Коэффициент лобового сопротивления кирпича

Обновлено: 18.05.2024

Коэффициент лобового сопротивления кирпича

РУКОВОДСТВО
ПО РАСЧЕТУ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ВЕТРА

Руководство содержит рекомендации по определению ветровой нагрузки на здания и сооружения и указания по динамическому расчету высоких сооружений на действие ветра. В приложениях приведено обоснование основных положений и метода динамического расчета и даны примеры расчета зданий и сооружений на действие ветра.

Руководство предназначено для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских институтов.

Руководство составлено к главе СНиП II-6-74* "Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования".

* На территории Российской Федерации действуют СНиП 2.01.07-85, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

В Руководстве приведены основные положения по определению ветровой нагрузки на здания и сооружения, а также указания по динамическому расчету высоких сооружений башенного типа (башни, дымовые трубы и т.п.), высоких зданий, антенно-мачтовых систем, градирен и др.

Рассмотрены вопросы аэродинамического возбуждения высоких сооружений и гибких призматических конструкций.

В прил.1 приведены аэродинамические коэффициенты для зданий, сооружений и конструкций.

Прил.2 содержит обоснование основных положений по определению статической составляющей ветровой нагрузки и метода динамического расчета высоких зданий и сооружений на действие турбулентного ветра.

В прил.3 даны примеры расчета высоких зданий и сооружений на действие ветра.

В Руководстве единицы физических величин приняты в системе СИ. Таблица соотношений между единицами этой системы и технической системы МКГСС дана в прил.4.

Руководство разработано в отделении динамики сооружений Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций им. В.А.Кучеренко канд. техн. наук М.Ф.Барштейном.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящее Руководство составлено к главе СНиП II-6-74 "Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования" и распространяется на проектирование промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий и сооружений.

1.2. Здания и сооружения, проектируемые с учетом настоящего Руководства, должны удовлетворять требованиям главы СНиП II-6-74 "Нагрузки и воздействия", а также требованиям, предъявляемым действующими нормативными документами к аналогичным зданиям и сооружениям.

1.3. Ветровая нагрузка на здания и сооружения должна определяться как сумма статической и динамической составляющих.

Статическая составляющая, соответствующая установившемуся скоростному напору, должна учитываться во всех случаях. Динамическая составляющая, вызываемая пульсациями скоростного напора, должна учитываться при расчете: сооружений с периодом собственных колебаний более 0,25 с (мачт, башен, дымовых труб, опор линий электропередачи, аппаратов колонного типа, транспортерных галерей, открытых этажерок и т.п.); многоэтажных зданий высотой более 40 м; поперечных рам одноэтажных однопролетных производственных зданий высотой более 36 м при отношении высоты к пролету более 1,5.

1.4. Для высоких сооружений круговой цилиндрической формы (дымовых труб, мачт и т.п.) необходимо также производить поверочный расчет на резонанс, возникающий при таких скоростях ветра, когда частота срыва вихрей совпадает с собственной частотой колебаний сооружений поперек потока.

Примечание. В гибких призматических конструкциях при определенных скоростях ветра могут возникнуть колебания поперек потока, связанные с явлением аэродинамической неустойчивости таких тел. Указания по расчету и мероприятия по уменьшению колебаний таких конструкций устанавливаются на основании данных аэродинамических испытаний.

2. НОРМАТИВНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕГРУЗКИ

2.1. Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки должно определяться по формуле

, Па, (1)

;

- нормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, принимаемый по п.3.1; - плотность воздуха, кг/м; - скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, м/с; - коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора по высоте, принимаемый в соответствии с указаниями, изложенными в пп.4.1-4.4; - аэродинамический коэффициент, принимаемый по табл.1, прил.1.

2.2. Коэффициент перегрузки для ветровой нагрузки на здания должен приниматься равным 1,2; на высокие сооружения, где ветровая нагрузка имеет решающее значение, 1,3, если в нормах проектирования этих сооружений не приводится другое значение этого коэффициента. Коэффициент перегрузки для дымовых труб высотой от 150 до 300 м рекомендуется принимать равным 1,4, выше 300 м - 1,5.

3. НОРМАТИВНЫЕ СКОРОСТНЫЕ НАПОРЫ

3.1. Нормативный скоростной напор ветра () для данного географического района устанавливается на основе статистического анализа климатологических данных по скоростям ветра в этом районе (районы СССР принимаются по карте, приведенной в главе СНиП II-6-74 "Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования").

Скоростные напоры в зависимости от района СССР должны приниматься по табл.1.

Автомобили с лучшей аэродинамикой | Устойчивость на дороге на высоких скоростях

Конструкторы, работающие над формой кузова, должны учитывать не только информацию инженеров, занимающихся разработкой двигателей, подвесок, дна автомобиля и изучающих зоны деформации. Аэродинамика очень важна в автомобиле, нужно все правильно рассчитать, чтобы автомобиль не взлетел, как, например, «летающий» Mercedes-Benz CLR.

Основы автомобильной аэродинамики

Задача дизайнеров - умело формировать отдельные части кузова, чтобы компенсировать зоны турбулентности и отслоения воздуха. Стоит отметить, насколько важно, чтобы различные части взаимодействовали должным образом. Только правильно подобранные соотношения между ними приводят к низкому коэффициенту сопротивления воздуха «Сх». Один из приемов, позволяющих добиться правильного обтекания крыши - это ее наклон. Увеличение наклона снижает коэффициент лобового сопротивления. Однако, когда это применяется, автомобиль имеет большую лобовую площадь, поэтому общее значение сопротивления может увеличиваться. Альтернативой является снижение линии крыши спереди и сзади, но недостатком этого будет ограничение видимости. После многих анализов некоторые конструкции этого типа запускаются в серийное производство. Самыми популярными автомобилями, использующими это решение, являются VW Passat B5 или Audi A6 C5 .

Toyota Prius III (XW30)

Приоритетом при создании автомобиля было достижение минимально возможного расхода топлива, поэтому силуэт Prius подчинен принципам аэродинамики. Клиновидная передняя часть и пологие линии крыши и двери багажного отделения делают внешний вид этого автомобиля очень футуристичным. К стилистическим «курьезам» можно отнести и разделенное заднее стекло, для улучшения обзорности в вертикальной части двери багажника установили небольшое стекло, которое, правда, довольно быстро пачкается при движении по мокрой дороге. Плюсы такой формы кузова:

Низкий расход топлива;
Маневренность;
Компактность.

Opel Calibra

Конструкторам и дизайнерам Opel удалось создать не только вневременной кузов, практически не имеющий взаимозаменяемых компонентов, но и достичь мастерства в аэродинамике. Коэффициент CX составил всего 0,26! На тот момент это был лучший результат в этой области. Достоинства автомобиля:

Дизайн кузова;
Динамика;
Качество сборки.

В 1992 году линейка была расширена самой мощной версией с 2,0-литровым двигателем с турбонаддувом мощностью 204 л.с. Автомобиль оснащался 6-ступенчатой механической коробкой передач и полным приводом. Calibra 2.0 Turbo 4x4 разгоняется до 100 км / ч за 6,8 с.

Hyundai Sonata VI (YF)

Кабина Hyundai Sonata длиной 4,8 м (с колесной базой 2,73 м) предлагает вместительность автомобиля среднего размера. В этой категории машину можно сравнить с Audi A6, Skoda Superb или Mercedes E-Class, она просторнее своих конкурентов из Японии. Низкая крыша и обтекаемый передний бампер обеспечивают неплохую аэродинамику. Какие есть двигатели?

Автомобиль на вторичном рынке можно приобрести с одной из трех версий двигателя. Каждый предлагает что-то совершенно другое, основной двигатель бензин с объемом 2,0 литра и 150 л.с. На холостом ходу, расходует достаточно топлива (10-14 л / 100 км). По данным каталога, до сотни разгоняется за 8,9 секунды, но в сочетании с АКПП кажется вялой.

Opel Astra K

В 1989 году Opel представил миру Calibra , спортивное купе с сенсационным Cx-фактором 0,26 . Этот результат, как показала история, нелегко достичь, потому что такие проблемы, как безопасность автомобиля, его ходовые качества, охлаждение его отдельных компонентов или конструкция, ограничивают снижение коэффициента. Но благодаря современным техническим мерам его можно улучшить, это доказали инженеры Opel, представив Astra K. Размеры нового кузова:

Длина 4370 мм.;
Ширина 1809 мм.;
Высота 1485 мм.

Полностью активная заслонка оказывает значительное влияние на аэродинамику автомобиля, поскольку ее роль заключается в закрытии как верхней, так и нижней части решетки радиатора. Интеллектуальный механизм управляет независимым открытием и закрытием нижних и верхних воздухозаборников с учетом тепловых, электрических и аэродинамических факторов. Таким образом, это должно привести к снижению расхода топлива. Например, снижение сопротивления воздуха на 10% может снизить расход топлива примерно на 2% или до 5% при движении со скоростью 130 км / ч. Кроме того, более низкое аэродинамическое сопротивление должно положительно сказаться на уровне шума, производимого автомобилем при движении на более высоких скоростях.

Как утверждают представители Opel, такой способ только кажется простым. Полностью активные заслонки передних воздухозаборников требуют внимания ко многим другим элементам. Инженеры должны были учитывать не только внешний вид транспортного средства и его конструкцию, тип двигателя и трансмиссии, тепловое управление этими компонентами и, конечно же, необходимость охлаждения.

BMW 3-й серии (E90)

BMW 3 серии E90 получил титул мирового автомобиля 2006 года. Этот автомобиль можно назвать мостом между современной и классической моторизацией, потому что здесь мы можем найти безнаддувные бензиновые агрегаты, а также современные двигатели с системой Twin-Turbo. Дизайн – одна из особенностей этого автомобиля. Он имеет низкую крышу и наклон лобового стекла, что придает аэродинамичности кузову (Сх = 0,26). Но у автомобиля есть и минусы:

Электроника;
Хрупкая подвеска;
Нужно часто заменять масло (каждые 5-7 тыс. км.).

Это относительно невысокий автомобиль с короткой колесной базой, поэтому места в нем достаточно. Для водителя такой клиренс может быть преимуществом, потому что он чувствует «совместимость» с автомобилем. Пассажиры заднего ряда сидений будут иметь много место над головой и для коленей. Багажники: средние, но красиво отделанные и практичные.

Mercedes CLA I

По данным Mercedes, модель бренда, CLA, является самым аэродинамичным серийным автомобилем в мире. Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля составляет 0,22. Еще несколько плюсов:

Ходовые качества;
Дизайн салона;
Качество сборки.

По словам Mercedes, аэродинамика имеет ключевое значение. Версия BlueEfficiency отличается, среди прочего, дополнительным спойлером под передним бампером, измененная форма наружных зеркал, регулируемая решетка радиатора. Все эти элементы регулируют потоки воздуха, обтекающие кузов, таким образом, чтобы аэродинамическое сопротивление было как можно более низким.

По словам немецких инженеров, коэффициент лобового сопротивления составляет 0,22. Для сравнения: Toyota Prius достигает значения 0,25.

Динамика в сочетании с продуманной 7-ступенчатой коробкой передач с двойным сцеплением заслуживает наивысших оценок. Двигатель 220 имеет не только большую мощность (190 л.с.), чем C200-Class, но и более высокий крутящий момент (300 Нм), доступный уже при 1800 об / мин. Мотор разгоняет машину до сотни за 7 секунд.

Mazda 3

В рамках фейслифтинга бензиновый двигатель объемом 2 литра получил 6-ступенчатую механическую коробку передач, был представлен 2-литровый турбодизель мощностью 143 л.с., а перечень оборудования пополнилась бесключевой и аудиосистемой с жестким диском и возможностью чтения мр3 файлов. Также были улучшены жесткость кузова и аэродинамика, она дает автомобилю:

Низкий расход (5,8 л.);
Маневренность;
Разгон от 0 до 100 за 10.6 с.;
Тишину в салоне.

Только после знакомства с кузовом автомобиля мне удалось заметить небольшое изменение переднего бампера, при котором большая характерная решетка радиатора имеет закругленные углы в верхней части. Кроме того, галогенные фары теперь круглые, а нижний край бампера имеет оптимизированную с точки зрения аэродинамики форму. С помощью нескольких простых мер инженерам удалось снизить коэффициент сопротивления воздуха, в результате чего немного снизился расход топлива.

Infiniti Q50 I

Стилистически Infiniti Q50 выглядит действительно красиво. Автомобиль пропорционален, с острыми чертами спереди и по бокам кузова. Кроме того, он отличается аэродинамическим карбоновым спойлером. В свою очередь характерная решетка радиатора, фары и воздухозаборники в переднем бампере говорят о том, что мы имеем дело с компанией Infiniti. Цена на вторичном рынке начинается от 1 300 000 рублей. Возможно, кто-то спросит: почему так дорого? Потому что автомобиль имеет:

Двигатель 3.0 мощностью 405 л.с.;
Полный привод;
Багажник объемом 500 литров.

Контур кузова обеспечивает отличные аэродинамические характеристики, помогая плавно направлять воздушный поток вокруг верхней части кузова и под автомобилем. Результат - чрезвычайно низкий коэффициент лобового сопротивления 0,26, а кроме того, Q50 имеет почти нулевую подъемную силу для передней и задней части автомобиля, что значительно улучшает устойчивость при быстрой езде.

Сама кабина также хорошо выглядит визуально и практически. Возможно, дизайн не впечатляет, но все это сделано из качественных материалов. Еще одно преимущество - простое и эргономичное управление бортовыми устройствами, которое осуществляется с помощью двух сенсорных дисплеев.

Об обтекаемости советских авто

Когда после десятки (21103 1.5 16 кл) пересел на 2114 со 124 мотором (1.6 16кл), то обратил внимание на то что расход в районе 8 литров и динамика и максималка хуже. Десятка 2001 года ложила стрелу легко и по gps скорость была около 185, точно не помню. Расход был по бортовику 6.3 литра и выше не поднимался.По факту было около 6.5 литра на сотку. На четырке и вес вроде меньше и мотор бОльшего объёма и мощнее по идее, а едет не так и кушает заметно больше. Погнал машину на диагностику, думал может прошить, хотя уже была прошита. Объяснил ситуацию электрику-диагносту. Тот сказал, что для 14-ки это нормальный расход и с десяткой ее не стоит сравнивать, т.к. кузова разные… Вот статейка, которая все это объясняет довольно популярно))))

Коэффициент аэродинамического сопротивления

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Cw) — безразмерная величина, отражающая отношение силы сопротивления воздуха движению автомобиля к силе сопротивления движению цилиндра:
Cw = Fauto / Fcylinder,
при условии, что наибольшее поперечное сечение автомобиля равно поперечному сечению цилиндра[источник не указан 1186 дней].
Другими словами, сила сопротивления воздуха, действующая на корпус автомобиля, равна силе, действующей на цилиндр с понижающим коэффициентом Cw:
Fauto = Cx * Fcylinder,
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.
Чем меньше Cw, тем лучше проработана аэродинамика автомобиля. Для современных автомобилей Cw < 0,3.
Коэффициент определяется экспериментальным путём — в аэродинамической трубе, либо компьютерным моделированием.

Нередко приходится читать и слышать про достигнутые практически на стандартных машинах подобных значений максимальной скорости. Спидометры, уклоны, ветерки можно пока изъять из рассмотрения. Прежде всего, необходимо ответить, что цифири максимальной скорости — те, что нам втюхивает завод, как правило, являются “парадными”. Так, для стандартного 8v зубильного ряда "максималка" в лучшем случае не 156 км/час, а 152 км/час, для 2112 с 1.5 л 16v не 185 км/час, а в лучшем случае 179 км/час.

На таких скоростях главные затраты двигателя приходятся на преодоление сил аэродинамического сопротивления. А последние, как известно, пропорциональны коэффициенту аэродинамического сопротивления, площади миделевого сечения, скоростному напору (половине произведения плотности воздуха на квадрат его скорости).

Аэродинамическое сопротивление, площадь миделя и плотность воздуха не трогаем — стандарт есть стандарт. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости? Тогда потребная мощность на преодоление этой силы пропорциональна кубу скорости, и для зубильной "максималки" в 190 км/час нужно 77*(190/152)^3 = 150 кобыл! Вот тебе и стандарт… Справедливости ради надо отметить, что даже наличие под капотом 150 л/.с в зубиле не обеспечивают максимальной скорости в 190, надо иметь еще трансмиссию, которая обеспечивала бы при таких оборотах колес попадание в зону пика мощности как минимум, не хуже, чем в стандарте на 152 км/час, но это, как говорится, уже детали…

Средняя погрешность спидометра по правилам ЕЭК ООН 39 может быть только положительной и не превышать истинную скорость движения более чем на 10%+6 км/ч.

То есть если реальная скорость 160, то спидометр имеет право показать
160+16+6= 182 км/ч

Что может стандартный ВАЗовский двигатель и чего он не может.

Для достижения "зубилом" скоростного барьера в 200 км/ч. необходима мощность двигателя 160 л.с, "десятке" потребуется поменьше — 130 л.с. Другие "контрольные точки" —

ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА «За Рулем» №4, 1983

Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.
Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.
Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.
Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.
Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.
Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60.

В среднем он составляет в настоящее время 0,43. Для сравнения: среднее значение Сх у машин выпуска 1938 года — 0,58. Наименьшим коэффициентом отличаются автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости — 0,2 («Звезда—6», СССР) и 0,15 («Фольксваген-АРФВ», ФРГ).

Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях… Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, скажем, для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования…

Аэродинамические исследования ведут не только с целью снизить расход топлива. Они помогают добиваться прогресса в области активной безопасности автомобиля, положительно влиять и на такие составляющие комфортабельности, как эффективность вентиляции, шум в салоне, загрязнение стекол и фонарей.
Результаты перспективных разработок говорят о больших резервах, скрытых в улучшении аэродинамики автомобиля. Так, известные итальянские кузовные фирмы «Пининфарина» и «Итал Дизайн» создали несколько экспериментальных моделей, имеющих Сх 0,23—0,26…
Важную роль в улучшении аэродинамических качеств играют различные обтекатели, дефлекторы («За рулем», 1982, № 8), спойлеры, антикрылья, юбки («За рулем», 1981, № 4).

Наиболее широко на легковых автомобилях в последнее время применяется передний спойлер. Это профилированный щиток — чаще всего продолжение передней панели кузова вниз, под бампер, или элемент самого бампера. Он служит для уменьшения нежелательной разгрузки колес, вызываемой повышенным давлением, которое образуется в зоне между днищем автомобиля и полотном дороги при движении. На скорости около 100 км/ч отрицательная (направленная вверх) нагрузка на передние колеса может превысить 100 кгс. В результате ухудшаются характеристики прямолинейного движения («держание» дороги), а также снижается боковая устойчивость при поворотах с большими скоростями.
Кроме того, протекание воздуха под автомобилем сопровождается значительным ростом сопротивления выступающих деталей подвески, системы выпуска и других — до 20% общего профильного сопротивления. Очевидно, идеальным было бы ровное или закрытое щитом днище, но практически достичь этого невозможно, хотя частично подобные нежелательные эффекты можно устранить установкой переднего спойлера. Изменяя направление потоков, обтекающих нижнюю часть машины, он создает под кузовом разрежение. Минимум же полного сопротивления достигается тогда, когда допустимая максимальная высота спойлера обеспечивает уменьшение аэродинамического сопротивления расположенных снизу деталей настолько, насколько увеличится сопротивление кузова. Испытания показали, однако, что установка спойлера может ухудшить охлаждение двигателя, системы выпуска, агрегатов трансмиссии. Вот почему его подбор — сложная задача, решаемая на основе многочисленных экспериментов для каждой конкретной модели автомобиля. Хорошо подобранный спойлер может снизить Сх на 6—7%.
Конструкторы ищут возможности использовать аэродинамические устройства на серийных машинах. Так, на особо скоростных моделях («Порше», «Альфа-ромео» и др.) ставят антикрылья. На чем основан их эффект? Если крыло самолета создает подъемную силу, то, перевернув его (отсюда и приставка «анти»), получим силу прижимающую, которой обычно так недостает автомобилю. Помимо увеличения прижимающей силы антикрыло на крышке багажника так организует поток воздуха за автомобилем, что снижает лобовое сопротивление примерно на 6%.
Наряду с поисками наивыгоднеишего (в отношении снижения аэродинамических потерь) сочетания элементов кузова конструкторы уделяют серьезное внимание снижению потерь вокруг отдельных выступающих деталей.
Выдвижные фары («Порше-928», «Мазда-РИкс-7», «Матра-багира»), убирающиеся в «пазуху» между задней кромкой капота и лобовым стеклом «дворники» (ГАЗ—14, «Мерседес-Бенц-С», «Ровер-3500», «Додж-магнум-78»), отказ от выступающих дверных ручек («Рено-5», «ФИАТ-панда», «Рено-фуэго») помогают сгладить обводы кузова. Немалое значение для снижения общего аэродинамического сопротивления имеет замена выступающих водосточных желобов над дверными проемами водосгонными ребрами на крыше, как сделано у «Рено-18», «Мицубиси-кольт», «Хонде-аккорд».
В заключение можно сказать, что внешний облик автомобиля претерпел в последнее время серьезные изменения, обусловленные прежде всего стремлением полнее учесть особенности обтекания его воздухом. Улучшение аэродинамики автомобиля способствует повышению динамических качеств и при минимуме конструктивных изменений дает заметную экономию топлива. А потому можно с уверенностью предсказать прогресс в области аэродинамики. По прогнозам, к 1990 году аэродинамическое сопротивление автомобиля снизится в среднем на 10%, что даст уменьшение расхода бензина на 3,5%, а дизельного топлива — на 4,5%. В перспективе считают возможным сократить таким путем расход топлива на 15%.

Коэффициент лобового сопротивления Сх:
«Ауди-100» (0,30), ВАЗ-2101 (0,46), ВАЗ-2103 (0,45), ВАЗ-2105 (0,43), ГАЗ-20 (0,46), ГАЗ-24 (0,45), ГАЗ-24 (0,41), ЗАЗ-968 (0,48), «Москвич-2140» (0,41), СИМКА-1307 (0,38), «Ситроен-ЖСА-Икс-3» (0,32), «Ситроеи-ЦИкс» (0,35), «Фольксваген-жук» (0,60), «Фольксваген-гольф» (0,42), «Фольксваген-пассат» (0,38), «Форд-фиеста» (0,42).

Ф. УЗБЕКОВ, инженер («За Рулем» №4, 1983)

Литература:
Михайловский Е. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973.
Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977.
«За рулем», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобильная промышленность», 1979, № 11.

Коэффициент лобового сопротивления кирпича

Аэродинамическое сопротивление автомобиля обусловлено движением последнего с некоторой относительной скоростью в окружающей воздушной среде. Среди всех сил, составляющих сопротивление движению автомобиля, эта представляет наибольший интерес в свете всевозрастающих скоростей передвижения транспортных средств. Дело все в том, что уже при скорости движения 50-60 км/час она превышает любую другую силу сопротивления движению автомобиля, а в районе 100-120 км/час превосходит всех их вместе взятых.

Сразу хотелось бы отметить, что на сегодняшний день не существует методик теоретического расчета силы аэродинамического сопротивления, а поэтому ее величину возможно определить только экспериментально. Конечно, неплохо было бы еще на стадии проектирования произвести количественную оценку аэродинамики автомобиля и изменяя определенным образом форму кузовных деталей оптимизировать ее. Но, увы, решить данную задачку оказалось не так просто. Найти выход из сложившейся ситуации, конечно же, пытались. В частности, путем создания каталогов, где значению аэродинамического сопротивления объекта ставились в соответствие основные параметры его формы. Такой подход оправдывает себя лишь в случаях его применения к относительно простым в аэродинамическом смысле телам. Число же параметров, описывающих геометрию легкового автомобиля, слишком велико, и отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с другом, так что и в этом случае попытка приручить аэродинамику провалилась.

Применительно к автомобильной технике аэродинамическое сопротивление можно представить как сумму нескольких его составляющих. К ним относятся:

сопротивление формы;
сопротивление трения о наружные поверхности;
сопротивление, вызываемое выступающими частями автомобиля;
внутреннее сопротивление.

Сопротивление формы еще называют сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. Сопротивление формы является основной составляющей сопротивления воздуха, оно достигает 60% общего. Механизм возникновения этого вида сопротивления следующий. При движении транспортного средства в окружающей воздушной среде происходит сжатие набегающего потока воздуха в передней части автомобиля. В результате здесь создается область повышенного давления. Под его влиянием струйки воздуха устремляются к задней части автомобиля. Скользя по его поверхности, они обтекают контур транспортного средства. Однако в некоторый момент начинает проявляться явление отрыва элементарных струек от обтекаемой ими поверхности и образования в этих местах завихрений. В задней части автомобиля воздушный поток окончательно срывается с кузова транспортного средства. Это способствует образованию здесь области пониженного давления, куда постоянно осуществляется подсос воздуха из окружающего воздушного пространства. Классической иллюстрацией наличия зоны пониженного давления является пыль и грязь, оседающие на элементы конструкции задней части транспортного средства. За счет различия давлений воздуха впереди и сзади автомобиля создается сила лобового сопротивления. Чем позже происходит срыв воздушного потока с обтекаемой поверхности и соответственно меньше область пониженного давления, тем меньшей будет и сила лобового сопротивления.

В этом аспекте интересен следующий факт. Известно, что при езде двух формульных болидов друг за другом, уменьшается не только сопротивление движению заднего автомобиля, идущего в воздушном мешке, но и переднего, по измерениям в аэродинамической трубе - на 27%. Происходит это вследствие частичного заполнения зоны пониженного давления и уменьшения разрежения за ним.

Из вышесказанного понятно, что форма кузова транспортного средства в данном случае играет существенную роль. Кузов автомобиля необходимо изваять таким образом, чтобы процесс перемещения воздуха из передней зоны автомобиля в заднюю происходил с наименьшими затратами энергии, а последние определяются главным образом характером вихреобразования. Чем меньше образуется локальных завихрений, мешающих нормальному перетеканию струек воздуха под действием разности давлений, тем меньше будет и сила лобового сопротивления.

Сопротивление трения обусловлено "прилипанием" к поверхности кузова слоев перемещающегося воздуха, вследствие чего воздушный поток теряет скорость. В этом случае величина сопротивления трения зависит от свойств материала отделки поверхности кузова, а также от его состояния. Дело в том, что любая поверхность обладает различной поверхностной энергией, способной в различной степени повлиять на окружающую среду. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой, и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение сил Ван-дер-Ваальса (сил взаимного притяжения молекул), препятствующих взаимному перемещению объемов соприкасающихся веществ. На данный вид потерь приходится около 10 - 20% всех аэродинамических потерь. Меньшие значения сопротивления трения относятся к автомобилям, обладающим новыми, хорошо отполированными покрытиями, большие к автомобилям с плохо окрашенными кузовами или покрытиями, которые с течением времени утратили большинство своих потребительских свойств.

Сопротивление вызываемое выступающими частями автомобиля составляет 10 - 15% общего. Хотя на некоторых экземплярах автомобильной техники оно может принимать и гораздо большее значение. На его величину влияют самые, казалось бы, безобидные конструктивные элементы автомобиля, как-то дверные ручки, рычаги стеклоочистителей, колесные колпаки и прочие детали. Оказывается даже такие мелочи вносят свой вклад в общую силу аэродинамического сопротивления движению, причем их довесок весьма существенен. Судите сами: поднятые ночью убирающиеся фары увеличивают силу сопротивления воздуха на 10%, открытые окна - на 5%, установленные предусмотрительным автовладельцем грязезащитные фартуки на всех колесах - на 3%, багажник на крыше - на 10-12%, наружные зеркала заднего вида - 5-7%, широкопрофильные шины - на 2-4%, антенна - на 2%, открытый люк в крыше - на 2-5%. С другой стороны есть ряд деталей, применение которых позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление. Так, установка на колеса гладких колпаков снижает его на 3%, замена выступающих дверных ручек на оптимизированные в аэродинамическом смысле - утопленные также несколько снижает силу сопротивления воздуха. Чтобы исключить добавочное сопротивление, вызываемое щетками стеклоочистителей, когда последние находятся в нерабочем положении, конструкторы некоторых фирм прячут их в специальный отсек, расположенный между кромкой капота и лобовым стеклом. Также существенную роль играет качество сборки кузова автомобиля: малые зазоры в местах стыков кузовных деталей могут уменьшить сопротивление на 2-5%.

Внутреннее сопротивление обусловлено движением воздушных потоков через системы вентиляции и охлаждения. Обычно пути движения воздушных потоков в этом случае имеют достаточно сложную конфигурацию, обладающую множеством местных сопротивлений. К числу последних относятся резкие изменения направления движения воздуха, фильтры, радиаторы и т. п.

Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость:

где: Р - плотность воздуха;
V - скорость относительного движения воздуха и машины;
F_MID - площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь);
C_X - коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости).

Обратите внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате, а это значит: при увеличении скорости движения транспортного средства в два раза, сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза, а затраты мощности вырастают в восемь раз. Поэтому при движении автомобиля в городском потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его значение достигает больших величин. А что говорить о гоночных болидах, движущихся со скоростями 300 км/час. В таких условиях практически вся вырабатываемая двигателем мощность тратиться на преодоление сопротивления воздуха. Причем за каждый лишний км/ч прироста максимальной скорости автомобиля приходится платить существенным увеличением его мощности или снижением C_X. Так, например, работая над увеличением скоростных возможностей болидов, участвующих в кольцевых гонках Nascar, инженеры выяснили, что для увеличения максимальной скорости на 8 км/ч потребуется прирост мощности двигателя в 62 кВт! Или уменьшение С_X на 15%.

Однако аэродинамика влияет не только на скоростные качества автомобиля и расход топлива. В ее компетенцию входят также задачи обеспечения должного уровня курсовой устойчивости, управляемости автомобиля, снижения шумов при его движении.

Особое внимание заслуживает влияние аэродинамики на устойчивость и управляемость автомобилем. Это в первую очередь связано с возникновением подъемной силы, которая серьезно влияет на ходовые качества машины - уменьшает силу сцепление колес с дорогой, а в некоторых случаях может быть одной из причин опрокидывания автомобиля. Причина появления подъемной силы у автомобиля кроется в форме его профиля. Длины путей движения воздуха под автомобилем и над ним существенно разняться, следовательно, обтекаемому сверху воздушному потоку приходится проходить его с большей скоростью, нежели потоку движущемуся внизу автомобиля. Далее вступает в действие закон Бернулли, по которому, чем больше скорость, тем меньше давление и наоборот. Поэтому внизу автомобиля создается область повышенного давления, а сверху - пониженного. В результате получаем подъемную силу. Конструкторы стремятся всякими ухищрениями свести ее к нулю, и частенько это им удается. Так, например, у "десятки" нулевая подъемная сила, а у "восьмерки" существует тенденция к подъему. Избавиться от подъемной силы можно установкой антикрыльев. Они создают дополнительную прижимную силу, хотя несколько и ухудшают общее аэродинамическое сопротивление. Следует заметить, что используются они в основном на гоночных болидах. Не следует путать между собой антикрыло и спойлер. Каждый из них выполняет свою задачу. Спойлеры, которые устанавливаются на серийные модели легковых автомобилей, предназначены в большей степени для лучшей организации движения потока воздуха.

На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры".

Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле.

Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов.

Не просто кирпич, а аэродинамический кирпич. Tesla Cybertruck удивляет коэффициентом аэродинамического сопротивления

Пикап Tesla Cybertruck получился крайне необычным. Мы уже говорили о том, почему машина имеет столь рубленные формы. Но как на счёт аэродинамики?

Сама Tesla коэффициент аэродинамического сопротивления не указывает. Для пикапа он не особо важен, но, с другой стороны, речь о пикапе с динамикой гиперкара (если брать топовую версию).

Инженер аэрокосмической отрасли Джастин Мартин (Justin Martin) построил трёхмерную модель пикапа Tesla и использовал её в симуляторе CFD. Автор решил не указывать получившийся коэффициент аэродинамического сопротивления, так как всё же у модели могли иметься некоторые неточности, но в целом результат оказался весьма впечатляющим.

Видно, что создатели Cybertruck придавали машине такую форму, в том числе опираясь на расчёты, связанные с аэродинамикой. Мартин отметил, что коэффициент аэродинамического сопротивления у пикапа Tesla, вероятно, значительно ниже, чем у большинства спортивных автомобилей.

Правда, стоит держать в голове тот факт, что в том виде, в котором Cybertruck был показан публике, он вряд ли сможет попасть в серийное производство, так как машина попросту не получит ряд необходимых сертификатов. Впрочем, в большинстве случаев эти нюансы основных форм кузова не касаются.

Не просто кирпич, а аэродинамический кирпич. Tesla Cybertruck удивляет коэффициентом аэродинамического сопротивления

Читайте также: