CC BY
427
УДК 533.682
Р. Р. ЖАМАЛОВ, Е. В. КОРОЛЕВ, А. И. КОТИН
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ КАК ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Ключевые слова: воздух, поток, критерии, подобие, натура, масштаб, аэродинамика, труба, тип, параметры, испытание, сходимость, условие, устройство.
Аннотация. Рассмотрено общее устройство аэродинамических труб, их типы. Приведены технические показатели аэродинамических труб для нужд автостроения.
Аэродинамические показатели автомобиля определяют либо дорожными испытаниями, либо экспериментом в аэродинамической трубе. Расчетных методов с высокой точностью в настоящее время не существует. Этому есть простое объяснение - внешняя форма кузова легкового автомобиля очень сложна и не поддается математическому описанию. К тому же теоретическая аэродинамика автомобиля находится в зачаточном положении. Известные расчетные методики получены эмпирическим путем.
Их можно использовать для автомобилей, имеющих конкретные габаритные размеры и ограничения геометрических параметров формы. Дорожные испытания предполагают наличие натурного объекта, что препятствует использование их на ранней стадии проектирования автомобиля. Существуют различные методики проведения дорожных испытаний, но, тем не менее, именно в ходе эксперимента в аэродинамических трубах определяют полную аэродинамическую характеристику проектируемого автомобиля или серийного. В ходе дорожных испытаний невозможно получить полную аэродинамическую характеристику, включающую шесть компонентов - три безразмерных коэффициента сил и три коэффициента моментов. Проведение дорожных испытаний требует дорогостоящего оборудования и длительного времени. Влияние погодных условий снижает достоверность получен-
© Жамалов Р. Р., Королев Е. В., Котин А. И.
ных результатов. Плюсом дорожных испытаний является то, что результаты получены в реальных условиях, когда есть движение автомобиля относительно неподвижной опорной поверхности и неподвижного воздуха. В трубном эксперименте объект исследований неподвижен, как и опорная поверхность, имитирующая полотно дороги. Обращенное движение воздуха дает практически полное тождество обтекания автомобиля в реальных условиях [1]. Удобнее проводить опыты с неподвижным объектом. Степень достоверности полученных результатов зависит от соблюдения критериев подобия - геометрического, кинематического и числа Рейнольдса. Трубный эксперимент позволяет определить направление изменений внешней формы при работе с масштабными моделями уже на ранней стадии проектирования. Применение масштабных моделей оправдано на стадии поиска перспективной формы автомобиля. На моделях малых масштабов трудно воспроизвести в полном объеме форму автомобиля с имитацией поддни-щевой зоны, водоотводящих желобков, дверных ручек, системы охлаждения и т.д. На более поздней стадии в аэродинамическом эксперименте участвуют полномасштабные модели и натурные образцы автомобилей. Такой эксперимент требует больших финансовых и временных затрат.
Аэродинамическая труба является инструментом для исследователя, позволяющим получать результаты взаимодействия движущегося равномерного воздушного потока и находящегося в нем твердого тела. Движение воздушного потока создается работой вентилятора, имеющего привод от электромотора. Аэродинамические трубы для нужд автомобилестроения относят к классу низкоскоростных. Существует несколько типов [2] аэродинамических труб (рис. 1) - прямоточные и с закрытым контуром (замкнутая труба). Место, где установлен испытуемый объект, называется рабочей частью трубы. Рабочая часть может быть открытой (воздушный поток не ограничен жесткими стенками), закрытой (ограничение стенками) и с щелевыми стенками. Преимуществом открытой рабочей части является свободный доступ к исследуемому объекту, приборам. Объект, помещенный в рабочей части создает так называемое загромождение. Чем меньше загромождение, тем выше достоверность результатов испытаний. С увеличением степени загромождения скорость воздушного потока, обтекающего объект, превышает тарированную и поэтому в результаты требуется введение поправок. Обычно степень загромождения в автомобильных трубах не превышает 5...6 %. В каждой аэродинамической трубе в результаты испытаний вводят различные поправки, учитывающие
загромождение поперечного сечения рабочей части, ее тип, форму. Основным требованием к аэродинамической трубе является создание качественного потока. Так, например, поле скоростей в рабочей части должно быть постоянным в каждом ее сечении, градиент статического давления там же должен отсутствовать по всей длине. Показателем качества воздушного потока является его начальная турбулентность в рабочей части трубы. Степень турбулентности выражается в процентах и равна отношению средней квадратичной величине пульсацион-ной скорости к значению скорости потока. В аэродинамических трубах степень турбулентности определяют продувкой шара при разных скоростях или при одной скорости шаров разных диаметров.
Условно каждая аэродинамическая труба имеет четыре части [3].
Коллектор (конфузор) расположен перед рабочей частью. В коллекторе воздушный поток разгоняется до необходимой скорости. Площадь коллектора по величине больше площади поперечного сечения рабочей части трубы, что определяет степень поджатия. В коллекторе размещается хонейкомб, назначение которого состоит в уменьшении турбулентности и обеспечение равномерности воздушного потока. Турбулентность не должна превышать 1 %. В рабочей части трубы установлены весы, как правило, шестикомпонентные. Ветровая нагрузка, действующая на модель или автомобиль, фиксируется весами. Объект испытанийимеет возможность установки или соосно рабочей части или под необходимым углом. Поддерживающие объект элементы оказывают влияние на воздушный поток и в трубах это учитывают. Чувствительность весов в современных трубах очень высока. При массе автомобиля около тонны весы фиксируют изменение нагрузки в десять граммов! За рабочей частью следует диффузор. В диффузоре происходит превращение кинетической энергии на выходе из рабочей части в энергию давления. Движение воздушного потока обеспечивает агрегат привода, включающий электродвигатель и вентилятор (винт). Вентилятор должен быть тщательно отбалансирован. Перед вентилятором устанавливают предохранительную сетку.
Технические данные аэродинамических труб, используемые для испытаний автомобилей приведены в таблице. Часть труб предназначены для продувок масштабных моделей автомобилей. Распространенными являются следующие масштабы - 1:4, 1:5, 3:8. В аэродинамических трубах, используемых для экспериментов с болидами формулы 1, масштаб объектов по международным правилам не должен превышать 1:2. В данной статье такие трубы не рассматриваются.
Не редкостью является тот факт, когда для автомобиля в разных источниках приводятся величины коэффициента лобового сопротивления, значительно отличающиеся друг от друга. Объясняется это не только приукрашиванием качеств новых легковых автомобилей производителями, но и рядом технических причин. К примеру, величина аэродинамического сопротивления зависит от параметров положения, комплектации автомобиля, степени загрузки и т.п. При публикации сведений по аэродинамике легкового автомобиля производитель не дает ссылок на подобную информацию. По договоренности ряда ведущих автопроизводителей и владельцев автомобильных аэродинамических труб (Volkswagen, Daimler - Benz, Fiat, Pininfarina, MJRA) с соблюдением равных требований к условиям испытаний был продут один и тот же объект [4].
Эксперимент показал хорошую сходимость результатов при соблюдении равных условий. Максимальные стандартные отклонения составили 2,29 %. В среднем измеренные значения коэффициента лобового сопротивления ниже на 1,7 % в трубе CRF и больше на 0,9 % в трубе VW.
Среднее значение коэффициента подъемной силы изменялось в ходе эксперимента от +0,138 до -0,285 при наибольшем стандартном отклонении ± 0,036. Значения коэффициента давления отличаются не более чем на 0,1. Была определена корреляция между результатами испытаний в дорожных условиях и в аэродинамических трубах. Величина коэффициента лобового сопротивления, измеренная на дороге инерционным методом, незначительно превышает значение, полученное в аэродинамической трубе (Сх = + 0,006). Важным результатом эксперимента является вывод о ничтожно малом влиянии отсутствия вращения колес и отсоса пограничного слоя с поверхности имитирующей дорогу.
Погрешность измерения аэродинамического сопротивления, а это основной параметр, мала. В трубе VW она составляет Сх = (0,002...0,003). В трубе Казанского Государственного Технического Университета Сх = ± (0,0031.0,0048), С, = ± (0,0041.0,0085).
Точность измерений коэффициентов аэродинамических сил в трубе MJRA:
- коэффициент лобового сопротивления Сх = ± 0,005;
- коэффициент подъемной силы Cz = ± 0,023;
- коэффициент боковой силы Су = ± 0,009.
Таблица 1 - Технические данные аэродинамических труб
№ Труба Страна Год Тип трубы Рабочая часть Степень поджатия Пло- щадь сопла м2 Макс. V потока км/ч Равно- мерность потока % Степень турбу- лентно- сти N, kw
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Behr Г ермания открытая 6 5,24 120 147
2 BMW Г ермания 1981 замк щелев.ст 3,66 20 160 1676
3 BMW Г ермания 2009 замк. открытая 25 300
4 Caltech США закрытая н.д. 7,3 210 625
5 Chrysler США 1934 открытая 5,56 4,74 190 560
6 Daimler-Benz Г ермания 1976 замк. открытая 3,53 32,6 270 ±1 0,25 4000
7 DNW Г ермания-Нидерланды 1976 замк. закрытая 4,8 90,25 220 12700
8 DNW Г ермания-Нидерланды 1976 замк. закрытая 9 48 400
9 DNW Г ермания Нилеплянлы 1976 замк. закрытая 12 36 547
10 Fiat CRF Италия замк. полуоткр. 4 12 160
11 Fiat CRF Италия 1976 замк. открытая 4 30 200 ±1 0,1
12 FKFS Г ермания открытая 4,16 6 200
13 FKFS Г ермания открытая 4,41 22,5 220
14 Ford открытая 4 24,0/ 86 182/ 998
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
15 Ford США замк закрытая 3,8 23,2 201 ±3
16 General Motors США 1980 замк. закрытая 5 65,9 240 4500 л.с.
17 Hyundai Ю. Корея 55,4 200
18 Honda Япония 2010 замк. закрытая 17 288 0,2
19 Inst. Aero. St. Cyr Франция 1976 откр. щелев.ст. 5 15 144 ±1
20 JARI Япония 1976 не зам закрытая 4,06 12 205 ±1 0,25
21 Lockheed США 1968 замк. закрытая 7,02 35,1 406 ±0,25 0,4
22 Georgia бегущ.л-та
23 Mazda Япония закр./ откр. 6 24 230
24 MIRA Англия 1960 откр закрытая 1,45 34,9 140 ±2 0,8
25 Mitsubishi Япония 1981 закр./ откр. 6 24 216 ±1 0,2
26 NRC Канада 1970 замк. закрытая 6 83,6 200 ±1
27 Nippon Soken Япония закрытая 3,66 17,5/12 120/200 1450
28 Nissan Япония 1968 не зам закрытая 2,86 21 119 ±1,5
29 Opel Г ермания закрытая 4,3 22,45 120 460
30 Porsche Г ермания 1986 замк. щелев.ст 6,06 22,3 230 ±0,4 0,15... 0 99 2200
31 Pininfarina Италия 1972 откр. полу откр. 6,2 11,75 150 ±0,5 0,26 625
On
О
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
32 Porsche масштаб. Г ер мания 1986 замк щелев.ст. 13,95 238 ±0,4 0,15... 0,29
33 Toyota Япония закрытая 3,66 17,5 200 1500
34 Sofica Франция закрытая 11,0/ 4,3 80/ 170 380
35 Volkswagen Г ер мания открытая 6 6 170/ 180 460
36 Volkswagen Г ер мания 1967 замк. полуоткр. 4 37,5 180 ±1,2 0,6 2600
37 Volvo Швеция открытая 6,6 4,32 190 500
38 Volvo Швеция 1986/ 2006 щелев.ст 6 27,06 200/ 250 ±0,8 0,2 2300/ 5000
39 VRC Канада 1970 замк закрытая 6 83,6 200 ±1 1
40 НИЦИАМТ Россия 1986 замк. 144
41 ПАДГ ВАЗ Россия 1996 замк щелев.ст. 6 22,3 216 0,2 2300
42 ПАДГ ВАЗ масштаб. Россия 1996 замк. щелев.ст 6 1,395 216 220
43 Т-1ККАИ масштаб. Россия замк. открытая 3,97 216 ±1,02 0,35
44 Т-104 Россия замк. открытая 38,5 432
Аэродинамические трубы изначально предназначались для испытаний летательных аппаратов. И для них важнейшим параметром является аэродинамическая подъемная сила. Но как видно из приведенного материала точность ее определения на порядок ниже.
Современные легковые автомобили имеют малые значения коэффициента лобового сопротивления и следствием этого является увеличение значимости проработки конструкции днища. Для соблюдения реальных дорожных условий применяют отсос пограничного слоя с опорной поверхности. С этой же целью неподвижную поверхность заменяют бегущей лентой. Резервом снижения аэродинамического сопротивления является также проработка зон арок колес. На решение этих задач и направлены усилия автомобильных аэродинамиков.
С увеличением мощности компьютеров, появлением компьютерных программ роль трубных испытаний не уменьшается. Они дополняют друг друга.
CRF Volkswagen
NISSAN
Pininfarina
MIRA
Daitlez Benz
ВАЗ
КАИ
Рисунок 1 - Типы аэродинамических труб
ЛИТЕРАТУРА
1. Горлин С. М., Слезингер И. И. Аэромеханические измерения. М.: Наука, 1964. 720 с.
2. Михайловский Е. В. Аэродинамика автомобиля М.: Машиностроение, 1973. 224 с.
3. Пэнкхерст Р., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах - М.:Иностранная литература , 1955. 667 с.
4. Costelli A., Garrone A., Visconti A., Buchheim R., Cogotti A., Kuhn A. FIAT research center reference car: correlation tests between tour full scale European wind tunnels and road. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1981,
№ 810137, pp. 1-43.
WINDPIPES — A RESEARCH TOOL
Keywords: air flow criteria, similarity, nature, scope, aerodynamics, tube, type, parameters, test the convergence condition, the device.
The summary. Considered overall structure of wind tunnels, their types. The technical parameters of wind tunnels for the needs avtostroeniya.
ЖАМАЛОВ РАФИК РАФАИЛЕВИЧ — аспирант кафедры Тракторы и автомобили ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно - экономический институт, (triamur@mail.ru). КОРОЛЕВ ЕВГЕНИЙ ВИКТОРОВИЧ — к.т.н., профессор кафедры Тракторы и автомобили ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно - экономический институт,
(triamur@mail.ru).
КОТИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ — аспирант кафедры Тракторы и автомобили ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно — экономический институт, (triamur@mail.ru).
KOROLEV EVGENEI VIKTOROVICH — professor of tractors and cars GBOU VPO Nizhny Novgorod State University of Engineering — Economic Institute, (triamur@mail.ru).
ZHAMALOV RAFIK RAFAILEVECH — graduate student, tractors and cars GBOU VPO Nizhny Novgorod State University of Engineering — Economic Institute, (triamur@mail.ru).
KOTIN ALEKSANDER IVANOVICH — graduate student, Trucks and Tractors GBOU VPO Nizhny Novgorod State University of Engineering—_Econamic_Institute1(triamur@mail.ru).__________________________
