что такое коэффициент аэродинамического сопротивления
Коэффициент аэродинамического сопротивления
Коэффициент аэродинамического сопротивления (Cw) — безразмерная величина, отражающая отношение силы сопротивления воздуха движению автомобиля к силе сопротивления движению цилиндра:
Другими словами, сила сопротивления воздуха, действующая на корпус автомобиля, равна силе, действующей на цилиндр с понижающим коэффициентом Cw:
где Cw — безразмерный коэффициент, обычно меньший единицы (от С — coefficient, w — продольная ось цилиндра и автомобиля).
Cw не имеет единицы измерения и действует для всех геометрически подобных тел, вне зависимости от их конкретных размеров.
Примеры современных серийных автомобилей, Cw
0,27 — Infiniti G35, 2002 (0,26 «aero package»)
0,27 — Toyota Camry Hybrid, 2007
0,26 — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)
Концепты & олдтаймеры
См. также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Коэффициент аэродинамического сопротивления» в других словарях:
Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля — [источник не указан 623 дня] Коэффициент аэродинамического сопротивления (Cx) безразмерная величина, отражающая отношение силы сопротивления воздуха движению автомобиля к силе сопротивления движению цилиндра: Cx = Fauto… … Википедия
Коэффициент лобового сопротивления — Поляра второго рода (показана зелёным) демонстрирующая зависимость коэффициентов лобового сопротивления и подъёмной силы от угла атаки. Касательная (показана синим) указывает точку поляры, соответствующую максимальному качеству. Аэродинамическое… … Википедия
Коэффициент — (от лат. co(cum) «совместно» и лат. efficients «производящий») числовой множитель при буквенном выражении, известный множитель при той или иной степени неизвестного, или постоянный множитель при переменной величине.… … Википедия
Коэффициент обтекаемости — Поляра второго рода (показана зелёным) демонстрирующая зависимость коэффициентов лобового сопротивления и подъёмной силы от угла атаки. Касательная (показана синим) указывает точку поляры, соответствующую максимальному качеству. Аэродинамическое… … Википедия
Баллистический коэффициент — размерная величина (σ)x, равная произведению коэффициента сопротивления аэродинамического cx (см. Аэродинамические коэффициенты) на характерную площадь S, делённому на массу m тела: (σ)x = cxS/m или его вес G: (σ)x = cxS/G. Б. к. был введён в… … Энциклопедия техники
баллистический коэффициент — баллистический коэффициент размерная величина σx, равная произведению коэффициента сопротивления аэродинамического cx (см. Аэродинамические коэффициенты) на характерную площадь S, делённому на массу m тела: σx = cxS/m или его вес G:… … Энциклопедия «Авиация»
баллистический коэффициент — баллистический коэффициент размерная величина σx, равная произведению коэффициента сопротивления аэродинамического cx (см. Аэродинамические коэффициенты) на характерную площадь S, делённому на массу m тела: σx = cxS/m или его вес G:… … Энциклопедия «Авиация»
КОЕФІЦІЄНТ АЕРОДИНАМІЧНОГО ОПОРУ ВИРОБКИ (КОЕФІЦІЄНТ альфа) — коэффициент аэродинамического сопротивления выработки (коэффициент альфа ) coefficient of friction aerodynamischer Widerstandsfaktor des Grubenbaus (Alpha Faktor), Koeffizient α величина, що залежить від ступеня і типу шорсткості поверхні виробки … Гірничий енциклопедичний словник
Профиля теория — описывает взаимодействия профиля крыла бесконечного размаха с плоско параллельным течением и позволяет определять его аэродинамические характеристики путём использования моделей идеальной жидкости, пограничного слоя и вязкой жидкости (газа).… … Энциклопедия техники
профиля теория — профиля теория описывает взаимодействия профиля крыла бесконечного размаха с плоскопараллельным течением и позволяет определять его аэродинамические характеристики путём использования моделей идеальной жидкости, пограничного слоя и вязкой… … Энциклопедия «Авиация»
Аэродинамика. Часть 2. Лобовое сопротивление.
В первой части речь шла об основах аэродинамики и борьбе за ньютоны прижимной силы. Но каждый ньютон силы, прижимающий болид к земле, приходит не один. Он приносит с собой величайшее зло для аэродинамики – лобовое сопротивление.
Ненадолго представим себя специалистами, проводящими аэродинамический расчет. Правда, в настоящее время облик этого специалиста изменился. Если на заре автомобильной аэродинамики это был человек с карандашом в руках, обложенный со всех сторон результатами испытаний, то теперь это инженер, сидящий перед компьютерным монитором, на котором медленно меняются цветные картинки.
За каждой из этих картинок кроется сложнейший процесс вычисления. Он основан на том, что пространство разбивается на множество ячеек, в каждой из которых есть газ. Для каждой ячейки имеется сложная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение газа. И каждое мгновение компьютер проводит вычисления для миллионов таких ячеек, определяя сколько газа с какими параметрами пришло и сколько его вышло. Специалисту по аэродинамике остается только наблюдать за происходящим и анализировать результаты. Мы же поступим по старинке и вооружимся нехитрыми исходными данными: знанием основ аэродинамики, горсткой технической информации и калькулятором. Зато объект исследования у нас будет непростой – болид Формулы 1.
Как мы уже знаем, сила лобового сопротивления вычисляется по формуле:
Коэффициент аэродинамического сопротивления для современных болидов Формулы 1 находится в интервале от 0,5 до 1(в зависимости от трассы). По сравнению с гражданскими автомобилями – это очень много. Даже для внедорожников этот показатель находится в районе 0,4. А у лучших с точки зрения аэродинамики представителей автомобильного мира коэффициент лобового сопротивления чуть меньше 0,3. Для формульных болидов это несбыточная мечта. Таким образом они расплачиваются за открытые колеса, радиаторы системы охлаждения, большие антикрылья и возможность прижиматься к дорожному полотну с силой, эквивалентной полутора тоннам.
Представим, что мы на легендарной Монце: позади второй поворот Lesmo, а впереди нас ждет Ascari (это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Ascari еще далеко и мы несемся со скоростью 300 км/ч (примерно 83 м/с) по прямой.
Коэффициент лобового сопротивления нашего болида 0,5. Мы берем минимальное значение, поскольку храм скорости (а именно так в гоночном мире называют трассу в Монце) не прощает большого аэродинамического сопротивления и наказывает всех, кто пренебрег этим негласным правилом, драгоценными секундами, потерянными в безуспешной борьбе с воздухом на длинных прямых королевского парка. Площадь поперечного сечения нашего болида 1,5 м2 (приблизительные данные для BMW Sauber F1.07). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:
Именно с такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За спиной 8 цилиндров объемом 2,4 литра, которые выдают 750 л.с. (551 кВт). А как известно, мощность – это произведение силы и скорости. Исходя из этого, мы можем посчитать, сколько же мощности, развиваемой двигателем, уходит на преодоление аэродинамического сопротивления.
Итак:
То есть ПОЧТИ ПОЛОВИНА МОЩНОСТИ двигателя болида уходит в воздух! Поразительно!
Представим, что мы захотели сделать абсурдный поступок и попытались проехать по этому же участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако, то есть с антикрыльями, состоящими из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент лобового сопротивления стал равен 1, а значит аэродинамическое сопротивление, а вслед за ним и расходуемая на борьбу с воздухом мощность, возрастают в 2 раза. Выходит, что вся мощность двигателя будет потрачена на неравную борьбу с воздушной стеной. Но ведь есть еще и трение покрышек о полотно трассы, нужно преодолевать силы инерции и все тоже трение в коробке передач и дифференциале. А на это у мотора сил уже нет. Поэтому болид с аэродинамикой для гран-при Монако просто не сможет разогнаться в Монце до 300 км/ч!
Так что же это за таинственный враг под названием лобовое сопротивление?
Лобовое сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивление трения и сопротивление давления. Рассмотрим их повнимательнее.
Множество выступов и впадин самой разнообразной формы. Что это? Это мы только что посмотрели на вполне гладкую на первый взгляд поверхность при увеличении в несколько тысяч раз. Когда воздух проходит вдоль этой поверхности, некоторые из его частичек цепляются за шероховатости, попадают во впадины и перестают двигаться вместе с остальным потоком. В результате около поверхности образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость движения газа меняется в диапазоне от скорости потока до нуля. Следует отметить, что под частицами понимаются не молекулы газа, а небольшие объемы, содержащие множество молекул, но при этом малые по сравнению с размерами исследуемого объекта.
Тормозясь в шероховатостях поверхности, воздух создает силу трения, направленную в направлении движения потока. При этом принципиальное значение имеет то, каков характер пограничного слоя.
Пограничный слой может быть ламинарным и турбулентным. Представьте газовое течение в виде множества траекторий. Если течение ламинарное, то эти траектории не будут пересекаться. При сужении потока они будут плавно сближаться, а при его расширении постепенно отдаляться друг от друга. Это наилучший режим обтекания, поскольку в нем сглажены пульсации и один слой газа почти не мешает движению другого. Если же течение турбулентное, то траектории будут хаотично пересекаться. Это приведет к тому, что в потоке будут возникать вихри и пульсации, а движение одного слоя относительно другого будет затруднено.
Вернемся к пограничному слою. Если он ламинарный, то сопротивление трения минимально, а если турбулентный, то оно значительно возрастает. За счет турбулентного пограничного слоя размеры обтекаемого тела как бы увеличиваются благодаря тому, что вокруг него образуется пелена из вихрей.
Удержать поток в ламинарном состоянии – вот первостепенная задача, которую нужно решить для уменьшения сопротивления трения.
Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, турбулизирующих поток. Так что гоночные автомобили блестят не только ради красоты, но и ради эффективной аэродинамики. Так же сильно завихряют поток стыки, швы, резко выступающие элементы. Поэтому обводы гоночных болидов грациозно-плавные, чтобы не дай Бог не побеспокоить столь чувствительный к возмущениям поток. А посмотрите на стыки: идеально подогнанные элементы, маленькие ровные зазоры – все в угоду аэродинамике.
Отрицательный градиент давления вдоль обтекаемого тела. За этой замысловатой формулировкой кроется еще один секрет, с помощью которого пограничный слой можно удержать в ламинарном состоянии. Так что же это за градиент? На самом деле ничего сложно. Было установлено, что если давление при движении по потоку падает, то это способствует удержанию ламинарного течения. А как мы помним, статическое давление падает тогда, когда растет скорость. Представьте, что вы в Испании, палит полуденное солнце, но вам совсем не до послеобеденной сиесты. Вы несетесь, в толпе обезумевших от страха и выброса адреналина людей в красном. А за толпой мчатся так же обезумевшие, но не от страха, а от полуденного зноя и красного цвета быки.
Тем временем видавшая виды улочка старого города становится все уже и уже. А вы бежите все быстрее и быстрее. Рядом с вами уже не многоликая толпа, а всего несколько столь же быстрых как и вы бегунов. Остановиться нельзя, поскольку толпа и уж тем более быки останавливаться не будут и попросту вас сомнут. Вы бы рады завернуть в одну из арок или дверей, которые мелькают где-то сбоку на фасадах старинных домов, но ваша скорость настолько велика, что совершить какой-то резкий маневр вам уже не по силам. И вы продолжаете бежать все быстрее, а рядом все меньше и меньше людей в красном. И если в начале сумасшедшего забега в толпе можно было наблюдать хаотичные движения из стороны в сторону, то теперь в лидирующей группе все строго и четко: люди бегут вперед и только вперед. Похожая картина происходит и в газовом течении. Частицам воздуха не до турбулентности, когда они ускоряются и подталкиваются своими так же ускоряющимися коллегами сзади. Вся энергия идет на движение вперед, а на перемешивание сил почти не остается. Лучше всего уменьшают давление за счет ускорения потока выпуклые формы (например, все то же крыло). Поэтому обводы формульных болидов не рубленные (поток будет завихряться углами), а плавные и выпуклые; поэтому капот, крылья, лобовое стекло, крыша спорткаров из кузовных чемпионатов как бы надуты изнутри и обязательно имеют хоть небольшую кривизну.
Конечно, рано или поздно поток, неаккуратно разрезанный зеркалом заднего вида или антенной, все равно сорвется в вихревое течение, но чем ближе к корме это наступит, тем большая часть автомобиля будет двигаться в окружении ламинарных струек с низким сопротивлением трения.
Настоящим бедствием для набегающего потока являются колеса. Мало того, что их поверхность обладает большой шероховатостью, так они еще и быстро вращаются. В результате сильные завихрения и увеличение сопротивления. Кроме того, спицы на колесных дисках не дают потоку спокойно двигаться. На гоночных автомобилях можно увидеть специальные спойлеры, предназначенные для того, чтобы пустить к колесу как можно меньше воздуха. Иногда применяются щитки, устанавливаемые перед колесом. Пусть лучше поток затормозится щитком и будет потом отведен в сторону, чем он попадет на колесо и превратится в плохоконтролируемый вихревой поток. Негативное влияние спиц может быть снижено благодаря специальным накладкам – колесным втулкам, широко применяемым в Формуле 1. Они закрывают спицы и тем самым снижают их негативное влияние.
Другая составная часть лобового сопротивления — сопротивление давления, — возникает из-за того, что поток под каким-то углом налетает на элементы автомобиля и оставляет им часть своей кинетической энергии. Так дает о себе знать динамическая составляющая давления
Первый и самый очевидный способ снизить сопротивление давления – это уменьшить площадь той поверхности, на которую воздействует поток. То есть поставить горизонтально антикрылья (а лучше вообще их отброс ить), широкие и цепкие покрышки заменить на узкие, сделать минимальной ширину болида, убрать зеркала, камеры. Как видите, сплошные жертвы, которые приведут к снижению подъемной силы, снижению сцепления с трассой, снижению устойчивости в поворотах. Истинный путь лежит где-то посредине и овеян туманом. Его никто не видит, но все предполагают, что он где-то рядом. Вот на поиски это пути и уходят сотни часов исследований в аэродинамических трубах и виртуальных экспериментов на мощнейших суперкомпьютерах.
Другой путь не столь кардинален, но еще более трудоемок. Он заключается в создании оптимальной формы. Ведь все не сводится только к площадям поперечных сечений. Одно дело обтекать кирпич, а другое дело – крыло с такой же как у кирпича площадью поперечного сечения. Одно дело направить поток на крыло под углом в 45°, а другое, предварительно аккуратненько повернуть его спойлером так, что на крыло он придет уже под углом в 10°. Поэтому на хэтчбэках часто можно видеть комбинацию из спойлера и антикрыла. В добавок ко всему, за счет спойлера можно добиться того, что во время дождя капли не будут попадать на заднее стекло. Они будут сдуваться потоком, направленным спойлером, еще до соприкосновения со стеклом. И как это может помочь нам в снижении лобового сопротивления, спросите вы. Давайте задумаемся, как часто мы видим дождевые гонки? Так складывается, что не очень и большинство этапов все же проходит посуху. А стеклоочистители (в простонародии дворники) являются прекрасными источниками лобового сопротивления, поскольку поток цепляется за них, тормозится, завихряется. Гоночные автомобили редко стоят на месте и большую часть времени, когда работа дворников все же нужна, они находятся в движении. Поэтому дворник, расположенный на заднем стекле хэтчбэка, можно выбросить, а вместо него поставить спойлер, который будет выполнять функции стеклоочистителя, создавая при этом меньшее сопротивление.
Еще один способ элегантен и прост, как все гениальное. В авиации ходит поговорка: самолету мешают летать крылья. И это чистая правда, поскольку крылья таких размеров нужны лишь для того, чтобы взлететь. В дальнейшем скорость растет, и необходимая подъемная сила может создаваться в два раза меньшими крыльями. Так же и гоночным болидам крылья нужны в быстрых поворотах, где имеется достаточная скорость для создания прижимной силы. На прямых крылья только мешают разгону. Но у материалов есть замечательное свойство – упругость, благодаря которому конструкции могут изменять свою форму, а затем принимать прежний вид. Эту идею взяли на вооружение формульные инженеры. На прямых, где скорость большая, под напором набегающего потока крылья отгибаются, создавая меньше сопротивления. В поворотах, где скорость становится меньше, крылья принимают первоначальное положение и создают большую прижимную силу. Идея красивая, но, как это часто бывает, небезопасная. Думаю, многим, кто увлекается гонками Формула 1, памятны отрывающиеся крылья на болидах Формулы 1. Это во многом было следствием экспериментов с гибкими аэродинамическими элементами. Именно это случилось с болидом Кими Райконена, когда на скорости заднее антикрыло не выдержало напора набегающего воздуха и сломалось, в результате чего болид мигом потерял прижимную силу и выкатился за пределы трассы. В итоге появился еще один пункт технического регламента, запрещающий использовать гибкие антикрылья. Естественно, ничего абсолютно жесткого нет, и крылья гнутся. Но гнутся в строго определенных регламентом рамках.
Мы уже представляли автомобиль в виде крыла. Теперь его ждет очередное перевоплощение. На сей раз он будет поршнем. Поршень — это элемент конструкции, работающий за счет разности давлений. Взять тот же двигатель внутреннего сгорания. С одной стороны есть давление в камере сгорания (десятки атмосфер), с другой – атмосферное давление. Поршень перемещается под действием большего давления в сторону меньшего.
Смотрим на автомобиль. С одной стороны набегающий поток давит на его носовую часть. С другой — за автомобилем образуется зона разряжения, поскольку поток не успевает занять пространство непосредственно за ним. Давление в зоне разряжения гораздо меньше, чем то, что действует на переднюю часть. В результате получается своеобразный поршень, препятствующий движению вперед. Это так называемое донное сопротивление.
Вспомним каплю – идеальную аэродинамическую форму, созданную самой природой. Разряжение за каплей, благодаря ее сужающейся форме, минимально. Поэтому создателям автомобилей нужно стремиться к каплевидной форме задней части. Но здесь вступают в действие конструктивно-компоновочные соображения, согласно которым кроме аэродинамики есть еще много важных аспектов. Поэтому на практике сначала получают габариты задней части, а уже потом работают над обводами кузова, пытаясь угодить столь капризной аэродинамике. Ну а средств не так уж много: поработать над формой крыльев, багажника или капота, установить диффузор, не очень усердствовать со спойлерами и антикрыльями.
Охлаждение агрегатов автомобиля – отдельная большая тема. У нее много граней, и мы с вами сейчас коснемся лишь одной из них – той, что связана с аэродинамикой. Итак, воздух в системах охлаждения нужен для того, чтобы забрать тепло. Но мало просто пустить воздух к радиатору или охлаждаемому агрегату. Его нужно еще и отвести от объекта охлаждения.
Во-первых, это необходимо для повышения эффективности системы охлаждения. Чем больше нагретого воздуха в единицу времени мы отведем, тем больше ненагретого газа придет ему на смену. Во-вторых, все тот же поршень. Если воздух будет плохо отводиться от радиатора, то перед ним создастся избыточное давление, которое приведет к росту лобового сопротивления. Поэтому на гоночных автомобилях часто можно видеть жабры для отвода горячих газов.
Но просто отвести нагретый газ мало. Как известно, температура – это мера энергии. Когда мы ощущаем теплый воздух, то это означает, что его молекулы имеют большую кинетическую энергию, сильнее и чаще бьются о нас и передают нам эту энергию. Мы же просто чувствуем тепло. Так вот, отведенный поток более активен, чем тот, что не участвовал в охлаждении. Внутри более нагретого потока и на его границе велика вероятность образования турбулентных течений. Поэтому необходимо особо тщательно прорабатывать пути отвода горячих газов. Взгляните на болиды Формулы 1: их боковые понтоны изрезаны жабрами самой причудливой формы.
Так же немаловажным является вопрос отведения выхлопных газов от двигателя. С одной стороны лучше расположить выхлопные трубы сзади, где поток уже перестает обтекать автомобиль и следить за ламинарностью пограничного слоя нет нужды. Но с другой стороны таким жестом можно повлиять на работу диффузора. Поэтому на спортивных автомобилях часто можно увидеть выхлопные трубы в других местах. На тех же формульных болидах они расположены обычно перед задними колесами, там где уже течет нагретый радиаторами воздушный поток.
Подводя итог, можно сказать, что аэродинамика — это весы. На одной чаше которых прижимная сила, на другой – лобовое сопротивление. Но смотрим мы на эти чаши через кривое зеркало. Взглянули под одним углом, и перевешивает прижимная сила, поскольку в общем случае надо стремиться к большей стабильности и меньшему сопротивлению. Посмотрели под другим, и вниз тянет лобовое сопротивление, так как на быстрых трассах его снижение важнее, чем создание прижимной силы. Вроде бы лишь немного сдвинули свой взгляд в сторону, а победа вновь на стороне прижимной силы, ибо мы находимся на медленном автодроме. И так можно продолжать бесконечно.
Настолько многолика сама аэродинамика и настолько широко ее применение в автоспорте, автомобилестроении и тюнинге.
Следующая статья, как и обещал, будет посвящена заре аэродинамики и ее первым, неуверенным шагам в автоспорте. Не пропустите самое интересное ))
Подписывайтесь! Будет интересно 🙂
Отдельное большое человеческое спасибо за репост! 🙂