Розглянуто питання аеродинамічного проектування зовнішніх форм екомобіля. Наведено вимоги, що пред'являються організатором змагань. Поставлено завдання і вказані напрямки аеродинамічного проектування. Представлені результати дослідження з базових форм. Вказано шляхи вдосконалення форми екомобіля. Розглянуто приклади можливих компонувальних схем кузова. Зроблено висновки, вказані переваги та недоліки по кожній компонувальною схемою екомобіля.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Авершин Андрій Геннадійович


AERODYNAMIC DESIGNING OF ECOMOBILE EXTERNAL FORMS

Problems of aerodynamic designing of ecomobile external forms are examined. Requirements of the organizer of the competion are imposed. Tasks and indicators of aerodynamic designing are given. The results of the research of the basic forms are offered. Ways to improve ecomobile shape are shown. Conclusions, advantages and disadvantages of earch assembly scheme of the ecomobile are done.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету


    Наукова стаття на тему 'Аеродинамічний проектування зовнішніх форм екомобіля'

    Текст наукової роботи на тему «Аеродинамічний проектування зовнішніх форм екомобіля»

    ?УДК 612.43.013

    Аеродинамічні ПРОЕКТУВАННЯ ЗОВНІШНІХ ФОРМ

    ЕКОМОБІЛЬ

    А.Г. Авершин, асистент, ХНАДУ

    Анотація. Розглянуто питання аеродинамічного проектування зовнішніх форм екомобіля. Наведено вимоги, що пред'являються організатором змагань. Поставлено завдання і вказані напрямки аеродинамічного проектування. Представлені результати дослідження з базових форм. Вказано шляхи вдосконалення форми екомобіля. Розглянуто приклади можливих компонувальних схем кузова. Зроблено висновки, вказані переваги та недоліки по кожній компонувальною схемою екомобіля.

    Ключові слова: аеродинаміка, чисельне моделювання, екомобіль.

    АЕРОДІНАМІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ЗОВНІШНІХ ФОРМ ЕКОМОБІЛЯ

    А.Г. Авершин, асистент, ХНАДУ

    Анотація. Розглянуто питання аеродінамічного проектування зовнішніх форм екомобіля. Наведено вимоги, Які вісувають організаторі змагань. Поставлено завдання и вказано напрями аеродінамічного проектування. Представлено результати дослідження з базових форм. Вказано шляхи Вдосконалення форми екомобіля. Розглянуто приклад можливий компонувальніх схем кузова. Зроблено Висновки, вказано Преимущества та Недоліки за шкірних компонувальною схемою екомобіля.

    Ключові слова: аеродінаміка, чисельного моделювання, екомобіль.

    AERODYNAMIC DESIGNING OF ECOMOBILE EXTERNAL FORMS

    A. Avershyn, assistant, KhNAHU

    Abstract. Problems of aerodynamic designing of ecomobile external forms are examined. Requirements of the organizer of the competion are imposed. Tasks and indicators of aerodynamic designing are given. The results of the research of the basic forms are offered. Ways to improve ecomobile shape are shown. Conclusions, advantages and disadvantages of earch assembly scheme of the ecomobile are done.

    Key words: aerodynamics, numerical modeling, ecomobile.

    Вступ

    Щорічно компанія Shell проводить змагання на спеціально спроектованих автомобілях під назвою «Eco-marathon». Переможцем цих змагань є команда, автомобіль якої подолає 30- кілометрову дистанцію менш ніж за годину з найменшими витратами палива. Автомобілі, які беруть участь в цих змаганнях, повинні володіти найкращою енергоефективністю. Опір коченню колеса,

    втрати енергії в трансмісії, аеродинамічний опір, що виникає при русі екомобіля, повинні бути зведені до мінімуму.

    аналіз публікацій

    Аеродинамічний опір, за даними джерел [1, 2], може досягати 38% від сумарного опору. Тому автомобілі, які беруть участь в цих змаганнях, мають спеціальну «обтічну» форму.

    Мета і постановка задачі

    Необхідно спроектувати одномісний автомобіль, який відповідає регламенту змагань, для руху на дистанції із середньою швидкістю не нижче 30 км / год, що володіє мінімальним аеродинамічним опором і стійкістю на трасі, що задовольняє компоновочним умов.

    З точки зору аеродинаміки, найменшим аеродинамічним опором повинно володіти тіло «каплевидной» форми. При проектуванні кузова автомобіля з низьким аеродинамічним опором необхідно керуватися основними принципами аеродинаміки.

    Аеродинамічний опір є суперпозицією наступних факторів: опір форми, опір тертю повітря об поверхню, опір виступаючих частин, опір внутрішніх потоків.

    Таким чином, кузов екомобіля повинен мати гладку поверхню з мінімальним коефіцієнтом тертя і мінімальну площу поверхні, а також миделевого перетину. На поверхні кузова не повинно бути виступаючих частин, деталі кузова повинні стикуватися без зазорів, із сполученням без різких перегинів, колеса і інші «погано обтічних» елементи конструкції повинні бути накриті під обтічники.

    Постановка чисельного експерименту

    Дослідження аеродинамічних характеристик зовнішніх форм екомобілів вироблялося методами обчислювальної аеродинаміки [3].

    При розробці нової форми натурного зразка екомобіля створювалася твердотільна модель кузова, яка потім поринала в розрахункову область.

    Чисельне моделювання стаціонарного обтікання виконувалося за допомогою програмного комплексу ІТГБ®. Розрахункова область описувалася гексаедральной сіткою потужністю від 10-15 млн вузлів зі згущеннями поблизу твердих поверхонь для опису прикордонного шару. Інтегрування повних усереднених рівнянь Нав'є-

    Стокса здійснювалося разностной схемою 2-го порядку точності на основі ТУБ апроксимації при замиканні до - в моделлю турбулентності [4]. Для опису вузьких ефектів в прикордонному шарі використовувалися пристінні функції, при цьому максимальне значення змінної погранслоя відповідає У + < 3 [5].

    Поза розрахункової області передбачалося невозмущенное протягом.

    Атмосферного середовища описувалася моделлю досконалого газу. У численних експериментах використовувалися наступні початкові і граничні умови: швидкість набігаючого потоку повітря була спрямована уздовж поздовжньої осі автомобіля і становила У ^ = 30 км / год. На дорозі і бічних стінках задавалися умови симетрії потоку РІ - стандартне атмосферний тиск. З огляду на симетрії кузова екомобіля розраховувалися аеродинамічні характеристики обтікання симетричною половини кузова.

    Мал. 1. Варіанти базових форм

    Дослідження формотворного тіла

    На попередньому етапі аеродинамічного проектування зовнішніх форм екомобіля проводилося дослідження аеродинамічних характеристик базових форм. Базові форми - елементарні геометричні фігури, які лежать в основі опису

    зовнішньої оболонки екомобіля. Аеродинамічні дослідження базових форм необхідні для визначення впливу зовнішніх факторів на аеродинамічні характеристики при мінімізації впливу особливостей зовнішньої форми конкретного автомобіля.

    При проектуванні екомобіля з урахуванням компонувальних рішень обрані базові форми: напівеліпс з співвідношенням довжини Ь до висоти к = 5 (рис. 2 I) і еліпс з співвідношенням довжини Ь до висоти к = 5 (рис. 2 II).

    Досліджувалися наступні варіанти обтікання базових форм.

    1. Двомірний розрахунок (БФ-1) в залежності від Н.

    2. Двомірний розрахунок (БФ-1) з відтятою задньою частиною на відстані 1/5 довжини в залежності від Н.

    3. Тривимірний розрахунок (БФ I) в залежності від Н.

    4. Тривимірний розрахунок (БФ I) з відтятою задньою частиною на відстані 1/5 довжини в залежності від Н.

    5. Тривимірний розрахунок (БФ II) в залежності від Н.

    6. Тривимірний розрахунок (БФ II) з відтятою задньою частиною на відстані 1/5 довжини в залежності від Н.

    7. Тривимірний розрахунок (БФ II) з обтекателями коліс в залежності від Н.

    Результати серій розрахунків (1, 2) представлені на малюнках 2-4.

    Результати серій розрахунків (3, 4) представлені на малюнку 5. Результати серій розрахунків (5, 6) представлені на рис. 6.

    Результати моделювання обтікання еліпса спільно з обтекателями коліс 7-ї серії (рис.1), а також зіставлення результатів розрахунків з 6-ї серією дані на рис. 7.

    Мал. 2. Розподіл тиску по поверхні (БФТ) в залежності від відстані до екрану:

    -200ТТ; - • - 150тт; - - ЮОтт; - | - 50тт; - - 20тт

    Н / 17 про

    Мал. 3. Аеродинамічні характеристики (БФ-1) у вихідній і усіченої конфігурації в залежності від відстані до екрану: -|- базова конфігурація; -|- усічена конфігурація

    Мал. 4. Розподіл тиску по поверхні (БФТ) у вихідній і усіченої конфігурації на відстані 50 мм до екрану: - - усічена конфігурація; - - - базова конфігурація

    Мал. 5. Аеродинамічні характеристики (БФ-І) у вихідній і усіченої конфігурації в залежності від відстані до екрану: -|- базова конфігурація; -|- усічена конфігурація

    Мал. 6. Аеродинамічні характеристики (БФ-ІІ) у вихідній і усіченої конфігурації в

    Залежно від відстані до екрану: -|- базова конфігурація; -|- усічена конфігурація

    Мал. 7. Аеродинамічні характеристики (БФ-ІІ) у вихідній конфігурації і спільно з обтекателями в залежності від відстані до екрану: - Н - - (БФ-ІІ); - | - - (БФ-П + колеса)

    Мал. 8. Типи компонувальних схем кузова автомобіля для змагань «Есо-шагаШоп»

    Результати дослідження з базових форм

    На основі аналізу серії двомірних і тривимірних розрахунків можна відзначити наступне:

    - відсутня кореляція результатів в двомірної і тривимірної постановці (рис. 2, 5);

    - для симетричного тіла (БФ-ІІ) аеродинамічний опір слабо залежить від екранного ефекту (рис. 5);

    - істотний вплив на аеродинамічний опір тіла надають обтічники коліс (рис.7).

    Чисельні експерименти по концептуальним моделям

    Наступний етап проектування полягав у створенні концептуальних моделей екомобіля на основі отриманих результатів по формотворчим тіл і існуючих аналогів і визначенні їх аеродинамічних характеристик.

    Аналіз конструкцій автомобілів, які брали участь в змаганнях в різні роки, дозволяє умовно розділити їх на чотири типи (рис. 8).

    I. Колісна формула «2 + 1»; всі колеса знаходяться всередині кузова.

    II. Колісна формула «2 + 1»; передні колеса винесені за межі кузова, заховані в обтічниках, або відкриті.

    III. Колісна формула «1 + 2»; всі колеса знаходяться всередині кузова.

    ГУ. Колісна формула «1 + 2»; переднє колесо розташоване всередині кузова, задні колеса

    винесені за межі, знаходяться в обтічниках, або відкриті.

    Компонувальні рішення, що приймаються конструктором до вдосконалення, визначаються сукупністю факторів, в тому числі економічним обґрунтуванням проекту, і не завжди є найкращими з точки зору тільки аеродинаміки.

    Пошук раціонального аеродинамічного рішення проводиться на основі гіпотези про суперпозиції впливу таких основних факторів як: аеродинамічний опір базового тіла, мінімізація вертикальної сили, мінімізація впливу бічної вітрового навантаження, інтерференція кузова і колісних обтекателей.

    Мінімізація опору кузова призводить до базової формі, що нагадує Крилової профіль.

    Співвідношення кривизн верхньої і нижньої частин в комбінації з екранним ефектом має забезпечувати відсутність притискної сили як фактора збільшення сили тертя кочення. Для цього потрібно шукати оптимальне поєднання двох факторів - форми і екранного ефекту дорожнього полотна. Після процедури пошуку необхідно перевіряти отриману базову форму на вплив бокового вітру. Тут істотну роль грає знання рози вітрів місцевості і облік тривимірності обтікання.

    Аеродинамічні характеристики концептуальних моделей на підставі численних експериментів представлені в табл. 1.

    Т Абліцов 1 Аеродинамічні властивості автомобілів

    На підставі цих даних можна зробити наступні висновки:

    I тип конструкції

    Переваги: ​​низький аеродинамічний опір, хороша компонування для розташування людини, двигуна і ін. Елементів конструкції. Недоліки: складна схема управління і приводу на заднє колесо.

    II тип конструкції

    Переваги: ​​висока стійкість екомобіля з подібним компонуванням коліс (2 +1). Недоліки: висока аеродинамічний опір через інтерференції обтекателей передніх коліс і кузова екомобіля.

    III тип конструкції

    Переваги: ​​великий обсяг внутрішнього простору для розташування людини, двигуна і ін. Елементів конструкції. Недоліки: збільшений мидель в порівнянні з іншими варіантами; високе аеродинамічний опір; низька стійкість екомобіля з подібним компонуванням коліс (1 +2).

    IV тип конструкції

    Переваги: ​​хороша компоновка для

    розміщення людини, двигуна і ін. елементів конструкції; проста конструкція управління задніми колесами.

    Недоліки: збільшене (в порівнянні з 1-й схемою) аеродинамічний опір; низька стійкість екомобіля з даної компонуванням коліс (1 + 2).

    Автор висловлює подяку професору В.Г. Солодового за корисні обговорення даної роботи.

    література

    1. Katz Joseph Race Car Aerodynamics: Designing for Speed ​​/ Joseph Katz, 1995.

    - 224 p.

    2. Santin J.J. The world's most fuel efficient

    vehicle: design and development of PACCar II / J.J. Santin, C.H. Onder, J. Bernard, D. Isler, 2007. - 326 p.

    3. Авершин А.Г. комп'ютерне моделірова-

    ня аеродинамічних характеристик гоночного автомобіля ХАДІ-31 /

    А.Г. Авершин, В.Г. Солодов // Автомобільний транспорт: c6. науч. тр. - 2004.

    - Вип.16. - С. 228 - 231.

    4. Шлихтинг Г. Теорія прикордонного шару /

    Г. Шлихтинг. - М .: Наука, 1974. - 712 с.

    5. Солодов В.Г. моделювання Турбулент-

    ності. Розрахунок великих вихорів / В.Г. Солодов. - Х .: ХНАДУ, 2011. - 168 с.

    Рецензент: В.Г. Солодов, професор, д.т.н., ХНАДУ.

    Стаття надійшла до редакції 1 березня 2012 р.

    I II III IV

    Cx 0,105 0,134 0,118 0,13

    висновки


    Ключові слова: аеродинаміки /ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /ЕКОМОБІЛЬ /АЕРОДІНАМіКА /чисельного МОДЕЛЮВАННЯ /ЕКОМОБіЛЬ /AERODYNAMICS /NUMERICAL MODELING /ECOMOBILE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити