آيروديناميک

[Farhad3614]

آیرودینامیک علم بررسی نوع حرکت یک جسم سه بعدی در فضای جو یا همان هوا میباشد و در مورد چگونگی شکل ظاهری یک جسم و تاثیرات متقابل این شکل در هنگام حرکت با سرعت بالا در فضائی تشکیل شده از گاز بحث میکند.

در مورد اتومبیل هم به سبب حرکت این جسم سه بعدی برروی جاده و در فضای جو علم آیرودینامیک کاربردهای فراوان داشته و امروزه به عنوان یکی از ارکان اصلی در هنگام طراحی و ساخت یک خودرو مطرح است.
همچنین با توجه به اینکه جدیدا" ایجاد تغییرات آیرودینامیکی برروی خودروها در داخل کشور باب شده و بسیاری از دوستان به صورت علمی و غیر علمی در ظاهر خودروهای خود تغییرات ایجاد میکنند و اغلب با تعویض سپر.نصب فلاپ و اسپویلر و دست آخر به کمک انواع بال اقدام به ایجاد تغییرات در ظاهر خودرو و حالت آئرودینامیکی آن میکنند تصمیم به معرفی این شاخه از علم مکانیک و در این بخش ارائه توضیحات در مورد خودرو گرفتیم.

آئرودینامیک از دیرباز و بسیار قبل از بوجود آمدن اتومبیل در شاخه مکانیک و ابتدا در مورد قطارهای بخار با سرعت بالا ( بالای یکصد مایل سرعت ) مطرح شد.بسیاری از قطارهای تند رو بخار در زمان خود از فرم بدنه ای آئرودینامیک برخوردار بودند و خواسته و ناخواسته مهندسین هنگام ساخت وسیله ای نقلیه با سرعت سیر بالا با مشکلات آئرودینامیکی مواجه و جهت حل مساله مجبور به ارائه راه حل بودند.
بعدها با اختراع هواپیما آئرودینامیک دوباره مطرح شد و با توجه به اینکه هواپیماها اغلب سرعت سیر بالائی داشتند کلام اول را در هنگام طراحی یک هواپیما مسائل آیرودینامیکی میزد که موجب پیشرفتهای بسیاری در زمینه آئروینامیک هم شد.

در مورد اتومبیل به سبب سرعت سیر پائین خودروهای اولیه تا سالهای سال آئرودینامیک و مسائل حاصل از آن به صورت جدی در هنگام طراحی یک خورو مطرح نمیشد و بعضا" هم که در گونه ای از خودروها به آئرودینامیک پرداخته میشد یا به صورت بسیار اجمالی و محدود صرفا" به منظور ایجاد شکل ظاهری جذابتر یا کاهش جزئی در مصرف سوخت و بعضا" هم در مورد خودروهای مسابقه ای با سرعت سیر بالا بود و در هنگام طراحی خوروهای تولید انبوه و روزمره آئرودینامیک به صورت کاربردی و موثر تا اواسط دهه پنجاه مطرح نبود. ( هرچند که در قبل از این دهه خودروهائی نظیر فولکس واگن بیتل هم وجود داشتند که از ضریب آئرودینامیکی مناسبی هم برخوردار بودند ).

امروزه جهت طراحی و ساخت یک خودرو مسائل آئرودینامیکی یکی از اصلی ترین قسمتها در هنگام طراحی میباشد و به کمک آن خودروهای جدید مصرف سوخت کمتری داشته.حداکثر سرعت بیشتری دارند و از پایداری مناسبتری هنگام حرکت در سرعتهای بالا برخوردارند.همچنین صدای حاصل از حرکت و میزان نفوذ آن به داخل کابین نیز کاهش چشمگیری پیدا کرده.

هنگام بررسی یک خودرو از نظر آئرودینامیکی و در هنگام مقایسه با ضربی به نام ضریب دراگ ( CD) یا ضریب کشش مواجه میشویم ( مخفف واژه Coefficient of Drag ).
ضریب دراگ میزان مقاومت یا واماندگی یک جسم در مقابل عبور جریان هوا از یک جهت خاص ( عموما" از سمت جلو ) میباشد و این ضریب یک عدد کاملا" مستقل بوده و ارتباطی با سطح مقطع جسم ( که هرچه بیشتر باشد مقاومت در مقابل جریان باد نیز بیشتر میشود ) ندارد.
نیروی مقاومت کلی جسم در برابر عبور جریان هوا حاصل ضرب ضریب دراگ در سطح مقطع جسم میباشد. ( سطح مقطع جسم به معنای سطح عمودی حاصل از برش عمودی جسم مورد نظر در بزرگترین نقطه خود بر حسب متر مربع میباشد و به عنوان مثال سطح مقطع یک کامیون بسیار بزرگتر از سطح مقطع یک خودروی سواری است ).
ضریب دراگ یا واماندگی در مورد خودروها همواری عددی کوچکتر از یک میباشد. ( ضریب دراگ یک یا CD=1 مربوط به یک صفحه کاملا" صاف به فرم دایره است که به صورت عمودی در مقابل جریان عبوری هوا قرار گرفته باشد ضمنا" اگر جریان اغتشاشی در پشت این صفحه را در هنگام عبور جریان هوا را هم در نظر بگیریم CD=1.2 خواهد شد که 0.2 اضافه به سبب کشش حاصل از توربولانس پشت جسم میباشد. )
ضریب دراگ کاملا" بستگی به شکل جسم مورد نظر داشته و هرچه که جسم مورد نظر ما فرمی گردتر با زوایائی تیزتر در جلو و عقب برخوردار باشد مسلما" ضریب دراگی کمتر نیز خواهد داشت.
کمرین ضریب دراگ دنیا مربوط به قطره باران است که از نظر عددی برابر با CD=0.05 میباشد.
با توجه به اینکه عملا" نمیتوان خودروها را به شکل قطره باران ساخت خودروهای امروزی ضریب دراگی برابر با تقریبا" CD=0.30 دارند ( حدودا" شش برابر قطره باران! )
هنگام بررسی جریان هوای عبوری از مقابل یک خودرو با دوقسمت مواجه میشویم.نخست ناحیه پرفشار در قسمت جلو که توسط بدنه خودرو هوا شکافته شده و ناحیه دوم ناحیه کم فشار پشت که در این قسمت جریان شکافته شده هوا سعی در بازگشت به حالت عادی دارد.
به هرمیزان که قسمت جلوئی خودرو سریعتر و راحت تر جریان هوا را بشکافد و برعکس هرچه قسمت پشتی دیرتر و آرامتر حفره ایجاد شده را ببندد ضریب دراگ کمتری خواهیم داشت که در مورد قطره باران این امر به بهترین نحو انجام میگیرد.قسمت گرد جلوئی به سرعت جریان هوا را شکافته و قسمت کشیده و مخروطی انتهائی به آرامی حفره ایجاد شده را میبندد.

لامینار و توربولانس:

جریانهای هوا در هنگام برخورد و عبور از روی بدنه یک خودرو بسته به شکل و فرم قسمتهای مختلف خودرو شکلهای متفاوتی به خود میگیرند.
جریانهای مداوم و پیوسته جهت دهی شده جریان لامینار نامیده میشوند.جریانهای لامینار جریانهائی مقاوم و قابل محاسبه و ضمنا" پایدار هستند که عمدتا" در قسمتهای جلو و زیر و روی بدنه خودرو وجود دارند.
جریانهای توربولانس یا ناپایدار جریانهائی عموما" گردابی و مغشوش بدون جهت گیری خاص هستند که در نواحی کم فشار نظیر قسمت پشتی خودرو و در قسمتهائی که مقطع خودرو از زوایای تیز و نسبتا" عمودی تشکیل شده بوجود میایند.اینگونه جریانها و جهت حرکت و نوع حرکت آنها غیر قابل محاسبه و پیش بینی بوده و عموما" موجب فزایش ضریب دراگ هم میشوند.در هنگام طراحی سعی میشود تا حد ممکن از بوجود آمدن اینگونه جریانها جلوگیری شود و جریانهای توربولانس به صورت جریان لامینار در آید.

مقاومت هوا :
مقاومت در برابر عبور جریان هوا در یک خودرو از طریق فرمول زیر قابل محاسبه است:
Fl=0.615*V²*A*CD
Fl=مقاومت هوا
V=سرعت حرکت برحسب متر برثانیه
A=سطح مقطع موثرخودرو
CD=ضریب دراگ
که در این فرمول همانطور که مشاهده میکنید مقاومت حاصل از حرکت جریان هوا با دوبرابر شدن سرعت به میزان چهار برابر افزایش پیدا میکند ( خودروئی که با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در حال حرکت است نیاز به نیروئی برابر یک چهارم حرکت با سرعت 200 کیلومتر در ساعت و به تبع آن مصرف سوخت یک چهارم است ! )

با توجه به فرمول فوق جهت کاهش مقاومت هوا در سرعتهای بالا یا باید سطح مقطع موثر خودرو کاهش یابد ( که عملا" به معنای کاهش فضای داخلی یک خودرو روزمره بوده و منتفی است ) و یا باید ضریب دراگ کم شود که این مورد عملی تر بوده و ساده تر امکان پذیر است.
مثلا" اگر شما قصد داشته باشید حداکثر سرعت یک دستگاه پیکان( CD=0.36) را از 140 کیلومتر در ساعت به 175 کیلومتر در ساعت برسانید یا باید قدرت موتور را حدود 35 تا 40 اسب بخار اضافه کنید و یا اینکه با کاهش ضریب دراگ به میزان 0.30 به این سرعت برسید ( این مثال عینا" در مورد خودروی RD که از موتور پیکان استفاده میکند ولی از بدنه پزو 405 با ضریب دراگ اصلی معادل 0.29 که در RD به میزان 0.30 رسیده کاملا" قابل مشاهده است ).

جهت بررسی آیرودینامیک در خودروهای مختلف ابتدا باید با فرمهای مختلف بدنه آشنا شویم.
در قسمتهای بعدی فرمهای مختلف بدنه خودرو و چگونگی عبور جریان هوا در آنها و همچنین با قطعات آیرودینامیکی نظیر بال.فلاپ و اسپویلر و همچنین انواع دیفوزر مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

منبع: مجله ماشین 2005

[ebadian]

دوست عزيز
با تسکر مطلب بيسار جالبي بود اگه موافق باسي ما در وبلاگم استفاده کنيم