CC BY
103
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №6 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-6 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/64TVN615.pdf DOI: 10.15862/64TVN615 (http://dx.doi.org/10.15862/64TVN615)
УДК 623.113
Салмин Владимир Васильевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Заведующий кафедрой «Транспортные машины»
Доктор технических наук Профессор E-mail: salmin-penza@yandex.ru
Генералова Александра Александровна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Доцент кафедры «Транспортные машины» Кандидат технических наук E-mail: generalova_aa@mail.ru
Бычков Дмитрий Сергеевич1
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Студент 5 курса факультета «Машиностроения и транспорта»
E-mail: deciptikon@mail.ru
Совершенствование технико-экономических показателей автобуса путём улучшения аэродинамических характеристик
1 440031, г. Пенза, улица Кижеватова, дом 30, квартира 198 1
Аннотация. Статья посвящена проектированию автобусов с целью уменьшения затрат мощности двигателей на преодоление сопротивления воздуха, снижения расходов топлива, повышения аэродинамической устойчивости, за счёт совершенствования формы кузова. Серьёзного внимания требует вопрос улучшения характеристик воздушной среды внутри и снаружи автобуса.
В статье отмечено, что кузова автобусов имеют значительные лобовые площади. Поэтому возможности снижения аэродинамического сопротивления автобусов в существенно ниже, чем у легковых автомобилей. Рассмотрены вопросы снижения аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов, а именно:
• отработка их носовой части с увеличением радиусов перехода лобовой панели в боковые и крышу;
• устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения двигателя, а также источников дополнительного сопротивления;
• повышение степени гладкости кузова с применением установленных заподлицо с ним приклеиваемых стекол;
• улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тщательной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета и установкой кузова с отрицательным тангажом.
Приведены результаты совершенствования аэродинамических характеристик междугородних автобусов, демонстрирующие заметное улучшение технико-экономические показатели. Показано, что снижение коэффициента аэродинамического сопротивления обеспечивает повышение топливной экономичности и скоростных свойств автобусов, а, следовательно, и их производительности. Установлено, что уменьшение коэффициента боковой и подъемной силы улучшает показатели управляемости и устойчивости автобусов.
В работе предложен конструктивный способ совершенствования аэродинамических характеристик междугородних автобусов с применением теории фракталов.
Ключевые слова: топливная экономичность; фрактал; аэродинамика; воздушный поток; давление.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Салмин В.В., Генералова А.А., Бычков Д.С. Совершенствование технико-экономических показателей автобуса путём улучшения аэродинамических характеристик // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №6 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/64TVN615.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/64ГУЖ15
Статья опубликована 25.11.2015.
Основной составляющей аэродинамического сопротивления автобуса является сопротивление формы. Форма кузова определяет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного давления, а также источников вихреобразований при взаимодействии его с потоком воздуха. На образование и сход вихрей с поверхности кузова тратится значительное количество энергии, восполняемой двигателем, потребляющим на это дополнительное количество топлива. Поэтому при создании высокообтекаемых кузовов необходимо устранить зоны повышенного и пониженного давления воздуха, а также отрывные течения и вихреобразования, обеспечив, по возможности, безотрывное обтекание кузова воздухом при движении автобуса во всем диапазоне рабочих скоростей с учетом воздействия боковых ветров. Для этого при проектировании кузова особое внимание следует уделять отработке формы его носовой части, поскольку она, наряду с кормовой, определяет характер обтекания автобусавоздухом. Обтекаемость носовой части кузова зависит от углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла.
Помимо углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла на обтекаемость носовой части кузова влияет степень закругления верхней и боковых фронтальных кромок капота. Если эти фронтальные кромки острые или закруглены малым радиусом, то при натекании воздушного потока за ними образуются отрывные, увеличивающие аэродинамическое сопротивлениеавтобуса. Закругление фронтальных кромок капота устраняет эти отрывные течения и улучшает обтекаемость носовой части кузова.
Наряду с носовой частью на обтекаемость автобуса влияет форма кормовой части кузова. Форма задней панеликузоваи угол ее наклона в совокупности с формой крыши оказывают решающее влияние на характер обтекания воздушным потоком кормовой части автобуса, структуру поля скоростей и давлений в следе за ним, определяя в значительной мере величину аэродинамического сопротивленияавтобуса [1, 2].
Рис. 1. Характер обтекания крыши и задней части автобуса (рисунок авторов)
На рисунке 1 показан характер обтекания воздушным потоком модели автобуса типа «Икарус» при движении 60 км/ч. Исследования выполнены в среде SolidWorks.
Одним из основных направлений работ по снижению аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов является отработка их носовой части с увеличением радиусов закругления фронтальных кромок кузова.
У
А
У
/
передо
"Г
л.
У
Рис. 2. Форма изменённой носовой части (рисунок авторов)
В предложенной модели автобуса (рис. 2) передняя часть выполнена в форме передней части удобообтекаемого несимметричного тела, что позволяет избежать срыва потока воздуха и получить минимальную область повышенного давления, следовательно, значительно уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления.
Так как аэродинамические характеристики [3, 4] во многом зависят от характера обтекания и срыва потока с поверхности задней части, было решено разработать её форму с меньшим характером турбулентности, чем у современных автобусов для чего была использована теория фракталов. Значительного улучшения аэродинамических показателей можно добиться, уменьшив турбулентность потока, это достигнуто уменьшением площади задней части.
Целью работы была минимизация площади базовой фигуры, в качестве которой выбран прямоугольник (рис. 3).
ъ
с/
а
а
с
с
Ъ
Рис. 3. Исходная фигура (рисунок авторов)
Уменьшение площади достигнуто путём замены средней части площади шириной ёна соединяющее звено длиной ё находящееся на расстояние сот основания (рис. 3). Аналогично преобразуется каждая площадь на каждой итерации (рис. 4).
Рис.4. Вид фрактала на разных итерациях (рисунок авторов)
На основе полученного фрактала были найдены зависимости: периметр элемента фрактала на h-той итерации, длина соединяющего звена на i-той итерации, общий периметр фрактала на h-той итерации [5]. Полученные зависимости позволяют рассчитывать геометрические характеристики задней части автобуса на любой итерации.
h-2 h-1 p(h) = 0cos(nh)-1(4c + a(2k + 1))k~ + 0cos(n(h+1))-1(4a + b(2k + 1))k~
^ % i-2 i-1 R(i) = 0cos(ni)-1a(1 - 2k)k~ + 0cos(n(l+1))-1b(1 - 2k)k~
h-1
L(h) = 2h-1P(h) + ^ 2i-1R(i) i=1
где:
P(h) - периметр элемента фрактала на h-той итерации;
R(i) - длина соединяющего звена на i-той итерации;
L(h) - общий периметр фрактала на h-той итерации.
На графике (рис. 5) показаны зависимость геометрических характеристик от итераций (величина площади увеличена в 30 раз для лучшей демонстрации).
Рис. 5. Зависимость геометрических характеристик от итераций (рисунок авторов)
5(Л) = 5.1-2
П-1
Н-2
0.33Г2-
3.5
5(Л) = 5(0) • (2к)1 с
ъ
где:
s(h) - численное приближение найденной формулы общего периметра фрактала;
8(И) - площадь фрактала на И-той итерации;
к - коэффициент подобия фрактала.
Как видно из графика, поставленная цель достигнута, т.е. площадь асимптотически приближается к нулю (периметр фрактальной фигуры растёт экспоненциально быстро, приближаясь к бесконечности).
На основании данного подхода было сформировано 4 модели автобуса (рис. 6) соответствующие 4-м первым итерациям.
а)
б)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №6 (ноябрь - декабрь 2015)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
в) г)
а) нулевая итерация; б) первая итерация, в) вторая итерация, г) третья итерация
Рис. 6. Модели автобуса на разных итерациях (рисунок авторов)
Принимая во внимание основные принципы аэродинамики, а так же данные об обтекаемости простых геометрических форм, предлагается заменить среднюю часть автобуса (зона прохода, которая используется менее 10% времени, при продолжительных поездках) на тело наиболее обтекаемой формы (рис. 7), учитывая взаимодействие этой формы с поверхностью дороги.
б)
а) нулевая итерация; б) первая итерация; в) модель автобуса
Рис. 7. Модернизация средней части автобуса (итерация 1) (рисунок авторов)
В программном комплексе SolidWorks были построены три твердотельные модели автобуса и проведены исследования их аэродинамических показателей.
Начальные параметры исследования:
1. Тип задачи - внешняя. Исключить внутреннее пространство. Базовая ось — Z;
2. Текучая среда — газы — Air (воздух). Тип течения — ламинарное и турбулентное;
3. Термодинамические параметры — давление (101325 Па), температура (293,2 К). Скорость по оси Z (16,7 м/с).
а)
б)
в)
а) базовая модель; б) изменённая носовая часть; в) модель при первой итерации Рис. 8. Эпюра распределения давления на поверхности модели автобуса (рисунок авторов)
Экспериментально были получены следующие параметры: область повышенного давления снизилась в носовой части автобуса; область пониженного давления за автобусом так же снизилась, в результате уменьшился коэффициент аэродинамического сопротивления формы Сх (рис. 8).
На рисунке 9 виден характер обтекания средней части и боковых частей автобуса воздушным потоком.
Рис. 9. Исследование аэродинамики предложенной модели (рисунок авторов)
Воздушный поток, проходя через среднюю часть направляется в зону пониженного давления за автобусом, что влет за собой её уменьшение. Также получены эпюры давления в кормовой части.
г)
а) нулевая итерация; б) первая итерация; в) вторая итерация; г) третья итерация
Рис. 10. Характер схода воздушного потока и эпюра распределения давления в кормовой
части автобуса (рисунок авторов)
На рисунке 10 показан характер схода воздушного потока и образование спутной струи, а также эпюра распределения давления. Из рисунка видно, что область пониженного давления в задней части автобуса значительно уменьшилась. В базовой модели автобуса сход воздушного потока с задней части сопровождается срывом, т.е. происходит резкий переход ламинарного течения воздуха в турбулентный, что приводит к дополнительным затратам мощности двигателя. В предложенной модели воздушный поток, проходя через центральный вырез направляется в зону пониженного давления, что приводит к её уменьшению. Так же центральный вырез уменьшает площадь задней части, что так же приводит к уменьшению области пониженного давления за автобусом.Из рисунка видно, что в задней части автобуса формируется область повышенного давления.
В таблице 1 показан рассчитанный коэффициент аэродинамического сопротивления Сх для исследуемых моделей автобусов. В таблице 2 приведены значения коэффициента аэродинамического сопротивления формы Сх для различных марки автобусов.
Таблица 1
Сравнительный анализ результатов моделирования
Таблица 2
Значение коэффициента аэродинамического сопротивления формы Сх для различных
марки автобусов
Марка автобуса Коэффициент Сх
РАФ-2203
УАЗ-452
КаВЗ-685
ЗИЛ-3207 «Юность»
Марка автобуса Коэффициент Сх
ЛАЗ-699
ЛиАЗ-677
ЛАЗ-698
^гш 250
ЛАЗ-4207
Анализ таблиц 1 и 2 показал, что предложенная форма кузова автобуса для междугородних перевозок имеет минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления формы Сх.
Для оценки топливной экономичности в работе введён коэффициент относительного потребления топлива Кр_3, характеризующий потребление топлива предложенным автобусом относительно аналогичных.
каз =
Рг+
РГ+
А-у2 рСхтах
_2 к
А-у2 Р'СХтах'
где:
- сила сопротивления перемещению, р = /Оа,
А- площадь лобового сопротивления автобуса, м2, V - скорость движения автобуса, р - плотность воздуха,
Схтах - максимальный коэффициент аэродинамического сопротивления, принят Схтах = 0,7.
СхАр1 - коэффициент аэродинамического сопротивления предложенного автобуса, к - коэффициент равный отношению коэффициентов аэродинамического сопротивления, к =
СхАУ1
На графике (рис. 11) показаны зависимость коэффициента Кд5 от скорости V. Кривая 1 - график изменения коэффициента в зависимости от скорости, при к = 2.
Кривая 2 - график изменения коэффициента в зависимости от скорости, при к = 3.
График изменения коэффициента в зависимости от скорости, при к = 1
представляет собой линию параллельную оси скорости и проходящую через значение ординаты равной 1.
2
VI.
Рис. 11. График зависимости коэффициента К(}5 от скорости, при к = 2 (красная кривая), при к = 3 (синяя прерывистая кривая) (рисунок авторов)
Из графика (рис. 11) видно, что относительное потребление топлива уменьшается с ростом скорости и уменьшением коэффициента аэродинамического сопротивления предложенного автобуса.
Так как в общем случае это функция от двух переменных (рис. 12) (остальные параметры, такие как масса, площадь лобового сопротивления приняты постоянными) = f(y, к), то он представляет собой поверхность.
Рис. 12. График зависимости коэффициента К(]5 от скорости и коэффициента подобия
(рисунок авторов)
Выводы:
Предложенная форма кузова автобуса позволяет уменьшить силы аэродинамического сопротивления, следовательно, уменьшить затраты мощности двигателя на преодоление сил сопротивления, а, следовательно, увеличить топливную экономичность. Снижение затрат мощности на преодоление сопротивления будет существенным на высоких скоростях (60 км/ч и более). Уменьшение потребляемого топлива снизит количество вредных выбросов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генералова А.А. Оптимизация аэродинамических показателей междугороднего автобуса с применением теории фракталов / А.А. Генералова, Д.С. Бычков, В.В. Салмин // Транспорт. Экономика. Социальная сфера. (Актуальные проблемы и их решения): сборник статей II Международной научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2015. С. 24-34.
2. Генералова, А.А. Метод измерения фрактальных размерностей / А.А. Генералова // Новые информационные технологии и системы :тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 104.
3. Ломакин В.В., Покровский Ю.Ю., Степанов И.С., Гоманчук О.Г. Безопасность автотранспортных средств: Учебник для вузов. / Под общ. ред. В.В. Ломакина. -М: МГТУ «МАМИ», 2011. - 299 с.
4. Норенков, И.П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов / И. П. Норенков.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -336 с. ISBN 5-7038-2090-1.
5. Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла: учебник для втузов. М.: Эдиториал УРСС, 2010. Ч. 1. 496 с.
6. Кнут, Д. Искусство программирования: в 4т. - Т.1. Основные алгоритмы / Д. Кнут. - 3-е изд. - М. «Вильямс», 2006. 728 с.
7. Горбунов, А.А. Физическая модель дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного судна / А.А. Горбунов, А.Д. Припадчев // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №6. - С. 17.
8. Ерохин А.П., Денискин Ю.И. Методика и алгоритмы мультипликации по теоретическому контуру параметрических моделей авиационных конструкций // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» 2013. №4 http://naukovedenie.ru/PDF/32tvn413.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.
9. Автомобили и тракторы. Основы эргономики и дизайна: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Автомобиле- и тракторостроение" направления подготовки дипломированных специалистов "Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы" / И.С. Степанов, А.Н. Евграфов, А.Л. Карунин, В.В. Ломакин, В.М. Шарипов; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: МГТУ "МАМИ", 2002. - 230 с.
10. Михайловский Е.В. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973. -224 с.
11. Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977. - 544 с.
Рецензент: Статья рецензирована членами редколлегии журнала.
Salmin Vladimir Vasilevich
Federal State Government-financed Establishment «Penza State University»
Russia, Penza E-mail: salmin-penza@yandex.ru
Generalova Aleksandra Aleksandrovna
Federal State Government-financed Establishment «Penza State University»
Russia, Penza E-mail: generalova_aa@mail.ru
Bichkov Dmitriy Sergeevich
Federal State Government-financed Establishment «Penza State University»
Russia, Penza E-mail: deciptikon@mail.ru
Improving technical and economic indicators of the bus by improving aerodynamic characteristics
Abstract. The article is devoted to the design of buses to reduce the cost of power the engines to overcome air resistance, reduce fuel consumption, aerodynamic stability, by improving the shape of the body.
It requires serious attention to improve characteristics of air mass inside and outside the bus.
The article noted that the buses body has considerable frontal area. Therefore, the possibility of reducing the aerodynamic resistance of buses is significantly lower than that of passenger cars.
Considered the issues of reducing aerodynamic resistance and to improve the aerodynamics of long-distance buses are:
• the calculation the frontal part with the increasing transition frontal surface radius to the side and the top part;
• the removing cooling the engine air intakes and the reason additional resistance from the frontal panel;
• the increasing the smoothness of the body using of flush-mounted them with glue glass;
• the improving the air flow under the bottom area by means of processing bottom thoroughly in combination with the optimization of ground clearance and installation of the body with negative pitch.
The results Improvement of aerodynamic characteristics of intercity buses allows you to significantly improve technical and economic indicators. It is shown that decrease of the coefficient reducing allows the improved fuel efficiency and speed characteristics of buses and as a result productivity. Reducing the coefficient of side and lift force improves handling and stability of the bus.
The paper discusses the design method of improving the aerodynamic characteristics of longdistance buses using the fractal theory.
Keywords: fuel efficiency; fractal; aerodynamics; air flow; cocurrent flow; the pressure.
REFERENCES
1. Generalova A.A. Optimizatsiya aerodinamicheskikh pokazateley mezhdugorodnego avtobusa s primeneniem teorii fraktalov / A.A. Generalova, D.S. Bychkov, V.V. Salmin // Transport. Ekonomika. Sotsial'naya sfera. (Aktual'nye problemy i ikh resheniya): sbornik statey II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii / MNITs PGSKhA. - Penza: RIO PGSKhA, 2015. S. 24-34.
2. Generalova, A.A. Metod izmereniya fraktal'nykh razmernostey / A.A. Generalova // Novye informatsionnye tekhnologii i sistemy :tr. VIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. - Penza, 2008. - Ch. 2. - S. 104.
3. Lomakin V.V., Pokrovskiy Yu.Yu., Stepanov I.S., Gomanchuk O.G. Bezopasnost' avtotransportnykh sredstv: Uchebnik dlya vuzov. / Pod obshch. red. V.V. Lomakina. -M: MGTU «MAMI», 2011. - 299 s.
4. Norenkov, I.P. Osnovy avtomatizirovannogo proektirovaniya: ucheb. dlya vuzov / I. P. Norenkov.- 2-e izd., pererab. i dop. - M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2002. - 336 s. ISBN 5-7038-2090-1.
5. Krasnov N.F. Aerodinamika. Osnovy teorii. Aerodinamika profilya i kryla: uchebnik dlya vtuzov. M.: Editorial URSS, 2010. Ch. 1. 496 s.
6. Knut, D. Iskusstvo programmirovaniya: v 4t. - T.1. Osnovnye algoritmy / D. Knut. -3-e izd. - M. «Vil'yams», 2006. 728 s.
7. Gorbunov, A.A. Fizicheskaya model' dopolnitel'nykh aerodinamicheskikh poverkhnostey kryla magistral'nogo vozdushnogo sudna / A.A. Gorbunov, A.D. Pripadchev // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2012. - №6. - S. 1-7.
8. Erokhin A.P., Deniskin Yu.I. Metodika i algoritmy mul'tiplikatsii po teoreticheskomu konturu parametricheskikh modeley aviatsionnykh konstruktsiy // Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE» 2013. №4 http://naukovedenie.ru/PDF/32tvn413.pdf (dostup svobodnyy). Zagl. s ekrana. Yaz. rus.
9. Avtomobili i traktory. Osnovy ergonomiki i dizayna: Uchebnik dlya studentov vuzov, obuchayushchikhsya po spetsial'nosti "Avtomobile- i traktorostroenie" napravleniya podgotovki diplomirovannykh spetsialistov "Transportnye mashiny i transportno-tekhnologicheskie kompleksy" / I.S. Stepanov, A.N. Evgrafov, A.L. Karunin, V.V. Lomakin, V.M. Sharipov; Pod obshch. red. V.M. Sharipova. - M.: MGTU "MAMI", 2002. - 230 s.
10. Mikhaylovskiy E.V. Aerodinamika avtomobilya. M., Mashinostroenie, 1973. - 224 s.
11. Pavlovskiy Ya. Avtomobil'nye kuzova. M., Mashinostroenie, 1977. - 544 s.
