Лобовое сопротивление автомобиля что это такое

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м 2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

• Формой кузова;
• Трением потока о поверхности при обтекании;
• Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Источник статьи: http://autoleek.ru/nesushhaja-sistema/kuzov-avtomobilja/aerodinamicheskoe-soprotivlenie-avtomobilya.html

Улучшение аэродинамических свойств автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

• Формой кузова;
• Трением потока о поверхности при обтекании;
• Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Сопротивление воздуха

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
53398 5

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

Nv = Pv·v/3600 (кВт),

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей

1,18 – 1,47	9,6 – 11,8	31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней	0,6 – 0,7	0,96 – 1,18	8,0 – 9,6	26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней	0,5 – 0,6	0,80 – 0,96	6,6 – 8,0	22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный	0,4 – 0,5	0,66 – 0,80	5,2 – 6,6	17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый	0,3 – 0,4	0,52 – 0,66	3,7 – 5,2	13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный	0,20 – 0,25	0,33 – 0,44	2,6 – 3,3	9,8 – 11,0
Грузовой автомобиль	0,8 – 1,5	–	–	–
Автобус	0,6 – 0,7	–	–	–
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом	0,3 – 0,4	–	–	–
Мотоцикл	0,6 – 0,7	–	–	–

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рисунке ниже показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и сопротивления воздуха, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важности сопротивления воздуха. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению

Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции S автомобиля 2 м2; коэффициент сопротивления качению f равен 0,015; коэффициент аэродинамического сопротивления сх равен 0,456.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

где N2 – требуемая мощность, кВт; N1 – достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 – требуемая скорость, км/ч; v1 – достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X – максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 – проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.

Последнее обновление 02.03.2012 Опубликовано 16.03.2011

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Расчет коэффициента лобового сопротивления

Для построения поляры необходимо знать зависимость коэффициентов подъемной силы Су и лобового сопротивления самолета от угла атаки . Коэффициент лобового сопротивления самолета представляет сумму коэффициентов профильного и индуктивного сопротивлений
где -коэффициент лобового сопротивления при нулевой подъемной силе;

= — коэффициент индуктивного сопротивления, возникающего вследствие создания подъемной силы.

Коэффициент лобового сопротивления самолета Сx0 относится к площади крыла S и вычисляется по формуле

где Cxкр, Cxго, Cxво, Cxф, Cxмг, Cxш -коэффициенты сопротивления при Су=0 изолированных крыла, горизонтального и вертикального оперений, фюзеляжа, мотогондол и шасси; го и во-относительные площади горизонтального и вертикального оперений; Sм. Ф, Sм. М, Sм. Ш -мидели фюзеляжа, мотогондол и шасси соответственно.

Коэффициент аэродинамического сопротивления крыла при Су=0 вычисляется по формуле

где Cxр-коэффициент профильного сопротивления; KA.B -коэффициент аэродинамического взаимодействия крыла и фюзеляжа; Sпф -площадь крыла, занятая фюзеляжем; -сумма коэффициентов дополнительных сопротивлений для учета чистоты поверхности крыла, щелей в нем и надстроек.

Коэффициент профильного сопротивления можно определить по формуле

где -коэффициент трения плоской пластины; — коэффициент, учитывающий переход от плоской пластины к выбранному профилю крыла.

Коэффициент приведен на графике (рис. 2.10, а) в зависимости от числа Рейнольдса, вычисляемого по формуле

где V-скорость полета; bсaх-средняя аэродинамическая хорда крыла; — коэффициент кинематической вязкости воздуха. Его значение в зависимости от высоты полета приведено на графике рис. 2. 10, б.

Рис 2.10 К расчету аэродинамического сопротивления крыла
Коэффициент зависит также от положения точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Ее положение, в свою очередь, определяется рядом факторов, основными из которых являются форма профиля и чистота его поверхности, равномерность набегающего потока. Даже при достаточно гладкой поверхности крыла координата точки не превышает доли хорды профиля, расположенной впереди его максимальной относительной толщины. Для большинства профилей (исключение составляют ламинаризированные) =0. Для большинства СЛА и крыльев, обдуваемых винтами, можно принимать =0.

Коэффициент в зависимости от среднего значения относительной толщины профиля крыла и положения точки перехода приведен на графике рис. 2.10, в.

Коэффициент аэродинамического взаимодействия (интерференции) KA.B В зависимости от принятой схемы самолета и формы поперечного сечения фюзеляжа имеет значения:

Высокоплан _____________0,95 Среднеплан _____________0,65 Низкоплан с формой сечения фюзеляжа: круглой _________________0,25 овальной ________________ 0,50 прямоугольной ___________0,60

Ранее отмечалось, что дополнительное сопротивление крыла зависит от шероховатости поверхности, особенно его передней части. Если 20% профиля, отсчитываемых от носка, свободно от выступающих головок заклепок, то можно принимать равным 0,0013. Если все крыло имеет выступающие заклепки, то величина дополнительного сопротивления возрастает примерно в полтора раза и составляет 0,0020.

Сопротивление щелей между крылом и элероном или механизацией можно учесть, используя следующую приближенную формулу

где lщ-суммарная длина щели от элеронов и механизации, если таковая имеется.

Коэффициенты сопротивлений горизонтального и вертикального оперений определяются аналогично коэффициентам крыла. Разница состоит в том, что за хорду горизонтального оперения принимается его средняя хорда, вычисленная по формуле

а за хорду вертикального оперения —

Коэффициент принимается равным нулю, так как оперение самолета, выполненного по нормальной схеме, всегда находится в возмущенном потоке от крыла, фюзеляжа и винта.

Коэффициент сопротивления фюзеляжа можно найти по следующей формуле:

где Сxр.ф — коэффициент профильного сопротивления фюзеляжа; -коэффициент дополнительного сопротивления, учитывающий форму и неровности фюзеляжа; фон-коэффициент сопротивления фонаря; Sм.фон-площадь миделя фонаря; Sм.ф-площадь миделя фюзеляжа. Коэффициент профильного сопротивления фюзеляжа без надстроек определяется по формуле

где -коэффициент, учитывающий удлинение фюзеляжа;

Sом -омываемая потоком поверхность фюзеляжа. Коэффициенты и снимаются с графиков рис. 2. 11. в зависимости от числа Рейнольдса

и удлинения фюзеляжа

Рис 2.11 К определению коэффициента сопротивления фюзеляжа
Омываемая поверхность фюзеляжа Sом вычисляется по чертежу общего вида СЛА.

Точное значение коэффициента можно получить только методом продувок. При проектировании СЛА его приближенное значение можно взять из табл. 2. 2.
Таблица 2.2 Значения коэффициентов Cхф
К сожалению, в табл. 2. 2 не включены значения коэффициентов для часто используемых на СЛА плохо обтекаемых фюзеляжей. Это объясняется тем, что из-за большого количества их возможных конфигураций коэффициенты сопротивлений изменяются в очень широких пределах. И для определения их даже приближенных значений необходимы продувки в аэродинамических трубах.

Значения коэффициента фон можно принимать следующими:

Фонарь с коротким гаргротом______________0,040 Фонарь с длинным гаргротом_______________0, 010 Фонарь с длинным гаргротом, переходящим в хвостовую часть фюзеляжа_0, 005

Коэффициент сопротивления мотогондолы Cx мг определяется аналогично коэффициенту лобового сопротивления фюзеляжа.

Коэффициент сопротивления шасси можно определить по формуле

где Cx ок и Cx пк-коэффициенты сопротивлений основного и переднего (заднего) колеса; Cx ос и Cx пс- коэффициенты сопротивлений основной (задней) стойки шасси;Sм.ок, Sм.пк, Sм.ос и Sм.пс -площади сечений мидолей основного колеса, переднего (заднего) колеса, основной и передней (задней) стоек.

Значения коэффициентов сопротивления колес шасси в зависимости от формы их диаметрального сечения можно принимать следующими:

Эллиптическое___________________________ 0,25 Прямоугольное со скругленными уголками___0,35 Прямоугольное (типа картинга)___________ 0,50

За счет использования обтекателей лобовое сопротивление колес можно снизить в 2… 3 раза.

Значения коэффициентов сопротивлений стоек, рессор и других элементов конструкции, находящихся в набегающем потоке, можно определить, воспользовавшись данными табл. 2. 3.
Таблица 2.3 Коэффициенты аэродинамического сопротивления элементов конструкции

Коэффициент индуктивного сопротивления определяется по формуле

где -коэффициент, учитывающий удлинение и сужение крыла; эф-эффективное удлинение крыла.

Значение коэффициента б можно снять с графика рис. 2. 12.

Рис 2.12 К определению индуктивного сопротивления СЛА
Для определения эффективного удлинения крыла СЛА можно воспользоваться приближенной формулой

где -удлинение крыла; Sзан -площадь крыла, занятая фюзеляжем и мотогондолами (если двигатели расположены на крыле).

При расчетах удобно пользоваться формулой (2. 22), записанной в следующем виде:

называется коэффициентом отвала поляры.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Коэффициент местного сопротивления

Сначала дадим определение коэффициенту местного сопротивления. Местными сопротивлениями называются называют точечные потери напора, связанные с изменением структуры потока. В вентиляции существует множество составляющих, что играют роль местного сопротивления:

• поворот воздуховода,
• сужение или расширение потока,
• вход воздуха в воздухозаборную шахту;
• «тройник» и «крестовина»;
• приточные и вытяжные решетки и воздухораспределители;
• воздухораспределители;
• диффузор;
• заслонки и т.д.

Их КМС рассчитываются по определенным формулам, а затем они участвуют в определении местных потерь давления. В математическом понятии коэффициент местных потерь — это отношение потерь известного напора в местном сопротивлении к скоростному напору.

Коэффициент местного сопротивления зависит от формы и вида местного сопротивления, шероховатости воздуховода и как ни странно от числа Рейнольдса. Для заслонок и другой запорной арматуры к перечисленному додается еще степень открытия.

Связанность КМС с числом Рейнольдса выражается в формуле

Значения коэффициентов В

для некоторых местных сопротивлений

Чем больше число Rе тем меньше от него зависит коэффициент. Полная независимость коэффициента местного сопротивления от числа Rе в вентиляционной системе происходит для резких переходов при Rе > 3000, а для плавных переходов — при Rе > 10000.

Суммарный коэффициент местных сопротивлений на участке воздуховода равен сумме всех местных коэффициентов на этом участке.

На практике же времени особо для расчета КМС нету, поэтому проектировщики пользуются таблицами со справочников и других источников. Тем более зачем тратить кучу времени на поиски формул и расчеты, если это уже сделали за вас. Многие ]шумоглушителей[/anchor], клапанов и решеток с удовольствием указывают значение коэффициента местного сопротивления в каталогах. Но, конечно, уж если совсем никаких данных не нашли, тогда нужно прибегнуть к математике.

Аэродинамические сопротивления и самотяга

Аэродинамические сопротивления и самотяга

Движение продуктов сгорания и воздуха, рассматриваемое как движение вязких жидкостей, имеет турбулентный характер и происходит при изменяющейся температуре, так как продукты сгорания охлаждаются, а воздух при наличии воздухоподогревателя нагревается. При движении продуктов сгорания, обладающих вязкостью, возникают аэродинамические сопротивления, препятствующие их движению. На преодоление этих сопротивлений заnрачивается часть энергии, которой обладает движущийся поток жидкости.

Аэродинамические сопротивления возникают в связи с наличием сил трения движущегося потока о стенки канала и возрастанием внутреннего трения в потоке при появлении на его пути различных препятствий. Для преодоления сопротивлений движущийся поток должен обладать определенным избыточным напором, который по мере продвижения по тракту будет падать.

Падение полного напора на каком-либо участке газового или воздушного тракта определяется (Па) по уравнению для несжимаемой жидкости (обычно поправка на сжимаемость вносится приближенно в конце расчета):

где ∆h — сопротивление участка, т. е. потеря полного давления, Па; z1и z2 — геометрические отметки сечений участка (высота расположения их относительно выбранной плоскости отсчета), м; ра — плотность атмосферного воздуха, принимаемая постоянной в пределах небольших изменений высоты, кг/м3; р — плотность протекающей среды, кг/м3. Величина (Z1-Z2)g(ра-р) называется самотягой. При равенстве плотностей протекающей среды р и атмосферного воздуха ра, а также при горизонтальном расположении газовоздухопровода самотяга равна нулю.

Аэродинамические сопротивления какого-либо участка тракта складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенераторов и водогрейных котлов к указанным сопротивлениям добавляется особый вид сопротивления — сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Аэродинамические сопротивления трения возникает при движении потока в прямом канале постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пластинчатых поверхностях нагрева.

Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле

где ʎ- коэффициент сопротивления трения, зависящий от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса; I — длина канала, м; w — скорость протекающей среды, м/с; d3 — эквивалентный (гидравлический) диаметр, м; р — плотность протекающей среды, кг/м3. Эквивалентный (гидравлический) диаметр подсчитывается по формуле

где F — площадь живого сечения канала, м2; U — полный периметр сечения, омываемый протекающей средой, м. Местные сопротивления (Па) рассчитываются по формуле

где £- коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометрической формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса) . Расчетная скорость продуктов сгорания или воздуха (м/с) определяется по формуле

где V — расход продуктов сгорания или воздуха, м3/ч; F — площадь живого сечения газохода или воздуховода, м2. Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотностей окружающего воздуха и продуктов сгорания. Самотяга в газоходах аналогична тяге в дымовой трубе, которое было описано в предыдущем параграфе.

Самотяга (Па) любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле

где H = Z2-Z1 — расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м; р — абсолютное среднее давление продуктов сгорания на участке (при избыточном давлении меньше 5000 Па принимается р/101 080=1), Па; р0 — плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м3; Ɵ — средняя температура продуктов сгорания на данном участке, °С; 1,23 кг/м3 — плотность наружного воздуха при давлении 101 080 Па и температуре 20 °С.

При расчете самотяги по температуре наружного воздуха, отличающейся от 20 °С более чем на 10 °С, вместо 1,23 подставляется соответствующее значение плотности воздуха.

Самотяга может быть как положительной, так и отрицательной. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга положительна, т. е. будет создавать дополнительный напор, который можно использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т. е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор. Тяга, создаваемая дымовой трубой, всегда положительна.

Расчет сопротивлений газового и воздушного тракта парогенераторов и водогрейных котлов проводится в соответствии с нормативным методом, разработанным ЦКТИ («Аэродинамический расчет котельных установок», изд. 3-е, Л., «Энергия», 1977). В соответствии с нормативным методом сопротивления трения для большинства элементов котельного агрегата определяются приближенно. В качестве исходного для расчета применяется уравнение (12-3).Коэффициент ʎ при течении продуктов сгорания или воздуха по различным газовоздухопроводам имеет следующие приближенные значения:

Коэффициент сопротивления трения к продольно омываемых пучков труб зависит от критерия Рейнольдса, шероховатости труб и относительного шага труб в пучке. Коэффициент сопротивления продольно омываемых пучков труб определяется из кривой, приведенной на рис. 12-2. Для пользования кривой необходимо определить эквивалентный (гидравлический) диаметр по формуле

где 2 — полное число труб в газоходе; d — наружный диаметр труб, м; а и b — размеры сторон прямоугольного сечения, м. При течении продуктов сгорания или воздуха по трубам трубчатых и щелям пластинчатых (с гладкими стенками) воздухоподогревателей коэффициент сопротивления трения определяется по формуле, применимой для воздухоподогревателей, имеющих эквивалентный диаметр dэ = 20/60 мм при скорости потока 5-30 м/с и температуре 300 °С, а также при скорости до 45 м/с и t>300 °С:

Сопротивление поперечно омываемых пучков гладких и ребристых труб определяется (П1а) по формуле

где £ — коэффициент сопротивления, зависящий от числа рядов и расположения труб в пучке, а также от критерия Рейнольдса; w — скорость потока, определяемая по сжатому сечению газохода, расположенному в осевой плоскости труб перпендикулярно потоку газов. Коэффициент сопротивления гладкотрубного коридорного пучка

где z2 — число рядов труб по глубине пучка; £0- коэффициент сопротивления, отнесенный к одному ряду пучка. Значение £0 определяется по следующим формулам:

здесь σ1= Si/d — относительный шаг по ширине пучка; σ2 = s2/d — относительный шаг по глубине пучка; ф.

Все местные сопротивления рассчитываются по уравнению (12-5). При расчете местных сопротивлений считается, что потеря напора происходит в одном заданном сечении тракта. В действительности потеря механической энергии потока вследствие изменения формы или направления канала происходит на более или менее длинном участке тракта. Поэтому принимается, что местное сопротивление представляет собой разность фактической потери напора на этом участке и потери, которая имела бы место при неизменных форме и направлении газохода.

Коэффициент местного сопротивления зависит от конфигурации фасонной части газовоздухопровода и определяется экспериментальным путем. Значения этого коэффициента для различных фасонных частей, горелок и других элементов котельной установки приведены в нормативном методе («Аэродинамический расчет котельных установок»). Сопротивление всего газового или воздушного тракта определяется как сумма сопротивлений всех последовательно расположенных участков. Перепад полных давлений по газовому тракту (Па) рассчитывается при уравновешенной тяге по формуле

где ∆Н — суммарное сопротивление газового тракта, Па; hT» — разрежение на выходе из топки, принимаемое равным 20 Па; Нс — суммарная самотяга газового тракта с соответствующим знаком, Па. Перепад полных давлений по воздушному тракту (при уравновешенной тяге) определяется (Па) по формуле

где ∆Н — суммарное сопротивление воздушного тракта, Па; Нс — самотяга воздушного тракта, рассчитываемая только для двух участков: воздухоподогревателя и всего воздухопровода горячего воздуха, Па; hT’ — разрежение в топке на уровне ввода воздуха (обычно больше hT» на самотягу в топке), Па.

Полное сопротивление газового и воздушного тракта парогенератора и водогрейного котла, как это ясно из приведенных выше уравнений, зависит также от квадрата скорости потока. В связи с этим для основных участков достаточно большой протяженности следует выбирать оптимальную скорость потока продуктов сгорания или воздуха. Оптимальной скоростью называется такая, при которой суммарные эксплуатационные затраты минимальны.

Оптимальная скорость продуктов сгорания и воздуха в стальных газовоздухопроводах зависит от их конфигурации и конструкции, мощности котельной установки, графика потребления теплоты, экономичности тягодутьевых устройств, температуры потока, стоимости оборудования и электроэнергии и от других характеристик. Оптимальные скорости для парогенераторов и водогрейных котлов, работающих под наддувом, на 10 % больше, чем при уравновешенной тяге. Приближенные значения оптимальной скорости, рекомендуемые нормативным методом, приведены в табл. 12-1.

При выборе газовоздушного тракта парового или водогрейного котла серьезное внимание должно уделяться рациональной компоновке и трассировке газовоздухопроводов. Схема газового и воздушного тракта агрегата должна быть простой и способствовать повышению надежности и экономичности работы установки. В связи с этим даже в установках малой мощности рекомендуется применять индивидуальную компоновку хвостовых поверхностей нагрева, золоуловителей и тягодутьевых устройств без обводных газоходов и соединительных коллекторов.

Схема и расположение газовоздухопроводов должны выбираться так, чтобы сопротивление тракта было минимальным при оптимальных скоростях потока. Рекомендуются преимущественно газовоздухопроводы круглого сечения, так как на их изготовление расходуется меньше металла и изоляции по сравнению с газовоздухопроводами квадратного, и особенно прямоугольного сечения.

Газоходы паровых и водогрейных котлов, работающих на взрывоопасных топливах (торф, мазут, природный газ), не должны иметь участков, в которых возможны отложения несгоревших частиц или сажи, а также застойных, плохо вентилируемых зон. Такими участками чаще всего являются соединительные короба и перемычки, лежащие вне основного потока. В обходных газоходах, направляющих продукты сгорания мимо поверхности нагрева, золоуловителя или особенно дымососа, рекомендуется последовательная установка двух плотных шиберов на прямых учавтках с возможно меньшей скоростью потока.

В местах резких поворотов потока для частичного улавливания золы иногда устраивают бункеры (например, под хвостовыми поверхностями нагрева). Однако это приводит к усложнению условий эксплуатации и не обеспечивает эффективного улавливания летучей золы. Поэтому установка бункеров под резкими поворотами не рекомендуется. При транспортировании запыленных продуктов сгорания скорость их на протяженных горизонтальных участках должна быть не менее 7-8 м/с во избежание отложения золы. При сжигании топлив, имеющих абразивную золу, скорость на участке до золоуловителя не должна превышать 12-15 м/с для предотвращения интенсивного золового износа тракта.

Источник статьи: http://koreec73.ru/nesushchaya/koefficient-soprotivleniya-vozduha-avtomobilej.html