Компоненты аэродинамического сопротивления

Аэродинамическое сопротивление является наибольшей и самой важной аэродинамической силой, с которой сталкивается легковой автомобиль при нормальных дорожных скоростях. Вклад в общее аэродинамическое сопротивление автомобиля вносят много источников. Для снижения воздействия специфических факторов могут быть использованы различные вспомогательные средства. Оценки основных источников сопротивления и потенциал для снижения сопротивления в этих местах, сделанные для автомобилей в 1970-х годах, перечислены Рисунок 4.11.

Рис. 4.11. Основные источники аэродинамического сопротивления легкового автомобиля.

Для автомобиля, представленного ​​на рисунке, примерно 65% (.275/.42) аэродинамического сопротивления возникает от кузова (перед, зад, днище и поверхностное трение). Основной вклад вносит задняя часть, поскольку аэродинамическое сопротивление производится зоной отрыва, находящейся сзади. Именно в этой области есть максимальный потенциал для снижения аэродинамического сопротивления. Рисунок 4.12 показывает влияние угла наклона задней части на аэродинамическое сопротивление для различных длин заднего удлинения (за задней кромкой линии крыши) [10]. При углах наклонов до 15 градусов увеличение угла уменьшает аэродинамическое сопротивление. По мере увеличения угла аэродинамическое сопротивление вновь возрастает из-за отрыва потока. (На практике были достигнуты большие углы снижения без отрыва).

Рис. 4.12. Влияние на аэродинамическое сопротивление наклона задней части.

Аэродинамическое сопротивление переда зависит от конструкции передней части и угла лобового стекла. Как правило, площадь, на которую может действовать динамическое давление, чтобы вызвать сопротивление, определяет "округлость" в передней части. Рисунок 4.13 показывает влияние высоты переднего края автомобиля [10]. Расположение этой точки определяет положение воздушного потока, двигающегося к точке останова потока. Этот воздушный поток важен, так как эта точка определяет разделение потока на выше и ниже корпуса. Минимальное аэродинамическое сопротивление получается, когда точка останова потока остаётся внизу фронтального профиля автомобиля. Плавная закруглённая форма, в отличие от резких линий, традиционно придаваемых форме переда/решётке легковых автомобилей, не менее важна для аэродинамики. Закруглённая линия низкопрофильного капота может уменьшить общий коэффициент аэродинамического сопротивления от 5 до 15%  [11].

Рис. 4.13. Влияние на аэродинамическое сопротивление конструкции передней части.

Лобовое стекло определяет направление потока по мере приближения к горизонтальной крыше. Таким образом, его угол оказывает прямое влияние на аэродинамическое сопротивление, особенно на грузовиках. Малые углы уменьшают сопротивление, но усложняют конструкцию транспортного средства, вызывая увеличение нагрева из-за солнца и делая требования  к производителю лобового стекла по минимизации искажений на малых углах более критическими. Рисунок 4.14 показывает изменение аэродинамическое сопротивления при увеличении угла лобового стекла от номинального угла в 28 градусов [10]. При большом угле скорость воздуха, набегающего на ветровое стекло, уменьшается из-за высокого давления в этом регионе. При небольшом угле скорость ветра будет выше, добавляясь к аэродинамическим нагрузкам на стеклоочистители.

Рис. 4.14. Влияние на аэродинамическое сопротивление угла лобового стекла.

Днище является важной областью, создающей аэродинамическое сопротивление кузова. За сопротивление несут ответственность подвески, выхлопные системы и другие выступающие элементы на днище. Сечение воздушного потока в этой области является плоским и контролируется воздухом с нулевой скоростью на поверхности дороги и создаваемым потоком из-за сопротивления компонентов кузова. Признанным решением для минимизации лобового сопротивления днища является использование на днище гладких панелей.

Выступы кузова представляют собой вторую область, где тщательная проработка может уменьшить аэродинамическое сопротивление. Основной вклад здесь вносят колёса и колёсные ниши. Значительное аэродинамическое сопротивление на колёсах развивается из-за турбулентного, циркуляционного потока в полостях. Рисунок 4.15 иллюстрирует сложные структуры потоков, которые имеют место вокруг колеса [13]. Острые края профиля колеса обеспечивают возможность создания потока в горизонтальной плоскости, хотя обычно вращающиеся колёса вызывают циркуляцию в вертикальной плоскости. Эти эффекты позволяют колесу влиять на больший поток, чем просто тот, который виден из-за того, что его передняя плоскость подставлена потоку. Очевидным улучшением является аэродинамическое экранирование областей колёс и колёсных ниш. Хотя это в некоторой степени возможно на задних колёсах, управление поворотом передних колёс затрудняет использование такого способа спереди. Экспериментальные исследования показали, что уменьшение зазора между нижней частью и землёй и минимизация полостей колеса уменьшает вклад общего аэродинамического сопротивления от колеса [12].

Рис. 4.15. Рециркуляция воздушного потока в колёсной нише.

Система охлаждения является последним крупным вкладчиком в аэродинамическое сопротивление. Поток воздуха, проходящего через радиатор, воздействует на двигатель и теплозащитный кожух двигателя, оказывает своё динамическое давление в виде аэродинамического сопротивления транспортного средства. Движение потока воздуха внутри типичного моторного отсека может быть очень хаотичным из-за отсутствия мер по снижению аэродинамического сопротивления в этой области. Эту ситуацию иллюстрирует Рисунок 4.16 [12]. При отсутствии внимания к необходимости управления потоком воздуха, воздух, поступающий через радиатор, рассеивает большую часть своего момента движения вперёд по отношению к компонентам транспортного средства в моторном отсеке перед выходом через нижние отверстия. Обмен моментов переводится непосредственно в увеличение аэродинамического сопротивления.

Рис. 4.16. Воздушные потоки внутри типичного моторного отсека. (Источник: Williams, J., Ohler; W., Hackett, J., and Hammar, L., “Water Flow Simulation of Automotive Underhood Air Flow Phenomena,” SAE Paper No. 910307, SP-855, 1991, 31 p.)

Управление потоком в системе охлаждения может повлиять на коэффициент аэродинамического сопротивления на целых 0.025 [10]. Вклад в аэродинамическое сопротивление этого источника обычно принимается за разницу в аэродинамическом сопротивлении, измеренном с открытыми и закрытыми впускными отверстиями системы охлаждения. Как видно на Рисунке 4.17, тщательная разработка, чтобы направить поток (что позволяет ему сохранять свою скорость, чтобы статическое давление оставалось низким), может уменьшить создаваемое аэродинамическое сопротивление. Хотя эти различные меры могут быть неосуществимы в рамках стиля данного автомобиля, на рисунке показан очевидный потенциал для улучшения аэродинамики за счёт уменьшения аэродинамического сопротивления. Для того, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление современных автомобилей, размер входных отверстий системы охлаждения сводится практически к минимуму.

Рис. 4.17. Влияние на аэродинамическое сопротивление системы охлаждения.