Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1

В этой точке, находящейся в центре затупленной оконечности зонда

(сечение 0-0) скорость потока обращается в нуль (частички воздуха ударяются

в затупленный конец зонда, и тормозятся до полной остановки). В последующих

точках по поверхности скорость будет расти (частички воздуха начинают

огибать препятствие) и затем вновь падать, достигнув на некотором удалении

от носика скорости общего потока, т.е. скорости, которая была бы в этом

месте при отсутствии трубки. Эта трубка как бы не возмущает первоначальный

поток

Уравнение Бернулли для сечений 1-1, 0-0 и 2-2 будет иметь вид

[pic].

Поскольку V1 = V2, а V1 = 0, то V1 скорость должна быть равна

[pic]. (1.13)

Разность (P0 – P1) между полным и статическим давлением потока можно

измерить манометром, если в критической точке (0-0) на затупленном носике

трубки проделать отверстие и тонкой трубкой соединить его с одним коленом

манометра, а в статическом сечении (2-2) прорезать щель, и общую с ней

полость самой трубки соединить гибкой трубкой со вторым коленом манометра

(см. Рис. 1.6).

[pic]

Рис. 1.6 Схема подключения трубки Пито-Прандля к манометру.

Давление полного напора P0 можно измерить и отдельной трубкой (см.

Рис. 1.3,а) расположив ее плотно в сечении измерения полного напора со

стенкой канала.

Трубка показанная на рис 1.3,в измеряет давление P< P0 за счет срывов

потока у ее хвостовой части и образования там вихрей, поэтому вычисленная

величина V по разности давлений (P – P1) этой трубки не будет равна V1

(скорости потока), Однако если ввести коэффициент ? , определяемый

тарировкой, для этой трубки из условия

[pic] (1.14)

то, зная ?, можно и этой трубкой определить V1 пo (1.13), заменяя (P0

– P1) пo (1.14). Так же можно ввести коэффициент ? и для зонда другого

вида. Этот коэффициент должен оставаться постоянным в определенном,

достаточно большом, интервале скоростей потока - только тогда зонд пригоден

для измерений в этом интервале.

1.4. Обтекание тел воздушным потоком.

При обтекании твердого тела воздушный поток подвергается деформации,

что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в

струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела

создается область переменных скоростей и давлений воздуха. Наличие

различных по величине давлений у поверхности твердого тела приводит к

возникновению аэродинамических сил и моментов. Распределение этих сил

зависит от характера обтекания тела, его положения в потоке, конфигурации

тела.

Для изучения физической картины обтекания твердых тел применяются

различные способы визуализации картины обтекания тела. Видимую картину

обтекания тел воздушным потоком принято называть аэродинамическим спектром.

Для получения аэродинамических спектров применяют такие приборы, как

дымканалы (см. Рис. 1.7, 1.8 а), используют шелковинки (Рис. 1.8 б),

оптические методы исследования (для сверхзвуковых потоков) и др.

[pic]

Рис. 1.7 Дымканал.

1 - источник дыма; 2 - струйки дыма; 3 - обтекаемое тело; 4 - вентилятор

В дымканале аэродинамический спектр создается струйками дыма,

выпускаемыми из специального «дымаря» в поток воздуха, обтекающий тело.

Сущность способа с использованием шелковинок состоит в том, что в

интересующих местах на поверхность обтекаемого тела наклеиваются

специальные шелковинки, которые при обдуве тела располагаются вдоль

обтекающих тело струек. По положению шелковинок судят о характере движения

потока вблизи поверхности тела.

|[pic] |[pic] |

|а |б |

Рис. 1.8. Визуализация воздушных потоков.

а - посредством дыма, б - с нитками на транспортном средстве

Рассмотрим аэродинамические спектры некоторых тел.

Плоская пластинка (Рис. 1.9), помещенная в поток под углом 90°,

создает довольно резкое изменение направления движения потока, обтекающего

ее: торможение потока перед ней, поджатие струек у ее краев и образование

непосредственно за краем пластинки разрежения и больших вихрей, которые

заполняют всю область за пластинкой. Перед пластинкой, где в результате

торможения частичек воздуха и падения их скорости до нуля (кинетической

энергии воздушного потока полностью переходит в потенциальную), давление

(по уравнению Бернулли) будет больше чем в невозмущенном потоке, а за

пластинкой вследствие разрежения давление уменьшится.

[pic]

Рис. 1.9 Аэродинамический спектр плоской пластинки и шара.

Может быть, шар - идеально обтекаемая поверхность? Нет! Действительно,

сначала воздух легко обтекает закругленную поверхность шара. Но когда

воздушный поток минует точку, где шар имеет максимальный радиус, ему

придется следовать за стремительно сходящейся поверхностью. Для воздуха эта

задача более трудная, и вскоре воздушный поток будет уже не в состоянии

следовать за поверхностью и оторвется от нее, вызывая турбулентные

завихрения. Турбулентные завихрения беспорядочно движутся с обратной

стороны шара. Давление турбулентного воздуха ниже, чем окружающего

спокойного, и поэтому возникает сила всасывания, действующая в обратном

относительно движения шара направлении и тормозящая его.

Симметричное каплеобразное тело (Рис. 1.10), имеет более плавный

характер обтекания, как в передней, так и в хвостовой частях.

[pic]

Рис. 1.10 Аэродинамический спектр каплеобразного тела.

Воздух с легкостью огибает его переднюю закругленную часть, но там,

где у шара воздух уже не может следовать за изгибом поверхности и

отрывается от нее, у каплеобразного объекта поверхность поката, и воздух

легко ее огибает, вызывая очень маленькое торможение.

В сечении А - Б (наибольшая величина поперечного сечения)

аэродинамический спектр показывает наибольшую деформацию струек, наибольшее

их поджатие. В хвостовой части образуются небольшие завихрения потока,

которые уносятся потоком, постепенно затухая (Рис. 1.10).

Каплеобразную в сечении форму имеют, например, детали подвески

болидов. Если бы они были круглыми в сечении, они бы гораздо сильнее

тормозили движущийся на большой скорости болид.

Несимметричное каплеобразное тело по характеру обтекания близко к

симметричному, но отличается величиной деформации струек в верхней и нижней

частях тела (см. Рис. 1.11).

[pic]

Рис. 1.11 Аэродинамический спектр несимметричного каплеобразного тела

(профиля крыла).

Здесь имеет место так называемое несимметричное обтекание. Наибольшая

деформация струек наблюдается там, где тело имеет наибольшую величину

искривления поверхности (точка К). В районе этой точки струйки поджимаются,

поперечное сечение их уменьшается. На нижней, менее искривленной

поверхности деформация потока будет меньше.

На верхней поверхности тела, в месте наибольшего поджатия струек,

согласно закону неразрывности (закону постоянства секундных объемов) будет

наблюдаться местное увеличение скорости потока и, следовательно, уменьшение

давления. На нижней поверхности деформация потока будет меньше и,

следовательно, меньше изменение скорости и давления.

При обтекании воздушным потоком симметричных (и несимметричных)

каплеобразных тел, помещенных под некоторым углом ( (углом атаки) к вектору

скорости невозмущенного потока (Рис. 1.12), также будем иметь картину

несимметричного обтекания и получим аэродинамический спектр, аналогичный

тому, что получается при обтекании несимметричного каплеобразного тела (см.

Рис. ).

[pic]

Рис. 1.12 Аэродинамический спектр каплеобразного тела (профиля крыла),

помещенного в поток под углом (

В результате крыло создает подъемную силу не только потому, что

направляет поток вниз, как думают многие (хотя, конечно, подъемная сила и

зависит от угла атаки). Все дело в профиле крыла. Форма его сечения такова,

что поток воздуха над плоскостью проходит больший путь, чем поток под

плоскостью. Поэтому скорость протекания воздуха над крылом и под ним

неодинакова — над плоскостью поток течет быстрее, что, согласно закону

Бернулли, и создает над крылом зону разрежения и, в конечном итоге,

подъемную силу (см. Рис. 1.13).

[pic]

Рис. 1.13 Подъемная сила крыла.

Величины давлений на поверхность для различных тел определяют в

лабораториях путем продувки в аэродинамических трубах. Полученные значения

давлений для каждой точки наносят на специальные графики (Рис 1.14)

Кроме сил давления, на поверхность крыла по касательной к ней

действуют силы трения, которые обусловлены вязкостью воздуха и целиком

определяются процессами, происходящими в пограничном слое.

[pic]

Рис 1.14 Распределение давлений по профилю крыла.

Обратная ситуация с антикрыльями (см. Рис 1.15). Антикрылья

функционируют абсолютно по тому же принципу, но обеспечивают эффект

"прилипания" болида к трассе, происходит это также за счет их формы. То

есть, зная об обычном крыле, мы легко можем представить себе, что есть

антикрыло. Достаточно просто повернуть обычное крыло передней частью вниз.

|[pic] |[pic] |

|а |б |

Рис. 1.15 Аэродинамический спектр крыла (а) и антикрыла (б).

Антикрыло сконструировано таким образом, что у нижней поверхности

расстояние между передней и задней частью крыла больше, чем у верхней.

Поэтому воздух, огибающий нижнюю часть крыла, должен течь быстрее того, что

огибает крыло сверху для того, чтобы достичь той же точки в одно и то же

время. По уравнению Бернулли, если скорость движения воздуха возрастает,

давление его уменьшается и наоборот, поэтому более быстро движущийся

воздух, проходящий внизу крыла, будет оказывать меньшее давление, чем тот,

что проходит сверху. То есть в результате создается разница давлений и

сверху давление сильнее, что позволяет прижимать болид к поверхности трека

- вот вам и прижимная сила!

Прижимная сила и сила сопротивления - это как раз те две силы, которым

посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида F1.

Конструкции антикрыльев и самого болида должны быть совершенно оптимальны,

то есть обеспечение прижимной силы должно быть реализовано так, чтобы это

не вызывало силы сопротивления, мешающей скоростному движению, да и сам

болид обязан быть наиболее приспособлен к преодолению этой самой силы.

2. Аэродинамика болида Формулы 1.

Принимая во внимание то, что F1 присуще большие скорости, одной из

основных дизайнерских областей является аэродинамика. Аэродинамическое

строение болида может влиять на такие вещи как скорость и прижимная сила, а

также, аэродинамика влияет и на износ шин, количество требуемого топлива и

т.п.

Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика F1 постоянно

претерпевает изменения, это самая важная характеристика болида (см. Рис.

2.1).

[pic]

Рис. 2.1 Аэродинамика болида F1.

Цель специалиста по аэродинамике - максимально увеличить прижимную

силу, при этом сведя к минимуму аэродинамическое торможение.

2.1 Передние и задние антикрылья.

С годами сильно увеличились скоростные характеристики болидов F1,

увеличилась их способность быстрого прохождения поворотов, и весьма

очевидно, что это заслуга так называемых антикрыльев. В начале 60-х годов

Формула-1 еще не использовала этих приспособлений, однако уже в 1968 году

команды F1 начали экспериментировать с "неуклюжими" и "необработанными"

аэродинамическими конструкциями, чтобы получить эффект "прилипания" шасси к

трассе. Первые виды таких конструкций были очень простыми и ненадежными,

поэтому достаточно часто ломались в процессе гонки.

На Рис. 2.2, показаны два вида заднего антикрыла, старого поколения

(слева 1968 год) и нынешних технологий (справа 2000 год).

[pic]

Рис. 2.2 Конструкция заднего антикрыла старого и нового поколения.

Принцип осуществления функций антикрыльев в F1 легко сопоставим с

технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов

способствуют взлету и планированию по воздуху, в F1 антикрылья выполняют

прямо противоположную функцию - создание прижимной силы.

Передние и задние антикрылья - это часть спроектированного на

компьютерах и тщательно отлаженного в аэродинамической трубе

аэродинамического пакета. Они используются для создания прижимной силы при

прохождении через них воздуха. Чем быстрее едет болид, тем большую

прижимную силу создают антикрылья, чем больше прижимная сила - тем лучше

сцепление с дорогой.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.3) – первая часть болида, которая встречает

воздушный поток. Дальше воздух распределяется по всей плоскости болида.

|[pic] |[pic] |[pic] |

Рис. 2.3 Переднее антикрыло.

Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной

силы, но эта цифра может быть снижена до 10% в то время, когда болид

находится за другим болидом. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей

машины в переднюю, известный как слипстрим (см. разд. 2.5). И когда болиды

оказываются на повороте, сзади идущий не может повернуть из-за потери

прижимной силы, таким образом, пилоту приходится сбрасывать скорость, что

бы безопасно пройти поворот.

[pic]

Рис. 2.4 Элементы переднего антикрыла.

Переднее антикрыло (см. Рис. 2.4), ширина которого соответствует

ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю (4) при помощи

пилонов. На этой аэродинамической поверхности (1) крепятся две "створки"

(или элероны) (2), каждая из которых является регулируемой частью

антикрыла. Как правило, эти закрылки делаются из цельного куска карбона. На

окончаниях антикрыла (слева и справа) крепятся специальные боковые пластины

(или боковины) (3), для обеспечения прохождения потока воздуха сверху и

снизу относительно поверхности антикрыла, не огибая его. И эти пластины (3)

сыграли огромную роль в аэродинамике F1.

Конструкция элерона такова, что он является ассимитричным самому

себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии (если смотреть

на болид спереди): чем ближе к носовому обтекателю элерон, тем меньше его

"высота" (т.е. ближе к носу элерон сужается) см. Рис 2.5.

[pic]

Рис. 2.5 Конструкция элерона.

Такая особенность элерона позволяет проникать в радиатор большему

количеству воздуха, а также пропускать воздушный поток по "днищу" болида,

который затем попадает в диффузор, обеспечивая прижимную силу. В случае

если элероны не имеют такого сужения, охлаждение радиатором значительно

уменьшается и температура мотора сильно возрастает. Также важно, что чем

ниже будет расположено переднее антикрыло, тем лучше это влияет на

проникновение воздушного потока в радиатор и диффузор, однако, всем

известно, что имеется критическое положение, при котором антикрыло уже

начнет задевать трассу.

Правилами FIA (Federation Internationale de l’Automobile -

Международная федерация автоспорта - является единственной международной

организацией, уполномоченной принимать правила проведения автомобильных

соревнований) установлено, что минимальное расстояние между трассой и

передним антикрылом должно быть 40мм.

В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики F1, что

принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того, что колеса

стали располагаться ближе к монококу, при виде спереди, переднее антикрыло

визуально "ложилось внахлест" колес. Это приводило к турбулентности в зоне

передних колес, резко понижая общую положительную характеристику

аэродинамики болида. Для решения этой новой проблемы (а именно, появления

нежелательного сопротивления (drag)) команды переделали боковые крылья на

антикрыле путем образования новых ребер (боковин), таким образом они

направили поток воздуха непосредственно на монокок, огибая колесо (см. Рис.

2.6 Pic 1). Позже, в следующем сезоне, многие команды воплотили новую идею,

поместив дополнительные ребра на внешнюю сторону боковых крыльев, в данном

случае воздух огибал колеса по внешней стороне (см. Рис. 2.6 Pic 2).

[pic]

Рис. 2.6 Конструкция боковин.

Чтобы понять, что имеется ввиду, на Рис. 1.7 показаны боковые крылья

(боковины) разных команд, как раз отвечающих за решение этой проблемы. Как

видно, решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют

достаточно заметные аэродинамические отличия.

[pic]

Рис. 2.7 Боковые крылья (боковины) разных команд.

Заднее антикрыло (см. Рис. 2.8) состоит из нескольких элементов. Угол

наклона этих элементов создает прижимную силу различной величины.

|[pic] |[pic] |[pic] |

Рис. 2.8 Элементы заднего антикрыла.

Прямой поток воздуха попадает в заднее антикрыло, состоящее из

множества закрылок, вызывая определенные реакции со стороны антикрыла. Это

упрощенное объяснение, т.к. на самом деле, к тому моменту, когда поток

воздуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам

болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха.

Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло

болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это

приспособление может создавать более 1000 Ньютонов прижимной силы и весит

около 7 кг.

Заднее антикрыло сделано из двух наборов определенных аэродинамических

поверхностей, соединенных между собой и держащихся на торцевидных пластинах

(3) заднего антикрыла . Верхний набор таких пластин (закрылок) (1)

обеспечивает наибольшую прижимную силу и является как правило наиболее

видоизменяющимся от трассы к трассе. В большинстве случаев этот верхний

набор состоит из 3-х элементов. Нижний же набор (2) обычно состоит из двух

элементов.

Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в

болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы.

Рассмотрим разные конфигурации задних антикрыльев на двух примерах.

Монца в Италии. Скоростная трасса с длинными прямыми участками и

несколькими поворотами. Здесь, на протяжении 70% всей длины трассы, пилоты

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6