Vėjo tuneliai su judančiu keliu: kodėl automobilių aerodinamikos duomenims reikalingas judantis pagrindas

Kelyje automobilis juda, o žemė stovi vietoje. Vėjo tunelyje juda oras, o tiek automobilis, tiek žemė stovi vietoje – ir būtent ši viena inversija lemia didžiąją dalį skirtumų tarp tunelio rodiklių ir realybės.

Vėjo tunelis su judančiu keliu (angl. rolling road wind tunnel) sukurtas tam, kad šį skirtumą pašalintų. Visi kiti automobilių aerodinamikos aspektai – srautas po dugnu, ratų aerodinaminis pėdsakas, aušinimo pasipriešinimas, galinės dalies slėgio atsistatymas – priklauso nuo to, ar teisingai imituojamas kelio paviršius.

---

1. Kaip stacionarios grindys iškreipia jūsų duomenis

Esant fiksuotoms grindims, išilgai tunelio grindų susidaro ir automobilį pasiekia ribinis sluoksnis. Vietoj švaraus, visu greičiu judančio oro po transporto priemone, dugną veikia sulėtėjęs, sutirštėjęs srautas. Tai iškart sukelia tris pasekmes:

• Neteisingas srautas po dugnu. Jautrumas važiavimo aukščiui, difuzoriaus našumas ir grindų kraštų sūkuriai priklauso nuo greičio profilio, kurio čia nebėra.
• Neteisinga ratų aerodinamika. Stacionarūs ratai sukuria kitokį aerodinaminį pėdsaką nei besisukantys. Ratų ir ratų arkų aerodinamika gali sudaryti didelę bendro pasipriešinimo dalį, ir nė vienas iš šių aspektų nėra atvaizduojamas teisingai.
• Neteisingas aerodinaminis pėdsakas. Klaidos, atsirandančios dėl dugno ir ratų, persiduoda pasroviui ir pakeičia bazinį slėgį – veiksnį, kuris labiausiai lemia daugumos kelių automobilių aerodinaminį pasipriešinimą.

Rezultatas – pakartojamas neteisingos konfigūracijos matavimas. Pakartojamumas be tikslumo yra būtent ta priežastis, dėl kurios programos galiausiai optimizuoja automobilį, egzistuojantį tik vėjo tunelyje.

---

2. Kelio simuliacijos lygiai

Kelio simuliacija nėra viena funkcija, tai – virtinė žingsnių, o modernūs įrenginiai statomi taip, kad juos būtų galima aktyvuoti po vieną. Taip pat galima įvertinti kiekvieno iš jų naudą. Pavyzdžiui, IVK tuneliuose (Štutgarto universiteto Vidaus degimo variklių ir automobilių inžinerijos institutas) ši seka dokumentuojama taip: jokios kelio simuliacijos, tada ribinio sluoksnio nusiurbimas, tuomet centrinis diržas, ir galiausiai ratų sukimas naudojant mini diržus.

Ribinio sluoksnio nusiurbimas (BLS). Prieš srovę esantis rinktuvas ir paskirstytas nusiurbimas pašalina grindų ribinį sluoksnį dar prieš jam pasiekiant automobilį. Galima pridėti tangentinį pūtimą, kad būtų atkurta prie sienos esančio srauto energija. Vien tai ištaiso didelę dalį klaidų, ir tai yra pigiausias žingsnis.

Centrinis diržas. Judantis diržas po transporto priemonės centrine ašimi sukuria teisingą santykinį judėjimą ten, kur formuojasi srautas po dugnu.

Ratų sukimas su mini diržais. Keturi maži diržai, po vieną po kiekvienu ratu, suka ratus, kol automobilis lieka atremtas. Kartu su centriniu diržu tai sudaro 5 diržų sistemą – konfigūraciją, kurią šiandien naudoja dauguma pilno mastelio serijinių automobilių vėjo tunelių.

Vienas platus diržas. Vienas diržas po visa transporto priemone, kai automobilis prilaikomas statramsčiais iš viršaus arba ratų stebulių laikikliais. Tai pati tiksliausia simuliacija, reikalaujanti daugiausiai resursų: didelio diržo greičio ir galios, aušinimo, orinių guolių, tikslaus įtempimo valdymo ir balansavimo sistemos, veikiančios aplink diržą. Šiam sprendimui pirmenybę teikia automobilių sporto ir specializuoti aerodinamikos kūrimo centrai.

---

3. Blokavimas: kita problemos pusė

Automobilis bandymo sekcijoje užima didelę srauto ploto dalį. Uždaroje sekcijoje tai suspaudžia srauto linijas ir padidina vietinį greitį, taip dirbtinai padidinant jėgas. Atviro srauto (angl. open-jet) sekcijoje srautas gali plėstis, tačiau ties srauto riba susidaro šlyties sluoksnis, kurio nestabilumas gali sukelti rezonansą, keičiantį slėgio pasiskirstymą bandymo sekcijoje.

Nė vienas iš šių reiškinių nėra defektas, kurį reikia pašalinti – abu yra fizikos dėsniai, kuriuos reikia koreguoti. Automobilių pramonės praktika apsistojo ties Mercker, Wiedemann, Cooper ir jų kolegų sukurtas korekcijos metodais, kurie įvertina purkštukų interferenciją, srauto plėtimąsi ir nukrypimą, kolektoriaus interferenciją bei statinio slėgio gradientą išilgai bandymo sekcijos. Įrodyta, kad šie metodai priartina išmatuotus aerodinaminio pasipriešinimo koeficientus prie realių reikšmių kelyje.

Praktinė išvada yra nepatogi, bet svarbi: aerodinaminio pasipriešinimo koeficientas nėra vien tik automobilio savybė. Tai automobilio, tunelio, kelio simuliacijos būsenos ir korekcijos metodo savybė. Lyginant vieno įrenginio Cd su kito įrenginio Cd, nežinant visų keturių kintamųjų, daroma dažna ir brangi klaida.

Pateikdami skaičių, nurodykite konfigūraciją. Gaukdami jį – paprašykite jos.

---

4. Ką dar suteikia judantis pagrindas

Įdiegus kelio simuliaciją, tame pačiame įrenginyje prasmingi tampa ir kiti matavimai:

• Aušinimo pasipriešinimas ir šilumos valdymas. Oro srautas per priekinę oro įsiurbimo angą, šilumokaičių bloką ir variklio ar akumuliatoriaus skyrių elgiasi tikroviškai tik esant teisingam srautui po dugnu – tai tampa vis svarbesniu klausimu elektromobiliuose.
• Keliamosios jėgos ir balanso pasiskirstymas. Priekinė ir galinė keliamoji jėga bei jų pokytis keičiantis važiavimo aukščiui yra rodikliai, lemiantys stabilumą važiuojant dideliu greičiu.
• Aeroakustika. Vėjo keliamo triukšmo vertinimui būtinas teisingas srauto laukas ir žemas paties tunelio triukšmo lygis.
• Nešvarumų ir vandens valdymas. Tai, kur nukreipiami purslai, priklauso nuo ratų sukimosi.

---

5. Poveikis įrenginiams

Jei projektuojate ar atnaujinate tokį įrenginį, kelio simuliacijos sistema nulemia stebėtinai didelę dalį dizaino:

• Diržo greitis, galia ir aušinimas. Diržai, valandų valandas judantys kelio greičiu, išskiria šilumą ir reikalauja tikslaus įtempimo bei centravimo valdymo.
• Balansavimo integracija. Jėgos matavimo sistema turi veikti aplink diržus, ratų laikiklius ir nusiurbimo kameras, neiškreipiant apkrovos perdavimo kelio.
• Nusiurbimo įranga. Ribinio sluoksnio pašalinimas yra tikra oro apdorojimo sistema, o ne tiesiog plyšys.
• Sekcijos geometrija ir korekcijos strategija. Atviro ar uždaro srauto sekcijos pasirinkimas nulemia, su kokiu korekcijos metodu teks dirbti ir kiek jūsų duomenys bus palyginami su kitais.
• Mastelis. Sumažinto mastelio tuneliai (paprastai nuo 1:2 iki 1:4) suteikia kur kas daugiau bandymų valandų vienam energijos vienetui ir yra plačiai naudojami kūrimo procese, o pilno mastelio tuneliai paliekami galutiniam patvirtinimui.

Bendrieji kontūro architektūros kompromisai čia galioja kaip ir visur kitur – žr.

uždaro kontūro ir atviro kontūro vėjo tuneliai

bei mūsų

vėjo tunelių tipų palyginimą

.

---

6. Penkios klaidos

• Nekoreguotų skaičių lyginimas. Du tuneliai, du korekcijos metodai – vienas beprasmis palyginimas.
• Cd pateikimas be kelio simuliacijos būsenos. „Tik su BLS“ ir „5 diržai, ratai sukasi“ aerodinaminiu požiūriu yra skirtingi automobiliai.
• Slėgio gradiento ignoravimas. Statinio slėgio gradientas išilgai bandymo sekcijos sukuria horizontalią plūdrumo jėgą, kuri tiesiogiai atsispindi aerodinaminiame pasipriešinime.
• Bandymas netinkamame važiavimo aukštyje. Aerodinaminės apkrovos keičia važiavimo aukštį, o tai keičia aerodinamines apkrovas. Statinė geometrija nėra judėjimo geometrija.
• CFD koreliacijos neatitikimų laikymas CFD klaidomis. Dažnai simuliacija būna teisinga, tačiau tunelio konfigūracija neatitinka to, kas buvo numatyta simuliacijoje.

---

7. Integravimas į sistemą

Kelio simuliacija nėra priedas; tai automobilių vėjo tunelio dalis, lemianti, ar duomenys apibūdina kelių transporto priemonę. Iš anksto nuspręskite, kokio lygio jums reikia – tik nusiurbimo, 5 diržų ar vieno diržo – nes kiekvienas iš jų reikalauja skirtingos struktūros, galios, aušinimo ir balansavimo sistemos dizaino.

Mes projektuojame, gaminame ir atliekame individualių tunelių paleidimą ir derinimą pagal matavimų programą, kur kelio simuliacija, balansavimas ir matavimo įranga (instrumentacija) integruojami nuo pat aerodinaminės koncepcijos etapo, o ne pridedami vėliau.

Pasakykite mums, kokias transporto priemones ir kokiu greičiu jums reikia išbandyti , o mes pateiksime koncepciją: sekcijos tipą, kelio simuliacijos lygį, pavaros galią ir užimamą plotą.

---

Šaltiniai ir pastabos

• 5 diržų kelio simuliacija su ribinio sluoksnio nusiurbimu, tangentiniu pūtimu ir keturiais ratų sukimo įrenginiais bei nuoseklia aktyvavimo seka (jokios kelio simuliacijos → ribinio sluoksnio nusiurbimas → centrinis diržas → ratų sukimas): „The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels“, SAE 2003-01-0429.
• Atviro srauto korekcijos praktika, įskaitant purkštukų interferenciją, srauto plėtimąsi ir nukrypimą, kolektoriaus interferenciją bei statinio slėgio gradiento poveikį: „The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles“.
• Šlyties sluoksnio nestabilumas ir rezonansas atviro srauto automobilių bandymo sekcijose: Hu et al., „The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel“, Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Kelio simuliacijos ir blokavimo santykio poveikis prognozuojamai transporto priemonės aerodinamikai: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• Sumažinto mastelio diapazonai nuo maždaug 1:2 iki 1:4 atspindi įprastą pramonės praktiką ir skiriasi priklausomai nuo įrenginio.
• Įrenginių projektavimo gairės yra TunnelTech inžinerinė praktika.