ریپورتر
14th November 2009, 05:36 PM
آیرودینامیک اتومبیل http://www.taktemp.ir/nuke-evolution/images/spacer.gif
اثرهای جریان هوا در اطراف اجسام متحرک تنها به هواپیما سازی خلاصه نمیشود، بلکه با سرعتهایی که اکنون دست یافته اند ، در اغلب شکلهای حرکت ، با مسئله ای به نام مقاومت هوا مواجه اند.
یکی از نمونه های آن رکورد سرعت روی خط آهن است.
بدون مطالعه ی دقیق روی پروفیل آیرودینامیکی موتورهایی که در مقابل باد کمترین مقاومت هوا را متحمل شود ، رسیدن به چنین سرعتهایی نا ممکن بود.
http://www.10pix.com/out.php/t112072_loko.JPG (http://www.10pix.com/show.php/112072_loko.JPG.html)
در اتومبیل نیز نتیجه بهتر از این نیست، با این نتیجه ی مستقیم که هر گونه توفیق در مقابل کاهش مقاومت در مقابل پیشروی وسیله ،به کاهش توان لازم و سرانجام کاهش سوخت بازتاب دارد.ولی از طرف دیگر،شکل آیرودینامیکی ایده آل همواره با کیفیت مطلوب از لحاظ جای سرنشینان و راحتی آنان متناسب نیست . همین امر ایجاب میکند که چیزی در بینابین انتخاب شود.
از نظر آیرودینامیکی ،تنها خودروهای مسابقه که به منظور راندن در خط مستقیم و روی پیست مطلقا هموار طراحی میشوند، میتوانند به وضع ایده آل ساخته شوند .
برآیند اثرهای هوا روی اتومبیل را نیز میتوان ،مانند بال هواپیما، به سه نیروی پورتانس کشند،نیروی سوق و رانش تقسیم کرد.
اولی عملا قابل چشمپوشی است ؛ با وجود این لازم است خاطر نشان شود که در اتومبیل های مسابقه که سرعتشان خیلی زیاد است ، در جستجوی پورتانس کم ولی ضعیفند تا موجب شود اتومبیل بیشتر به زمین بچسبد.
نیروی سوق در واقع وارد خط محاسبه نمیشود، مگر به مقدارهای خیلی مهم مولفه ی جانبی سرعت باد .بر عکس ، کشند با مجذور سرعت اتومبیل متناسب است ومساحت مترکوپل ، حتی در مورد اتومبیلهای سری معمولی، نقش عمده بازی میکند.
مطالعه روی شکل بالها و بدنه ی هواپیما به ما نشان داده است که با افزایش پروفیل (پروفیل لایه ای، بدنه های خیلی کشیده)میتوان از حضور کنش در اطراف جسم پیشگیری کرد.
در مورد اتومبیل نیز چنین است ، یعنی جسم دوکی شکل که نسبت طول بر قطر در آن حدود 3 خواهد بود.در این حالت، رشته های هوایی که از جسم فاصله گرفته بودند به دیواره ی جسم میچسبند و در عقب به هم ملحق میشوند؛در این صورت ، کشند عملا تنها کشند اصطکاک است وکشند شکل تقریبا صفر است. بنابراین، تمام هنر دانشمندان آیرودینامیک تطبیق این شکل نظری با نیازهای سرنشینان اتومبیل است.
مطالعه شکلهای مختلف اتومبیلها در طول دهه های اخیر به تکاملهای زیر انجامیده است :
_آیرودینامیکی کردن لوازم گوناگون مانند چراغها،چرخها ...
_قرار دادن سپر در خط کلی اتومبیل
_پروفیلاژ عقب اتومبیل
_از بین بردن یالهای زنده یا تیز.
ژاك لاشنیت(كاشیگر)
http://www.10pix.com/out.php/t112083_windtunnelmercedesbenzconceptcar.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112083_windtunnelmercedesbenzconceptcar.jpg.html)
http://www.10pix.com/out.php/t112084_clipimage004.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112084_clipimage004.jpg.html)
http://www.10pix.com/out.php/t112085_Aerodynamicdrag.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112085_Aerodynamicdrag.jpg.html)
تئوري حركت سيال
از مشخصات سيال و حركت آن مي‌توان فشار، تنش برشي، دانستيه، درجه حرارت، سرعت و شتاب را برشمرد بررسي نظري‌حركت سيال به معني محاسبه اين مشخصات با توجه به شرايط اوليه و مرزي هر مسئله است كه از حل معادلات اساسي جريان وروابط بين مشخصات ترموديناميكي و مكانيكي سيال بدست مي‌آيد. به خاطر صرفه جويي در هزينه‌ها و امكان پذيري آزمايش‌حتي المقدور سعي مي‌شود بر روي نمونه با اندازه كوچكتر آزمايش صورت داد كه در اين صورت بايد شرايط مكانيكي مشابه ايجادكرد كه شرط لازم و كافي براي وجود تشابه، تشابه هندسي بين مدل و اصل و برابري اعداد بي بعد جريان است. عدد بي‌بعد هم دراكثر موارد عدد رينولدز Re است كه در صورت نبودن اثر تراكم پذيري و ثقلي (كه در مورد خودرو چنين است) مي‌توان نيروها وكميات بي بعد مربوط به اثرهاي گفته شده بالا را تابعي از آن دانست.
نيروها و كشتاورهاي منتقل شده به بدنه يا در آزمايش مستقيم بدست مي‌آيد و يا از انتگرال‌گيري تنش برشي و فشارهاي محاسبه‌شده بر روي بدنه حاصل مي‌شود. ويژگي جريانهاي با عدد رينولدز زياد آن است كه تغيير سرعت شديد و در نتيجه تنش برشي، تنهادر ناحيه‌اي بسيار نزديك به بدنه پيش مي‌آيد و به جز در اين ناحيه و ناحيه‌هايي در پشت جسم كه جريان اين لايه پخش مي‌شود،مي‌توان جريان را بدون را بدون اصطكاك در نظر گرفت لايه نزديك به ديواره موسوم به لايه مرزي بوده كه در ابتدا جسم هميشه آرام‌و بسته به شرايط، در جايي روي جسم مي‌تواند توربولانت شود. اين لايه نازك نقش عمده‌اي بر نيروهاي ايروديناميكي داشته وبويژه هنگاميكه از روي جسم جدا مي‌شود (جدايي لايه مرزي) تأثير عمده‌اي بر كل ميدان جريان و آثار آن مي‌گذارد.
در بررسي نظري جريان، ابتدا وجود لايه مرزي ناديده گرفته مي‌شود و جريان را بطور غير چسبنده (بي اصطكاك) مطالعه مي‌كنند وسرعت فشار وارد بر بدنه را بدست مي‌آورند. سرعت و فشار بدست آمده را سرعت و فشاربر روي لايه مرزي روي جسم مي‌گيرند.اين سرعت و فشار نقش اساسي بر شكل‌گيري و ماندگاري لايه مرزي روي بدنه دارد.
از پديده‌هاي مهم جريان خارجي جدايي لايه مرزي است، و آن در قسمت هايي پيش مي‌آيد كه تغيير فشار بر روي بدنه مثبت و از حدي بيشتر باشد.
جريان روي استوانه، نمونه‌اي است كه مي‌توان اين پديده و آثار آن را نشان داد. در حالت (b) عدد رنيولدز 105 *Re=1.9 كه لايه مرزي آرام بوده و از روي بدنه‌جدا شده است و در حالت (C) عدد رينولدز 105*Re=6.7 لايه مرزي ابتدا توربولانت شده و سپس جدا شده است. ديده مي‌شودكه اولاً با جدا شدن لايه شكل جديد و واقعي جريان بدست مي‌آيد. ثانياً شكل جريان و محل جدايي بستگي به توربولانت شدن‌لايه مرزي و يا عدد Re دارد.
براي اين منظور بدنه خودرو به گونه‌اي طراحي مي‌شود كه محل جدايي لايه در محلي، براي مثال بالاي شيشه عقب ثابت بماند.شيب سقف تا محل شيشه عقب را بايد بنحوي ساخت كه ضمن بازيافت بيشتر فشار، جريان نيز بر روي بدنه بماند و از روي شيشه عقب جدا شود.
روشهاي اندازه‌گيري ممانها نيروهاي آيروديناميكي (روشهاي اندازه‌گيري و محاسبه نيروهاي وارد برخودرو)
مقدار دقيق ممانها و نيروهاي آيروديناميكي وارده بر بدنة خودرو معمولاً در تونل توسط بالانس آيروديناميكي بدست مي‌آيد. يك‌سيستم داراي محورهاي مستطيلي است كه بعنوان سيستم مختصات استفاده مي‌شودكه مركز آن در مركز نقاط برخورد (تماس)چرخهااست و بستگي به خودرو و سيستم مختصاتي بكار گرفته شده در ديناميك خودرو دارد (مانند خصوصيات فني ديناميك‌خودرو) به همين علت انتقال داده‌ها از يك تونل باد با همان نشانه‌ها و خواص براي مطالعه اثرات نيروها و ممانهاي آيروديناميكي‌روي خواص حركتي امكانپذير است. اما اين سيستم مختصاتي با سيستم مورد استفاده در علوم هوا- فضا متفاوت است زيرامحورهاي x و z داراي جهات متفاوتي هستند.
اما اينكه بالانس تونل باد چگونه است به بررسي آن مي‌پردازيم.
بالانس تونل باد
مهارت بالانس تونل باد عبارتست از اندازه‌گيري ممانها و نيروهاي آيروديناميكي عمل كننده روي خودرو و تجزيه آن به سه مؤلفه‌سيستم مختصاتي (بالانس شش مؤلفه‌اي). توسط جريان متقارن (زاويه برخورد 0=b )نيروها فقط در جهات x و z و ممان در جهت yبوجود مي‌آيند، مقياس سه مؤلفه‌اي براي تحليل ساده‌تر خواهد بود. براي اندازه‌گيري دقيق ممانها و نيروها، بالانس تونل باد بايدداراي خصوصيات زير باشد.
1- ساختار بالانس نبايد اجازة عبور جريان در اطراف خودرو را بدهد. اگر از يك وسيله كمكي استفاده شود (مانند اتصال خودروبه يك پايه) تأثيرآن روي نتايج بايد قبلاً تعيين شود تا بتوان مقادير را تصحيح كرد.
2- وضعيت خودرو در حين اندازه‌گيري نبايد تغييري داشته باشد.
3- از آنجا كه نيروهاي بالابر آيروديناميكي كه بايد محاسبه شوند تنها جزيي از وزن خودرو هستند براي دقت بيشتر بايد نيروهاي‌در جهت محورz توسط وزنه‌هاي مجازي جبران شوند.
4- اگر اندازه‌گيريها تحت زاويه برخورد صورت مي‌گيرند، بالانس بايستي حول محور z قابليت چرخشي داشته باشد.
5- انتقال نيرو بين جسم تحت آزمايش و تجهيزات تنظيم نيرو بايد بدون اصطكاك و هيسترزيس باشد. به اين علت استفاده ازاجزاء دقيق مانند تركيبات نوك تيز و شيار دار، لوله‌هاي الاستيك يا ياتاقانهاي نيوماتيكي و هيدروستاتيكي و...ضروري است.
در حال حاضر بالانسهاي اتوماتيك داراي بيشترين استفاده هستند. براي مدت زمان طولاني از بالانسهاي ميله‌اي (beam-scade)استفاده مي‌شد كه اجزاء آنها عبارتند از ميله‌هاي بالانس با قابليت تنظيم از طريق برق.
وقتي ميله به سمت پائين حركت مي‌كند، يك موتور بصورت اتوماتيك وزن موثر را در جهت خلاف آن تغيير مي‌دهد تاميله دوباره‌بالانس شود. روش دقيق‌تر و سريعتر اندازه‌گيري نيروها عبارتست از سلولهاي الكتريكي (electricload cell) داراي دقت بالا.
اين روش‌ها هم اكنون در بالانس تونلهاي بادي پيشرفته استفاده مي‌شوند زيرا داراي ظرفيت بالا و مصرف كم انرژي هستند.
اثرهای جریان هوا در اطراف اجسام متحرک تنها به هواپیما سازی خلاصه نمیشود، بلکه با سرعتهایی که اکنون دست یافته اند ، در اغلب شکلهای حرکت ، با مسئله ای به نام مقاومت هوا مواجه اند.
یکی از نمونه های آن رکورد سرعت روی خط آهن است.
بدون مطالعه ی دقیق روی پروفیل آیرودینامیکی موتورهایی که در مقابل باد کمترین مقاومت هوا را متحمل شود ، رسیدن به چنین سرعتهایی نا ممکن بود.
http://www.10pix.com/out.php/t112072_loko.JPG (http://www.10pix.com/show.php/112072_loko.JPG.html)
در اتومبیل نیز نتیجه بهتر از این نیست، با این نتیجه ی مستقیم که هر گونه توفیق در مقابل کاهش مقاومت در مقابل پیشروی وسیله ،به کاهش توان لازم و سرانجام کاهش سوخت بازتاب دارد.ولی از طرف دیگر،شکل آیرودینامیکی ایده آل همواره با کیفیت مطلوب از لحاظ جای سرنشینان و راحتی آنان متناسب نیست . همین امر ایجاب میکند که چیزی در بینابین انتخاب شود.
از نظر آیرودینامیکی ،تنها خودروهای مسابقه که به منظور راندن در خط مستقیم و روی پیست مطلقا هموار طراحی میشوند، میتوانند به وضع ایده آل ساخته شوند .
برآیند اثرهای هوا روی اتومبیل را نیز میتوان ،مانند بال هواپیما، به سه نیروی پورتانس کشند،نیروی سوق و رانش تقسیم کرد.
اولی عملا قابل چشمپوشی است ؛ با وجود این لازم است خاطر نشان شود که در اتومبیل های مسابقه که سرعتشان خیلی زیاد است ، در جستجوی پورتانس کم ولی ضعیفند تا موجب شود اتومبیل بیشتر به زمین بچسبد.
نیروی سوق در واقع وارد خط محاسبه نمیشود، مگر به مقدارهای خیلی مهم مولفه ی جانبی سرعت باد .بر عکس ، کشند با مجذور سرعت اتومبیل متناسب است ومساحت مترکوپل ، حتی در مورد اتومبیلهای سری معمولی، نقش عمده بازی میکند.
مطالعه روی شکل بالها و بدنه ی هواپیما به ما نشان داده است که با افزایش پروفیل (پروفیل لایه ای، بدنه های خیلی کشیده)میتوان از حضور کنش در اطراف جسم پیشگیری کرد.
در مورد اتومبیل نیز چنین است ، یعنی جسم دوکی شکل که نسبت طول بر قطر در آن حدود 3 خواهد بود.در این حالت، رشته های هوایی که از جسم فاصله گرفته بودند به دیواره ی جسم میچسبند و در عقب به هم ملحق میشوند؛در این صورت ، کشند عملا تنها کشند اصطکاک است وکشند شکل تقریبا صفر است. بنابراین، تمام هنر دانشمندان آیرودینامیک تطبیق این شکل نظری با نیازهای سرنشینان اتومبیل است.
مطالعه شکلهای مختلف اتومبیلها در طول دهه های اخیر به تکاملهای زیر انجامیده است :
_آیرودینامیکی کردن لوازم گوناگون مانند چراغها،چرخها ...
_قرار دادن سپر در خط کلی اتومبیل
_پروفیلاژ عقب اتومبیل
_از بین بردن یالهای زنده یا تیز.
ژاك لاشنیت(كاشیگر)
http://www.10pix.com/out.php/t112083_windtunnelmercedesbenzconceptcar.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112083_windtunnelmercedesbenzconceptcar.jpg.html)
http://www.10pix.com/out.php/t112084_clipimage004.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112084_clipimage004.jpg.html)
http://www.10pix.com/out.php/t112085_Aerodynamicdrag.jpg (http://www.10pix.com/show.php/112085_Aerodynamicdrag.jpg.html)
تئوري حركت سيال
از مشخصات سيال و حركت آن مي‌توان فشار، تنش برشي، دانستيه، درجه حرارت، سرعت و شتاب را برشمرد بررسي نظري‌حركت سيال به معني محاسبه اين مشخصات با توجه به شرايط اوليه و مرزي هر مسئله است كه از حل معادلات اساسي جريان وروابط بين مشخصات ترموديناميكي و مكانيكي سيال بدست مي‌آيد. به خاطر صرفه جويي در هزينه‌ها و امكان پذيري آزمايش‌حتي المقدور سعي مي‌شود بر روي نمونه با اندازه كوچكتر آزمايش صورت داد كه در اين صورت بايد شرايط مكانيكي مشابه ايجادكرد كه شرط لازم و كافي براي وجود تشابه، تشابه هندسي بين مدل و اصل و برابري اعداد بي بعد جريان است. عدد بي‌بعد هم دراكثر موارد عدد رينولدز Re است كه در صورت نبودن اثر تراكم پذيري و ثقلي (كه در مورد خودرو چنين است) مي‌توان نيروها وكميات بي بعد مربوط به اثرهاي گفته شده بالا را تابعي از آن دانست.
نيروها و كشتاورهاي منتقل شده به بدنه يا در آزمايش مستقيم بدست مي‌آيد و يا از انتگرال‌گيري تنش برشي و فشارهاي محاسبه‌شده بر روي بدنه حاصل مي‌شود. ويژگي جريانهاي با عدد رينولدز زياد آن است كه تغيير سرعت شديد و در نتيجه تنش برشي، تنهادر ناحيه‌اي بسيار نزديك به بدنه پيش مي‌آيد و به جز در اين ناحيه و ناحيه‌هايي در پشت جسم كه جريان اين لايه پخش مي‌شود،مي‌توان جريان را بدون را بدون اصطكاك در نظر گرفت لايه نزديك به ديواره موسوم به لايه مرزي بوده كه در ابتدا جسم هميشه آرام‌و بسته به شرايط، در جايي روي جسم مي‌تواند توربولانت شود. اين لايه نازك نقش عمده‌اي بر نيروهاي ايروديناميكي داشته وبويژه هنگاميكه از روي جسم جدا مي‌شود (جدايي لايه مرزي) تأثير عمده‌اي بر كل ميدان جريان و آثار آن مي‌گذارد.
در بررسي نظري جريان، ابتدا وجود لايه مرزي ناديده گرفته مي‌شود و جريان را بطور غير چسبنده (بي اصطكاك) مطالعه مي‌كنند وسرعت فشار وارد بر بدنه را بدست مي‌آورند. سرعت و فشار بدست آمده را سرعت و فشاربر روي لايه مرزي روي جسم مي‌گيرند.اين سرعت و فشار نقش اساسي بر شكل‌گيري و ماندگاري لايه مرزي روي بدنه دارد.
از پديده‌هاي مهم جريان خارجي جدايي لايه مرزي است، و آن در قسمت هايي پيش مي‌آيد كه تغيير فشار بر روي بدنه مثبت و از حدي بيشتر باشد.
جريان روي استوانه، نمونه‌اي است كه مي‌توان اين پديده و آثار آن را نشان داد. در حالت (b) عدد رنيولدز 105 *Re=1.9 كه لايه مرزي آرام بوده و از روي بدنه‌جدا شده است و در حالت (C) عدد رينولدز 105*Re=6.7 لايه مرزي ابتدا توربولانت شده و سپس جدا شده است. ديده مي‌شودكه اولاً با جدا شدن لايه شكل جديد و واقعي جريان بدست مي‌آيد. ثانياً شكل جريان و محل جدايي بستگي به توربولانت شدن‌لايه مرزي و يا عدد Re دارد.
براي اين منظور بدنه خودرو به گونه‌اي طراحي مي‌شود كه محل جدايي لايه در محلي، براي مثال بالاي شيشه عقب ثابت بماند.شيب سقف تا محل شيشه عقب را بايد بنحوي ساخت كه ضمن بازيافت بيشتر فشار، جريان نيز بر روي بدنه بماند و از روي شيشه عقب جدا شود.
روشهاي اندازه‌گيري ممانها نيروهاي آيروديناميكي (روشهاي اندازه‌گيري و محاسبه نيروهاي وارد برخودرو)
مقدار دقيق ممانها و نيروهاي آيروديناميكي وارده بر بدنة خودرو معمولاً در تونل توسط بالانس آيروديناميكي بدست مي‌آيد. يك‌سيستم داراي محورهاي مستطيلي است كه بعنوان سيستم مختصات استفاده مي‌شودكه مركز آن در مركز نقاط برخورد (تماس)چرخهااست و بستگي به خودرو و سيستم مختصاتي بكار گرفته شده در ديناميك خودرو دارد (مانند خصوصيات فني ديناميك‌خودرو) به همين علت انتقال داده‌ها از يك تونل باد با همان نشانه‌ها و خواص براي مطالعه اثرات نيروها و ممانهاي آيروديناميكي‌روي خواص حركتي امكانپذير است. اما اين سيستم مختصاتي با سيستم مورد استفاده در علوم هوا- فضا متفاوت است زيرامحورهاي x و z داراي جهات متفاوتي هستند.
اما اينكه بالانس تونل باد چگونه است به بررسي آن مي‌پردازيم.
بالانس تونل باد
مهارت بالانس تونل باد عبارتست از اندازه‌گيري ممانها و نيروهاي آيروديناميكي عمل كننده روي خودرو و تجزيه آن به سه مؤلفه‌سيستم مختصاتي (بالانس شش مؤلفه‌اي). توسط جريان متقارن (زاويه برخورد 0=b )نيروها فقط در جهات x و z و ممان در جهت yبوجود مي‌آيند، مقياس سه مؤلفه‌اي براي تحليل ساده‌تر خواهد بود. براي اندازه‌گيري دقيق ممانها و نيروها، بالانس تونل باد بايدداراي خصوصيات زير باشد.
1- ساختار بالانس نبايد اجازة عبور جريان در اطراف خودرو را بدهد. اگر از يك وسيله كمكي استفاده شود (مانند اتصال خودروبه يك پايه) تأثيرآن روي نتايج بايد قبلاً تعيين شود تا بتوان مقادير را تصحيح كرد.
2- وضعيت خودرو در حين اندازه‌گيري نبايد تغييري داشته باشد.
3- از آنجا كه نيروهاي بالابر آيروديناميكي كه بايد محاسبه شوند تنها جزيي از وزن خودرو هستند براي دقت بيشتر بايد نيروهاي‌در جهت محورz توسط وزنه‌هاي مجازي جبران شوند.
4- اگر اندازه‌گيريها تحت زاويه برخورد صورت مي‌گيرند، بالانس بايستي حول محور z قابليت چرخشي داشته باشد.
5- انتقال نيرو بين جسم تحت آزمايش و تجهيزات تنظيم نيرو بايد بدون اصطكاك و هيسترزيس باشد. به اين علت استفاده ازاجزاء دقيق مانند تركيبات نوك تيز و شيار دار، لوله‌هاي الاستيك يا ياتاقانهاي نيوماتيكي و هيدروستاتيكي و...ضروري است.
در حال حاضر بالانسهاي اتوماتيك داراي بيشترين استفاده هستند. براي مدت زمان طولاني از بالانسهاي ميله‌اي (beam-scade)استفاده مي‌شد كه اجزاء آنها عبارتند از ميله‌هاي بالانس با قابليت تنظيم از طريق برق.
وقتي ميله به سمت پائين حركت مي‌كند، يك موتور بصورت اتوماتيك وزن موثر را در جهت خلاف آن تغيير مي‌دهد تاميله دوباره‌بالانس شود. روش دقيق‌تر و سريعتر اندازه‌گيري نيروها عبارتست از سلولهاي الكتريكي (electricload cell) داراي دقت بالا.
اين روش‌ها هم اكنون در بالانس تونلهاي بادي پيشرفته استفاده مي‌شوند زيرا داراي ظرفيت بالا و مصرف كم انرژي هستند.