автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Оценка составляющих аэродинамического сопротивления легкового автомобиля на основе эксперимента с моделями переменных габаритов в аэродинамической трубе

На правах рукописи

I' / / //

Жамалов Рафик Рафаилевич

ОЦЕНКА СОСТАВЛЯЮЩИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТА С МОДЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННЫХ ГАБАРИТОВ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

Специальность 05.05.03 - колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з МАЙ 2015

005568»^

Москва-2015

005568526

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» (ГБОУ ВПО НГИЭИ).

Научный руководитель:

Королев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,

профессор, Нарбуг Андрей Николаевич, ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»;

кандидат технических наук, Бартенев Сергей Леонидович, ведущий специалист ООО «МАГИСТРАЛЬ»

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ"

Защита состоится « 25 » июня 2015 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.140.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/Университет машиностроения» по адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, д.38, ауд. Б 303.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/Университет машиностроения» и на сайте www.mami.ru

Автореферат разослан «27» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Щетинин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Аэродинамические показатели современных автомобилей характеризуют не только их динамические качества, такие как максимальная скорость движения, разгон и т.п., эксплуатационные качества - устойчивость, комфорт, но и расход топлива. Экономия топлива во все времена являлась важной государственной задачей. Аэродинамическое сопротивление легкового автомобиля является вторым по значимости фактором, после его массы, влияющим на величину расхода топлива.

Для исследования аэродинамики автомобиля чаше всего применяют аэродинамические трубы, которые являются дорогостоящим инструментом. Строительство масштабной трубы обходится в сотни раз дешевле. Расчетные методики по определению аэродинамических показателей появляются именно но результатам трубных испытаний масштабных моделей. Научная, теоретическая база аэродинамики автомобиля развита недостаточно. Анализ публикаций по аэродинамике автомобиля указывает на ее интенсивное развитие за рубежом. Аэродинамика автомобиля не имеет разработанных теорий, таких как, например теория индуктивного сопротивления для летательных аппаратов.

С первых ступеней развития автомобилизации исследователи активно вели поиск оптимальной обтекаемой формы кузова. Снижением величины аэродинамического сопротивления легкового автомобиля занимались многие. Но не один из исследователей не ставил целью своей работы определение зависимости аэродинамических характеристик от величины габаритных размеров моделей легковых автомобилей.

Также нет работ по определению составляющих аэродинамического сопротивления - профильного, индуктивного, донною сопротивлений. И логично предположить, что доли этих составляющих не являются постоянными величинами. Вызывает итерсс, от каких параметров, и каким образом зависят величины составляющих аэродинамического сопротивления.

Для создания теоретической ба;ы аэродинамики автомобиля необходимы экспериментальные данные по изучению различных аэродинамических механизмов. Наличие теоретической базы позволит более целенаправленно вести поиск оптимальных форм проектируемых автомобилей, сократит сроки и стоимость подготовки к серийному выпуску.

Таким образом, определение влияния габаритных размеров масштабных моделей легковых автомобилен на аэродинамические характеристики с применением ложных элементов, является актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является оценка составляющих аэродинамического сопротивления легкового автомобиля на основе эксперимента с моделями переменных габаритов в аэродинамической трубе.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Разработка новых способов определения составляющих аэродинамического сопротивления масштабных моделей легковых автомобилей;

2. Определение влияния габаритов масштабных моделей на аэродинамические характеристики;

3. Определение долей сосгавляющих аэродинамического сопротивления при изменении геометрических параметров масштабных .моделей легковых автомобилей;

4. Поиск связи коэффициентов аэродинамических сил при варьировании геометрических параметров масштабных моделей легковых автомобилей;

5. Получение полиномиальных зависимостей аэродинамических коэффициентов от параметров внешней формы масштабных моделей легковых автомобилей и изменения их габаритов.

Объектом исследований является аэродинамика легкового автомобиля как часть теоретической механики.

Предметом исследования является упрощенные масштабные модели легковых автомобилей.

Экспериментальная часть проводилась в аэродинамической трубе Т- 1К Казанского государственного технического университета (КАИ) в рамках договора о сотрудничестве от 19 мая 2010 года между ГБОУ В ПО НГИЭИ и Ю Ш ГУ-КАИ им. А. Н. Туполева (КАИ).

Методика исследования. Системный подход к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью. В процессе аэродинамических экспериментов масштабные модели легковых автомобилей изменяли габариты (ширину, длину), угол наклона задней верхней поверхности. Для определения составляющих аэродинамического сопротивления использовались ложные модели и элементы.

Научная новизна

1. Определение составляющих аэродинамического сопротивления - профильного, индуктивного, донного;

2. Определение зависимости составляющих полного аэродинамического сопротивления от геометрических параметров модели;

3. Применение ложных моделей, элементов в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями автомобилей;

4. Определение взаимосвязи аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления Сх и подъемной силы Сгв при изменении геометрических параметров внешней формы модели;

5. Представление полного индуктивного сопротивления как суммы индуктивных сопротивлений от действия сбегающих с задней части модели, вихревых жгутов, пониженною давления в блюкнем следе спутной струи, зоны пониженного давления б месте излома крыши и заднего стекла.

Практическую ценность

1. Результаты исследованной работы могут- использоваться специалистами для расширения теоретической базы автомобильной аэродинамики;

2. Полученные данные помогут специалистам в проектных организациях при создании новой эффективной автомобильной техники;

3. В учебном процессе вузов при подготовке студентов автомобильного направления.

На защиту выносятся:

1. Результаты определения влияния габаритов масштабных моделей на аэродинамические характеристики;

2. СпосоЬы определения составляющих аэродинамического сопротивления масштабных моделей легковых автомобилей;

3. Результаты определения долей составляющих аэродинамического сопротивления при изменении геометрических параметров масштабных моделей легковых автомобилей;

4. Результаты поиска связи коэффициентов аэродинамических сил при варьировании геометрических параметров масштабных моделей легковых автомобилей;

5. Полиномиальные зависимости аэродинамических коэффициентов от параметров внешней формы моделей легковых автомобилей и изменении их габари-

тов.

Апробации работы. Основные положен™ и результаты работы докладывались на: научно - практических конференциях НГИЭИ с 2010 г. по 2014 г.; па 17-ой Нижегородской сессии молодых ученых в 2012 г.; па XVI и XVII международных научно - практических конференциях в 2012 г.; на международной научно - технической конференции «АНТЭ - 2013» в 2013 г. (г. Казань); в 2014 г., на юбилейной конференции «Болтииские чтения» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроипженерный университет имени В. II. Горячкина, 2014 г., на ежегодном семинаре «Болтииские чтения» в РГАУ - МСХА имени К А Тимирязева, 2015г. ' '

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 18 печатных работах, в том числе в 3 работах опубликованных в периодических изданиях репетируемых научных журналах, рекомендованных ВАКом.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 153 страницы компьютерного текста, содержит, 81 рисунка. Список использованных источников содержит 95 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, определены объект и предмет исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

15 первой главе рассматривается современное состояние аэродинамических исследований масштабных моделей легковых автомобилей. Эксперименты с упрощенными масштабными моделями сокращают затраты па подготовку и проведение испытаний. Результаты исследований составляют основу расчетных методов и новых вычислительных программ.

Проанализированы работы по исследованию аэродинамических характеристик масштабных моделей ле/ ковых автомобилей в аэродинамических трубах.

В нашей стране аэродинамическими исследованиями легковых автомобилей, с целью улучшения их обтекаемости, занимались СЛ. Бартенев, В.Е. Благора-зумов, ГО.С. Виноградов, Ю.А. Долматовский, А.Н. Евграфов, С.П. Загородников,

K.B. Зейванг, E.B. Ильин, E.B. Королев, Д.р. Кульмухамедов, A.B. Кутяев, Е.В. Михайловский, А.И. Никитин, С.Б. Переверзев, Е.Я. Тур, О.И. Чумаков.

Интересные результаты модельных испытаний грузовых автомобилей получены А.К. Ватолиным, А.Н. Евграфовым, A.M. Конаковым и Б.И. Миндровым.

Разработкой методов дорожных испытаний по определению аэродинамических качеств занимались отечественные исследователи В.Н. Андронов, Ю.С. Виноградов, М.С. Высоцкий, А.Н. Евграфов, Г.В. Зимелев, В.А. Иларионов, A.M. Конаков, Е.Ф. Медведев, Е.В. Михайловский, В.В. Московкии, Ю.И. Палутин, В.Н. Петрушов, Е.Я. Тур, Б.С. Фалькевич, H.A. Яковлев. Метод, разработанный В.Н. Петрушовым, обладает высокой точностью и надежностью

Снижением величины аэродинамического сопротивления легкового автомобиля занимались многие зарубежные исследователи, такие как Д. Аронсон, Т. Асано, С.Р. Ахмед, Р. Барт, П.В. Бирман, В.Д.Боумен, К.П. Гарри, Л.И. Джонссен, В. Камм, Ж.В. Kapp, Ю. Кац, А.Ф. Костелли, K.P. Купер, В. Лэй, Метц, Т. Морел, А. Морелли, М. Онорато, Р.К. Тастин, М.Такахи, Р.Ж.С. Уайт, P.A.K. Фосберри, Ж.П. Ховелл, В. Хуго, К. Эшли и др.

Первые параметрические исследования аэродинамики масштабной модели автомобиля была проведена в 1933 году под руководством профессора W. Lay.

В эксперименте участвовала упрощенная идеализированная модель (М 1:4) с плоскими боковыми поверхностями и сменными передними и задними элементами. К сожалению, в ходе проведения эксперимента фиксировались только линейные изменения длины модели. Количественная оценка изменениям формы модели не давалась.

В 1991 году, в той же аэродинамической трубе был проведен эксперимент с моделью №860 с целью определения зависимости частичной характеристики от изменения длины. Модель была однообъемной формы, с постоянным углом наклона задней части 14° и дискретно изменяющейся величиной угла передней части (44...56°). Эксперимент, в рамках выполнения дипломной работы, был поставлен М.В. Дементьевым и М.А. Казаковым под руководством к.т.п. Е.В. Королева

Они выявили, что с увеличением длины модели аэродинамическое сопротивление уменьшается. Но в некотором диапазоне изменения длины модели эта зависимость нарушается.

В 1950 году отечественные исследователи IO.A. Долматовский и К.В. Зейванг провели эксперимент с масштабной моделью легкового автомобиля (М 1:10). Анализ результатов указал на зависимость аэродинамического сопрот ивления от длины капота и положения площади миделекого сечения по длине модели.

В 1963 году под руководством G.W. Сагг, был проведен эксперимент с масштабной (М 1:4) разборной моделью, имевшей по 4 варианта передней и задней частей. Сделан вывод о значительном влиянии формы задней части кузова на аэродинамическое сопротивление.

Параметрическими исследованиями аэродинамики масштабных моделей автомобилей в отечественной практике, с целью получения расчетных методов, занимались С.П. Загородников, Е.В. Королев, С.Б. ГТереверзев, О.И. Чумаков.

В 1980 году О.И. Чумаков исследовал аэродинамические качества масштабной разборной модели. В ходе испытаний исследовалось влияние подкапотного пространства, имитации днтца.

В предчоженной О.И. Чумаковым расчетной формуле для определения коэффициента лобового сопротивления Сх указан только один геометрический параметр (угол наклона капота), имевший количественную оценку.

В 1980 году С П. Загородшшов провел параметрические исследования с масштабной модели легкового автомобиля. Пять параметров модели имели количественную оценку. Было получено уравнение регрессии для определения величины коэффициента лобового сопротивления воздуха Сх. Недостатком выполненной работы являлся неудачный выбор диапазонов измепегам величин геометрических параметров. Другой недостаток - отсутствие учета, в уравнении регрессии, взаимодействия различных факторов.

В середине 80-х гг. Е. В. Королев провел большой объем экспериментальных исследований с масштабными моделями легковых автомобилей. Исследования носили параметрический характер. Получена полиномиальная зависимость коэффициента лобового сопротивления воздуха Сх для масштабной модели легко-' вого автомобиля от изменения 9-ти геометрических параметров. Расчет учитывал взаимодействие отдельных факторов. После анализа технических материалов введены поправки на изменение габаритных размеров для переноса результатов на полноразмерную модель.

Важным результатом является определение влияния перераспределили воздушных потоков передней частью на величину критического утла наклона задней части модели. Так же разработаны экспериментальные методики по опреде-леншо составляющих аэродинамического сопротивления - профильного и индуктивного сопротивлений.

Переверзев С.Б. исследовал влияние параметрических изменений формы кузова на аэродинамические показатели. Приведено сравнение результатов трубного эксперимента и дорожных испытаний. Недостатком работы является неправильный подход к переносу результатов трубного эксперимента на натурные объекты с применением переходного коэффициента.

Работы L.J. Janssen и W.U. Hucho, Т. Morel, S.R. Ahmed, G. Ramm, и О. Faltin были направлены на футцаментатыюе исследование характеристик воздушных потоков за масштабной моделью автомобиля. Эти работы указали на значимость утла наклона задней части модели автомобиля в создание режима ее обтекания.

Указывается на необходимость проведения экспериментов с упрощенными масштабными моделями для определения влияния изменения габаритных размеров, на отсутствие способов получения составляющих аэродинамического сопротивления непосредственно на весах.

Во второй главе приведены результаты испытаний в аэродинамической трубе масштабных моделей легковых автомобилей, изменяющих дискретно габаритную шнршгу. Модели, участвующие в эксперименте, имели разшле определенные утлы наклона задней части. Этим обстоятельством вызывалось наличие разных режимов обтекания воздушным потоком моделей.

Модель К имела профильное сечение тождественное автомобилю ВАЗ-2108, но с плоскими вертикальными боковыми поверхностями и с плоским днищем. У модели отсутствовали колеса. Коэффициент размаха X, равный отношению ширины к длине, изменялся в пределах 0,010... 0,750 для модели первой серии испытаний. Угол наклона задней верхней плоскости р°= 30°.

Деревянная модель К-15 имела ту же форму, но угол наклона задней части крыши (3° = 15°. Коэффициент размаха X изменялся в пределах 0,125... 0,750.

Модель ПШ имела профильное сечение тождественное форме автомобиля ВАЗ-21099. Материал модели - формованный пластик. Колеса отсутствовали. Коэффициент размаха X изменялся в пределах - 0Д00. .1,280. Условный угол наклона (3° = 25,5°. Все масштабные модели устанавливались относительно неподвижного экрана с одним постоянным по величине дорожным просветом.

Таким образом, были определены аэродинамические характеристики для всех режимов обтекания.

На рис. 1. представлена зависимость величины коэффициента лобового сопротивления воздуха для масштабных упрощенных моделей легковых автомобилей от изменения коэффициента размаха X. Графическая зависимость построена по экспериментальным данным.

Сх

0,8 -------------------------------------------

0,1---------

I

о J---j--------,-----w------т------,-----,----

0 0,2 0,4 0,6 0,8 I 1,2 1,4

Рис. 1. Зависимость величины коэффициента лобового сопротивления Сх от изменения коэффициента размаха X (ширины модели легкового автомобиля).

Используя систему аналитических вычислений MAPLE 15 найдем формулы зависимости коэффициента Сх от размаха X для модели К для каждого интервала:

Сх = 0,3052 + 13,8617 Л - 5361,1В19(Д - 0.010)3 л< 0 0375

Сх = 0,6498 + 1,6985 Л - 442,2975 (Л - 0.0375)2 + 8418,6624(Л - 0.0375Ч3 Л = 0 0375 0 0575

Сх = 0,9766 - 5,8910 Д + 62,8222 (Д - 0.0575)' - 266,9185 (Л - 0.0575)3 Л = 0 0575 0 125

Сх = 0,5767- 1,0585 Л + 8,7712(Д - 0Д25)2 - 26,6972 (Д - 0,125)3 Л = 0125 0 250 (1)

Сх = 0,4263 - 0.1171 Л - 1.2402 (Д - 0.250)2 + 5,9995 (Л - 0.250)3 Л = 0 250 0373

Сх = 0,4309 - 0,1499 Л + 0,9736 (Л - 0,373)* - 2,7678 (Я - 0.373)3 Д = 0 373 0 500

Сх = 0,3843 - 0,0365 Л - 0.0809(Л - D.SOOO)2 4- 0,5769 (Л - 0,5000)3 Л = 0'500 0 625

Сх = 0,3799 - 0,0297 Д + 0,1354(Л - 0,6250)7 - 0,3611(Л - 0,6250)3 otherwise

Если сузить диапазон изменения коэффициента размаха X исключив три узких варианта модели К, то расчет величины коэффициента Сх можно вести по следующей формуле:

Сх = 0,5201 - 0..7502Л + 1.2148А2 - 0.6689Л3 (2)

Расчет зависимости коэффициента Сх от размаха X для модели К-15 проводится по следующей формуле:

Сх - 0,4557 •- 0,6511 • Л + 0,9682 • Л2 - 0,5054 • Л3 (3)

Зависимость Сх от X определяется для модели ПШ следующей формулой"

Сх — 0,4-506 — 0,3936Я + 0,4559Я2 — 0Д704Л3 " (4)

Погрешность расчега удовлетворяет, но описание зависимости искаженное.

Далее проводим расчет системой уравнений.

Сх = 0,4631 - 0,4156 Л + 4,0571(Я - ОДОО)3 Я < 0 2

Сх = 0,4428 — 0,2939 Я + 1,2171 (Л — 0,200)2 — 2,8243(Я — 0,200)3 Я = 02 0 277 Сх = 0,4107 - 0,1567 Я + 0,5647(Я - 0,277)2 - 1,0577 (Я - 0.277)3 Я = О 277 ' 0 380 Сх = 0,3841 - 0,0740 Я + 0,2379(Л - 0,380)2 - 0,9665(Я - 0,380)3 Я = 0,380 0 462 Сх = 0,3762 - 0,0545 Я + 0,0001 (Я - 0.462)2 + 0,5568 (Я - 0,462)3 Л = 0 462 0 565 Сх = 0,3667 - 0,0367 Я + 0,1722(Д - 0,565)2 - 0,7299 (Я - 0,565)3 Я = 0,565 0 636 Сх = 0,3588- 0,0233 Л + 0.0167(Л - 0,636)2 + 0,1912 (Я- 0,636)3 Я = о'бЗб 0738 (5) Сх = 0,3523 - 0,0139 Я + 0,0752(Я - 0,738)2 - 0,2841 (Я - 0.738)3 Я = 0,738... 0^821 Сх = 0,3472 - 0,0073 Я + 0,0045(Я - 0,821)2 - 0,044-6 (Я - 0,821)3 Я = 0^821... 0^917 Сх = 0,3475 - 0,0077 Л - 0,0084(Д - 0.917)2 + 0,3420 СЛ - 0,917)3 Я = 0 917 1 000 Сх = 0,3420 - 0,0020 Я + 0,0768(Л - 1,000)2 - 0,5857 (Я - 1,000)3 Я = 1.0 ... 1,095 Сх = 0,3436 - 0,0033 Л - 0,0901(Я - 1,095)2 + 0,6942 СЛ - 1.095)3 Я = 1^095 ... 1,179 Сх = 0,3439 - 0,0037 Я -I- 0,0849 (Я - 1Д79)2 - 0,2798 (Я - 1Д79)3 otherwise

Для разных режимов обтекания определены прямым путем величина профильного сопротивления моделей и косвенным путем величина индуктивного сопротивления.

На рис. 2 представлен зависимость коэффициента подъемной силы от коэффициента размаха для моделей с переменной шириной.

Сгй

Рис. 2. Зависимость аэродинамического коэффициента подъемной силы Сг$ от изменения коэффициента размаха модели X (ширина модели / длина модели).

Проведем расчет величины коэффициента СгБ от коэффициента размаха X модели К.

Схг = -0,04794 + 1,0781 ■ Я - 3,1815 ■ Л2 + 1,7347 ■ А3 (6)

Для уменьшения погрешности расчета величины коэффициента приведем систему уравнений для каждого внутреннего интервала всего диапазона размаха модели К.

= -0,0093 - 0,8324Л + 677,5912(Я - 0,01)3 Я < 0,0375

Сг5 = -0,0528 + 0,7049 Я + 55,9013(Л - 0.0375)2 - 1257,2051 (Л - 0ДШ5)3 Л = 0,0375 ... 0,0575 ^ = -0,0824+ 1,4323 Л - 19,5310 (Л - 0,0575)2 + 88,1512 (Л-0,0575)3 Л = 0,0575 ...0,125 Сгэ = 0,0347 + 0,0005 Л - 1,6804(Л - 0Д25)г + 12,7464 (Л — 0Д25)3 Л = 0,125 ...0,250

Сгз = -0,0110 + 0,1779 Л + 3,0995(Л - 0,250)2 - 32,2374 (Л - 0.250)3 Л = 0,250 ... 0,373 (7)

Сгх = 0,2506 - 0,5584 Я - 8,9895 (Л - 0,373)2 4- 34,5904(Л - 0,373)3 Я = 0,373 ... 0,500

Сг* = 0,4907 - 1,1843 А + 3,9818 (Л - 0,500)2 - 10,2264(Л - 0,500)3 Л = 0,500 ... 0,625

От* = 0,2104 - 0,6682 Я + 0,1469(Л - 0.625)2 - 0,3918(Л - 0,625)3 оСЬегич'уе

Если исключить из диапазона изменения коэффициента размаха X три узких варианта модели К, то расчет величины коэффициента Сгв можно вести по следующей формуле:

Сг5 = -0,1242 + 0,7826А - 4.9367А2 + 3,0146А3 (8)

Проводим расчет величины коэффициента подъемной силы С.7я от коэффициента размаха X для модели К-15:

Сгх = -0,0057 - 0,1229/1 (9)

Зависимость Сгв от X для модели Г1111 определяется следующему уравне-

С25 = -0,0245 + 0,4964Л - 1,2087Я2 + 0.5560Л3 (10)

Ниже приводится система уравнений, более точно описывающая зависи-

Czs = 0,0347 - 0,1065 А + 2,9817 (А - ОДОО)3 Czs = 0,0198 - 0,0171 А + 0,8945 (А - 0.200)2 + 1,9941(А - 0.200)3 Czs = -0,0220 + 0,1562 А + 1,3552 (А - 0,277)2 - 16,2543 (А - 0,277)3 Czs = 0,0652 - 0,0820 А - 3,6674 (А - 0.380)2 + 12,4849 (л - 0,380)3 Czs = 0,2089 - 0,4316 А - 0,5962 (А - 0.462)2 + 5,2901(А - 0.462)3 Czs = 0,1826 - 0,3861 А + 1,0385(А - 0.565)2 - 3,4241(А - 0,565)3 Czs = 0,1258 - 0,2904 А + 0,3092(А - 0,636)2 - 3,9572(Л - О^бЗб)3 Czs = 0,1694 - 0,3508 А - 0,9017(А - 0.738)2 + 6,6965(Л - 0,738)3 Czs = 0,1763 - 0,3621 А + 0,7657(Л - 0,821)2 - 5,9850 (А - 0,821)3 Czs = 0,1950 - 0,3806 А - 0,9580 (А - 0,917)2 + 10,1191(А - 0,917)3 Czs = 0,1441 - 0,3305 А + 1,5617(Л - 1,000)2 - 1,5176(А - 1,000)3 Czs = -0,1231 - 0,0748 А + 1,1292 (А - 1,095)2 - 4,0194 (X - 1.095)3 Czs = -0,2408 + 0,0298 А + 0,1163 (А - 1Д79)2 - 0,3837(А - 1Д79)3

По результатам испытаний масштабных моделей легковых автомобилей переменной ширины построены поляры (рис. 3).

А < 0,200 А = 0,200 ...0,277 А = 0,277... 0,380 А = 0,380 ...0,462 А = 0,462 ... 0,565 Л = 0,565 ...0,636 А = 0,636 ...0,738 (11) А = 0,738...0,821 А = 0,821 ...0,917 А = 0,917...1,000 А = 1,000 ...1,095 А = 1,095 ...1,179 othcrwise

В третьей главе анализируются результаты аэродинамического эксперимента с масштабными моделями легковых автомобилей при изменениях габарит-нон длины и угла наклона задней верхней поверхности.

При изменении длины модели автомобиля практически определяется влияние донного сопротивления. В эксперименте с моделью переменной длины следует учитывать изменение площади плановой проекции S, на которую воздействуют аэродинамические вертикальные силы. По этой причине используем коэффициент подъемной силы Czs, отнесенный к площади S.

Влияние изменения длины модели, на подъемную силу тождественно приведенной зависимости ранее для моделей переменной ширины. В этом случае за функциональный параметр взята величина обратная коэффициенту размаха X, а именно - Е = 1/ X = U Ь, которую назовем удлинением.

Для изучения влияния длины масштабной модели на аэродинамические характеристики проведен эксперимент с моделью R. Базовым объектом служила модель, имеющая плоские боковые поверхности и форму профильного сечения автомобиля ВЛЗ-2108. Модель, выполненная в масштабе 1:5, имела сменные задние элементы. Форма переднего элемента тождественна опять же форме автомобиля ВАЗ-2108 для того чтобы увязать полученные результаты с результатами эксперимента моделей переменной ширины. Сменные задние элементы имели разные углы наклона скошенной поверхности (ß° =10°, 14°, 18°, 22°, 26°). Базовая модель имела габаритные размеры, тождественные моделям К и К-15, но с величиной угла наклона задней части тождественной сменным элементам. Величина коэффициента удлинения с при установке па модель сменных задних элементов изменялась 2,584...6,173. Большая величина коэффициента удлинения е соответствует максимальной длине модели с углом наклонной задней части ß° = 10°. Моделям К и К-15 соответствует меньшая величина коэффициента удлинения е по отношению к модели R.

Модель имела максимальную длину при углах наклона задней части - 10°, 14°, 18° и 22°.

Результаты эксперимента (рис. 4) подтверждают характер изменения величины аэродинамического сопротивления от длины моделей, полученных при испытании модели 860. При изменении длины модели на 10% относительно базовой наблюдается примерно 10% снижение величины коэффициента лобового сопротивления Сх. При максимальной длине модели величина коэффициента лобового сопротивления воздуха уменьшается 15...24% в зависимости от режима обтекания.

Влияние режима обтекания прослеживается в том, что при увеличении угла наклона задней части ß° диапазон изменения величины коэффициента Сх уменьшается. Это является свидетельством того, что удлинение кузова легкового автомобиля целесообразно проводить при оптимальных углах наклона ß° (10...15°), когда возможно уменьшение аэродинамического сопротивления до 25% при максимальной длине.

Расчет величины коэффициента Сх от угла наклона ß° для базовой модели R Ст 0 проводится но следующей формуле:

Сх = 0,4794- 0,0161 ■ ß + 0,0011 ■ ß2 -0,00002 ■ ß3 (12)

Сх

0,29

2'5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Рис. 4. Зависимость коэффициента Сх от изменения коэффициента удлинения с

С целью повышения точности расчета применим систему уравнений. Расчет зависимости Сх от угла наклона для базовой модели R Ст 0:

Сх = 0,3969 + 0,0008/? + 0,000010? - Ю)3 0 < 14град

Сх = 0,3886 + 0,0015/? + 0,0002(/? - 14)2 + 0,00001(0 - 14)3 /? = 14 ... 18 град (13)

Сх = 0,3624 + 0,0031/? + 0,00020? - 18)2 - 0,0001(0 - 18)3 0 = 18..22 град

Сх = 0,3893 + 0,0018/? - 0,0006(0 - 22)2 4 0,0001(0 - 22)3 otherwise

Сравнение влияние изменения габаритных размеров модели легкового автомобиля представлено на рис. 5. При увеличении габаритных размеров уменьшается аэродинамическое сопротивление, но характер изменения отличается. Параметр удлинения является более значимым по отношению к размаху модели.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис.5. Зависимости коэффициентов аэродинамического сопротивления Сх от удлинения г и размаха X Характер изменения величины коэффициента подъемной силы Саг от изменения длины модели подобен коэффициенту Сх (рис.6). Это, следовательно, указывает на связь аэродинамических коэффициентов. За 100% удлинение приняты варианты моделей с максимальными длинами, а Сгэ - коэффициент подъемной силы равное при угле наклона задней части р°= 0°.

Аэродинамическая подъемная сила увеличивается с ростом угла наклона (3° и уменьшается при удлинении масштабной модели легкового автомобиля.

Для коэффициента Czs имеется два линейных участка. Для первого участка градиент изменения больше чем у второго. Отличие состоит в том, что переход от одного режима к другому более плавный. На первом участке с увеличением угла наклона задней поверхности модели градиент изменения коэффициента Сг£ уменьшается. Второй участок обладает таким же характером, но с меньшими значениями градиента. При максимальных длинах модели изменение коэффициента происходит по арифметической прогрессии.

Рис. 6. Зависимость коэффициента подъемной силы Сгя от изменим коэффициента удлинения £ и соотношения площадей Рд/Т

Расчет зависимости коэффициента подъемной силы Czs угла наклона задней части р для базовой модели R Ст 0:

Czs = 0,0389 + 0,0059/? (14)

Расчет зависимости коэффициента подъемной силы Czs угла наклона задней части (3 для базовой модели R Ст 0 по интервалам: Czs = 0,0367 + 0,0061/? - 0,000010? - Ю)3 /? < 14 град

Czs = 0,0387 + 0,0059/3 - 0,0001(Д - 14)2 + 0,0001(/? - 14)3 f3 = 14 ... 18 град (15) Czs = 0,0345 + 0,0061/? + 0,0001(/? — 18)2 — 0,0001(/? — 18)3 /? = 18 22 ¿рад C.ZS = 0,0424 + 0,0056/? - 0,00190? - 22)2 + 0,0001(/? - 22)3 otherwise

Проблемой автомобильной аэродинамики является определение связи аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы. Связь необходима для расчета величины индуктивного сопротивления. Полученные результаты серии аэродинамических испытаний позволяют сделать вывод о существовании такой связи. На рис. 7 представлена универсальная автомобильная поляра, поетроешмя по результатам испытаний, которая определяет графические взаимосвязи аэродинамических коэффициентов Сх и Czs с геометрическими параметрами - коэффициентом удлинения е и углом наклона задней части (5°.

Анализ представленной графической зависимости аэродинамических коэффициентов позволяет сделать ряд обобщающих выводов.

Параметры, изменяемые в исследованных границах, влияют на величину коэффициента подъемной силы Czs в большей степени (на 350%), чем на коэффициент лобового сопротивления Сх (25%). Для базовой модели изменение величины коэффициента Czs произошло на 200%, коэффициента Сг на 6%.

Сгэ, %

Рис. 7. Зависимость коэффициентов аэродинамических сил от удлинения модели (е) и изменения угла наклона задней части (р°)

В четвертой главе приводятся результаты испытаний масштабных моделей с применением ложных моделей и элементов.

Предлагается новый способ определения профильного сопротивления масштабных моделей автомобилей с использованием в аэродинамическом эксперименте ложных моделей. Ложными моделями называем модели, которые участвуют в аэродинамическом эксперименте вместе с основной моделью, но при этом не связаны с весами. Ложными могут быть не только модели, но и отдельные их элементы.

Применение ложных моделей, элементов модели является на наш взгляд перспективным направлением в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями автомобилей. Их применение позволяет определить составляющие полного аэродинамического сопротивления - профильного, донного и индуктивного сопротивлений

Прямым способом получена величина составляющей полного аэродинамического сопротивления - профильного. Косвенным, расчетным путем определены величины индуктивного и донного сопротивлений.

На рис. 8 представлен эпизод эксперимента для определения профильного сопротивления модели легкового автомобиля, выполненной в масштабе 1:5.

Рис. 8. Эпизод эксперимента по определению профильного сопротивления масштабной модели легкового автомобиля в присутствии ложных боковых

моделей

Установка ложных боковых моделей увеличивает размах модели. Сбегающие концевые вихревые жгуты оказывают действие на ложные модели и не фиксируются весами. На весах фиксируется нагрузка от профильного сопротивления. Этот способ дает возможность более точного определения профильного сопротивления, чем при последовательном приближении, так как исключает даже малое влияние вихревых жгутов на модель, что подтверждает визуализация воздушных потоков.

Достоинством предлагаемого способа является также возможность установки на модели колес.

Профильное сопротивление определенное этим методом, в зависимости от угла наклона р , составило 72... 85% от общего аэродинамического сопротивления.

Донное сопротивление определяется характером и величиной давления (пониженного) в области, непосредственно за донным срезом модели, или как говорят аэродинамики в ближнем следе спутной струи за моделью. Спутный след за моделью автомобиля определяет величину донного сопротивления. Характеристика донного сопротивления зависит от характеристики отрывных зон за верти-катьным срезом задней части. И та, и другая характеристики зависят от положения точек отрыва воздушного потока по периметру поперечного сечения задней части модели, площади донного среза, угла наклона (5°.

В этом эксперименте применяли ложные модели, точнее ложные задние элементы. К основной модели была установлена ложная задняя часть с минимальным зазором при ее максимальной длине (рис. 9). При изменении угла наклона задней части основной (базовой) модели такое же значение угла р° имел и ложный хвостовой элемент.

Рис. 9. Эпизод проведения аэродинамического эксперимента по определению донного сопротивления

Установка ложного заднего элемента позволяет выделить донное сопротивление и индуктивное сопротивление, вызванное сбегающими вихревыми жгутами. Результаты эксперимента с моделью Я переменной длины позволили определить не только зависимость аэродинамических характеристик от изменения ее длины, но и трактовать их как влияние донного сопротивления. При дискретном изменении длины модели графическую зависимость можно представлять и как влияние переменной площади донного среза.

При сравнении результатов испытаний базовой модели и базовой в присутствии ложных задних элементов определяется величина донного сопротивления.

Величина коэффициента лобового сопротивления воздуха Сх для модели в присутствии ложного элемента задней части уменьшалась в зависимости от режима обтекания на 13...42%. Это и является долей донного сопротивления в общем аэродинамическом сопротивлении.

Так как донное сопротивление входит в состав профильного, то на рис 10 представлена зависимость доли донного сопротивления для разных комбинаций моделей от величины угла наклона р". С увеличением угла р доля донного в общем аэродинамическом сопротивлении уменьшается. При значении угла Р° = 10° доля донного сопротивления велика. Относительно полного сопротивления составляет 42 %, относительно профильного — 56 %.

На рис. 11 представлены долевые соотношения составляющих аэродинамического сопротивления. Индуктивное сопротивление от действия вихревых жгутов увеличивается во втором режиме обтекания с ростом угла наклона задней части модели р".

Сх.д., %

45 40 35 30 25 20 15

10

5

Ю 12 14 16 18 20 22 24 26

Рис. 10. Зависимость донного сопротивления от угла наклона задней масти модели Сх, %

90

Схг в.ж

Ю 12 14 16 18 20 22 24 26 Рис. 11. Долевые соотношения профильного сопротивления, индуктивного от вихревых жгутов по отношению к аэродинамическому сопротивлению вариантов базовой модели и донного сопротивления по отношению к профильному.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. С увеличением габаритной ширины масштабной модели легкового автомобиля величина аэродинамического сопротивления уменьшается до предельного значения - профильного сопротивления независимо ог режима обтекания. Величина профильного сопротивления для исследованных объектов составляет в зависимости от режима обтекания 85 ...94%.

2. Зависимость коэффициента аэродинамической подъемной силы в диапазоне изменения размаха модели, тождественному реальным легковым автомобилям имеет сложный характер. С увеличением коэффициента размаха модели X величина подъемной силы уменьшается но зависимости близкой к линейной.

3. Увеличение длины масштабной модели легкового автомобиля снижает аэродинамическое сопротивление. Величина уменьшения коэффициента лобового сопротивления Сх при изменении длины объекта зависит от режима обтекания модели и может составлять 13...25%. Наличие двух линейных участков у зависимости аэродинамического сопротивления, во всем диапазоне изменения величины угла наклона задней части модели, от длины, свидетельствует о смене режима обтекания.

Целесообразно увеличение длины наклонной части автомобиля малого класса в пределах 10%, что позволит уменьшить величину коэффициента лобового сопротивления до 10%. Наибольший эффект достигается при оптимальных значениях угла наклона задней части р" -- 10... 15°.

4. Параметр удлинения является более значимым для аэродинамических коэффициентов Сх и Сг$ по отношению к размаху модели.

5. Зависимость коэффициентов аэродинамических сил Сх и С?.8 от изменения длины модели автомобиля имеет тождественный характер.

6. Построение универсальной поляры, показывает связь аэродинамических коэффициентов и геометрических параметров масштабной модели легкового автомобиля, что дает возможность прогнозирован!«! аэродинамических качеств.

7. Применение ложных моделей, элементов в аэродинамическом эксперименте с масштабными моделями легковых автомобилей позволяет определить составляющие полного аэродинамического сопротивления.-Определение этих составляющих возможно как косвенным путем (индуктивное и донное сопротивления), так и прямым - на весах (профильное сопротивление).

8. Экспериментом определено, что доли составляющих аэродинамического сопротивления не являются постоянными величинами. Профильное сопротивление, определенное с помощью применения боковых ложных элементов, в зависимости от угла наклона (3°, составило 72...85% от общего аэродинамического сопротивления. Доля составляющих является функцией изменения геометрических параметров, от которых зависит режим обтекания модели.

20

9. Определена доля донного сопротивления для модели легкового автомобиля, которая может достигать 40 % от общего аэродинамического сопротивления.

10. Доля общего индуктивного сопротивления для масштабной модели легкового автомобиля может достигать величины до 30% ог общего аэродинамического сопротивления. Доля индуктивного сопротивления, вызванного вихревыми жгутами, составляет 6... 10%.

11. Величина индуктивного сопрогивлешш зависит не только от наличия сбегающих с задней части модели вихревых жгутов, но и от характеристики снут-ного следа за моделью и зоны пониженного давления отрывных течений.

ПУБЛИКАЦИИ IIO ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованцых ВАК

1. Королев Е.В., Жамалов Р. Р. Влияние длины и угла наклона задней части масштабной модели легкового автомобиля на ее аэродинамические показатели // Автомобильная промышленность, Ла 5, 2014 г.

2. Королев Е.В., Жамалов P.P., Котин А.И. Влияние кривизны (выпуклости) боковых поверхностей масштабной модели легкового автомобиля на ее аэродинамические характеристики // Автомобильная промышленность. .V» 8,- 2014 г.

3. Королев Е.В., Жамалов P.P., Котин Л.И., Лопоткин A.M. Применение ложных моделей в аэродинамическом эксперименте для определения составляющих аэродинамического сопротивления // Автомобильная промышленность № 11 -2014 г. - - -

ПуПлик-ацпи в других изданиях

4. Гришин НЕ., Жамалов P.P., Королев Е.В., Котин А.И., Лопоткин A.M. Влияние перераспределения воздушных потоков, набегающих на масштабную модель автомобиля, на вертикальные нагрузки на осях. Вестник НГИЭИ выпуск 6(37). г. Кпягинино: НГИЭИ, 2014 - 116 с

5. Жамалов Р.Р. Влияние габаритных размеров модели легкового автомобиля па аэродинамические характеристики 17-я Нижегородская сессия молодых ученых, (технические науки). Н.Иовгород. 2012 - 224 с.

6. Жамалов P.P., Королев Е.В., Котин А.И. Влияние изменения геометрии [Пановой проекции масштабной модели легкового автомобиля на аэродинамические характеристики, г. Княгинино. Вестник НГИЭИ. Вып. 10 (29). 2013. - 142 с.

7. Королев Е.В., Веретехш! A.B., Жамачов P.P. Аэродинамика легкового автомобиля в ретроспективе. Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований: матсрихты Международной научно-практической конференции. - г. Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 307 с.

8. Королев Е.В, Жамалов P.P. Аэродинамика легкового автомобиля как илохообтекаемого тела. Проблемы и перспективы развития авиации, наземного

транспорта и энергетики «ЛНТЭ-2013»: международная научно-техническая конференция, 19 - 21 ноябрь 2013 г.: сборник докладов. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2013. - 584 с.

9. Королев Е.В., Жамалов P.P. Аэродинамическое сопротивление плохо-обтекаемых тел. Вестник НГИЭИ, серия «Технические науки», вып.1(2). г. Княги-нино: НГИЭИ 2011 - 164 с.

10. Королев Е.В., Жамалов P.P. Зависимость подъемной силы от габаритных размеров .масштабной модели легкового автомобиля. Основные направления развития техники и технологии в АПК, легкой и пищевой промышленности: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых. - г. Княгинино: НГИЭИ, 2011 - 276 с.

11. Королев Е.В., Жамалов P.P. Параметрические аэродинамические исследования масштабной модели легкового автомобиля. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летшо победы в Великой Отечественной войне. - г. Княгинино: НГИЭИ, 2010. -220 с.

12. Королев Е.В., Жамалов P.P. Применение ложных моделей в аэродинамическом эксперименте. Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства: материалы международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. — г. Княгинино: НГИЭИ, 2012. 332 с.

13. Королев Е.В., Жаматов P.P. Современное состояние экспериментальной аэродинамики автомобиля. Материалы международной научно-практической конференции «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники». Уфа: БГ'АУ, 2013 -424 с.

14. Королев Е.В., Жамалов P.P. Характеристика спутного следа масштабной модели легкового автомобиля. Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований: материалы Международной научно-практической конференции. - г. Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 307 с.

15. Королев Е.В., Жамалов P.P., Котин А.И. Аэродинамические трубы как инструмент исследования. Вестник НГИЭИ. Вып.12 П9). - г. Княгинино: НГ ИЭИ, 2012,- 122 с.

16. Королев Е.В., Жамалов P.P., Котин Л.И., Лопогкин A.M. Условия эксперимента в аэродинамической трубе с масштабными объектами. Сборник докладов международной научно-практической конференции. - г. Княгинино: НГИЭИ, 2014- 135 с.

17. Королев Е.В., Жамалов P.P., Лопоткин A.M. Подъемная сила - проблема автомобильной аэродинамики. Вестник НГИЭИ, вып. 1(8). - г. Княгинино: НГИЭИ, 2012.- 130 с.

18. Котин А.И., Королев Е.В., Жамалов p.p. Исторические изменения показателей аэродинамики легкового автомоби.чя. Сборник статей международной научно-практической конференции «Техника будущего: перспективы развития сельскохозяйственной техники». Краснодар, 2013

Подписано в печать 21.04.2015. Формат 60x90, 1/16. Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ, л. 1,39. Уч.-изд. л. 0,93. Тираж 100, Заказ 28.

Отпечатано в ИПЦ НГИЭУ с оригинал-макета 606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а.

\ 23''

Ч