Вопрос о сопротивлении воздуха движению автомобиля до сегодняшнего дня нельзя считать закрытым. И не только потому, что отсутствуют теоретические методы расчета силы аэродинамического сопротивления, но и из-за того, что накопленный большой объем экспериментальных данных должным образом не систематизирован и не позволяет провести количественную оценку аэродинамического сопротивления
тела заданной формы.
Такая количественная оценка силы сопротивления воздуха необходима, чтобы использовать имеющийся потенциал для снижения аэродинамического сопротивления в процессе разработки
автомобиля массового пользования.
Рис 1 Сравнение коэффициента аэродинамического сопротивления легкового автомобиля с коэффициентом аэродинамического сопротивления других тел.Почему так трудно провести оценку аэродинамического сопротивления
легкового автомобиля в указанном выше смысле, станет понятно, если расположить легковой автомобиль по его аэродинамическому сопротивлению в
ряду других известных
тел.
Это сделано на
рис. 1. Сравниваются
тела с одинаковым отношением длины к высоте l/h или длины к диаметру l/d (
это отношение иногда называют коэффициентом полноты тела); фактор близости основания (
т.е. поверхности дороги) при таком рассмотрении может не учитываться.
Аэродинамическое
сопротивление тела вращения (
Cw~0,05) состоит преимущественно из сопротивления трения; предельный случай чистого сопротивления трения имеет место при продольном обтекании плоской пластины.
Для этого вида сопротивления имеется хорошая теоретическая база. Влияние вязкости воздуха заметно только в очень тонкой, прилежащей к стенкам зоне, называемой пограничным слоем.
Основываясь на экспериментально определенных законах распределения касательных напряжений вдоль стенок,
можно рассчитать характеристики этого пограничного слоя, например его толщину, касательное напряжение вдоль стенки, место отрыва, для этого лишь необходимо, чтобы был предварительно рассчитан внешний поток, который в данном случае рассматривается как идеальный, т.е. не обладающий вязкостью.
Таким образом, можно провести оптимизацию, например,
тела вращения, т.е. для
тела с предварительно заданным отношением
l/h и предварительно заданным объемом можно рассчитать форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое
сопротивление.
В дальнейшем можно, используя теоретические преобразования, пересчитать полученные для этого
тела результаты применительно к
телу, напоминающему автомобиль. Однако с уменьшением коэффициента полноты
l/d сопоставимость теоретических расчетов с экспериментальными данными ухудшается.
Причина этого заключается в отличие давлений, рассчитанных теоретически и имеющих место в реальных условиях, в области отрываемого потока (
базовое давление,
в отечественной литературе этот параметр часто называют донным давлением. - Прим. ред. пер.).
Аэродинамическое
сопротивление прямоугольного параллелепипеда, обтекаемого продольным потоком (
Cw~0,9) является в основном
сопротивлением давления, в чистой форме этот вид сопротивления имеет место при обтекании плоской пластины, расположенной поперечно к потоку.
Но даже в этом простом случае - простом в смысле того, что место отрыва однозначно определено острыми кромками -
сопротивление давления в интересующем нас случае турбулентного потока в вихревом следе за пластиной не подается расчету.
Обратное действие области возмущенного потока, в которой существенно влияние трения, на идеальный, не обладающий вязкостью внешний поток гораздо сильнее, чем в случае пограничного слоя. Общепризнанной модели для вихревого следа за
телом, несмотря на интенсивные работы по ее созданию, до сих пор нет.
Итеративное рассмотрение идеального, не обладающего вязкостью, а затем реального, обладающего вязкостью, потока - как в случае пограничного слоя - невозможно.
Решение полных уравнений движения, так называемых уравнений Навье-Стокса, возможно только для ламинарного потока, когда закон изменения касательных напряжений известен; в случае турбулентного потока из-за отсутствия подходящего закона изменения касательных напряжений, не говоря уже о проблемах вычисления, такого решения нет.
Легковой автомобиль, несмотря на меньшее по сравнению с параллелепипедом аэродинамическое
сопротивление, по механике потока ближе к параллелепипеду и сильно удален от
тела вращения.
Как будет показано в двух последующих разделах, обтекание
автомобиля сопровождается отрывами, а его аэродинамическое
сопротивление является преимущественно
сопротивлением давления.
Так как аэродинамическое
сопротивление не поддается расчету, то были предприняты попытки каталогизировать его в зависимости от основных параметров формы. Можно сказать, что эти усилия до сегодняшнего дня безуспешны.
Число параметров, описывающих геометрию
легкового автомобиля, слишком велико, и отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с другом.
Таким образом, в данной работе физическая суть процесса обтекания рассматривается только с качественной стороны; кроме того, приведен ряд выводов, которые относятся к конкретным случаям, и обобщать их необходимо с большой осторожностью.
С учетом этих аспектов предлагается метод проведения работ, который является ничем иным, как стратегией опробирования.
