Vēja tuneļi ar skrejceļu: Kāpēc automobiļu aerodinamikas datiem nepieciešama kustīga grīda

Uz ceļa automašīna kustas, bet zeme stāv uz vietas. Vēja tunelī gaiss kustas, bet gan automašīna, gan zeme stāv uz vietas — un tieši šī viena inversija ir galvenais iemesls atšķirībām starp tuneļa rādītājiem un realitāti.

Vēja tunelis ar skrejceļu ir radīts, lai šo atšķirību novērstu. Viss pārējais automobiļu aerodinamikā — plūsma zem automašīnas, riteņu radītā turbulence, dzesēšanas pretestība, spiediena atjaunošanās aizmugurē — ir pakārtots pareizai zemes simulācijai.

---

1. Kā stacionāra grīda ietekmē jūsu datus

Izmantojot fiksētu grīdu, gar tuneļa grīdu veidojas robežslānis, kas sasniedz automašīnu. Tīra, pilna ātruma gaisa vietā zem transportlīdzekļa plūst palēnināta un sabiezēta plūsma. Tam nekavējoties seko trīs sekas:

• Plūsma zem automašīnas ir nepareiza. Jutība pret klīrensu, difuzora veiktspēja un grīdas malu virpuļi ir atkarīgi no ātruma profila, kura tur vairs nav.
• Riteņu ietekme ir nepareiza. Stacionāri riteņi rada citādu turbulenci nekā rotējoši. Riteņu un riteņu arku aerodinamika var veidot ievērojamu daļu no kopējās pretestības, un nekas no tā netiek atspoguļots pareizi.
• Gaisa plūsmas ēnā ir kļūdas. Kļūdas no automašīnas apakšas un riteņiem pārvietojas pa plūsmu un izmaina pamatnes spiedienu — faktoru, kas dominē lielākās daļas ielas automašīnu pretestībā.

Rezultāts ir atkārtojams mērījums nepareizai konfigurācijai. Atkārtojamība bez precizitātes ir tieši tas, kā programmas nonāk pie tāda auto optimizēšanas, kas eksistē tikai tunelī.

---

2. Zemes simulācijas pakāpieni

Zemes simulācija nav viena atsevišķa funkcija, bet gan soļu sērija, un modernas iekārtas ir būvētas tā, lai tās varētu aktivizēt pa vienai — tādējādi var arī kvantitatīvi novērtēt katra soļa pienesumu. Piemēram, IVK tuneļos (Štutgartes Universitātes Iekšdedzes dzinēju un automobiļu inženierijas institūts) šī secība ir dokumentēta šādi: bez zemes simulācijas, tad robežslāņa nosūkšana, tad centrālā lente, tad riteņu rotācija ar mini lentēm.

Robežslāņa nosūkšana (BLS). Gaisa uztvērējs un sadalīta nosūkšana pret straumi noņem grīdas robežslāni, pirms tas sasniedz automašīnu. Var pievienot tangenciālo pūšanu, lai atjaunotu enerģiju plūsmai pie sienas. Tas vien novērš lielu daļu kļūdas, un tas ir lētākais solis.

Centrālā lente. Kustīga lente zem transportlīdzekļa viduslīnijas nodrošina pareizu relatīvo kustību tur, kur atrodas zemgrīdas plūsma.

Riteņu rotācija ar mini lentēm. Četras nelielas lentes, pa vienai zem katra riteņa, griež riteņus, kamēr automašīna tiek atbalstīta. Kopā ar centrālo lenti tas veido 5 lenšu sistēmu — konfigurāciju, ko mūsdienās izmanto lielākā daļa pilna izmēra sērijveida automašīnu tuneļu.

Viena plata lente. Viena lente zem visa transportlīdzekļa, automašīnu turot ar statņiem no augšas vai ar riteņu rumbu stiprinājumiem. Tā ir visprecīzākā simulācija un prasa visvairāk: lielu lentes ātrumu un jaudu, dzesēšanu, gaisa gultņus, precīzu spriegojuma kontroli un svaru sistēmu, kas darbojas ap lenti. Autosporta un specializētās aerodinamikas izstrādes iekārtas dod priekšroku tieši šim risinājumam.

---

3. Bloķēšana: otra problēmas puse

Automašīna testa sekcijā aizņem ievērojamu daļu no plūsmas laukuma. Slēgtā sekcijā tas ierobežo plūsmas līnijas un palielina lokālo ātrumu, pārspīlējot spēkus. Atvērtas plūsmas (open-jet) sekcijā strūkla var izplesties, bet uz strūklas robežas veidojas bīdes slānis, un tā nestabilitāte var izraisīt rezonansi, kas maina spiediena sadalījumu testa sekcijā.

Neviena no šīm parādībām nav defekts, kas jānovērš — abas ir fizikas likumsakarības, kas jākoriģē. Automobiļu nozares prakse ir nonākusi pie korekcijas metodēm, ko izstrādājuši Mercker, Wiedemann, Cooper un viņu kolēģi, kas ņem vērā sprauslas traucējumus, strūklas izplešanos un novirzi, kolektora traucējumus un statiskā spiediena gradientu gar testa sekciju, un ir pierādīts, ka tās tuvina izmērītos pretestības koeficientus reālajām vērtībām uz ceļa.

Praktiskās sekas ir neērtas un svarīgas: pretestības koeficients nav tikai automašīnas īpašība. Tā ir automašīnas, tuneļa, zemes simulācijas stāvokļa un korekcijas metodes kopēja īpašība. Salīdzināt Cd no vienas iekārtas ar Cd no citas, nezinot visus četrus faktorus, ir izplatīta un dārga kļūda.

Nosaucot skaitli, norādiet konfigurāciju. Saņemot to, jautājiet pēc tās.

---

4. Ko vēl sniedz kustīgā grīda

Tiklīdz ir pieejama zemes simulācija, tajā pašā iekārtā jēgpilni kļūst vairāki citi mērījumi:

• Dzesēšanas pretestība un siltuma pārvaldība. Gaisa plūsma caur priekšējo gaisa ieplūdi, siltummaiņu bloku un dzinēja vai akumulatora nodalījumu reālistiski uzvedas tikai ar pareizu zemgrīdas plūsmu — tas kļūst par arvien dominējošāku jautājumu elektriskajiem transportlīdzekļiem.
• Cēlējspēks un svara sadalījums. Priekšējais un aizmugurējais cēlējspēks, kā arī to izmaiņas atkarībā no klīrensa, ir rādītāji, kas nosaka stabilitāti lielā ātrumā.
• Aeroakustika. Vēja trokšņa novērtēšanai nepieciešams pareizs plūsmas lauks un zems paša tuneļa trokšņa līmenis.
• Netīrumu un ūdens pārvaldība. Tas, kur nonāk šļakatas, ir atkarīgs no riteņu rotācijas.

---

5. Ietekme uz iekārtu

Ja jūs specifikējat vai modernizējat šādu iekārtu, zemes simulācijas sistēma nosaka pārsteidzoši lielu daļu no dizaina:

• Lentes ātrums, jauda un dzesēšana. Lentes, kas stundām ilgi darbojas ceļa ātrumā, ģenerē siltumu un prasa precīzu spriegojuma un trajektorijas kontroli.
• Svaru integrācija. Spēka mērīšanas sistēmai jādarbojas ap lentēm, riteņu stiprinājumiem un nosūkšanas kamerām, neietekmējot slodzes pārneses ceļu.
• Nosūkšanas iekārta. Robežslāņa noņemšana ir reāla gaisa apstrādes sistēma, nevis vienkārši sprauga.
• Sekcijas ģeometrija un korekcijas stratēģija. Atvērta vai slēgta sekcija ir lēmums, kas nosaka, ar kādu korekcijas metodi jums būs jāsadzīvo un cik salīdzināmi būs jūsu dati ar citiem.
• Mērogs. Samazināta mēroga tuneļi (parasti ap 1:2 līdz 1:4) nodrošina daudz vairāk testēšanas stundu uz enerģijas vienību un tiek plaši izmantoti izstrādei, savukārt pilna mēroga tuneļi tiek atstāti validācijai.

Vispārējie kompromisi attiecībā uz kontūra arhitektūru šeit ir spēkā tāpat kā visur citur — skatiet

slēgtas cirkulācijas pret atvērtas cirkulācijas vēja tuneļiem

un mūsu

vēja tuneļu tipu salīdzinājumu

.

---

6. Piecas kļūdas

• Nekoriģētu skaitļu salīdzināšana. Divi tuneļi, divas korekcijas metodes, viens bezjēdzīgs salīdzinājums.
• Cd ziņošana bez zemes simulācijas stāvokļa. "Tikai ar BLS" un "5 lenšu sistēma, rotējoši riteņi" aerodinamiski ir dažādas automašīnas.
• Spiediena gradienta ignorēšana. Statiskā spiediena gradients gar testa sekciju rada horizontālu cēlējspēku, kas tieši parādās pretestībā.
• Testēšana nepareizā klīrensā. Aerodinamiskās slodzes maina klīrensu, kas savukārt maina aerodinamiskās slodzes. Statiskā ģeometrija nav lidojuma ģeometrija.
• CFD korelācijas kļūmju uzskatīšana par CFD kļūdām. Bieži vien simulācija ir pareiza, bet tuneļa konfigurācija nebija tāda, kādu simulācija pieņēma.

---

7. Integrēšana dizainā

Zemes simulācija nav aksesuārs; tā ir automobiļu tuneļa daļa, kas nosaka, vai dati apraksta ceļu satiksmes transportlīdzekli. Laicīgi izlemiet, kāds līmenis jums nepieciešams — tikai nosūkšana, 5 lenšu sistēma vai viena lente — jo katrs no tiem nozīmē atšķirīgu struktūru, jaudu, dzesēšanu un svaru dizainu.

Mēs projektējam, ražojam un nododam ekspluatācijā pielāgotus tuneļus, kas veidoti ap mērījumu programmu, kur zemes simulācija, svari un instrumentācija ir integrēti jau no aerodinamiskā koncepta, nevis pievienoti vēlāk.

Pastāstiet mums, kādus transportlīdzekļus un ātrumus jums nepieciešams testēt , un mēs piedāvāsim konceptu: sekcijas tipu, zemes simulācijas līmeni, piedziņas jaudu un nepieciešamo platību.

---

Avoti un piezīmes

• 5 lenšu ceļa simulācija ar robežslāņa nosūkšanu, tangenciālo pūšanu un četrām riteņu rotācijas vienībām, kā arī pakāpeniskās aktivizēšanas secība (bez zemes simulācijas → robežslāņa nosūkšana → centrālā lente → riteņu rotācija): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• Atvērtās plūsmas (open-jet) korekcijas prakse, tostarp sprauslas traucējumi, strūklas izplešanās un novirze, kolektora traucējumi un statiskā spiediena gradienta efekti: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• Bīdes slāņa nestabilitāte un rezonanse atvērtās plūsmas automobiļu testa sekcijās: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Zemes simulācijas un bloķēšanas koeficienta ietekme uz prognozēto transportlīdzekļa aerodinamiku: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• Samazināta mēroga diapazoni aptuveni no 1:2 līdz 1:4 atspoguļo izplatītu nozares praksi un atšķiras atkarībā no iekārtas.
• Iekārtu projektēšanas vadlīnijas ir TunnelTech inženierijas prakse.