Podstawy aerodynamiki pojazdów - cz. 5: badania w tunelach aerodynamicznych a rzeczywistość

Główną różnicą między rzeczywistością, a środowiskiem tunelu aerodynamicznego jest obecność ruchomego podłoża. W przypadku badań aerodynamicznych odgrywa to zasadniczą rolę. Dlatego, aby urzeczywistnić wyniki badań należy symulować wpływ podłoża.

Jest to konieczne, ponieważ przy nieruchomej podłodze tworzy się na niej warstwa powietrza, powodująca że powietrze przepływające pod nadwoziem samochodu zachowuje się inaczej niż powinno. Zakres wpływu strefy przyziemnej to około 10 centymetrów dla badań auta w skali 1:1.

Jeśli obiektem symulacji jest auto terenowe, ma to stosunkowo niewielkie znaczenie. Jednak w przypadku aut wyścigowych, zawieszonych nisko, z prześwitem mniejszym niż zakres strefy przyziemnej ma to znaczenie ogromne.

Oczywiście jest wiele sposobów radzenia sobie z sytuacją. Jednym z nich jest podniesienie modelu i postawienie go na cienkiej płycie, pod którą musi być wolna przestrzeń. Wtedy gruba warstwa przyścienna w tunelu wpada pod płytę, a nad płytą tworzy się kolejna, jednak już znacznie cieńsza. Ze względu na to, że grubość warstwy przyziemnej przyrasta, stosuje się niewielkie pochylenie modelu do przodu.

Drugim sposobem na rozwiązanie tego problemu jest wstępne odsysanie tej warstwy. Mówimy o skuteczności wtedy, gdy nowa warstwa jest mniejsza niż 10 proc. prześwitu samochodu. Rozwinięciem tej metody jest odsysanie pod całą powierzchnią badawczą. Jest to rozwiązanie skuteczne, ale niestety skomplikowane konstrukcyjne i drogie w budowie i użytkowaniu.

Innym pomysłem jest nadmuch powietrza w okolice przyziemne w kierunku od podłoża. Lecz to również wymusza dodatkowe układy wentylatorowe i sieć kanałów powietrznych pod badanym pojazdem.

Często stosowaną metodą jest zastosowanie ruchomego podłoża w postaci taśmy, która symuluje poruszającą się ziemię. Wadą takiego rozwiązania jest skomplikowanie mocowania samochodu. Wtedy należy mocować go, stosując dużą masę umieszczoną za pojazdem. Powoduje to jednak zaburzenia przepływu związane z obecnością wysięgnika.

Niekiedy buduje się jedynie dwie ruchome bieżnie pod obiema osiami. Ponieważ zniekształcają się one pod wpływem podciśnień, często są tam dodatkowe układy odsysające powietrze. Bieżnie mają jednak wadę w postaci niewielkiej prędkości maksymalnej, często znacznie mniejszej niż możliwa prędkość pomiaru tunelu.

Jeśli już podłoże jest odpowiednio zasymulowane, to rozważyć należy mocowanie modelu. Jeśli podłoga jest nieruchoma, to stosuje się wagowy układ obrotowy, skonstruowany w taki sposób, aby nie wpływał na wartości pomiarów. Ważne jest, aby było to rozwiązanie uniwersalne, dostosowane do różnych wielkości aut i rozstawu ich osi.

Gdy do pomiaru używana jest ruchoma taśma to, tak jak wspomniałem, model mocuje się wysięgnikiem umieszczonym za pojazdem lub nad pojazdem. Korzystniejszy jest ten montowany z tyłu.

Pomiar sił zapewniony jest przez wagę umieszczoną między modelem, a wysięgnikiem. Elementem pomiarowym jest zwykle ponacinany walec z tensometrami. Napęd realizowany jest poprzez ruch taśmy. Niezwykle ważne jest prawidłowe określenie sił działających na koła. Często stosuje się do tego nawet oddzielny układ pomiarowy.

Mocowanie może być zapewnione także w inny sposób – poprzez zastosowanie bardzo miękkiego zawieszenia i przejęcie wszystkich sił przez wysięgnik. Koła jedynie lekko dotykają ruchomej taśmy.

Rzadko stosowanym rozwiązaniem jest wysięgnik umieszczony od spodu. Konieczne są wtedy dwie ruchome taśmy – stosowane są wtedy dwa pasma mijające umieszczony wysięgnik. Zaletą tego typu mocowania jest zwartość konstrukcji.

Jednak mimo tak wielkiej troski, by warunki w tunelu odpowiadały rzeczywistym mimo wszystko strumień powietrza nie jest idealny. W tunelu pojawia się niewielka turbulencja strug powietrza, której w warunkach bezwietrznych nie ma na drodze. W tunelach ze ścianami prędkość w ich pobliżu jest także nieco mniejsza.

Do tego dochodzą rozważania nad liczbą Reynoldsa określającą, czy przepływ jest turbulentny czy burzliwy. Powinna być ona stała. Jednak im mniejszy model, tym szybciej powinno przepływać powietrze, aby zachować tę samą liczbę Reynoldsa. Jednak w praktyce jest to kosztowne. Dlatego często przyjmuje się uproszczenie, zakładając że jeśli przy określonej liczbie Reynoldsa nie następuje oderwanie przepływu, to nie będzie go też przy liczbie wyższej.

Zachowywanie stałości liczby Reynoldsa ma znaczenie przy badaniu pojazdów sportowych. Jeśli model w skali 1:4 bada się w powietrzu o prędkości 150 km/h, to jest to odpowiednikiem modelu w standardowej wielkości, poruszającego się z prędkością 300 km/h. Wtedy możliwe są znaczne zmiany w strukturze opływu z tym związane. Dlatego im szybszy samochód, tym większy model potrzebny jest do badań. Dlatego np. samochody Formuły 1 w ważniejszych badaniach są w formie modelu w skali 1:1.