Планета Шелезяка. Жизнь есть!

[helgi]

О чем размышляет простой немецкий инженер?

Несмотря на серьезные ограничения в техническом регламенте, немецкая серия ДТМ предлагает одни из самых плотных гонок в мире. Racecar-engineering.com попробует разобраться, почему…

Возрожденный «по многочисленным заявкам зрителей», с плюющимися огнем V8 и суперзвездами за рулем Дойче Туренваген Мастерс или ДТМ являются действительно исключительной национальной гоночной серией самых быстрых легковых автомобилей в мире, но за пределами родины появляется всего лишь несколько раз год. Нынешний ДТМ берет начало от 2000, после того, как его предшественник, Международный Чемпионат Легковых Автомобилей АйТС, оказался слишком дорогим даже для Европы. Следовательно, новая серия жестко ограничена с технической точки зрения, чтобы избежать крупных расходов середины 1990-ых. Несмотря на диковинные обвесы автомобилей, которые уверяют нас, что они - серьезно измененные автомобили с конвейера – автомобили ДТМ - фактически специальные болиды с пространтвенной рамой, и монококом – рабочем местом пилота. 'Новый' С класс Мерседеса, например, который был представлен в уже прошлом году, был действительно только новой оболочкой, построенной официальным ателье ХВА. Герхард Унгар, технический директор ХВА, получил данные с помощью систем автоматизированного проектирования для новой модификации автомобиля в марте 2006. Поскольку регламент диктует, что лишь немногие элементы могут быть обновлены, основные усилия пошли на совершенствование аэродинамики, и перво-наперво построили масштабную модель, которая была подвергнута обширному тестированию и развитию. 'Новый С класс определенно лучше аэродинамически, особенно при низкой прижимной силе,' объясняет инженер Мерседеса Юрген Цорн. 'Эффективность - привилегия,' он продолжает, 'но также и аэродинамический баланс должен быть учтен. Мы привыкли к старому автомобилю, и все было известно, что существенно облегчало работу.' Но, из-за регламента ДТМ даже эта начальная выгода не могла быть скрыта от организаторов или от конкурентов, поскольку Цорн объясняет: 'До сезона мы должны закончить работу с аэродинамикой, потому что мы должны отдать все на проверку инспекции DTM по соответствию регламенту. После того, как мы сдали проект, никаких изменений вносить в него нельзя.'
Под кузовом было немного, над чем в ХВА моги продолжить работу. Тормоза, электронные системы, карданный вал, шины и топливо, в то время как само шасси был заморожено и должно использоваться от предыдущей модели. 'Шасси было спроектировано в 2005 и есть только
незначительные вещи, которые нам разрешают изменить. Именно поэтому автомобили 2005, 2006 и 2007 находится так близко друг к другу на трассе,' объясняет Цорн. 'Основные узлы на автомобиле не изменились с 2005.' Есть небольшой выбор в трансмиссии: два варианта: 'передача может быть Икстрак или Хьюланд. Мы используем оба варианта, технологически и эксплуатационно они оба равны'. И действительно, две главных фирмы, специалисты по трансмиссиям из Великобритании поставляют секвентальные коробки и конкурентам из Ауди также.
Одна из немногих областей, где у команд ДТМ действительно есть техническая свобода - подвеска. Здесь регламент позволяет инженерам попытаться получить самую лучшую отдачу от шин: 'Развал, схождение и другие геометрические и кинематические параметры предлагают широкий диапазон вариантов для того, чтобы улучшить динамику транспортного средства и облегчить настройки,' рассказывает Унгар. 'Цель -
Выбрать такие параметры, чтобы машина вела себяпредсказуемо на протяжении всей гонки. Существует только два-три изменяемых параметра, чтобы приспособить С класс к переменным условиям.'
Как и в любой другой серии с монопоставщиком шин, обмен информацией с инженерами Данлоп – ключевой аспект успеха.
'Мы получили полное досье на используемую продукцию от Данлоп, но мы ве-равно ведем собственные исследования также,' объясняет Цорн. 'Если мы сможем найти идеальные настройки, например, настроить подвеску, чтобы при высоком уровне сцепления колес на протяжении всей гонки износ был наименьшим, мы могли бы иметь действительно большое преимущество, потому что у всех команд одинаковые покрышки.'
Но в гонках ДТМ правила вынуждают каждого пилота сделать два пит-стопа. На каждой остановке команда заправляет максимум 50 кг топлива и заменяет комплект покрышек. Однако, если остановки не были принудительны, могли бы шины продержаться всю гонку? 'Не на таком треке, как Брэндс Хэтч,' объясняет Цорн. 'Если бы все было свободно, в остальных случаях мы не меняли бы [шины], хотя бы потому что мы теряем слишком много времени.'
Из-за ограничений на тесты, установленных для команд, они вынуждены использовать
другие методы сбора данных и развития. Испытательные стенды и программное обеспечение для моделирования процессов - важные инструменты, как объясняет Цорн: 'Мы используем РейсСим, программное обеспечение от Криса Мерфи и Штеффана
Козуха. Но это далеко не единственное оборудование, которое у нас есть, это
только один инструмент из многих, и дает только намек для созданию окончательного решение.'
Гонки в ДТМ невероятно плотные, время от времени в квалификации все укладываются в секунду, таким образом любая маленькое преимущество крайне важно.
'Когда Вы сравниваете результаты год от года, Вы должны убедиться, что Вы достигли намеченного результата. Иначе Вы слишком далеко позади от конкурентов, даже при том, что это могли бы быть только десятая часть секунды. Если водитель не попадает 20 см до апекса, круг испорчен. И это серьезно осложняет жизнь пилотов. У них действительно нет легкой работы там, и для нас инженеры - то же самое. Вы должны быть на 100 процентов уверены, что Вы сделали все правильно, что Вы находитесь на пределе с весом, на пределе с клиренсом и т.д. Все находится действительно на пределе. Некуда больше улучшаться.'
Несмотря на эти, по-видимому, репрессивные ограничения, инженеры работающие в командах ДТМ, довольны положением вещей в серии, помогая привлекать все больше и больше зрителей на трибуны и к трансляциям по телевидению. 'Это определенно большие гонки. Скажу, как инженер, это отличная работа,' заключает Цорн.

[helgi]

Скрасим текст картинками

[helgi]

Про мячики, велосипеды и все такое

Могут ли на первый взгляд несовершенные поверхности привести к выигрышу в аэродинамике? Одна гоночная команда из Америки может предложить результаты вычислений, чтобы доказать это.

Беседа в пабе между студентами технического института ведется о применении технологии изготовления шариков для гольфа (их поверхности с впадинками) в конструкции аэродинамических плоскостей самолета или автомобиля. Это отрывок из своеобразного австралийского телевизионного фильма о гонках автомобилей на солнечных батареях. Фильм повествует о похождениях мужественных австралийских молодых людей, пытающихся несмотря на все возможные неприятности пересечь всю страну, используя только энергию солнечных лучей. В одном из эпизодов фильма один из гонщиков предлагает покрыть поверхность автомобиля впадинами, 'точно так же как мяч для гольфа.' Автомобиль, конечно, в конце концов приходит к финишу первым. Но это - все на вымышленной земле телевидения, где законы физики используются только тогда, когда этого хочет режиссер. В реальном мире использование впадин на поверхности быстро перемещающихся объектов было, по-видимому, ограничено внешней поверхностью мячей для гольфа.
В изготовлении мяча для гольфа впадины стали нормой с 1930-ых, когда исследование показало, как они могут увеличить подъемную силу и уменьшить лобовое сопротивление сферического объекта в полете. Главное, что не вяжется с логикой использования этого ноу-хау – по крайней мере логикой авторов РейсКар Инжиниринг – тот факт, что гоночные автомобили в отличие от мячей для гольфа крайне редко вращаются по дороге к финишу. Так может ли в действительности это изобретение работать в гонках? По слухам, в последние годы одна команда Формулы 1, скорее всего Феррари, экспериментировала с покрытыми впадинами поверхностями (ПВ), но не смогла добиться конкретных результатов за стенами аэродинамической трубы.
Тем не менее, в одном из недавних выпусков журнала «Рейскар Инжиниринг» приведены фотографии антикрыльев, изготовленных по технологии ПВ одним из поставщиков для американских гонок, Фаст Уингс. 'Впадины, кажется, работают. Автомобиль, прижимается к земле намного лучше, обод аж в шину вдавливается', объяснил представитель Фаст Уингс. Все же фирма, не обладает никакими серьезными данными кроме этого живописного описания эффекта применения антикрыльев с ПВ. Однако, фотография из Индианаполиса не прошла незамеченной, и Джош Портнер из компании Зипп, одного из лидеров на рынке поставщиков колес для гоночных велосипедов, связался с Рейскар.
Фирма Зипп имеет мировой патент на покрытые ямочками диски колес, и это, кажется, работает – Зипп является главным поставщиком для многих лидеров крупных соревнований, таких как Тур де Франс, например. Зипп потратил немало времени и денег на доводку дисков в аэродинамической трубе в Техасе.
Диски с применением технологии ПВ показали очень хорошие результаты. В частности, числа Рейнольдса, особенно по сравнению с непокрытыми ямочками версиями. Для тех, кто не является постоянным прихожанином храма Аэродинамики, следует объяснить, что число Рейнольдса характеризует условия протекания потока. Меньшие числа Рейнольдса соответствуют ламинарному протеканию (невозмущенному, «слой по слою»), большие – турбулентному (завихрения). На гладких дисках Зипп числа Рейнольдса гораздо выше. Предположительно, впадины делают поток немного турбулентным сначала, но это позволяет избежать большей турбулентности в дальнейшем. В теории это могло бы сделать покрытую ямочками поверхность крыла намного более эффективной, чем абсолютно гладкую поверхность. Также интересен тот факт, что до настоящего времени все впадины, применительно к тестам гоночных автомобилей, были круглыми или овальными в плане. В то время, как эксперименты с мячами для гольфа показали, что шестиугольники - фактически самая эффективная форма (для шариков, по крайней мере). Фактически Зипп попробовал различные формы, но пока столкнулся с трудностями в процессе производства: 'Мы используем двадцатигранные (20-сторонние) впадины на наших дисках, однако процесс производства способствует тому, чтобы углы немного скруглялись. Таким образом они действительно выглядят более круглыми,' объясняет Портнер. 'Мы ищем другие формы и конфигурации, ведь, именно углы и грани помогают получить желаемые завихрения и создают эффект. Сейчас затраты, связанные с тестированием бесчисленных вариантов, чрезвычайно высоки, и существует бесконечное сражение между идеальным техническим проектом и приспособленностью его к массовому производству.'

[helgi]

Внутренняя форма впадины - другая область, идеальная форма которой полностью еще не понятна. Зипп используют впадину в формы мениска с плоским основанием, которое уширяется по краям. Очевидно эта форма популярна среди производителей мячей для гольфа.
Метод, по которому тестируются диски Зипп да и другие тоже, существенно отличается от способа проверки аэродинамических качеств автомобиля. Колесо вращается в потоке воздуха, и измеряется энергия, затрачиваемая для вращения колеса. Также измеряются интерференционная составляющая сопротивления, подъемная сила и боковые силы относительно оси колеса. Таким образом в действительности эти два измерения должны быть уравновешены, поскольку некоторое уменьшение подъемной силы может повлечь за собой увеличение потребляемой для вращения колеса энергии. Также Зипп много экспериментировал и с формой закраин полок обода колеса.
'Передняя шина первой врезается в воздух. Так как она круглая, нам приходиться проектировать достаточно хитрые формы закраины, которые могут возвратить воздух, отсекаемый шиной. Идея нашего проекта - эти формы использовать в своих интересах поток воздуха, если он протекает по поверхности закраины. С v-образной или плоской закраиной поток воздуха отделяется от подветренной стороны, как только закраина поворачивается по отношению к потоку воздуха больше, чем на один-два градуса. Или другими словами, когда колесо отклоняется от курса по ветру,' объясняет представитель Зипп. Разделение потока формирует область разряжения позади закраины обода, что является главным источником прижимной силы. 'Два года назад мы тестировали впадины на закраине обода, и поняли, что они абсолютно ничего не дают. Но в действительности, причиной неудачи было то, что поток воздуха отделялся слишком далеко от шины, таким образом поверхность диска не была в состоянии действовать, как аэродинамический элемент, поскольку находилась целиком в аэродинамической тени.'
Это весьма возможный сценарий того, почему ПВ, хоть и показывали определенную выгоду, автомобилисты быстро свернули тесты без полного понимания того, как эти впадины работают. 'На выгнутой секции мы были в состоянии держать поток воздуха на поверхности диска вплоть до семи-восьми градусов изгиба, но в конечном счете поток начинает отделяться или срываться на задней стороне. Используя впадины в комбинации с этими формами закраины обода, мы можем добиться, формирования бурного граничного слоя около поверхности диска, который позволяет потоку воздуха не отделяться от поверхности диска даже под большими углами. Взамен мы немного потеряли в воздушном сопротивлении,' продолжает представитель Зипп, 'но так как это приблизительно в 10 раз ниже чем сопротивление давления воздуха на колесо, мы думаем, что это вполне разумная цена за преимущество. Результат - колесо, которое не только быстрее при выполнении одного условия, но и при различных сочетаниях внешних воздействий это колесо будет быстрее.'
Пока колесо гоночного автомобиля несколько отличается по форме от велосипедного, методы использования покрытых ямочками покрышек является интересной темой для обсуждения и нуждается в дальнейшем исследовании.

Так же Зипп разработал новую ступицу для гоночных мотоциклов по методу ПВ. Предположительно по схожей технологии можно изготовлять карданные валы для одноместных гоночных автомобилей. Место работы этих деталей постоянно находится в тыловом потоке воздуха. 'Я думаю, что можно изготовить карданный вал с применением ПВ. Аэродинамическое сопротивление при вращении ступицы значительно сокращается при применении ПВ,' объясняет Портнер.

Где же еще можно использовать технологию ПВ? Возможно, диффузор или даже все днище? Впадины могли бы сделать антикрыло более эффективным. Кажется, Лексус использовал ПВ для днища одного из дорожных автомобилей, чтобы 'уменьшить шум'. А ведь шум – это признак низкого КПД. Значит, уменьшить шум = уменьшить сопротивление?
Один из инженеров Зипп ранее был задействован в проекте по аэродинамическим испытаниям в команде ИРЛ. 'Главное отличие гонок ИРЛ - углы установки антикрыльев настолько малы, что они редко всерьез задумываются над срывом потока и настраивают формы антикрыла почти как крыло самолета.' объясняет Портнер. 'В Ф1 на трассе Монако низкая скорость и переходные процессы (число Рейнольдса среднее, протекание уже не ламинарное, но и не турбулентное) на крыльях, которые установлены под большим углом, очень интересны. На высокой скорости в туннеле или Массне число Рейнольдса всегда высокое, но в шпильке у отеля или в Раскасс число Рейнольдса уменьшается на порядок,' продолжает Портнер. Хотя Монако - чрезвычайный пример для Ф1, принцип может относиться и к другим трассам, проложенным по улицам городов – По или Хьюстон, или на некоторых извилистых, запутанных трассах типа Хунгароринга.
'Впадины лишь немного увеличивают поверхностное аэродинамическое сопротивление на высокой скорости, но помогают увеличить прижимную силу и уменьшить лобовое сопротивление на низкой скорости. Или, по крайней мере, повысить критическую скорость, на которой происходит срыв потока,' заканчивает Портнер.
Конечно, существуют многочисленные оставшиеся без ответа вопросы. Например, каких размеров должны быть впадины? И как глубоки? В формулах с жестким техническим регламентом, таких как A1ГП или ГП2, применение пластинок или наклеек с ямочками будет считаться несоответствующим правилам? Если бы все поверхности автомобиля покрылись «рябью», привело это к еще лучшему эффекту? В конце концов, у акул грубая кожа по всему телу, что, как говорят, позволяет им проникать через толщу воду более эффективно. Есть много неправильных представлений и «непоняток», касающихся впадин в аэродинамическом проекте. Как сказал один спец по таинствам аэродинамики: 'Эта идея постоянно всплывает в наших кругах, но еще никто действительно не добрался до сути этого эффекта...'

[helgi]

Антикрылья будущего?...

В переводе-то моем я допустил одну ошибку. Серьезную ошибку. И пока меня какой-нибудь специалист не побил ногами, стоит уделить пару строк Рейнольдсу, турбулентности, слоям и различию между газом и жидкостью.
Возьмем с верхней полке тетрадь с лекциями по физике за первый курс института и заново перечитаем раздел посвященный силе внутреннего трения (СВТ)

СВТ возникает между твердым телом и жидкой средой, а также между слоями такой среды, движущимися с различной скоростью.
Именно в этой теме аэродинамика и гидродинамика существенно расходятся в объяснении схожих для среднестатистического человека процессов.
Почему волны могут накатывать на берег, а облако дыма приобретает самые причудливые формы, пока не развеется свежим ветром? Секрет в том, что молекулы жидкости имеют очень сильные связи между собой в одной плоскости, а сами эти плоскости не слишком связаны между собой. Вот и получается, что слои жидкости на молекулярном уровне могут скользить один по другому. А что же газ? Его молекулы слишком свободны, чтобы объединяться в такие слои. В этом и кроется главная причина расхождения аэро- и гидродинамики по вопросу вязкости, внутреннего трения и определения ламинарности-турбулентности потоков.
Слои газа, перемещающиеся с одинаковой скоростью, гораздо «толще» слоев жидкости. И выравнивание скоростей происходит за счет переноса импульса молекулами. Проще говоря, беспорядочно мечущиеся молекулы быстрого слоя то и дело прилетают в слой более медленный безо всякой цели (рис.1). Там они врезаются в медленные молекулы и теряют свою кинетическую энергию. Быстрый слой тормозится, а медленный разгоняется. И таких слоев невообразимо много. И вся эта этажерка взаимодействует своими полками, стремясь к равновесию, как и вся Природа в целом.
Теперь придется напрячь серые клеточки и представить себе, что такое градиент скорости (ГД).
ГД характеризует быстроту изменения скорости слоев при переходе от одного слоя к другому и равняется первой производной скорости слоев по пространственной координате. Проще говоря, чем больше этот градиент, тем больше разница в скоростях между соседними слоями(рис.2).
От чего же зависит СВТ в жидкостях? При ламинарном (читай спокойном) течении СВТ между слоями прямо пропорциональна их площади соприкосновения и прямо пропорциональна градиенту скорости слоев в направлении, перпендикулярном направлению их перемещения (рис.3).
Тут мы сталкиваемся с еще одним коэффициентом. η – коэффициент пропорциональности или динамическая вязкость жидкости [Па*с]. Вязкость газов, что неудивительно, на два порядка ниже, чем у жидкостей. Да и зависимость от температуры у них совершенно различная (рис.4).
А где еще всплывает этот самый коэффициент? Первое, что приходит в без пяти минут инженерную голову – число Рейнольдса (рис.5). А число это как раз и характеризует характер течения жидкости (да простят меня немногочисленные читатели за путаницу с наименованием жидкость/газ. По природе своей газ – тоже жидкость. Только там, где разница между этими состояниями существенна будут вносится уточнения, газ это или жидкость).
Ну а теперь сравним силы, действующие на передвигающееся в жидкости/газе тело – сила трения и сила лобового давления (рис.6,7).

Теперь, когда мы примерно прояснили картину, можно и взяться за антикрылья с впадинками. Как видно из рисунка 8а и статьи из журнала, обычная плоскость вносит сильное возмущение в поток воздуха. Вихри распространяются на большую часть поверхности и ламинарность течения серьезно нарушается. На рисунке 8б представлена ПВ, какой ее представляет себе автор этих строк и корявого рисунка. Поток, попадая во впадины образует местные завихрения, которые не дают образовываться более крупным и притягивают спокойно движущиеся слои воздуха. Образуется ли при этом прижимная сила? Если да, то впадины нужно располагать именно на верхней поверхности. Но в статье упоминается разработка Лексуса и возможность установки ПВ в диффузоре. Значит, ПВ позволяют ускорить движение воздуха (рис.8в)? Тогда их следует располагать под нижней поверхностью, как в примере с нелегальными наклейками на антикрылья.
Пока вопросов гораздо больше, чем ответов…

[helgi]

Ну и, конечно, нельзя забывать о том,что плоскость антикрыла изогнута гораздо больше тех восьми градусов,на которых срывается поток. Может ли вообще ПВ работать в таких условиях?

[ХодОК]

http://www.3dcar.ru/gallery/data/med...ada2112DTM.jpg

Вот такую картинку гугел выдает на запрос "дтм"