Аэродинамический коэффициент лобового сопротивления – Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля — Википедия

Содержание

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Коэффицие́нт аэродинами́ческого сопротивле́ния — безразмерная величина, равная отношение силы лобового сопротивления автомобиля F{\displaystyle F} к произведению скоростного напора Q{\displaystyle Q} на площадь миделевого сечения автомобиля S{\displaystyle S}. Обычно обозначается как Cx{\displaystyle C_{x}}:

Cx=FQ⋅S.{\displaystyle C_{x}={\frac {F}{Q\cdot S}}.}

Скоростной, или аэродинамический напор, имеет размерность давления (в СИ измеряется в паскалях) и определяется как:

Q=ρv22,{\displaystyle Q={\frac {\rho v^{2}}{2}},}
где v{\displaystyle v} — скорость, м/с;
ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха, кг/м3.

Лобовое аэродинамическое сопротивление:

F=Cxρv22S.{\displaystyle F=C_{x}{\frac {\rho v^{2}}{2}}S.}

Коэффициент аэродинамического сопротивления сферы в зависимости от числа Рейнольдса. Приведены графики для гладкой (smooth) и шероховатой (rough) сфер. Развитая турбулентность потока у гладкой сферы развивается при бо́льших скоростях потока.

Cx{\displaystyle C_{x}} зависит только от формы автомобиля и числа Рейнольдса, при равенстве всех критериев подобия, в данном случае существенно число Рейнольдса, одинаков для всех геометрически подобных тел, независимо от их конкретных размеров. Cx{\displaystyle C_{x}} в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re), от ~1000 до ~105 приблизительно постоянно. При малых Re Cx{\displaystyle C_{x}} увеличивается из-за перехода обтекающего потока в ламинарное течение, для автомобиля такое Re соответствует скорости нескольким десяткам сантиметрам в секунду. При Re>105 наступает полное развитие турбулентности как на лобовой, так и на тыльной сторонах обтекаемого тела и Cx{\displaystyle C_{x}} снижается.

Чем меньше Cx{\displaystyle C_{x}}, тем меньше лобовое сопротивление движению автомобиля и меньше расход топлива при прочих равных условиях. Cx{\displaystyle C_{x}} современных легковых серийно выпускаемых автомобилей лежит в пределах от 0,2 до 0,35. У грузовых автомобилей и внедорожников, из-за плохо обтекаемого воздухом массивного кузова — до 0,5 и более.

Некоторые производители указывают в спецификациях эффективную площадь сопротивления автомобиля Seff{\displaystyle S_{eff}}:

Seff=Cx⋅S.{\displaystyle S_{eff}=C_{x}\cdot S.}

Эта величина равна площади тонкой плоской пластины, ориентированной перпендикулярно набегающему потоку и испытывающей равную силу сопротивления с автомобилем, движущемся с той же скоростью, так как Cx{\displaystyle C_{x}} тонкой пластины близок к 1. Эффективная площадь зависит не только от формы, но и от размеров автомобиля, точнее, от площади его миделева сечения. Эффективная площадь современных серийных составляет от 0,5 м2 для легковых до 2 и более квадратных метров у внедорожников и грузовиков.

Коэффициент сопротивления определяется экспериментальным путём продувкой макетов автомобилей в аэродинамической трубе, либо расчётным путём с помощью компьютерного моделирования.

Мощность двигателя, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха[править | править код]

Мощность, затрачиваемая на перемещение тела с силой F{\displaystyle F} равна произведению этой силы на скорость v{\displaystyle v}:

Pa=F⋅v.{\displaystyle P_{a}=F\cdot v.}

Так ка сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости, то часть мощности двигателя, идущей на преодоление сопротивления воздуху пропорциональна кубу скорости, т. е увеличение скорости в два раза требует увеличения мощности на преодоление сопротивления в восемь раз:

Pa=Cxρv32S=ρv32Seff.{\displaystyle P_{a}=C_{x}{\frac {\rho v^{3}}{2}}S={\frac {\rho v^{3}}{2}}S_{eff}.}
Пример

У автомобиля в летний день (плотность воздуха ~1,2 кг/м3), с эффективной площадью 1 м2, движущегося со скоростью 10 м/с (36 км/час) двигатель затрачивает на преодоление сопротивления воздуха около 600 Вт, а при движении со скоростью 30 м/с (108 км/час) уже ~16 кВт (~22 л. с.).

Некоторые примеры коэффициентов аэродинамического сопротивления современных автомобилей:

Серийно выпускаемые автомобили[править | править код]

  • Cx=0,29{\displaystyle C_{x}=0,29} — Peugeot 308, 2007

  • Cx=0,28{\displaystyle C_{x}=0,28} — Porsche 997, 2004

  • Cx=0,27{\displaystyle C_{x}=0,27} — Infiniti G35, 2002 (Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} «aero package»)

  • Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)

  • Cx=0,25{\displaystyle C_{x}=0,25} — Audi A2 1.2 TDI, 2001

Несерийные и уникальные автомобили[править | править код]

  • Cx=0,2{\displaystyle C_{x}=0,2} — Loremo, 2007

  • Cx=0,18{\displaystyle C_{x}=0,18} — Acabion, 2006

ru.wikipedia.org

Лобовое сопротивление — Википедия

Четыре силы, действующие на самолёт

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивление складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Траектории трёх объектов (угол запуска — 70°, Distance — расстояние, Height — высота). Чёрный объект не испытывает никакого сопротивления и движется по параболе, на голубой объект действует закон Стокса, на зелёный объект — закон вязкости Ньютона

Сопротивление при нулевой подъёмной силе[править | править код]

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

X0=Cx0ρV22S{\displaystyle X_{0}=C_{x0}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}
Cx0{\displaystyle C_{x0}} — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

  • в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
  • для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
  • для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
  • для подводных объектов обтекаемой формы — площадь смачиваемой поверхности;
  • для продолговатых тел вращения, ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости (P=X0⋅V=Cx0ρV32S{\displaystyle P=X_{0}\cdot V=C_{x0}{\dfrac {\rho V^{3}}{2}}S}).

Индуктивное сопротивление в аэродинамике[править | править код]

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение, во-первых, сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления. На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы (так, в случае отрицательной работы подъёмной силы направление вектора индуктивного сопротивления противоположно вектору силы, обусловленной тангенсальным трением), но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху.
При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

  • выбором рациональной формы крыла в плане;
  • применением геометрической и аэродинамической крутки;
  • установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ{\displaystyle \lambda }, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Xi=CxiρV22S=Cy2πλρV22S=1πλY2ρV22S{\displaystyle X_{i}=C_{xi}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S={\frac {C_{y}^{2}}{\pi \lambda }}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S={\frac {1}{\pi \lambda }}{\frac {Y^{2}}{{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}}}

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X=X0+Xi{\displaystyle X=X_{0}+X_{i}}

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X0{\displaystyle X_{0}} пропорционально квадрату скорости, а индуктивное Xi{\displaystyle X_{i}} — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости X0{\displaystyle X_{0}} растёт, а Xi{\displaystyle X_{i}} — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X{\displaystyle X} от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X0{\displaystyle X_{0}} и Xi{\displaystyle X_{i}}, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит, наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит, и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

Сопротивление воздуха

  • Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

ru.wikipedia.org

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 ми коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

autoleek.ru

Аэродинамические коэффициенты

Д.1 Аэродинамические коэффициенты

Д.1.1 Отдельностоящие плоские сплошные конструкции

Отдельностоящие плоские сплошные конструкции на земле (стенызаборы и т.д.)

Для различных участков конструкций (рисунок Д.1) коэффициент сх определяется по таблице Д.1;

ze = h.

Рисунок Д.1

Таблица Д.1




Участки плоских сплошных конструкций на земле (см. рисунок Д.1)

А

В

С

D

2,1

1,8

1,4

1,2

Рекламные щиты

Для рекламных щитов, поднятых над землей на высоту не менее d/4 (рисунок Д.2): сх = 2,5kl, где kl — определено в Д.1.15.

Рисунок Д.2

Равнодействующую нагрузку, направленную по нормали к плоскости щита, следует прикладывать на высоте его геометрического центра с эксцентриситетом в горизонтальном направлении е = ± 0,25b.

ze = zg + d/2.

Д.1.2 Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями

Вертикальные стены прямоугольных в плане зданий

Таблица Д.2





Боковые стены

Наветренная стена

Подветренная стена

Участки

А

В

С

D

Е

-1,0

-0,8

-0,5

0,8

-0,5

Для наветренных, подветренных и различных участков боковых стен (рисунок Д.3) аэродинамические коэффициенты се приведены в таблице Д.2.

Для боковых стен с выступающими лоджиями аэродинамический коэффициент трения сf = 0,1.

Рисунок Д.3

Двускатные покрытия

Для различных участков покрытия (рисунок Д.4) коэффициент се определяется по таблицам Д.3, а и Д.3, б в зависимости от направления средней скорости ветра.

Для углов 15° £ b £ 30° при a = 0° необходимо рассмотреть два варианта распределения расчетной ветровой нагрузки.

Для протяженных гладких покрытий при a = 90° (рисунок Д.4, б) аэродинамические коэффициенты трения сf = 0,02.

Рисунок Д.4

Таблица Д.3а

  1. a









Уклон b

F

G

Н

I

J

15°

-0,9

-0,8

-0,3

-0,4

-1,0

0,2

0,2

0,2

30°

-0,5

-0,5

-0,2

-0,4

-0,5

0,7

0,7

0,4

45°

0,7

0,7

0,6

-0,2

-0,3

60°

0,7

0,7

0,7

-0,2

-0,3

75°

0,8

0,8

0,8

-0,2

-0,3

Таблица Д.3б

  1. a








Уклон b

F

С

Н

I

-1,8

-1,3

-0,7

-0,5

15°

-1,3

-1,3

-0,6

-0,5

30°

-1,1

-1,4

-0,8

-0,5

45°

-1,1

-1,4

-0,9

-0,5

60°

-1,1

-1,2

-0,8

-0,5

75°

-1,1

-1,2

-0,8

-0,5

Д.1.3 Прямоугольные в плане здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями

Рисунок Д.5

Примечание — При 0,2 £ f/d £ 0,3 и hl/l ³ 0,5 необходимо учитывать два значения коэффициента се1.

Распределение аэродинамических коэффициентов по поверхности покрытия приведено на рисунке Д.5.

Аэродинамические коэффициенты для стен принимаются в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты (11.1.5) и коэффициента v в соответствии с 11.1.1h = h1 + 0,7f.

Д.1.4 Круглые в плане здания с купольными покрытиями

Значения коэффициентов се в точках А и Са также в сечении ВВ приведены на рисунке Д.6. Для промежуточных сечений коэффициенты се определяются линейной интерполяцией.

При определении эквивалентной высоты (11.1.5) и коэффициента v в соответствии с 11.1.1h = h1 + 0,7f.

Рисунок Д.6

Д.1.5 Здания с продольными фонарями

Рисунок Д.7

Для участков А и В (рисунок Д.7) коэффициенты се следует определять в соответствии с таблицами Д.3а и Д.3б.

Для фонарей участка С при l £ 2 сх = 0,2; при 2 £ l £ 8 для каждого фонаря сх = 0,1l; при l > 8 сх = 0,8, здесь l = a/hf.

Для остальных участков покрытия се = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты се следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты zе (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1h = h1.

Д.1.6 Здания с зенитными фонарями

Рисунок Д.8

Для наветренного фонаря коэффициент се следует определять в соответствии с таблицами Д.3а и Д.3б.

Для остальных фонарей коэффициенты сх определяются так же, как и для участка С (раздел Д.1.5).

Для остальной части покрытия се = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты се следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты ze (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1h = h1.

Д.1.7 Здания с шедовыми покрытиями

Рисунок Д.9

Для участка А коэффициент се следует определять в соответствии с таблицами Д.3, а и Д.3б.

Для остальной части покрытия се = -0,5.

Для вертикальных поверхностей и стен зданий коэффициенты се следует определять в соответствии с таблицей Д.2.

При определении эквивалентной высоты ze (11.1.5) и коэффициента v (11.1.1h = h1.

Д.1.8 Здания с уступами

Рисунок Д.10

Для участка С коэффициент се = 0,8.

Для участка А коэффициент се следует принимать в соответствии с таблицей Д.2.

Для участка В коэффициент се следует определять линейной интерполяцией.

Для остальных вертикальных поверхностей коэффициент се необходимо определять в соответствии с таблицей Д.2.

Для покрытия зданий коэффициенты се определяются в соответствии с таблицами Д.3а и Д.3б.

Д.1.9 Здания, постоянно открытые с одной стороны

Рисунок Д.11

При проницаемости ограждения m £ 5 % сi1 = ci2 = ± 0,2. Для каждой стены здания знак «плюс» или «минус» следует выбирать из условия реализации наиболее неблагоприятного варианта нагружения.

При m ≥ 30 % сi1 = -0,5; ci2 = 0,8.

Коэффициент се на внешней поверхности следует принимать в соответствии с таблицей Д.2.

Примечание — Проницаемость ограждения m следует определять как отношение суммарной площади имеющихся в нем проемов к полной площади ограждения.

Д.1.10 Навесы

Аэродинамические коэффициенты се для четырех типов навесов (рисунок Д.12) без сплошностенчатых вертикальных ограждающих конструкций определяются по таблице Д.4.

Рисунок Д.12

Таблица Д.4
















Тип схемы

a, град

Значения коэффициентов

ce1

ce2

ce3

ce4

I

10

0,5

-1,3

-1,1

0

20

1,1

0

0

-0,4

30

2,1

0,9

0,6

0

II

10

0

-1,1

-1,5

0

20

1,5

0,5

0

0

30

2

0,8

0,4

0,4

III

10

1,4

0,4

20

1,8

0,5

30

2,2

0,6

IV

10

1,3

0,2

20

1,4

0,3

30

1,6

0,4

Примечания

1 Коэффициенты се1се2се3се4 соответствуют суммарному давлению на верхнюю и нижнюю поверхности навесов.

2 Для отрицательных значений се1се2се3се4 направление давления на схемах следует изменять на противоположное.

3 Для навесов с волнистыми покрытиями аэродинамический коэффициент трения cf = 0,04.

Д.1.11 Сфера

Рисунок Д.13

Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления сх сферы при zg > d/2 (рисунок Д.13) приведены на рисунке Д.14 в зависимости от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости d = D/d, где D, м, — шероховатость поверхности (см. Д.1.15). При zg < d/2 коэффициент сх следует увеличить в 1,6 раза.

Коэффициент подъемной силы сферы сz принимается равным:

при zg > d/2 — cz = 0;

при zg < d/2 — сz = 0,6.

Опечатка

Эквивалентная высота (11.1.5ze = zg + d/2.

При определении коэффициента v в соответствии с 11.1.11 следует принимать

b = h = 0,7d.

Число Рейнольдса Re определяется по формуле

где d, м, — диаметр сферы;

w0, Па, — определяется в соответствии с 11.1.4;

ze, м, — эквивалентная высота;

k(ze) — определяется в соответствии с 11.1.6;

  1. gf

Рисунок Д.14

Д.1.12 Сооружения и конструктивные элементы с круговой цилиндрической поверхностью

Аэродинамический коэффициент се1 внешнего давления определяется по формуле

ce1 = kl1cb,

где kl1 = 1 при сb > 0; для сb < 0 — kl1 = kl, определено в Д.1.15.

Распределение коэффициентов сb по поверхности цилиндра при d = D/d < 5×10-4 (см. Д.1.16) приведено на рисунке Д.16 для различных чисел Рейнольдса Re. Значение указанных на этом рисунке углов bmin и bb, а также соответствующее им значение коэффициентов сmin и сb приведены в таблице Д.5.

Значения аэродинамических коэффициентов давления се2 и сi (рисунок Д.14) приведены в таблице Д.6. Коэффициент сi следует учитывать для опущенного покрытия («плавающая кровля»), а также при отсутствии покрытия.

Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления определяются по формуле

cX = klcx¥,

где kl — определено в Д.1 в зависимости от относительного удлинения сооружения (см. Д.1.15). Значения коэффициентов cx¥ приведены на рисунке Д.17 в зависимости от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости D = d/d

stroit-prosto.ru

Топ-7 худших и лучших машин в мире аэродинамики

Одна из лучших форм с точки зрения аэродинамики — капля. У нее Сх будет равен лишь 0,04. То есть капля на 96% более обтекаема, чем цилиндр при равенстве диаметров. Это получается потому, что сзади у капли — длинный сужающийся хвост, а спереди — округлый «обтекатель». Они обеспечивают минимум завихрений. Создатели первых аэродинамичных автомобилей середины прошлого века экспериментировали именно с каплевидными формами кузова (вспомните, какой «хвост» у «Победы»).

У современных легковых автомобилей Сх чаще всего составляет около 0,3. Это означает, что автомобиль на 70% эффективнее с точки зрения аэродинамики, чем цилиндр.

Реальная сила, с которой воздух сопротивляется движению автомобиля, зависит, разумеется, от скорости. Причем с ростом скорости аэродинамическое сопротивление возрастает квадратично. Это влияет в первую очередь на расход топлива — и чем выше скорость, тем больше влияет. Само собой, и максимальная скорость тоже ограничена не только мощностью мотора, но и аэродинамическими особенностями автомобиля.

Создатели автомобилей, кроме обтекаемости машины в продольном направлении, также заботятся об обтекаемости сбоку и о подъемной силе, действующей на автомобиль.

Подъемная сила — это вторая по значимости проблема в аэродинамике автомобилей помимо лобового сопротивления воздуха. Дело в том, что абсолютно любой автомобиль по своим формам похож на профиль крыла самолета: снизу плоский, а сверху — выпуклый. Это означает, что воздух, протекающий над автомобилем, совершает более длинный путь, чем воздух снизу. И скорость потока снизу выше, чем сверху. Из-за этого над машиной появляется зона разреженного воздуха, а под ней, напротив, зона повышенного давления. Чем выше скорость, тем сильнее воздух снизу приподнимает автомобиль.

Разного рода аэродинамические элементы вроде антикрыльев, спойлеров, сплиттеров, диффузоров и накладок на днище призваны создать прижимную силу. В случае с гоночными болидами удается этого достичь в полной мере: чем выше скорость, тем сильнее прижимается машина к земле. Это увеличивает сцепление колес с дорогой и делает автомобиль более стабильным на высоких скоростях.

fishki.net

Лобовое сопротивление (аэродинамика) — это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)?

Четыре силы, действующие на самолёт

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Поток и форма препятствия Профильное сопротивление Сопротивление обшивки
0% 100%
~10% ~90%
~90% ~10%
100% 0%

Траектории трёх объектов (угол запуска — 70°, Distance — расстояние, Height — высота). Чёрный объект не испытывает никакого сопротивления и движется по параболе, на голубой объект действует Закон Стокса, на зеленый объект — закон вязкости Ньютона

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Cx0 — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

  • в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
  • для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
  • для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
  • для продолговатых тел вращения ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение во-первых сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы, но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху. При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

  • выбором рациональной формы крыла в плане;
  • применением геометрической и аэродинамической крутки;
  • установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X = X0 + Xi

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X0 пропорционально квадрату скорости, а индуктивное Xi — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости, X0 растёт, а Xi — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X0 и Xi, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля Википедия

Коэффицие́нт аэродинами́ческого сопротивле́ния — безразмерная величина, равная отношение силы лобового сопротивления автомобиля F{\displaystyle F} к произведению скоростного напора Q{\displaystyle Q} на площадь миделевого сечения автомобиля S{\displaystyle S}. Обычно обозначается как Cx{\displaystyle C_{x}}:

Cx=FQ⋅S.{\displaystyle C_{x}={\frac {F}{Q\cdot S}}.}

Скоростной, или аэродинамический напор, имеет размерность давления (в СИ измеряется в паскалях) и определяется как:

Q=ρv22,{\displaystyle Q={\frac {\rho v^{2}}{2}},}
где v{\displaystyle v} — скорость, м/с;
ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха, кг/м3.

Лобовое аэродинамическое сопротивление:

F=Cxρv22S.{\displaystyle F=C_{x}{\frac {\rho v^{2}}{2}}S.}

Коэффициент аэродинамического сопротивления сферы в зависимости от числа Рейнольдса. Приведены графики для гладкой (smooth) и шероховатой (rough) сфер. Развитая турбулентность потока у гладкой сферы развивается при бо́льших скоростях потока.

Cx{\displaystyle C_{x}} зависит только от формы автомобиля и числа Рейнольдса, при равенстве всех критериев подобия, в данном случае существенно число Рейнольдса, одинаков для всех геометрически подобных тел, независимо от их конкретных размеров. Cx{\displaystyle C_{x}} в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re), от ~1000 до ~105 приблизительно постоянно. При малых Re Cx{\displaystyle C_{x}} увеличивается из-за перехода обтекающего потока в ламинарное течение, для автомобиля такое Re соответствует скорости нескольким десяткам сантиметрам в секунду. При Re>105 наступает полное развитие турбулентности как на лобовой, так и на тыльной сторонах обтекаемого тела и Cx{\displaystyle C_{x}} снижается.

Чем меньше Cx{\displaystyle C_{x}}, тем меньше лобовое сопротивление движению автомобиля и меньше расход топлива при прочих равных условиях. Cx{\displaystyle C_{x}} современных легковых серийно выпускаемых автомобилей лежит в пределах от 0,2 до 0,35. У грузовых автомобилей и внедорожников, из-за плохо обтекаемого воздухом массивного кузова — до 0,5 и более.

Некоторые производители указывают в спецификациях эффективную площадь сопротивления автомобиля Seff{\displaystyle S_{eff}}:

Seff=Cx⋅S.{\displaystyle S_{eff}=C_{x}\cdot S.}

Эта величина равна площади тонкой плоской пластины, ориентированной перпендикулярно набегающему потоку и испытывающей равную силу сопротивления с автомобилем, движущемся с той же скоростью, так как Cx{\displaystyle C_{x}} тонкой пластины близок к 1. Эффективная площадь зависит не только от формы, но и от размеров автомобиля, точнее, от площади его миделева сечения. Эффективная площадь современных серийных составляет от 0,5 м2 для легковых до 2 и более квадратных метров у внедорожников и грузовиков.

Коэффициент сопротивления определяется экспериментальным путём продувкой макетов автомобилей в аэродинамической трубе, либо расчётным путём с помощью компьютерного моделирования.

Мощность двигателя, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха

Мощность, затрачиваемая на перемещение тела с силой F{\displaystyle F} равна произведению этой силы на скорость v{\displaystyle v}:

Pa=F⋅v.{\displaystyle P_{a}=F\cdot v.}

Так ка сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости, то часть мощности двигателя, идущей на преодоление сопротивления воздуху пропорциональна кубу скорости, т. е увеличение скорости в два раза требует увеличения мощности на преодоление сопротивления в восемь раз:

Pa=Cxρv32S=ρv32Seff.{\displaystyle P_{a}=C_{x}{\frac {\rho v^{3}}{2}}S={\frac {\rho v^{3}}{2}}S_{eff}.}
Пример

У автомобиля в летний день (плотность воздуха ~1,2 кг/м3), с эффективной площадью 1 м2, движущегося со скоростью 10 м/с (36 км/час) двигатель затрачивает на преодоление сопротивления воздуха около 600 Вт, а при движении со скоростью 30 м/с (108 км/час) уже ~16 кВт (~22 л. с.).

Примеры

Некоторые примеры коэффициентов аэродинамического сопротивления современных автомобилей:

Серийно выпускаемые автомобили

  • Cx=0,29{\displaystyle C_{x}=0,29} — Peugeot 308, 2007

  • Cx=0,28{\displaystyle C_{x}=0,28} — Porsche 997, 2004

  • Cx=0,27{\displaystyle C_{x}=0,27} — Infiniti G35, 2002 (Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} «aero package»)

  • Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)

  • Cx=0,25{\displaystyle C_{x}=0,25} — Audi A2 1.2 TDI, 2001

Несерийные и уникальные автомобили

  • Cx=0,2{\displaystyle C_{x}=0,2} — Loremo, 2007

  • Cx=0,18{\displaystyle C_{x}=0,18} — Acabion, 2006

См. также

Ссылки

wikiredia.ru

Вам может понравится

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о