Main principles of the wring`s and antiwring "s aerodynamics have been shown. The analysis of body" s elements of modern Formula-1 cars was made. The ways of improvement of the car KHADI-33 aerodinamics have been shown.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету
    Наукова стаття на тему 'Аеродинаміка болідів Формули-1'

    Текст наукової роботи на тему «Аеродинаміка болідів Формули-1»

    ?УДК 629.3.015

    Аеродинаміки боліда Формули-1

    М.Д. Стукало, студент, ХНАДУ

    Анотація. Показаний основний принцип аеродинаміки крила і антикрила. Проведено аналіз існуючих елементів обтекателей сучасних болідів Формули-1. Визначено шляхи оптимізації аеродинаміки автомобіля ХАДІ-33.

    Ключові слова: аеродинаміка, антикрило, обтічник, дифузор, ежектор.

    Вступ

    З роками значно збільшилися швидкісні характеристики болідів F1, зросла швидкість проходження поворотів, і вельми очевидно, що це заслуга аеродинаміки. На початку 60-х років Формула-1 ще не використала антикрила, проте вже в 1968 році команди F1 почали експериментувати з «незграбними» і «необробленими» аеродинамічними конструкціями, щоб отримати ефект притиснення шасі до траси. Перші три види таких конструкцій були дуже простими і ненадійними, тому досить часто руйнувалися в процесі гонки. Протягом трохи більше 30 років аеродинаміка F1 постійно зазнає змін, і, очевидно, це найважливіша характеристика боліда. Принцип здійснення функцій антикрил в F1 легко можна порівняти з технологіями в літакобудуванні. Але в той час як крила літаків сприяють зльоту і плануванню по повітрю, в F1 антикрила виконують протилежну функцію -формує притискну силу.

    аналіз публікацій

    Методи розрахунку і технологічні вирішення питань аеродинаміки сучасних болідів світових виробників тримаються ними в найсуворішому секреті. Тому подібні публікації мають ознайомлювальний характер, без глибоких викладень про фізику процесів, що відбуваються з елементами обтічника. Однак з принципами аеродинаміки можна ознайомитися в [1].

    Мета і постановка задачі

    У вітчизняному автоспорті аеродинаміка розвинена досить слабо. В основному команди користуються зарубіжними зразками Аеропакет для своїх автомобілів. Інженерами «ЛСА ХАДІ» вироблено проектування і виготовлення власного варіанту обтічника для формули класу 1600. Але для цього був виконаний ряд вимірювань на боліді ХАДІ-31, а також опрацьовано безліч розробок минулих років зарубіжних виробників.

    Загальні положення аеродинаміки F-1. ефект Бернуллі

    Ефект Бернуллі грає величезну роль в роботі аеродинамічних поверхонь болідів F1. Ефект Бернуллі виражається рівнянням, відомим як «Рівняння Бернуллі», яке стверджує, що загальна енергія даного об'єму речовини не змінюється; і це спирається на принцип консервативності енергії. Коли ми розглядаємо відносний рух, то енергія ділиться на три частини:

    1) тиск в повітрі;

    2) кінетична енергія повітря (енергія руху);

    3) потенційна енергія повітря.

    І рівняння в такому випадку має вигляд

    1 2

    p + - Чр 4V + р Чg4h = const,

    де p - тиск; р - щільність; V - швидкість повітря; g - прискорення сили тяжіння; h - висота щодо певного рівня.

    Крила і антикрила. загальні положення

    Розглянемо аеродинамічну конструкцію "простого" крила літака. Крило розсікає повітря і утворює дві уявні частини повітряного простору, точніше, два різних повітряних потоку. Один з потоків переміщається по поверхні під крилом, інший-над. Через конструкції крила частинки верхнього повітряного потоку рухаються «по-віддалити» від крила, прямо протилежна ситуація з нижнім потоком. Це і викликає ефект того, що верхній потік значно швидше нижнього. Згідно із законом Бернуллі під крилом виявляється більший тиск, ніж над крилом, що і сприяє появі так званої підйомної сили (рис. 1).

    Мал. 1. Крило

    Зворотна ситуація з антикрилами. Антикрила функціонують абсолютно за тим же принципом, але забезпечують ефект «притиснення» до траси, відбувається це за рахунок форми (рис. 2). Тобто досить просто повернути звичайне крило передньою частиною вниз.

    Мал. 2. Антикрило

    Притискна сила і сила опору

    Це як раз ті дві сили, котрим присвячується означена практично вся аеродинамічна конструкція боліда F1. Конструкції антикрила і самого боліда повинні бути оптимальні, тобто забезпечення притискної сили повинно бути реалізовано так, щоб це не викликало сили опору повітря, та й сам болід зобов'язаний бути найбільш пристосований до подолання цієї самої сили. Для обчислення сили опору використовується наступна формула

    р _ сХ8Чр Ч ^ ЧУ2

    2 '

    де Е - сила аеродинамічного опору; сх - коефіцієнт аеросопротівленія; V - швидкість об'єкта; S - лобова площа; р в - щільність повітря.

    Наведена нижче табл. 1 показує значення коефіцієнта сх в залежності від поверхні об'єкта.

    Таблиця 1 Значення коефіцієнта з залежно від поверхні об'єкта

    Форма об'єкта зображені ження Коефіцієнт аеродинамічного опору

    Сфера про 0,47

    Півсфера Q 0,42

    конус <\ 0,5

    Куб? 1,05

    Поверніть. куб про 0,8

    Довгий циліндр? 0,82

    Короткий циліндр? 1,15

    Обтічний об'єкт про 0,04

    Половина обтічного об'єкту 0,09

    передні антикрила

    Передні антикрила на боліді забезпечують близько 25% всієї притискної сили, але ця цифра може бути знижена до 10% в той час, коли болід знаходиться за іншим приблизно на відстані 20 м. З'являється ефект

    «Засмоктування» ззаду машини, що йде в передню, відомий як Сліпстрім. І коли боліди виявляються на повороті, ззаду йде не може повернути на розвиненою швидкості через втрату притискної сили, таким чином пілотові доводиться скидати швидкість, щоб безпечно пройти поворот. Переднє антикрило, ширина якого відповідає ширині самого боліда, прикріплюється до носового обтічника за допомогою пілонів. На цій аеродинамічній поверхні кріпляться два елерона, кожен з яких є регульованою частиною антикрила. Як правило, ці закрилки робляться з цілісного шматка карбону. На закінченнях антикрила (зліва і справа) кріпляться спеціальні бічні пластини для забезпечення проходження потоку повітря зверху і знизу щодо поверхні антикрила, що не огинаючи його. Конструкція елерона така, що він є асиметричним самому собі щодо центральної розділяє уявлені лінії (якщо дивитися на болід спереду): чим ближче до носового обтічника елерон, тим менше його ширина (рис. 3).

    Мал. 3. Елерони переднього антикрила

    Така особливість елерона дозволяє проникати в радіатор більшій кількості повітря, а також пропускати повітряний потік по «днищу» боліда, який потім потрапляє в дифузор, забезпечуючи притискну силу. У разі, якщо елерони не мають такого звуження, охолодження радіатором значно зменшується і температура двигуна значно зростає. Також важливо, що чим нижче буде розташовано переднє антикрило, тим краще це впливає на проникнення повітряного потоку в радіатор і дифузор, проте є критичне становище, при якому антикрило почне зачіпати трасу. Правилами FIA встановлено, що мінімальна відстань між трасою і переднім антикрилом має бути 40 мм.

    задні антикрила

    Потік повітря потрапляє в заднє антикрило, що складається з безлічі закрилків, викликаючи певні реакції з боку антикрила (рис. 4).

    Мал. 4. Потік повітря на задньому антикрилі

    Приблизно третина всієї притискної сили забезпечує заднє антикрило боліда. Це пристосування може створювати більше 1000 Н притискної сили і важить близько 7 кг. З огляду на те, що заднє антикрило викликає найбільший опір в боліді, команди видозмінюють конструкцію антикрил для кожної траси. Заднє антикрило зроблено з двох наборів аеродинамічних поверхонь, з'єднаних між собою і прикріплюються до пластин 3 заднього антикрила. Верхній набір таких пластин 1 забезпечує найбільшу притискну силу і є, як правило, найбільш видоизменяющимся від траси до траси. У більшості випадків цей верхній набір складається з 3 елементів. Нижній же набір 2 зазвичай складається з двох елементів (рис. 5).

    Мал. 5. Конструкція заднього антикрила Дифузор

    Найменшій аеродинамічній деталлю боліда є дифузор. Принцип дії дифузора протилежний принципу дії антикрила: замість того, щоб відштовхувати повітря, дифузор засмоктує його. Ефект цей виходить через аеродинамічної форми. Дифузор знаходиться в самій нижній, «хвостовій» частини автомобіля під

    заднім антикрилом. Обсяг дифузора збільшується в міру наближення його до задньої частини боліда (рис. 6).

    Мал. 6. Дифузор

    Повітря, що потрапляє в дифузор з-під днища боліда, стає розрідженим за рахунок збільшення його в обсязі, звідси і ефект засмоктування. Дифузор складається з великої кількості «тонельчіков» і «роздільників», які акуратно і точно контролюють потоки повітря для кращого засмоктування. Так як дифузор знаходиться в зоні вихлопних газів, це накладає жорсткі вимоги на його конструкцію, в іншому випадку (при некоректному створенні і регулюванні дифузора) при зміні швидкості вихлопні гази будуть впливати на аеродінамічекій баланс автомобіля.

    бічні дефлектори

    Мал. 7. Бічний дефлектор

    Це пристосування було вперше застосовано в 1993 році. Без бічних дефлекторів потік, що набігає повітря буде йти прямо, і, відповідно, тиснути на задню стінку повітрозабірника, створюючи лобовий опір. Дефлектор ж (якщо розглянути для прикладу лівий щодо гонщика повітрозабірник) закручує потік проти годинникової стрілки (вид спереду), причому коли потік входить всередину повітрозабірника, то він вже направлений всередину боліда, тобто на охлаждаемую поверхню. Таким чином, за допомогою бічних дефлекторів досягаються 2 цілі: зниження лобового опору і більш ефективне охолодження. встанов-

    ються вони, як правило, між передніми колесами і бічними понтонами боліда.

    Створення обтічника гоночного автомобіля ХАДІ-33

    Проаналізувавши розробки фахівців в області аеродинаміки гоночних машин і самостійно провівши вимірювання обтічності і притискної сили окремих елементів і в цілому автомобіля ХАДІ-31, інженерами «ЛСА ХАДІ» були визначені шляхи оптимізації аеродинаміки нового боліда Х-33: збільшення притискної сили, зменшення підйомної сили в задньої частини автомобіля і опору повітря, поліпшення припливу повітря до радіаторів системи охолодження двигуна, підвищення ефективності заднього антикрила і дифузора.

    На новому автомобілі, на відміну від попередника, передня частина має менший кут атаки, що дозволяє збільшити зазор між носом і крилом. Це сприяє збільшенню ефективності останнього, т. К. Починає працювати його центральна частина. Дана модернізація дуже актуальна, тому що зросла потужність двигуна і, відповідно, швидкість вимагають кращого сцеп-

    Мал. 8. Зовнішній вигляд ХАДІ-35

    лення з дорогою. При порівняно невеликій масі боліда його аеродинаміка грає чи не першорядну роль в завданні утримання автомобіля на треку і впевненого управління ім. З огляду на, що задньопривідний автомобіль характеризується надмірною поворачиваемостью, в процесі проектування обтічника було приділено увагу притискає силі, що припадає на задню вісь. Для цього був розрахований і виготовлений дифузор з поліпшеними параметрами. Він розвиває більше розрідження під днищем в порівнянні з ХАДІ-31, що забезпечує краще зчеплення провідних до-

    ліс з дорогою. У задній частині обтічника за радіаторами охолодження встановлені закрилки, що сприяють оптимізації потоку після понтонів, що стабілізує тиск і зменшує опір повітря (рис. 9).

    Мал. 9. Закрилки і ежектори

    На ХАДІ-31 капот (задня частина обтічника, що закриває силовий агрегат) зверху має плоску грань, плавно спадну до заднього антикрила. При русі автомобіля над цим майданчиком утворюється зона зниженого тиску, отже, підйомна сила. Для цього на ХАДІ-33 капот замість майданчика має тонке ребро, плавно опускається до антикрила, і нижні закрилки. Це допоможе попередити виникнення великих зон зниженого тиску і покращує загальний коефіцієнт аеродинамічного опору нового автомобіля. Профіль ребра створено таким чином, щоб звести до мінімуму парусність, т. Е. Схильність до відведенню автомобіля з траєкторії під дією бічного вітру, що має велике значення при проходженні швидкісних поворотів (рис. 10).

    Мал. 10. Задня частина обтічника ХАДІ-33

    Провівши вимірювання потоків повітря, що проходять через повітрозабірник до радіатора і

    далі після нього, було визначено, що потік нерівномірний в понтоні (частина обтічника, в якій встановлені радіатори системи охолодження двигуна), і в деяких місцях рух повітря взагалі відсутня. При створенні нового обтічника ці проблеми були вирішені наступним чином. У понтони встановили так звані «димоходи», або ежектори, які підсилюють відтік повітря з понтонів, зменшують опір і збільшують швидкість проходження повітря, тим самим підвищуючи ефективність теплообмінника.

    висновки

    За столітню історію автомобілебудування питання аеродинаміки в даній області не були розкриті в достатній мірі. Значного успіху в цьому питанні допоміг досягти автоспорт, в якому дуже важливими стали притискна сила і обтічність. Вище описані рішення стали застосовувати в серійних автомобілях, щоб оптимізувати їх експлуатаційні властивості, що сприяло підвищенню економічності. У дослідженні аеродинаміки автомобілів активну участь приймає «ЛСА ХАДІ».

    Вище описані роботи з обтічником ХАДІ-33 дозволили істотно поліпшити характеристики нового автомобіля, що дало можливість скласти гідну конкуренцію українським спортивним командам на гоночній трасі.

    література

    1. Аеродинаміка автомобіля / Под ред. В.Г. Гухо; Пер. з нім. Н.А. Юніковой; Під ред. С.П. Загородникова. - М .: Машинобудування, 1987. - 424 с.

    2. Краснов Н.Ф. Аеродинаміка. Ч.1. Основи теорії. Аеродинаміка профілю і крила. - М .: Вища школа, 1976.

    Рецензент: В.І. Клименко, професор, к.т.н., ХНАДУ.

    Стаття надійшла до редакції 23 листопада 2008 р.


    Ключові слова: аеродинаміка / антикрило / обтічник / дифузор / ежектор

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити