Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1 (стр. 13 из 13)

Сначала необходимо определить площадь поперечного сечения автомобиля или макета. От точности этих данных будет зависеть точность дальнейших расчетов аэродинамических нагрузок на автомобиль.

Стенд для измерения площади поперечного сечения спроектирован фирмой ISRASystemtechnikGmbH и рассчитан на объекты с высотой и шириной не более 2,5х2,5 м. На стенде можно проводить измерение автомобилей и моделей с площадью поперечного сечения до 4 м2. Время измерения – не больше 30 мин., а точность стенда – 0,2%. Луч гелий-неонового (НеNe) лазера диаметром 250 мм создает практически абсолютно параллельный пучок. Лучом производится сканирование по периметру объекта. Данные, полученные камерами, находящимися за объектом, обрабатываются на компьютере, и вычисляется площадь. Далее можно приступить к испытаниям в аэродинамической трубе.

АТ ВАЗа – это труба замкнутого (геттингенского) типа с одним обратным каналом и рабочей частью, выполненной с перфорированными стенами и потолком. Труба позволяет производить испытания автомобилей и моделей с площадью поперечного сечения до 4 м2 (т. е. практически любые легковые, спортивные автомобили, некоторые микроавтобусы в натуральную величину и макеты больших автобусов и грузовиков в масштабе 1:2, 1:2,5). Кроме того, можно испытывать и другие объекты: макеты зданий, спортивный инвентарь, амуницию и т. д. В результате можно не только произвести необходимые замеры сил, действующих на объект, но и выработать определенные рекомендации по оптимизации поверхностей.

Вазовская АТ имеет ряд особенностей, позволяющих говорить о ней как об одной из лучших в мире. Звукоизоляция трубы очень качественная. И благодаря тому, что собственный шум трубы достаточно низкий и есть возможность демонтировать щелевые стены и потолок, появляется возможность проводить не только аэродинамические испытания, но и доводку автомобиля по аэродинамическому шуму.

Система отсоса пограничного слоя в рабочей части АТ, состоящая из базовой и распределенной систем, позволяет снизить толщину пограничного слоя до минимальных значений. Это позволяет добиться очень высокой точности измерений даже для автомобилей с низким клиренсом (менее 50 мм).

Сейчас в ряде западных компаний начинают осваивать измерительные стенды с движущимся полотном, имитирующим движение автомобиля по дороге. Но пока такие устройства проигрывают в точности неподвижным столам с отсосом пограничного слоя. О точности измерений говорит тот факт, что данные дорожных испытаний и показателей в вазовской трубе различаются не больше чем на 1%.

Система поддержания заданной температуры воздушного потока обеспечивает рабочую температуру воздушного потока в диапазоне +20-25ОС с точностью до 0,5ОС. Параметры АТ хоть и не являются рекордными, но впечатляют своими масштабами и возможностями. Максимальная скорость ветра в трубе – 60 м/с (216 км/ч). При этом площадь сечения рабочей части трубы – 22,3 м2. Вентилятор (если так можно сказать о машине мощностью 2300 кВт – одна тысячная Волжской ГЭС) диаметром 7,4 м состоит из 11 лопастей высотой 1,8 м и вращается с частотой 300 об/мин.

Эту сложную и ответственную часть создавали, что называется, всем миром: двигатель и системы управления от шведской фирмы ABB, металлоконструкция вентилятора финская, а лопасти германской фирмы «Гофман».

Сам процесс создания воздушного потока не так прост, как может показаться. Дело в том, что если бы можно было просто обдувать машину мощным вентилятором, то в таких сложных сооружениях не было бы необходимости. Воздушный поток должен быть не только сильный, но и ровный как по составу, так и по температуре. Поэтому после вентилятора он расширяется, проходит два поворота и упирается в сложную систему фильтров. Сначала поток проходит через одну детурбулизирующую сетку. Затем идет теплообменник, поддерживающий постоянную температуру воздуха. Следом расположен хонейкомб, состоящий из множества шестигранных сот и служащий для выравнивания потока и разбивания крупных вихрей. Последними воздух преодолевает еще три слоя детурбулизирующих сеток и уже ровным потоком «наваливается» на автомобиль. В итоге степень турбулентности не превышает 0,2%, что способствует высокой точности измерений.

Но сердцем всего комплекса являются весы. Это 6-компонентные аэродинамические весы фирмы CarlSchenkAG с прямым измерением нагрузок. Особенностью данного типа весов является то, что ориентация всех стержней, передающих нагрузку, идеально совпадает с осями координат, благодаря чему отсутствует взаимное влияние измеряемых компонент друг на друга. Рама весов напрямую не связана с землей.

Рис 3.13 Аэродинамические весы фирмы CarlSchenkAG

Контакт осуществляется через шесть чувствительных элементов – тензодатчиков. Три датчика измеряют вертикальную составляющую нагрузки и два момента сил, отдельно одна балка отвечает только за аэродинамическое сопротивление (поэтому достигается такая точность измерений), а еще две балки измеряют боковую силу и поворачивающий момент. То есть все три силы и три момента, действующие на объект испытаний, снимаются отдельно друг от друга. Точность таких весов – 0,1%. Поворотный стол весов позволяет вращать автомобиль на угол от –180 до +180 градусов для имитации бокового ветра или изменения направления ветра при испытаниях зданий и сооружений. Жаль только, что вес объекта ограничен лишь тремя тоннами. Но для нужд АвтоВАЗа этого вполне достаточно.

В подвале расположена модельная труба. На ее «плечи» ложится основная работа по доводке автомобилей еще на стадии проектирования. Основные испытуемые модели – это макеты будущих автомобилей в масштабе 1:4. Но самое большое достоинство этой трубы в том, что она является точной копией (также в масштабе 1:4) большой трубы. Вплоть до аэродинамических весов. Та же скорость 60 м/с, но вентилятор всего 220 кВт (в 10 раз меньше). То есть себестоимость работ в такой трубе значительно ниже. А учитывая, что при доводке макета приходится проводить не одну сотню продувок, экономия становится еще более значимой.

В результате всех испытаний разброс в точности измерений не больше 0,7–0,8%. А благодаря большой накопленной базе испытаний как малых и больших моделей, так и реальных автомобилей удается уже на ранней стадии проектирования, по анализу моделей предположить, какими будут характеристики реального автомобиля. Точность прогноза 2–3%.

А вот один интересный факт. Дело в том, что разные АТ могут давать различные данные. Для сравнения результатов используются перекрестные сравнительные тесты, когда одни автомобили испытываются в различных трубах. В результате определяются некоторые поправочные коэффициенты.

К примеру, для пересчета показателей АТ компании Mercedes в результате сравнительных испытаний выведен коэффициент 0,91. То есть Cx ВАЗ-2112 в АТ Mercedes был бы равен не 0,335, как у нас, а 0,305 (0,335*0,91). И наоборот, новый MercedesE-класса с Cx = 0,26 (по данным производителя) в нашей трубе равняется примерно 0,286.

Использованные источники.

1. Физика учебник

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика М: Наука, 1969.

3. Пэнкхёрст Р. и Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М., Изд-во иностр. лит-ры, 1954

4. Прикладная аэродинамика (под ред. Краснова) М: Из-во Высшая школа, 1974.

5. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей М: Мир 1969.

6. Попов С.Г. Измерение воздушных потоков. М.-Л., Гостехиздат, 1947.

7. Жаркова Г.М., Корнилов В.М., Лебига В.А., Миронов С.Г., Павлов А.А. Методы и средства исследований течений в аэрогазодинамическом эксперименте. // Теплофизика и аэромеханика, т.4, №3, 1997, стр. 283-294.

8. Магомаев А. Экология автомобиля: [Комплекс испытаний автомобилей]/А. Магомаев. // Наука и жизнь. - 2002. - N 9. - С. 30-33.

9. Мурадов Б. Труба зовет //Формула 1 – 2004. февраль, С. 34-41.,

10.