Этой статьей я решил продолжить тему лобового сопротивления автомобиля, которая описана в предыдущей статье. Решая задачу снижения лобового сопротивления, конструкторы автомобилей уделяет внимание не только величине самой силы, но и ряду важных и непосредственно связанных с ней вопросов. Во-первых, это влияние шума ветра. Аэродинамический шум тесно связан с механизмами создания лобового сопротивления, которые часто имеют дискретные частоты и как правило, возникают там, где воздушный поток отделяется от поверхности автомобиля.
Разделение потока, чаще происходит вокруг острых углов, например, на задней поверхности боковых зеркал и вокруг А-образной стойки обычного легкового автомобиля. Из-за тесной взаимосвязи между лобовым сопротивлением и образованием шума неудивительно, что работы по снижению лобового сопротивления оказывают прямое и в целом положительное влияние на шум ветра.
Второй проблемой является динамическая устойчивость. Округлые формы, которых в избытке на современных автомобилях с низким лобовым сопротивлением, особенно чувствительны к боковым ветрам как с точки зрения создаваемых боковых сил, так и с точки зрения моментов рыскания. Проблемы устойчивости автомобиля также связаны с подъемной силой и изменениями этих сил, которые могут возникать при типичных атмосферных ветровых условиях.
Требования, предъявляемые к конструкции с низким лобовым сопротивлением, были давно поняты. Последние тенденции в дизайне автомобилей отражают постепенное и детальное совершенствование, которое стало возможным как в результате улучшения технического понимания, так и благодаря усовершенствованным методам производства, которые позволили изготавливать более сложные формы при приемлемых затратах.
Распределение давления в центральной магистрали, возникающее в результате потока воздуха в типичном автомобиле (седан), показано на рисунке «а». Основной источник сопротивления находится в самой передней части автомобиля, где регистрируется максимальное давление, и это вносит наибольший вклад в сопротивление кузова. Этот поток с высоким давлением и низкой скоростью быстро разгоняется вокруг переднего верхнего угла (в), а затем с такой же скоростью снова замедляется.
Замедляющийся воздух может не обладать достаточной инерцией, чтобы нести его вдоль поверхности кузова, преодолевая совокупное сопротивление градиента давления и сил вязкого трения, что приводит к отрыву от его поверхности и созданию зоны обратной циркуляции потока, что само по себе связано с потерей энергии и, следовательно, с лобовым сопротивлением. Снижение и скругление острых передних углов вместе с уменьшением или ликвидацией плоской, обращенной вперед поверхности в самой передней части автомобиля, устраняет оба этих источника лобового сопротивления. В нижней части ветрового стекла имеется вторая разделительная зона, и здесь практическое решение проблемы сложнее. Решающее влияние на этот источник лобового сопротивления оказывает наклон ветрового стекла.
Исследования наглядно продемонстрировали преимущества неглубоких экранов, но скошенные углы, необходимые для повышения аэродинамической эффективности, приводят не только к уменьшению пространства салона и высоты потолка водителя, но и к проблемам внутренних оптических отражений от экрана и плохому пропусканию света. Такие проблемы в значительной степени могут быть преодолены за счет использования сложных оптических покрытий, подобных тем, которые широко используются на объективах фотоаппаратов. К сожалению, автопроизводители на практике пока не используют такие средства. На рисунке "Уменьшение лобового сопротивления за счет изменения формы передней части кузова" показаны преимущества, которые могут быть достигнуты при изменении наклона капота и угла наклона стекла.
Существует дополнительная возможность разделения потоков на стыке стекла и крыши, которая также достигается за счет наклона стекла и увеличенного радиуса поворота, что позволяет уменьшить величину пика всасывания и градиенты давления. Воздушный поток над задними поверхностями автомобиля более сложен, и решения, необходимые для минимизации лобового сопротивления при создании практичных форм, менее понятны. В частности, двумерные соображения, которые использовались для описания характеристик воздушного потока над передней частью автомобиля, недостаточны для описания задних потоков. На рис. "Крупномасштабное разделение потоков" показаны две альтернативные структуры потока, которые могут возникать в задней части автомобиля. Первая рис. а, имеет форму "квадратной спинки" и характеризуется большим следом низкого давления. Здесь воздушный поток не может следовать за поверхностью кузова, огибая острые задние углы. Лобовое сопротивление, связанное с такими потоками, зависит от площади поперечного сечения хвостовой части, давления, действующего на поверхность кузова, и, в меньшей степени, от энергии, которая поглощается при создании вихрей. Как величина давления, так и энергия, и частота, связанные с созданием вихря, в значительной степени зависят от скорости транспортного средства, а также от высоты и ширины хвоста.
Совершенно иная структура потока возникает, если задняя поверхность имеет более плавный наклон, как в случае с хэтчбеком, фастбэком и большинством моделей нотчбека (рис. Создание вихрей в режиме "Хэтчбек/фастбэк", б). Распределение давления по осевой линии, показанное на рис. "а, Крупномасштабное разделение потоков в режиме "Squareback"", показывает, что давление воздуха на поверхности в задней части автомобиля значительно ниже, чем в окружающей среде. Кривизна кузова по бокам автомобиля значительно меньше, и регистрируемые здесь значения давления мало отличаются от условий окружающей среды. Низкое давление на верхней поверхности вытягивает воздух с относительно более высоким давлением по бокам автомобиля вверх и приводит к образованию интенсивных конических вихрей на С-образных стойках. Эти завихрения увеличивают вероятность того, что верхний поверхностный поток останется прикрепленным к поверхности даже при углах поворота более 30 градусов. Таким образом, воздух притягивается к задней части автомобиля, что приводит к возникновению реактивной силы, которая имеет компоненты как в направлении подъема, так и в направлении сопротивления.
Угол наклона задней части является абсолютно критичным для транспортных средств этого типа. На рисунке "Влияние угла подсветки на коэффициент лобового сопротивления" показано изменение коэффициента лобового сопротивления типичного транспортного средства при изменении угла наклона задней части. При увеличении угла наклона от нуля (типичная квадратная обратная сторона) до 15 градусов первоначально наблюдается небольшое снижение лобового сопротивления, поскольку эффективная площадь основания уменьшается. Дальнейшее увеличение угла меняет эту тенденцию на противоположную, поскольку усиливается влияние давления на верхней поверхности, вызывающее лобовое сопротивление, и образование хвостового вихря.
По мере приближения к 30° сопротивление увеличивается особенно быстро, поскольку эти эффекты становятся сильнее, пока примерно при 30° сопротивление резко не упадет до гораздо более низкого значения. Это резкое падение соответствует углу, при котором верхний поверхностный поток больше не может удерживаться вокруг все более острого верхнего заднего угла, и поток возвращается к структуре, более близкой к первоначальной прямоугольной форме. В свете достаточно хороших аэродинамических характеристик кузова squareback неудивительно, что во многих последних моделях небольших хэтчбеков используются квадратные профили, которые максимально увеличивают внутреннее пространство при минимальных аэродинамических потерях.
Неудивительно, что на более традиционную форму кузова notchback или седана влияют все те явления обтекаемости, которые были рассмотрены для рассмотренных выше форм. Когда поток автомобилей проходит через заднее стекло, условия аналогичны тем, которые возникают при движении хэтчбека и прицепа сзади; в С-образной стойке или вблизи нее могут образовываться конические завихрения. Наклон кузова может быть достаточным для того, чтобы поток отделился от заднего стекла, хотя во многих случаях за этим отделением следует повторное присоединение потока к крышке багажника. Исследования показали, что в этой ситуации критическим углом является не только экран, но и угол, образованный между задним углом крыши и носком багажника. Это говорит о том, что эффект разделения заключается в изменении профиля задней поверхности, придавая ей форму, приближенную к форме хэтчбека, и, следовательно, изменение лобового сопротивления при таком эффективном угле имитирует "люк" со сплошной поверхностью.
Из этого следует, что для достижения минимального лобового сопротивления, которое, как было установлено, соответствует углу подсветки в 15° (рис. "Влияние угла подсветки на коэффициент лобового сопротивления"), необходимо поднять крышку багажника, и это стало очень явной тенденцией в дизайне автомобилей со средними и большими салонами (рис. "Конструкция с высоким оперением и низким лобовым сопротивлением"). Это дает дополнительные преимущества с точки зрения объема багажного отделения, хотя видимость сзади, как правило, уменьшается.
Спойлеры на крышке багажника, расположенные сзади, дают аналогичный эффект, но не имеют связанных с этим практических преимуществ. Базовые модели, выпускаемые большинством автопроизводителей, как правило, спроектированы таким образом, чтобы обеспечить наилучшие общие аэродинамические характеристики в рамках ограничений, налагаемых другими конструктивными соображениями, а спойлеры, которые установлены на более дорогих моделях, редко обеспечивают дополнительные аэродинамические преимущества.
Также конструкторы обращают внимание на боковые стороны автомобиля. Одним из наиболее эффективных методов снижения лобового сопротивления является использование хвостового оперения, которое уменьшает эффективную площадь поперечного сечения задней части автомобиля и, следовательно, уменьшает объем, находящийся в кильватерном следе (рис. "Хвостовой занос кузова: уменьшение кильватерной струи"). В самой экстремальной конфигурации это приводит к тому, что хвостовая часть удлиняется до минимума, тем самым устраняя любое остаточное течение, хотя сопротивление поверхностному трению увеличивается, а давление на расширенных поверхностях также может способствовать общему сопротивлению. Практические соображения препятствуют внедрению таких конструкций, но давно известно, что усечение хвостовой части такой формы приводит к незначительной потере аэродинамической эффективности.