Хөдөлгөөнт замтай салхин хонгил: Автомашины аэродинамикийн өгөгдөлд яагаад хөдөлгөөнт гадаргуу хэрэгтэй вэ?

Зам дээр машин хөдөлж, газар хөдөлгөөнгүй байдаг. Харин салхин хонгилд агаар хөдөлж, машин болон газар хоёул хөдөлгөөнгүй байдаг — энэхүү ганц урвуу байдал нь хонгилын хэмжилт болон бодит байдлын хоорондох ялгааны ихэнх хэсгийг үүсгэдэг.

Хөдөлгөөнт замтай салхин хонгил нь үүнийг арилгах зорилготой. Автомашины аэродинамикийн бусад бүх зүйлс — ёроолын урсгал, дугуйны урсгалын мөр, хөргөлтийн эсэргүүцэл, хойд хэсгийн даралтын сэргэлт зэрэг нь газрын гадаргууг зөв загварчлахаас шууд хамаардаг.

---

1. Хөдөлгөөнгүй шал таны өгөгдөлд хэрхэн нөлөөлдөг вэ

Үл хөдлөх шалтай үед хонгилын шалыг даган хил давхарга (boundary layer) үүсэж, машин руу чиглэдэг. Тээврийн хэрэгслийн доогуур цэвэр, бүрэн хурдтай агаар урсахын оронд ёроолын хэсэгт удааширсан, зузаарсан урсгал очдог. Үүнээс үүдэн дараах гурван үр дагавар шууд гардаг:

• Ёроолын урсгал буруу байна. Явах эд ангийн өндрийн мэдрэмж, диффузорын гүйцэтгэл болон шалны ирмэгийн хуйлрал зэрэг нь тэнд байхгүй болсон хурдны профайлаас хамаардаг.
• Дугуйнууд буруу байна. Хөдөлгөөнгүй дугуй нь эргэлдэж буй дугуйнаас өөр урсгалын мөр үүсгэдэг. Дугуй болон дугуйны хаалтны аэродинамик нь нийт эсэргүүцлийн нэлээдгүй хувийг эзэлдэг бөгөөд үүний аль нь ч зөв илэрхийлэгддэггүй.
• Урсгалын мөр буруу байна. Ёроолын хэсэг болон дугуйнаас гарсан алдаанууд урсгалын дагуу шилжиж, суурийн даралтыг өөрчилдөг — энэ нь ихэнх суудлын автомашины эсэргүүцлийг тодорхойлдог гол хүчин зүйл юм.

Үр дүн нь буруу тохиргооны давтагдах хэмжилт болдог. Бодит байдалд нийцэхгүй давтагдах байдал нь төслүүд зөвхөн салхин хонгилд л оршин байх машиныг оновчлох шалтгаан болдог.

---

2. Гадаргуугийн загварчлалын үе шатууд

Гадаргуугийн загварчлал нь ганц онцлог шинж биш, харин хэд хэдэн алхмуудаас бүрддэг бөгөөд орчин үеийн байгууламжууд тэдгээрийг нэг нэгээр нь идэвхжүүлэх боломжтойгоор баригдсан байдаг — энэ нь тус бүрийн үнэ цэнийг хэрхэн тооцоолох арга юм. Жишээлбэл, IVK (Штутгартын Их Сургуулийн Дотоод шаталтын хөдөлгүүр, автомашины инженерийн хүрээлэн) салхин хонгилуудад энэ дарааллыг дараах байдлаар баримтжуулсан байдаг: гадаргуугийн загварчлалгүй, дараа нь хил давхаргын соролт, дараа нь төвийн тууз, эцэст нь жижиг туузууд бүхий дугуйны эргэлт.

Хил давхаргын соролт (BLS). Урсгалын дээд хэсэгт байрлах соруулах төхөөрөмж болон тархсан соролт нь шалны хил давхаргыг машинд хүрэхээс өмнө арилгадаг. Хананд ойрхон урсгалыг дахин эрчимжүүлэхийн тулд шүргэгч үлээлтийг нэмж болно. Зөвхөн энэ нь алдааны ихэнх хэсгийг засдаг бөгөөд хамгийн хямд алхам юм.

Төвийн тууз. Тээврийн хэрэгслийн төв шугамын доорх хөдөлгөөнт тууз нь ёроолын урсгал явагддаг хэсэгт зөв харьцангуй хөдөлгөөнийг бий болгодог.

Жижиг туузууд бүхий дугуйны эргэлт. Дугуй тус бүрийн доор байрлах дөрвөн жижиг тууз нь машиныг тулгууртай байх үед дугуйг эргүүлдэг. Төвийн туузтай нийлээд энэ нь өнөө үед ихэнх бүрэн хэмжээний үйлдвэрлэлийн автомашины хонгилуудад ашиглагддаг 5 туузт систем -ийг бүрдүүлдэг.

Дан өргөн тууз. Бүхэл бүтэн тээврийн хэрэгслийн доор байрлах нэг тууз бөгөөд машиныг дээрээс нь тулгуураар эсвэл дугуйны булны бэхэлгээгээр тогтоодог. Энэ нь хамгийн бодит загварчлал бөгөөд хамгийн өндөр шаардлага тавьдаг: туузны өндөр хурд болон хүчин чадал, хөргөлт, хийн холхивч, таталтын нарийн хяналт, мөн туузыг тойрч ажилладаг тэнцвэржүүлэлтийн систем. Моторспорт болон тусгайлсан аэродинамик хөгжүүлэлтийн байгууламжууд үүнийг илүүд үздэг.

---

3. Хаалт: Асуудлын нөгөө хагас

Туршилтын хэсэгт байгаа машин нь урсгалын талбайн нэлээд хэсгийг түрж шахдаг. Хаалттай хэсэгт энэ нь урсгалын шугамуудыг хязгаарлаж, орон нутгийн хурдыг нэмэгдүүлснээр хүчийг хэтрүүлэн үнэлэхэд хүргэдэг. Нээлттэй урсгалт (open-jet) хэсэгт урсгал тэлэх боломжтой боловч урсгалын хил дээр шилжилтийн давхарга үүсэж, түүний тогтворгүй байдал нь туршилтын хэсэг дэх даралтын тархалтыг өөрчилдөг резонанс үүсгэж болно.

Эдгээр үзэгдлийн аль нь ч устгах ёстой согог биш — хоёулаа залруулах шаардлагатай физик хуулиуд юм. Автомашины практикт Mercker, Wiedemann, Cooper болон тэдний хамтран ажиллагсдын боловсруулсан залруулгын аргуудыг түгээмэл ашигладаг болсон. Эдгээр аргууд нь хошууны нөлөөлөл, урсгалын тэлэлт болон хазайлт, коллекторын нөлөөлөл, туршилтын хэсгийн дагуух статик даралтын градиентийг тооцдог бөгөөд хэмжигдсэн эсэргүүцлийн коэффициентийг зам дээрх бодит утга руу ойртуулдаг болох нь батлагдсан.

Үүний практик үр дагавар нь таагүй хэдий ч чухал юм: эсэргүүцлийн коэффициент нь зөвхөн машины шинж чанар биш юм. Энэ нь машин, салхин хонгил, гадаргуугийн загварчлалын төлөв болон залруулгын аргын нийлмэл шинж чанар юм. Энэ дөрвөн хүчин зүйлийг бүрэн мэдэхгүйгээр нэг байгууламжийн Cd-г өөр байгууламжийн Cd-тэй харьцуулах нь түгээмэл бөгөөд өндөр өртөгтэй алдаа юм.

Тоон үзүүлэлт дурдахдаа тохиргоог нь үргэлж зааж өгч байх хэрэгтэй. Харин хүлээж авахдаа үүнийг шаардаж асуух хэрэгтэй.

---

4. Хөдөлгөөнт гадаргуу өөр юуг боломжтой болгодог вэ

Гадаргуугийн загварчлалтай болмогц тухайн байгууламжид өөр хэд хэдэн хэмжилтүүд утга учиртай болдог:

• Хөргөлтийн эсэргүүцэл ба дулааны менежмент. Урд талын оруулах хэсэг, дулаан солилцуурын багц, хөдөлгүүр эсвэл батерейны тасалгаагаар дамжих агаарын урсгал нь зөвхөн ёроолын урсгал зөв байх үед л бодитоор ажилладаг — энэ нь цахилгаан тээврийн хэрэгслийн хувьд улам бүр чухал асуудал болж байна.
• Өргөх хүч ба тэнцвэрийн хуваарилалт. Урд болон хойд хэсгийн өргөх хүч, тэдгээрийн явах эд ангийн өндрөөс хамаарсан өөрчлөлт нь өндөр хурдны тогтвортой байдлыг тодорхойлдог үзүүлэлтүүд юм.
• Аэроакустик. Салхины дуу чимээг үнэлэхийн тулд урсгалын талбар зөв байх, мөн хонгилын өөрийн дуу чимээний түвшин бага байх шаардлагатай.
• Бохирдол ба усны менежмент. Усны цацагдах чиглэл нь дугуйны эргэлтээс хамаардаг.

---

5. Байгууламжид тавигдах шаардлагууд

Хэрэв та ийм байгууламжийн техникийн шаардлагыг тодорхойлж эсвэл шинэчилж байгаа бол гадаргуугийн загварчлалын систем нь дизайны маш их хэсгийг тодорхойлдог:

• Туузны хурд, хүчин чадал ба хөргөлт. Замын хурдаар олон цагаар ажиллах туузууд нь дулаан ялгаруулдаг бөгөөд таталт болон чиглэлийн нарийн хяналтыг шаарддаг.
• Тэнцвэржүүлэлтийн интеграци. Хүч хэмжилтийн систем нь ачааллын замыг алдагдуулахгүйгээр тууз, дугуйны бэхэлгээ болон сорох камеруудыг тойрч ажиллах ёстой.
• Сорох төхөөрөмж. Хил давхаргыг арилгах нь зүгээр нэг завсар биш, харин агаар боловсруулах бодит систем юм.
• Хэсгийн геометр ба залруулгын стратеги. Нээлттэй урсгалт (open-jet) эсвэл хаалттай хэсгийг сонгох нь та ямар залруулгын аргыг ашиглах, мөн таны өгөгдөл бусадтай хэр зэрэг харьцуулагдах боломжтойг тодорхойлох шийдвэр юм.
• Масштаб. Багасгасан масштабын хонгилууд (ихэвчлэн 1:2-оос 1:4 орчим) нь нэгж эрчим хүчинд хамаагүй илүү туршилтын цагийг олгодог бөгөөд хөгжүүлэлтэд өргөнөөр ашиглагддаг бол бүрэн хэмжээний хонгилыг баталгаажуулалтад зориулан үлдээдэг.

Контурын архитектурын ерөнхий давуу болон сул талууд энд ч мөн адил үйлчилнэ —

хаалттай контурын болон нээлттэй контурын салхин хонгилууд

болон бидний

салхин хонгилын төрлүүдийн харьцуулалт

-ыг үзнэ үү.

---

6. Таван алдаа

• Залруулаагүй тоог харьцуулах. Хоёр хонгил, хоёр залруулгын арга, нэг утгагүй харьцуулалт.
• Гадаргуугийн загварчлалын төлөвийг дурдахгүйгээр Cd-г тайлагнах. "Зөвхөн BLS-тэй" болон "5 туузт, дугуй эргэж байгаа" гэдэг нь аэродинамикийн хувьд өөр машинууд юм.
• Даралтын градиентийг үл тоомсорлох. Туршилтын хэсгийн дагуух статик даралтын градиент нь хэвтээ хөвөх хүчийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь эсэргүүцэлд шууд илэрдэг.
• Явах эд ангийн буруу өндөрт туршилт хийх. Аэродинамик ачаалал нь явах эд ангийн өндрийг өөрчилдөг бөгөөд энэ нь эргээд аэродинамик ачааллыг өөрчилдөг. Статик геометр нь хөдөлгөөний үеийн геометр биш юм.
• CFD хамаарлын алдааг CFD-ийн алдаа гэж үзэх. Ихэнх тохиолдолд симуляци зөв байдаг бөгөөд хонгилын тохиргоо нь симуляцийн таамагласан зүйл биш байдаг.

---

7. Үүнийг нэгтгэн байгуулах нь

Гадаргуугийн загварчлал нь нэмэлт хэрэгсэл биш; энэ нь өгөгдөл замын тээврийн хэрэгслийг тодорхойлж чадах эсэхийг шийддэг автомашины хонгилын салшгүй хэсэг юм. Зөвхөн соролт, 5 туузт, эсвэл дан тууз гэх мэт аль түвшин шаардлагатайг эрт шийдэх хэрэгтэй — учир нь тус бүр өөр өөр бүтэц, хүчин чадал, хөргөлт болон тэнцвэрийн дизайныг шаарддаг.

Бид хэмжилтийн хөтөлбөрт зориулан тусгай хонгилуудыг зохион бүтээж, үйлдвэрлэн, ашиглалтад оруулдаг бөгөөд гадаргуугийн загварчлал, тэнцвэржүүлэлт болон хэмжилт-хяналтын хэрэгслийг дараа нь нэмэх бус аэродинамик концепцоос нь эхлэн нэгтгэдэг.

Турших шаардлагатай тээврийн хэрэгсэл болон хурдаа бидэнд хэлээрэй , бид танд хэсгийн төрөл, гадаргуугийн загварчлалын түвшин, хөтлөгчийн хүчин чадал болон талбайн хэмжээг багтаасан концепцийг санал болгох болно.

---

Эх сурвалж болон тэмдэглэл

• Хил давхаргын соролт, шүргэгч үлээлт болон дөрвөн дугуйны эргэлтийн нэгж бүхий 5 туузт замын загварчлал, мөн алхам алхмаар идэвхжүүлэх дараалал (гадаргуугийн загварчлалгүй → хил давхаргын соролт → төвийн тууз → дугуйны эргэлт): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• Нээлттэй урсгалтын (open-jet) залруулгын туршлага, үүнд хошууны нөлөөлөл, урсгалын тэлэлт болон хазайлт, коллекторын нөлөөлөл болон статик даралтын градиентийн үр дагавар зэрэг багтана: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• Нээлттэй урсгалт (open-jet) автомашины туршилтын хэсгүүд дэх шилжилтийн давхаргын тогтворгүй байдал болон резонанс: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Гадаргуугийн загварчлал болон хаалтын харьцааны таамагласан тээврийн хэрэгслийн аэродинамикт үзүүлэх нөлөө: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• Ойролцоогоор 1:2-оос 1:4 хүртэлх багасгасан масштабын хүрээ нь салбарын нийтлэг туршлагыг илэрхийлдэг бөгөөд байгууламжаас хамаарч өөр өөр байдаг.
• Байгууламжийн дизайны удирдамж нь TunnelTech-ийн инженерийн туршлага юм.