Инженерное объяснение: 10 аэродинамических особенностей гоночных автомобилей
Есть три основные причины для улучшения аэродинамики гоночных автомобилей с точки зрения производительности: охлаждение, прижимная сила и минимизация сопротивления. Вот 10 различных аэродинамических характеристик, начиная с передней части автомобиля и заканчивая задней.
1. Разветвитель
Передняя кромка передней части автомобиля, относительно параллельная земле, которая пытается удерживать воздух под высоким давлением над автомобилем, а не течь под ним. Высокое давление давит на сплиттер, что также способствует созданию прижимной силы.
2. Пикирующие самолеты
Эти приспособления обычно располагаются с правой и левой сторон переднего бампера (см. ниже) и имеют изогнутую форму, чтобы перенаправлять поток воздуха в передней части автомобиля вверх, тем самым создавая прижимную силу. Они также используются для изменения воздушного потока по бокам автомобиля, пытаясь свести к минимуму количество воздуха под высоким давлением, поступающего под автомобиль (что создаст подъемную силу / сведет к минимуму прижимную силу).
3. Вентиляционные отверстия капота
Вентилируемые капоты обеспечивают чистый выход воздуха, проходящего через радиатор, а также помогают поддерживать поток воздуха через моторный отсек, улучшая охлаждение.
4. Воздуховоды NACA
Эти воздухозаборники спроектированы так, чтобы оказывать минимальное влияние на воздушный поток, но при этом создавать входное отверстие для воздушного потока. Их можно использовать практически в любом приложении, требующем потока воздуха, будь то питание воздухозаборника, радиатора или даже охлаждение водителя. В Ferrari F40 широко использовались воздуховоды NACA.
5. Боковые вентиляционные отверстия
За передними (или задними) колесами можно увидеть боковые вентиляционные отверстия, позволяющие воздушному потоку выходить из колесных ниш, который обычно остается турбулентным из-за вращения колес. Их также можно использовать для отвода горячего воздуха из моторного отсека.
6. Боковая юбка
Боковые юбки чем-то похожи по принципу действия на сплиттеры. Они установлены и, как правило, находятся как можно ниже, чтобы предотвратить движение воздуха под высоким давлением под автомобилем.
7. Низ живота
Для гонок они часто бывают гладкими и плоскими, чтобы минимизировать сопротивление и уменьшить турбулентность под автомобилем. В сочетании с диффузором воздух с более низким давлением под автомобилем может создавать значительную прижимную силу.
8. Диффузор
Диффузор — это часть днища кузова, форма которой создает расположение все большего объема воздуха под задней частью автомобиля. Это позволяет быстро движущемуся воздуху низкого давления под автомобилем замедляться и расширяться в задней части автомобиля. Диффузор помогает ускорить поток воздуха под автомобилем, что снижает его давление, тем самым улучшая прижимную силу. Это также может помочь перенаправить воздушный поток вверх, еще больше улучшив прижимную силу.
Вот короткое видео о том, как работают диффузоры:
9. Спойлер
Не путать с задним крылом, спойлеры на гоночных автомобилях используются для предотвращения подъемной силы, создавая препятствие на пути воздушного потока, создающего подъемную силу. Это приводит к изменению пути воздуха, так что воздушный поток в задней части транспортного средства выходит горизонтально или вверх, таким образом, не создавая подъемной силы. Подобную особенность можно увидеть, когда вы находитесь в приземляющемся пассажирском самолете. Закрылки на крыльях (спойлеры) поднимутся, минимизируя подъемную силу и создавая сопротивление, что поможет снизить скорость самолета.
Вот видео, объясняющее спойлеры и задние крылья:
10. Заднее крыло
Для использования в автомобилях крылья (как и в самолетах) представляют собой аэродинамические профили, однако они предназначены для прямого отклонения воздушного потока вверх, толкая автомобиль вниз. Воздушный поток, взаимодействующий с крылом, выталкивается вверх, поэтому машина вынуждена опускаться. Однако преимущество прижимной силы достигается за счет дополнительного сопротивления.
Вот видео, в котором подробно рассматриваются эти функции Nissan GT-R Nismo GT3.
Виллем Тоет объясняет…..Воздуховоды
Я хотел бы, чтобы это было простое руководство по улучшению некоторых частей вашего гоночного автомобиля, где вам нужно обеспечить пассивно индуцированный «принудительный» воздушный поток. Аэродинамики узнают все о теории, и это, безусловно, полезно и важно, когда вы расширяете границы возможного, но не жизненно важно, если у вас есть немного менее сложная работа, связанная с воздушным потоком. Я надеюсь, что это может дать вам преимущество, не требуя многолетних исследований. Это не всегда очень просто, и я не могу охватить здесь все, но вот несколько практических советов.
Воздуховоды предназначены для забора воздуха, в идеале, из чистого, высокоэнергетического источника и подачи его к месту, где он должен использоваться (обычно для какого-либо охлаждения или для «питания» двигателя).
Поток в диффузионном канале – показывает упрощенный пограничный слой (синий медленно движется, красный быстрее, чистый быстро)
Этот Mini забирал воздух для двигателя из моторного отсека. Входы в карбюратор находятся за двигателем и над выхлопной трубой, поэтому явно не идеальное место, если погода уже теплая. Поскольку автомобиль использовался для восхождения на холм (хорошим другом Ричардом Маршаллом) и не нуждался в фарах, Ричард (под некоторым руководством человека, который немного разбирается в аэродинамике) сделал вход и расширитель для подачи в двигатель холодного высокого давления. воздуха. Вход был рассчитан таким образом, чтобы двигатель не «захлебывался», за исключением случаев, когда скорость автомобиля была намного ниже, чем пробуксовка, ограничивающая скорость автомобиля, и был установлен хороший длинный плавный расширитель, который питал новую специально изготовленную «воздушную коробку». Белый материал, окружающий воздуховод, является изолятором. Однако редко бывает достаточно места для этого. Честно говоря, я думаю, что это на самом деле прекрасный пример. Хороший радиус на передней кромке, чтобы ничто не мешало воздуху, а расширитель расположен под малым углом. Единственные недостатки, которые я вижу, — это крепежные болты рядом с передней частью входов — незначительная жалоба — и отсутствие радиусов углов, что также является незначительным недостатком, учитывая, что мы расширяем плавно (простота изготовления также является фактором).
Ричард Маршалл прокомментировал: «Если я правильно помню, мы провели регистрацию давления в установке, и она создавала избыточное давление точно при проектной скорости автомобиля/двигателя».
Воздуховод был добавлен примерно в 1990 году. Тогда Ричард уже разрабатывал свои собственные системы регистрации данных, поэтому вполне естественно, что он хотел измерить влияние воздуховода.
Существует множество научных статей, в которых объясняется, что для такого расширяющегося воздуховода требуется не более 7 градусов. Зачем расширять? В основном потому, что вы можете использовать скорость транспортного средства для преобразования этой энергии скорости (мы называем это полным давлением) в статическое давление (думайте об этом как о давлении, которое давит на поверхности, если они есть) и в плотность воздуха. Большая плотность означает, что больше воздуха (молекулы кислорода в данном случае являются важным элементом) попадает в двигатель (и в этом случае он также холоднее = еще больше плотности).
Два первых диффузионных воздуховода запомнились мне из-за их удивительного (в то время) влияния на производительность. Один предназначался для тормозов и охлаждения водителя принадлежащего лорду Дауну Aston Martin Nimrod (1983 г.). Чтобы отдать должное стилю традиционной решетки радиатора Aston, мы поместили два овальных входа для охлаждения внизу рядом с основным входом радиатора в передней части автомобиля. Это был идеальный размер (не повезло) для двух воздуховодов диаметром 50 мм (я думаю) (с каждой стороны). Мы просто соединили армированные проволокой гибкие воздуховоды (известные в просторечии как ослиный член): один для охлаждения тормозов и один для подачи воздуха в кабину для водителя.
Изображение сделано в автоцентре Heritage, где был выставлен хороший пример. http://www.heritage-motor-centre.co.uk/
К сожалению, тормоза перегрелись, и водитель тоже чувствовал себя изрядно потрепанным. Нужно было что-то делать, и быстро. По совету бывалого ставим за входом расширитель (рассеиватель). Как и во всех модернизированных частях, пространство было в большом почете. Чтобы сделать площадь достаточно большой, чтобы выйти к трем воздуховодам того же размера, что и исходные два, нам просто не хватило длины (зазора до существующих механических компонентов) для достижения желаемой площади. У нас не было другого выбора, кроме как расширяться быстрее рекомендуемого максимума в 7 градусов.
Мы пошли на довольно агрессивный угол, около 15 градусов, только в одной плоскости, который никогда не останется прикрепленным, но мы добавили два сплиттера, чтобы контролировать расширение в каждой части воздуховода примерно до 5 градусов. У нас не было ни инструментов, ни времени для экспериментов. При тестировании это казалось чудом. Водитель прокомментировал, что его будто вышибло из кабины, а тормоза работали хорошо в пределах температуры краски, которую мы наносили на обод дисков (в отличие от предыдущих). С точки зрения водителя это казалось чудом, потому что мы забирали воздух из одного и того же места, отдавая ему треть воздуха, а не половину, но проходило больше. Однако мы увеличили давление в воздуховоде до уровня выше уровня кабины, и в этом была вся разница. На самом деле, в Ле-Мане мы потеряли дверь на главной прямой на максимальной скорости (буквально оторвало из-за разницы давлений внутри и снаружи) и пришлось усиливать крепления! Возможно, это одна из причин, почему я помню эспандеры!
Предупреждение о сплиттерах! Разветвители в воздуховоде обычно представляют собой простые плоские листы материала (мы использовали алюминий). Острая передняя кромка может привести к отрыву прямо на передней кромке, если воздушный поток не выровнен. Я предлагаю, чтобы сплиттер начинался там, где у вас есть высокая уверенность в угловатости потока, чтобы свести к минимуму риск этого. Кроме того, с обеих сторон любого листа возникает определенное трение кожи, так что это также необходимо учитывать, если вы устанавливаете разделители в воздуховод. Более длинный воздуховод с малым углом расширения немного лучше, чем более короткий воздуховод с двойным углом и с делителем, потому что поверхностное трение вызывает рост «пограничного слоя», который растет с нелинейной скоростью (сначала быстрый рост). Следовательно, если вы проектируете воздуховод с нуля, поэкспериментируйте с длиной и скоростью расширения, чтобы попытаться свести к минимуму количество сплиттеров, чтобы получить каждую ветвь воздуховода примерно до 7 градусов. Обратите внимание, что воздуховоды радиатора различаются из-за блокировки, вызванной сердцевиной радиатора.
Не стоит слишком беспокоиться о пограничных слоях, но они важны. Воздух, движущийся вблизи поверхности, замедляется — вы можете думать об этом как о трении. Отделка поверхности может изменить то, как формируются и ведут себя пограничные слои, но эффект обычно незначителен по сравнению с вовлеченными формами и, возможно, предметом некоторых будущих сообщений — и теперь мы начинаем немного углубляться в науку…..
Еще один расширитель воздуховода/диффузор, который я хорошо помню (потому что это было бесплатное исполнение, а также потому, что он вызывал отвращение у менеджера команды [после тестирования он показался мне бледно-зеленым оттенком]), был установлен на входах воздушной камеры Nimrod — я объясню. .
У нас была небольшая воздушная камера на Nimrods, в которую воздух подавался по воздуховодам оригинальной конструкции NACA. Я говорю подлинный, потому что большинство воздуховодов в стиле NACA, которые вы видите на гоночных автомобилях, не имеют ничего общего с этим. Это утверждение особенно относится к тем, которые вы можете купить онлайн для использования в автоспорте. Воздуховод NACA хорошо работает с острыми боковыми краями, позволяя образовываться боковому вихрю, который редко встречается на более низких уровнях автоспорта. На самом деле, вы можете повысить эффективность охлаждения за счет сопротивления, добавив отвод к боковым кромкам. Способ закрытия воздуховода также является важной (часто игнорируемой) конструктивной особенностью. После закрытия воздуховода необходим расширитель для преобразования динамического давления (скорости/энергии) в статическое (представьте, что это поверхностное) давление. Это также то, чего не хватает коммерчески доступным воздуховодам. У Nimrod было несколько тщательно вылепленных воздуховодов NACA в шасси / крыше кабины для подачи воздуха в коробку двигателя. Было довольно трудно вписать их в каркас безопасности, но они подходили, скажем, там, где касались. Однако шасси закончилось сразу после закрытия воздуховодов. По этой причине в первом автомобиле воздушная камера питалась от этих укороченных расширителей / диффузоров, а крышка двигателя заканчивала уплотнение воздушной камеры с открытым верхом.
Некоторые из нас настаивали на том, чтобы установить простые изготовленные диффузоры на заднюю часть воздуховодов NACA таким образом, чтобы это было совместимо со снятием крышки двигателя и давало воздуховодам больше шансов подавать в двигатель воздух под высоким давлением. Скептики в команде не были уверены, что это вообще что-то изменит. Поэтому в день рекламы, когда люди могли ездить на «такси», было решено, что Ричард Уильямс (менеджер нашей команды) сядет в машину, чтобы оценить работу наших расширенных диффузоров. Выбранный метод заключался в том, чтобы иметь длинную прозрачную гибкую пластиковую трубу, идущую из кабины в воздушную коробку двигателя.
Внутри кабины Ричард держал длинную часть трубы в форме буквы U. Нижняя половина U была заполнена водой (до того, как мы прикрепили один конец к воздушной камере). Если бы в воздушной камере было высокое давление, она начала бы отталкивать воду от двигателя (в кабину). Если бы он имел всасывание, он бы всасывал воду в сторону двигателя. Эталонное давление будет таким, каким будет давление в кабине.
Не очень научно, но стоило попробовать параллельный тест, поскольку тогда у нас не было регистрации данных как таковой. Ричард держал большой палец наготове, чтобы закрыть открытый конец. Рэй (Мэллок) проезжал круг с нерасширенной компоновкой, а Ричард пытался увидеть, было ли какое-либо значительное смещение воды на прямых. Мы договорились о стандартном ограничении оборотов на высшей передаче на прямых, поэтому у нас были стабильные показания, а Рэй всегда хорошо разбирался в таких деталях. Затем мы устанавливали рассеивающие удлинители, и тест повторялся.
Без удлинителей вытеснение воды было относительно небольшим, и, честно говоря, я не помню, в каком направлении двигалась вода для этого базового теста. Ричарда тошнило (хотела вырвать) из-за того, что его швыряло в гоночной машине, и он отчаянно пытался сосредоточиться на уровне воды в прозрачных пластиковых трубках. Я даже не уверен, было ли у нас реальное место со стороны пассажира, поэтому ему приходилось одновременно держаться за дуги безопасности — довольно сложно!
С установленным расширителем был сделан второй прогон, и разница была значительной и очевидной. Ричард чуть не принял небольшой душ, пока вода от двигателя отталкивалась в кабину. На этом дискуссия о рассеивающих расширителях закончилась — с этого момента они стали стандартной комплектацией.
Расширители (но не воздуховоды NACA, к сожалению) видны в верхней части снимка перед воздушной коробкой. Изображение благодаря AMR1.uk и «Vantage Summer 2014».
Некоторые другие комментарии о воздуховодах!
Запись — очень важная вещь, и ее размер — ее часть. Не поддавайтесь искушению пойти на вход монстра, чтобы попытаться «протаранить» воздух во что-то — это не выход. Воздух не будет разгоняться быстрее, чем автомобиль, если есть засорение воздуховода дальше по линии, как это всегда бывает с тормозными или радиаторными каналами. Весьма вероятно, что воздух будет течь быстро, если приближающийся воздух имеет высокую скорость (энергию) или высокое статическое давление, и будет замедляться или даже (в некоторых случаях) двигаться назад, если есть части входа воздуховода. которые «питаются» воздухом низкого давления и/или низкой энергии. Хитрость заключается в том, чтобы собрать воздух в месте, где много энергии и давления, а затем осторожно расширить его и направить именно туда, где он необходим.
Также будьте осторожны с ориентацией входов воздуховодов. Вход должен быть выровнен с потоком, иначе вы можете отключить воздух на входе. Там, где выравнивание потока изменяется во время использования автомобиля (изменение угла наклона переднего крыла, изменение шага и т. д.), используйте небольшой радиус на передней кромке, чтобы обеспечить возможность изменения выравнивания.
Входы для охлаждения радиатора
С фиксированной точкой блокировки (например, радиатором) вы можете увеличить скорость расширения сверх нормального предела в 7 градусов по мере приближения к самой сердцевине (аэродинамическая блокировка). Это трюк, который многие специалисты по аэродинамике используют во всевозможных приложениях. Поэтому используйте увеличение расширения по мере приближения к сердцевине радиатора. Это хорошая стратегия в любом случае, если вы можете. Вход радиатора должен составлять не менее 20% площади сердечника для большинства применений в автоспорте. Конечно, на это влияет скорость автомобиля, площадь радиатора, теплоотвод и так далее, но это хорошая отправная точка. Если вы идете значительно больше, вы, как правило, платите цену некоторого сопротивления.
Крайним примером был автомобиль BAR Honda Bonneville F1. Я уменьшил площадь входа как часть пакета снижения лобового сопротивления, и почти все, кроме меня, были убеждены, что он перегреется и никогда не сможет работать с таким маленьким входом. Это не было проблемой, потому что почти все его движение было на высокой скорости, а отвод тепла такой же, как при буксировке автомобиля с гораздо более высоким сопротивлением (поэтому он движется медленнее, но вырабатывает такое же количество тепловой энергии). В любом случае нам нужно было снижение лобового сопротивления, которое дало нам обновленное обвесное оборудование. Нам нужна была дополнительная длина, чтобы иметь возможность направить воздух обратно в область радиаторов.
Оставьте не менее четверти площади радиатора для вашего выхода. Это разумная отправная точка, особенно если у вас нет доступа к хорошим ресурсам для тестирования CFD или аэродинамической трубы. Выходной воздуховод добавляет вес, и в F1 их очень мало. Многие из тех, что я тестировал, оказались хуже, чем позволяли воздуху проникать в упакованные предметы первой необходимости под кузовом автомобиля, а средняя скорость полета была очень низкой. Следовательно, если у вас нет инструментов для оценки производительности выходного воздуховода, не берите его и размещайте любой выход там, где он нанесет наименьший ущерб (или наилучший J). Для Empire Wraith я проверил каждое физически возможное положение выхода (включая несколько воздуховодов) — сзади и сбоку — лучшие места для этой машины.
В большинстве клубов автоспорта люди, строящие свои собственные автомобили, не направляют воздух до сердцевины радиаторов, а некоторые даже не герметизируют зазоры вокруг радиатора. Если у вас есть такая машина, и у нее есть проблемы с охлаждением, то сначала прикрепите радиатор к кузову, чтобы практически весь воздух проходил через сердцевину. Если это не дает вам достаточного охлаждения, попробуйте направить воздух с помощью плавно увеличивающегося расширителя / диффузора.
Записи Airbox для автоспорта
Вы можете рассчитать среднюю скорость воздуха на входе в коробку, которую двигатель проглотит на полном газу. Для турбодвигателя умножьте на давление наддува. См. мой пост «Контроль над властью». Поэтому, если у вас есть гоночный автомобиль, надеюсь, у него достаточно мощности, чтобы раскрутить колеса до определенной скорости. Ниже этой скорости вам не нужно давление в воздушной камере. Большой вход будет иметь тенденцию (при прочих равных условиях) к большему сопротивлению. Если у вас есть длина воздуховода, чтобы иметь возможность изменять размеры входов в зависимости от скорости и при этом иметь прикрепленный поток, то вы находитесь в хорошем положении. Будьте особенно осторожны с воздушными камерами — вы не можете расширять воздух с большой скоростью и одновременно менять направление его потока. По этой и другим причинам воздушные камеры также имеют увеличивающуюся скорость расширения.
Подумайте также о внешней форме воздуховодов, так как это влияет на аэродинамику автомобиля. Подумайте о том, что произойдет с воздушной коробкой, в частности, если дроссельные заслонки будут закрыты. В поворотах вы проводите некоторое время без дроссельной заслонки, поэтому воздух должен иметь возможность обходить входы и по-прежнему подавать чистый воздух к заднему крылу. С этими элементами я предлагаю небольшой радиус входа воздуха и больший эллипс на открытой внешней форме.
