и отопления кузова, мелкие конструктивные элементы на кузове, относительное движение «земли», вращение колес, а также не учитывается влияние степени турбулентности потока в придонных слоях атмосферы. Кроме того, на результаты модельных исследований оказывает влияние масштабный фактор. В итоге величина аэродинамического сопротивления масштабной модели, определяемая в трубе, существенно меньше таковой, полученной при дорожных испытаниях натурного автомобиля. В таблице 4.2. показана степень имитации различных факторов при трубных испытаниях моделей и натурных автомобилей в сравнении с дорожными испытаниями, когда имеет место их полное воспроизведение.
Там же, приведен в процентах удельный вес каждого несмоделирован-ного фактора уменьшающего значение коэффициента аэродинамического сопротивления натурного автомобиля.
Заметное влияние на величину коэффициента Сх оказывает масштабный эффект. Одной из причин его проявления является неполное моделирование мелких конструктивных элементов на кузове, а в случае их моделирования невозможность достижения - из-за их критического числа Рейнольдса при опытах в трубе, зоны «автомодельности», что приводит к завышению значений их коэффициента Сх.
Величина масштабного эффекта зависит также от степени погружения модели в пограничный слой, образующейся на экране аэродинамической трубы. Чем меньше размер модели, тем сильнее влияние пограничного слоя на ее характеристики из-за отсутствия кинематического подобия с натурным автомобилем в части механизма обтекания подднищевой зоны. В целом, удельный вес масштабного эффекта при пересчете аэродинамического сопротивления на натурный автомобиль в зависимости от масштаба модели составляет от 3% до 8%. Поэтому для уменьшения влияния масштабного эффекта целесообразно проведение трубных испытаний по возможности моделей больших размеров, например, при площади рабочей части трубы Fp4. = 7 м2, модели легковых автомобилей могут быть выполнены в масштабах:: 1:4 Мл 1:2,5 (рис.4.2)
Влияние на обтекаемость автомобиля дополнительных конструктивных элементов на кузове учитывается путем прибавления относительных аэродинамических коэффициентов, полученных при испытаниях их натурных образцов при соответствующих числах Рейнольдса к коэффициенту Сх автомобиля.
Поскольку в реальных условиях автомобиль движется в транспортном потоке, он обтекается турбулентными воздушными потоками, поэтому для точного определения коэффициента Сх его модели следует имитировать этот фактор путем установки на сопло трубы специальных сеток. При испытаниях масштабной модели и натурного автомобиля в малой и большой аэродинамических трубах в сравнении с дорожными исследованиями существенно меняется характер протекания потока в подднищевой зоне и, как правило, отсутствует вращение колес. Это вызвано конструктивными особенностями труб, для которых характерно наличие неподвижного аэродинамического экрана (пола) и образующегося на нем значительного по высоте пограничного слоя.
Зона турбулентного пограничного слоя, толщина которого от неподвижного экрана или пола трубы достигает 30 и 100 мм соответственно. Таким образом, большая часть подднищевой зоны исследуемых в малых и больших трубах масштабной модели и натурного автомобиля находится в пограничном слое, что сказывается на результатах испытаний. Сопоставление результатов модельных и натурных трубных испытаний с результатами дорожных испытаний однотипных автомобилей показывает, что воздействие отмеченных выше двух факторов: погружение подднищевой зоны модели или автомобиля в пограничный слой на экране или полу трубы и отсутствие вращения колес, занижает действительное значение коэффициента Сх на 10- -15% в зависимости от конструкции трубы и типа автомобиля. Для устранения этого недостатка следует применять подвижный аэродинамический экран в виде «бегущей ленты».
Для получения достоверных данных модельные аэродинамические испытания должны проводиться по условиям загромождения рабочей части трубы с соблюдением следующего критерия [7]: где: FM , Fp4T - площади поперечного сечения модели и рабочей части трубы.
Только при этом условии практически отсутствует влияние границ рабочей части трубы на аэродинамические характеристики масштабной модели. В процессе испытаний в аэродинамической трубе с большим загромождением ее рабочей части модель перекрывает значительную часть поперечного сечения рабочей части трубы. При этом происходит изменение скорости потока в рабочей части трубы, в зависимости от ее типа: либо ускорение, либо местное приторможивание потока. Это очевидное следствие из одномерного уравнения неразрывности течения потока вдоль трубы. Так для трубы с закрытой рабочей частью воздушный поток в ней оказывается стесненным и обтекает модель с большей скоростью, чем это имеет место при неограниченном течении потока. Поскольку скорость потока в следе за моделью меньше скорости свободно натекающего потока, то величина его скорости вне спутной струи становится больше. Это приводит к увеличению скорости потока за моделью - в проходящих через нее продольных сечениях. При испытаниях модели с большим загромождением в трубе с открытой рабочей частью или с камерой Эйфеля воздушный поток подтормаживается и обтекает модель со скоростью, меньшей, чем скорость свободно натекающего потока. Как следствие отмеченных особенностей обтекания моделей при большом загромождении трубы является возмущение потока и изменение его основных параметров по всему объему рабочей части трубы, а не только в непосредственной близости от модели. При этом основной структурой потока является втянутый за моделью (макетом) замкнутый воздушный «пузырь», ограниченный струйной поверхностью, сходящейся к кормовому обводу модели. В связи с изложенным результаты испытаний модели со сверхнормативным загромождением рабочей части трубы - из-за влияния границ рабочей части и спутного следа за моде- лью оказываются либо заниженными (для труб с закрытой рабочей частью), либо завышенными (для труб с открытой рабочей частью или камерой Эйфеля) по сравнению с истинными, что сказывается на результатах испытаний.
Для учета влияния повышенного загромождения рабочей части трубы при испытаниях в ней крупномасштабных моделей можно использовать представленную в работе [65] методику учета влияния загромождения рабочей части трубы на аэродинамическое сопротивление автомобиля. В процессе проектирования автомобиля важно располагать натурными значениями коэффициента Сх для предварительной расчетной оценки его аэродинамических свойств, топливной экономичности, тягово-скоростных качеств, что определяется возможностью обоснованного переноса результатов модельных испытаний на натурный прототип.
