Aerodynamik til biler

De automotive aerodynamik er studiet af fænomener aerodynamiske induceret af strømmen af luft rundt om et køretøj bil i bevægelse. Kendskab til disse fænomener gør det muligt, blandt andet for at reducere forbruget køretøj ved at reducere deres træk , forbedre deres vej adfærd ved at påvirke deres elevator (eller downforce) og reducere aeroakustiske fænomener samt højhastigheds- turbulens .

Taget i betragtning meget tidligt i bilens historie , ligesom La Jamais contente, der blev profileret som en torpedo, fik aerodynamik til fart i 1930'erne. USA, at Chrysler Airflow , den første produktionsbil designet med hensyn til en aerodynamisk profil, blev født . Derefter vil biler fortsætte med at forbedre sig, især efter udseendet af Formel 1, hvis mesterskab stadig vækker stor spænding på dette felt.

Aerodynamik er iboende forbundet med væskemekanik , og vindtunneltest er i dag blevet afgørende for bilproducenter. Desuden på grund af de komplekse fænomener, der er involveret i aerodynamik, har sidstnævnte - og især racerhold - også brug af numerisk beregning (eller CFD til "  Computational Fluid Dynamics  ") for at løse deres problemer.

Forudsætninger: aerodynamiske størrelser

Træk eller aerodynamisk modstand mod rejser

I væskemekanik er aerodynamisk træk den kraft, der modsætter bevægelsen af ​​en krop i en væske , det vil sige i en bil, den kraft, der modsætter sig bevægelsen af ​​køretøjet i luften. Det er derfor i producenternes interesse at reducere den aerodynamiske træk, kraften ved oprindelsen af ​​en stigning i brændstofforbruget og en nedbrydning af tophastigheden på linje, selvom en anden træk , den løbende træk , også modsætter sig fremskridt af køretøj på kørebanen.

Denne aerodynamiske træk udtrykkes med formlen: Fx{\ displaystyle F_ {x}}

Fx=12⋅ρ⋅V2⋅S⋅VSx{\ displaystyle F_ {x} = {\ frac {1} {2}} \ cdot \ rho \ cdot V ^ {2} \ cdot S \ cdot C_ {x}}

eller:

ρ{\ displaystyle \ rho}, lufttæthed (i kg / m 3 ); V{\ displaystyle V}køretøjets hastighed i forhold til luft (i m / s ) S{\ displaystyle S}, mesterpar (i m 2 ); VSx{\ displaystyle C_ {x}}, koefficienten for aerodynamisk træk (uden enhed).

Dette udtryk fremhæver en parameter af afgørende betydning for bestemmelse af luftmodstand: den . Den , eller koefficienten for aerodynamisk træk, er forholdet mellem den aerodynamiske trækning af en genstand og den for en genstand med den samme referenceflade, der bevæger sig med samme hastighed i den samme væske, og som ville have en aerodynamisk trækkoefficient på 1 Dette målnummer karakteriserer således kvaliteten af ​​den "aerodynamiske profilering" af et objekt med hensyn til dets modstandsdygtighed over for fremskridt i luften langs køretøjets længdeakse. VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Værdien af mastermomentet S - køretøjets maksimale frontareal - kan opnås ved beregning på en plan eller estimeret for eksempel ved hjælp af den såkaldte Paul Frère-formel:

S=k⋅h⋅l{\ displaystyle S = k \ cdot h \ cdot l}

eller

• h{\ displaystyle h} er køretøjets højde over kørebanen,
• l{\ displaystyle l} dens bredde (uden spejle),
• k{\ displaystyle k} en belastningsfaktor svarende til ca. 0,85.

I mellemtiden, med henvisning til Flegl og Bez, giver Hucho en gennemsnitlig belastningsfaktor (eller formfaktor ) på 0,81, baseret på 85 europæiske biler . Denne formfaktor bruges til at beregne et køretøjs frontareal (europæisk) efter ingeniørens regel: Sfroikket{\ displaystyle S_ {front}}

Sfroikket=0,81hb{\ displaystyle S_ {front} = 0,81 \; h \; b},

eller:

• h{\ displaystyle h} er køretøjets højde over kørebanen
• b{\ displaystyle b} dens bredde (uden spejle).

For private køretøjer varierer mastermomentet mellem 1,5 og 2,5  m 2 .

Den vigtigste luftmodstand, i størrelsesordenen 2 / 3 af den samlede aerodynamisk luftmodstand, er "form træk" (eller profil). Det skyldes to fysiske fænomener: på den ene side af sættet af tryk på den forreste overflade af køretøjet (overtryk og fordybninger), som resultater i øvrigt meget kontra-intuitivt, i en forholdsvis lav foran kroppen træk. , Og på den på den anden side den depression, der er tilbage efter passage af køretøjet, der producerer en såkaldt "base-træk", hvor denne base-træk repræsenterer en væsentlig del af den samlede træk (se nedenfor).

Den anden aerodynamiske træk kommer fra turbulens forbundet med adskillelsen af ​​strømmen , hvirvler eller hvirvler, der er knyttet til "induceret træk" ved liften , fra "intern træk" på grund af afkøling af motoren, fra luftcirkulationen i luften . ' passager , friktionsmodstanden (opkaldt endnu træk friktion ) grund af luft viskositet,  etc.

Betydningen af ​​C x og frontalareal med hensyn til forbrug

Ved vejbrug bruges en stor del af energien, der forbruges af en bil, til at overvinde den aerodynamiske modstand mod at rejse. Ved høj hastighed er denne aerodynamiske modstand (eller aerodynamisk træk) overvægtig i forhold til rullemodstand , da dens værdi ændres som kvadratet for hastigheden (figur modsat).

For at reducere den aerodynamiske modstand hos en bil kan producenterne handle på to parametre: C x og mastermomentet S. Den opadgående udvikling af standarder med hensyn til komfort og beboelighed er uforenelig med en reduktion i master-parret, det er i det væsentlige C x, som kan udvikle sig. Ved at reducere en C x oprindeligt til 0,40 med 15% sparer et køretøj, der kører i 120  km / t, en liter brændstof pr. 100  km .

Luftens massefylde antages at være 1.2  kg / m 3 ved 20  ° C .

Nedenstående tabel opsummerer den aerodynamiske træk for en SUV med et frontareal på 2,70  m 2 som en funktion af dens hastighed for to på 0,3 og 0,38. VSx{\ displaystyle C_ {X}}

Aerodynamisk træk af en SUV (i N )

Frontareal = 2,70  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	118,8	232,8	384,8	574,8	802,8
C x = 0,30	93,8	183,8	303,8	453,8	633,8

Nedenstående tabel opsummerer den aerodynamiske modstand af en dieselmotor by bil med en frontal areal på 1,74  m 2 som funktion af dens hastighed, for to af 0,3 og 0,38. VSx{\ displaystyle C_ {X}}

Aerodynamisk træk af en bybil (i N)

Frontareal = 1,74  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	76,5	150,0	248,0	370,4	517.3
C x = 0,30	60.4	118.4	195.8	292.4	408.4

Enheden kWh / 100 km svarer til en kraft på 36  N , tabellerne kan skrives:

Aerodynamisk energitab på en SUV (i kWh / 100 km )

Frontareal = 2,70  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	3.3	6.5	10.7	16.0	22.3
C x = 0,30	2.6	5.1	8.4	12.6	17.6

såvel som :

Aerodynamisk energitab for en bybil (i kWh / 100 km)

Frontareal = 1,74  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	2.1	4.2	6.9	10.3	14.4
C x = 0,30	1.7	3.3	5.4	8.1	11.3

Med en liter benzin, der repræsenterer ca. 10  kWh , bliver tabellen:

Aerodynamisk energitab på en SUV (i l / 100 km )

Frontareal = 2,70  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	0,33	0,65	1,07	1,60	2.23
C x = 0,30	0,26	0,51	0,84	1.26	1,76

såvel som :

Aerodynamisk energitab for en bybil (i l / 100 km )

Frontareal = 1,74  m 2	50  km / t	70  km / t	90  km / t	110  km / t	130  km / t
C x = 0,38	0,21	0,42	0,69	1,03	1.44
C x = 0,30	0,17	0,33	0,54	0,81	1.13

Det er fortsat at tage højde for køretøjets samlede effektivitet, illustreret af diagrammet overfor. Det er mellem 13 og 20% ​​for termiske køretøjer og omkring 50% for elektriske køretøjer (under hensyntagen til opvarmning, klimaanlæg og tab fra det elektriske netværk, men udeladelse af elens produktionseffektivitet - se Elbil og Grå energi ).

Bemærk Beregningerne foretages for en konstant hastighed. I tilfælde af en lineær hastighedsrampe som en funktion af tiden, som f.eks. De, der er til stede i standard NEDC- cyklusser , er det alligevel muligt at bestemme en gennemsnitlig aerodynamisk træk. For en lineær hastighedsrampe mellem hastigheder og er den gennemsnitlige aerodynamiske træk som følger:v0{\ displaystyle v_ {0}}v1{\ displaystyle v_ {1}} 12⋅ρ⋅S⋅VSxv02+v122{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ cdot \ rho \ cdot S \ cdot C_ {X} {\ frac {v_ {0} ^ {2} + v_ {1} ^ {2}} {2 }}}

Skøn over gevinsten i forbrug på grund af gevinsten i VSx{\ displaystyle C_ {x}}

I niveau (og ved stabiliseret hastighed) kan man skrive, at den fremdrivende kraft er værd . F=MgR0+(1/2)ρV2SVSx{\ displaystyle F = MgR_ {0} + (1/2) \ rho V ^ {2} SC_ {x}}

ligning hvor er massen af køretøjet, den tyngdeaccelerationen, koefficienten af rullemodstand , densiteten af luft, hastigheden af køretøjet med hensyn til denne luft, referencefladen af og den forreste del af køretøjet. M{\ displaystyle M}g{\ displaystyle g}R0{\ displaystyle R_ {0}}ρ{\ displaystyle \ rho}V{\ displaystyle V}S{\ displaystyle S}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Når (stadig niveau og med stabiliseret hastighed) rullende træk er lig med den aerodynamiske træk , kan vi skrive: MgR0{\ displaystyle MgR_ {0}}(1/2)ρV2SVSx{\ displaystyle (1/2) \ rho V ^ {2} SC_ {x}}

MgR0=(1/2)ρV2SVSx{\ displaystyle MgR_ {0} = (1/2) \ rho V ^ {2} SC_ {x}}

Det er let at udlede af denne ligestilling, hvis værdi udligner rullende træk og aerodynamisk træk og at tegne grafen modsat tegning af denne hastighed af lighed som en funktion af og for forskellig værdi af produktet ( som køretøjets masse i kg og dens rullemodstandskoefficient , der falder til 0,006 for de bedste sæt dæk). V{\ displaystyle V}VSx{\ displaystyle C_ {x}}MR0{\ displaystyle MR_ {0}}M{\ displaystyle M}R0{\ displaystyle R_ {0}}

Det kan let udledes af den første ligning, at den relative variation af , dvs. , er værd: F=MgR0+(1/2)ρV2SVSx{\ displaystyle F = MgR_ {0} + (1/2) \ rho V ^ {2} SC_ {x}}F{\ displaystyle F}ΔFF{\ displaystyle {\ frac {\ Delta F} {F}}}

11+MgR0(1/2)ρV2SVSxΔVSxVSx{\ displaystyle {\ frac {1} {1 + {\ frac {MgR_ {0}} {(1/2) \ rho V ^ {2} SC_ {x}}}}} {\ frac {\ Delta C_ { x}} {C_ {x}}}}

Når vi giver dens værdi 9,81, dens værdi 1,225 kg / m 3 , og vi konverterer km / t til m / s, finder vi det for en stabiliseret hastighed V i trin på 130 km / t  : g{\ displaystyle g}ρ{\ displaystyle \ rho}  

ΔFF=11+0,01228MR0SVSxΔVSxVSx{\ displaystyle {\ frac {\ Delta F} {F}} = {\ frac {1} {1 + 0,01228 {\ frac {MR_ {0}} {SC_ {x}}}}} {\ frac {\ Delta C_ {x}} {C_ {x}}}

Denne relative variation i fremdriftskraft skal være knyttet til en relativ variation i forbrug. ΔFF{\ displaystyle {\ frac {\ Delta F} {F}}}

En variation i fremdriftskraften producerer faktisk en variation (i samme retning) i forbrug: forbrug i liter pr. 100  km er faktisk ved første indflyvning og til en koefficient på k, knyttet til motorens effektivitet, proportional med fremdriftskraften. ΔF{\ displaystyle \ Delta F}

En del af den energi, køretøjet bruger, er imidlertid ikke knyttet til den tilbagelagte afstand eller til fremdriftskraften, det er den del af energien, der bruges, for at aktivere tilbehør (klimaanlæg, belysning, køretøjsassistance. Retning osv.). Sovran og Blasere estimerer denne energi (eller forbrug) til 6% af køretøjets samlede energi på en bymæssig motorvej ( motorvej i USA). Hvis vi vedtager dette skøn for rejser på europæiske motorveje (altid med konstant hastighed og niveau), kan vi derfor skrive:

ΔFF=ΔVSoikkesopå0,94VSoikkeso{\ displaystyle {\ frac {\ Delta F} {F}} = {\ frac {\ Delta Conso_ {a}} {0,94Conso}}}

ΔVSoikkesopå{\ displaystyle \ Delta Conso_ {a}}være variationen i forbrug efter en variation i køretøjets aerodynamik og være forbruget i liter pr. 100 km af køretøjet, da den samlede trækkraft (rullende træk + aerodynamisk træk) kun koster 94% af forbruget. VSoikkeso{\ displaystyle Conso}

Så vi har:

ΔVSoikkesopåVSoikkeso=0,94ΔFF{\ displaystyle {\ frac {\ Delta Conso_ {a}} {Conso}} = 0,94 {\ frac {\ Delta F} {F}}}

Dette giver os mulighed for at skrive og tage værdien af beregnet ovenfor: ΔFF{\ displaystyle {\ frac {\ Delta F} {F}}}

ΔVSoikkesopåVSoikkeso=0,941+0,01228MR0SVSxΔVSxVSx{\ displaystyle {\ frac {\ Delta Conso_ {a}} {Conso}} = {\ frac {0.94} {1 + 0.01228 {\ frac {MR_ {0}} {SC_ {x}}}}} {\ frac {\ Delta C_ {x}} {C_ {x}}}}

Hvis vi symboliserer med ovenstående koefficient, og vi kalder denne koefficient aerodynamikens indflydelseskoefficient på forbrug , kan vi skrive: ξ{\ displaystyle \ xi}ΔVSxVSx{\ displaystyle {\ frac {\ Delta C_ {x}} {C_ {x}}}}

ΔVSoikkesopåVSoikkeso=ξΔVSxVSx{\ displaystyle {\ frac {\ Delta Conso_ {a}} {Conso}} = \ xi {\ frac {\ Delta C_ {x}} {C_ {x}}}}

med ξ=0,941+0,01228MR0SVSxΔVSxVSx{\ displaystyle \ xi = {\ frac {0.94} {1 + 0.01228 {\ frac {MR_ {0}} {SC_ {x}}}}} {\ frac {\ Delta C_ {x}} {C_ {x} }}}

De grønne kurver i grafen overfor viser udviklingen af ​​denne aerodynamiske indflydelseskoefficient på forbruget som en funktion af (for 2 m² referencefrontareal) og som en funktion af produktet af køretøjets masse (i kg) ved dens rullende koefficient (typisk 0,006 for de bedste sæt dæk). VSx{\ displaystyle C_ {x}}

For eksempel for en sedan med masse , rullende koefficient , og frontareal , plan og på en stabiliseret hastighed på 130 km / t : en relativ ændring n  % af tilvejebringer derfor en relativ modifikation 0,837 n  % af forbruget. M=1000kg{\ displaystyle M = 1000 kg}R0=0,006{\ displaystyle R_ {0} = 0,006}VSx=0,3{\ displaystyle C_ {x} = 0,3}S=2m2{\ displaystyle S = 2m ^ {2}} VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Løft eller nedstyrk

I væskemekanik kan den kraft, som et bevægeligt legeme gennemgår i en væske, opdeles i to: en lodret komponent derfor vinkelret på bevægelsesretningen , kaldet lift og en parallel komponent, kaldet lateral lift; de er givet ved formlerne: Fz{\ displaystyle F_ {z}}Fy{\ displaystyle F_ {y}}

Fy=12ρV2SVSy{\ displaystyle F_ {y} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SC_ {y}} Fz=12ρV2SVSz{\ displaystyle F_ {z} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SC_ {z}}

eller:

ρ{\ displaystyle \ rho}, lufttæthed (i kg / m 3 ); V{\ displaystyle V}køretøjets hastighed i forhold til luft (i m / s ) S{\ displaystyle S}, referenceflade (i m 2 ); VSy{\ displaystyle C_ {y}}og de lift koefficienterne (dimensionsløs).VSz{\ displaystyle C_ {z}}

I luftfart modsætter lift sig vægten af flyet og giver løft . I biler forsøger producenter at reducere eller annullere aerodynamisk lift eller endda at skabe (i konkurrence) negativ lift eller downforce for at øge køretøjets downforce. Fordelen er igen at øge grebet på dækkene på jorden og dermed kraften i bremsningen og passagehastigheden i en kurve.

Den downforce opnås ved en særlig anvendelse af jorden virkning og / eller ved profilerede overflader ( vingeklapper ) som oftest har slidser til at øge den aerodynamiske afbøjning og opdriftskoefficienten C z . Tilføjelsen af ​​disse elementer ledsages imidlertid nødvendigvis af en stigning i C x og derfor i træk; for eksempel er C x af en formel 1 tæt på 0,9. Konkurrencebiler skal derfor finde et kompromis mellem downforce og træk.

Aerodynamiske øjeblikke

De kræfter, der udøves af luften omkring kroppen, genererer også øjeblikke langs køretøjets tre akser: et rullende øjeblik langs længdeaksen x, et stigningsmoment langs den tværgående akse y og et drejningsmoment langs den lodrette akse z; disse øjeblikke er givet ved følgende formler: Mx{\ displaystyle M_ {x}} My{\ displaystyle M_ {y}} Mz{\ displaystyle M_ {z}}

Mx=12ρV2SbVSl{\ displaystyle M_ {x} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SbC_ {l}} My=12ρV2SLVSm{\ displaystyle M_ {y} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SLC_ {m}} Mz=12ρV2SLVSikke{\ displaystyle M_ {z} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SLC_ {n}}

eller:

ρ{\ displaystyle \ rho}, lufttæthed (i kg / m 3 ); V{\ displaystyle V}køretøjets hastighed i forhold til luft (i m / s ) S{\ displaystyle S}, mesterpar (i m 2 ); b{\ displaystyle b}, spor (i m ); L{\ displaystyle L}, Akselafstanden (i m ); VSl{\ displaystyle C_ {l}}koefficient for rullende øjeblik (enhedsløs); VSm{\ displaystyle C_ {m}}, pitch moment koefficient (enhedsløs); VSikke{\ displaystyle C_ {n}}yaw moment koefficient (enhedsløs).

At kende disse øjeblikke er mere især nyttigt for køretøjets dynamik .

Historie

Den første vedrører

Meget tidligt i bilens historie var producenterne interesserede i aerodynamikken i deres modeller. En af de første var den belgiske Camille Jenatzy, der i 1889 designede en elektrisk bil formet som en torpedo med det formål at slå hastighedsrekorder. Kaldet La Jamais contentente , blev det samme år den første bil, der krydsede den symbolske 100  km / t barriere . Teksten til patentet Jenatzy n o  281 660 den26. september 1898 : "Sammenfattende hævder jeg: I en bil med henblik på at opnå ekstraordinære hastigheder afsluttes forsiden foran på bilen af ​​et skjold eller en windbreaker i et punkt og dannet af to konvekse overflader, der hæver sig for at beskytte selv de højeste dele af maskinen ... ” . I den forberedende fase til produktion af en replika blev en 1/5 skalamodel produceret og testet i en vindtunnel af studerende fra UTC (University of Technology of Compiègne) under ledelse af Joël Debout C x med driver er 0,758 .

I 1910'erne var nogle designere også interesserede i bilens aerodynamik, som Alfa Romeo 40-60 HP designet af bodybuilder Castagna , hvis krop danner et strømlinet skrog i form af et fly. Selvom disse avantgardebiler forbliver marginale, afspejler de et ønske fra de "store" bilproducenter om at reducere træk  : forruderne er mere tilbøjelige, hjulene er monteret osv.

I modsætning til luftfart kunne bilen fra starten drage fordel af "en række doktriner, testanordninger og et betydeligt antal eksperimentelle resultater" fra luftfarten. Disse resultater har blandt andet gjort det muligt at demonstrere, at den bedste profil over for C x er a priori, der siges at være "dråbe" , den østrigske ingeniør Edmund Rumpler udviklede i begyndelsen af 1920'erne en bil profileret i krop med mindre træk . Vindtunnel testet af Volkswagen i 1979, Rumpler Tropfenwagen (bogstaveligt talt "drop car" på tysk) havde kun en C x 0,28; Volkswagen opnåede kun en bedre koefficient i 1988 med Passat .

Nogle visionærer

Samtidig var den ungarske ingeniør Paul Jaray den første til at bemærke, at formen på en "  krop med mindst mulig træk  " er forskellig afhængigt af, om den er placeret i luften ( aerodyne ) eller nær jorden ( f.eks. Bil ). Faktisk øges trækket på en strømlinet krop tæt på jorden kraftigt ved løsrivelse af grænselaget .

Denne opdagelse, som han foretog, udførte han sammen med Wolfgang Klemperer , længe før bilproducenterne, tests i vindtunnelen til grev Zeppelin i Friedrichshafen  ; resultatet er en bil, der er profileret som en flyvinge, Ley T2, uden ruhed, og hvor alt tilbehør (forlygter, gitter  osv. ) er integreret i karrosseriet. Dens mål var ifølge Serge Bellu "at optimere ydeevne, forbrug, ventilation og stilhed".

Hvis den aerodynamiske forstærkning er stor, genererer kroppen designet af Jaray og Klemperer løft og derfor træk induceret af dannelsen af ​​to store sidevirvler . For at løse dette problem foreslog Mauboussin "et karrosseri i form af en lodret fløj, som [eliminerer] den inducerede træk", og derefter står de over for problemerne med vejstabilitet skabt af denne løsning, "en iscenesættelse af mesterkoblingen mod agterenden danner en stabiliserende afdrift ”.

Hvis bilerne tidligere var formet som en halv torpedo, er det overordnede design nu en berlingot , som Mathis 333 , en form optaget af mange datidens bilproducenter, især tyske, som Mercedes-Benz , Opel eller Maybach .

Kriser som vektorer for udvikling

1930'erne markerede virkelig starten på moderne aerodynamik. Mens "  Black Thursday  " kaster bilindustrien i krise, ligesom andre økonomiske sektorer - hvilket især resulterer i stigningen i olieprisen - gennemfører amerikanske producenter en sand æstetisk revolution; dette er den moderne strømlines æra .

Ud over at forny bilens stil for bedre at appellere, er interessen at forbedre aerodynamikken og dermed reducere brændstofforbruget. Den amerikanske producent Chrysler var den første, der interesserede sig for denne bevægelse og masseproducerede en bil inspireret af den. I 1934 blev Chrysler Airflow , der bogstaveligt betyder "luftstrøm" på engelsk, hurtigt det mest udtryksfulde emblem for Streamline Modern-bevægelsen . På trods af krisen viste det sig at være for innovativt til at skabe kommerciel succes ud over “agtelsesucces”. Det markerede dog begyndelsen på den aerodynamiske designers æra, og Streamline- fænomenet spredte sig til Europa.

I Frankrig afslører Peugeot på biludstillingen i Paris 1935 , 402 , en sedan med flydende linjer kaldet ”Sochaux tidszone”, præget af en afrundet gitter , oppustede skærme , en meget lang krop med seks vinduer, en forrude. I to dele samt forlygter integreret i gitteret.

1970'erne markerede igen et vendepunkt i bilens aerodynamikhistorie. Som verdens oplever sin første olie chokere den6. oktober 1973bilproducenter skubber aerodynamikken i deres køretøjer yderligere; trækkoefficienten bliver et vigtigt kriterium i specifikationerne. Den franske producent Citroën beslutter at udskifte DS - som allerede havde taget et skridt fremad takket være luftfartsingeniøren André Lefèbvre ved at tvinge bilens arkitektur til aerodynamik og ikke omvendt - ved CX ved navnet stemningsfuldt af denne tendens.

Formel 1, aerodynamiklaboratorium

”Aerodynamik er den del, hvor den største præstationsgevinst kan opnås, men det er meget vanskeligt at forudse det for at være konkurrencedygtigt. "

-  Mike Gascoyne , 2002

I 1950 etablerede International Automobile Federation det første verdensmesterskab i Formel 1- kørere . De konkurrerer i Grands Prix ombord på enkeltsæder med ikke-faired hjul, hvilket skaber et særligt handicappende træk for ydeevne. Forbedringen af ​​aerodynamik bliver derfor i årenes løb en stor andel ligesom ophængene eller motoren.

Begyndelsen er dog ret langsom. Det var først i 1966, at en første Formel 1 blev testet i en vindtunnel. I 1968 optrådte den første bageste spoiler på Ferrari 312  ; F1-designere havde indtil da været tilfredse med at reducere træk uden at se, at aerodynamik kunne bruges til at øge downforce ved at tilføje fiktive masser (aerodynamiske kræfter, der ikke øger massen og derfor køretøjets inerti ).

Derefter vil vingebiler eller biler med jordeffekter blive født , som er den første single-seater Formel 1 inklusive alle (og ikke kun kroppen) er designet aerodynamisk; de pontoner , især i form af omvendte vinger. Således indsnævres pontonernes form under bilen mellemrummet mellem bilens bund og jorden, før passagen udvides. Denne særlige gør det muligt at drage fordel af Venturi-effekten , fra navnet på dens opfinder, der havde vist, at luften, der passerer gennem en sådan sti, skaber en depression. Samtidig er siderne på pontonerne isoleret fra de ydre strømme af "nederdele", der ned til jorden. Således fløj-biler har de en stærk aerodynamisk fænomen, der giver dem mulighed for at holde sig til vejen i sving.

Blandt de første eksempler viste Lotus 78 og Lotus 79 , der dukkede op i 1977, utrolig effektivitet, så meget at de hurtigt blev kopieret af andre hold.

Colin Chapman , ingeniøren med ansvar for Lotus , er en af ​​initiativtagerne til denne innovation i Formel 1. Han vælger at fokusere på undervognen til en-personers indtil da stort set glemt. Da han var klar over, at oprettelsen af ​​downforce genererer træk, der er skadelig for bilens fremskridt, er han overbevist om, at understellet kan tilbyde en interessant downforce og minimal træk. Chapman indser derefter interessen for at sænke bilens frihøjde for at drage fordel af jordeffekten .

Som et resultat af forskellige FIA- reguleringsforbud og -begrænsninger for at begrænse effektiviteten af ​​enkeltpersoner - minimum frihøjde, flad bund osv. - ingeniører forsøger at genvinde den støtte, de mistede med de nye regler. Sådan blev tv-selskabet født i slutningen af ​​1980'erne og udviklet sig i 1990'erne . Dette er installeret på bagsiden af ​​den flade bund, der pålægges enkeltsæder, for at genskabe jordeffekten takket være dens form, der kanaliserer luften, når den forlader bilens bagende.

Mange andre aerodynamiske elementer, såsom deflektorer eller for nylig F-kanalsystemet , har dukket op i formel 1, men forbliver specifikke for dette område af bilen, i modsætning til finner eller diffusoren, som nu findes på visse modeller. Faktisk kom de fleste af de aerodynamiske forbedringer i produktionsmodeller indtil midten af ​​1970'erne fra viden erhvervet i motorsport gennem prototype udholdenhedsløb eller Formel 1 racing.

Fra 1980'erne til i dag

Bilindustrien blev permanent påvirket af oliestødet og derefter af recessionen i 1970'erne. Som et resultat blev forbedring af aerodynamik til biler et teknisk og marketingmæssigt svar på brugernes bekymringer. En af producenterne, der har forstået dette meget tidligt, er den tyske Audi . I 1982 blev Audi 100 (C3) afsløret , hvor C x på kun 0,30 var den laveste nogensinde for en produktionsbil. Denne præstation for tiden er muliggjort af den særlige pleje, der gives til detaljer - som repræsenterer næsten 6% af træk - især i vinduerne, flugter med karrosseriet.

For at perfektionere deres modeller tyder bilproducenter i dag systematisk på vindtunneltest. Takket være den opnåede erfaring opnår de bedste produktionsbiler med hensyn til aerodynamik således værdier på C x tæt på 0,25.

Ikke desto mindre er reduktionen af ​​C x ikke let for produktionsbiler; hvis bilens aerodynamik i de første år tillod hurtige fremskridt for at nå værdier af størrelsesordenen 0,30, var det nødvendigt at vente næsten ti år på at gå fra 0.26 i Opel Calibra til 0.25 i Honda Insight I og endda mere til 0.24 af Mercedes-Benz E-klasse W212 coupe.

Den EV1 fra General Motors , den første elbil "moderne" to-sæders, har nået en C x 0,19, men kun kun 1117 enheder bygget fra 1996 til 1999.

I dag er rekorden for den laveste C x opnået af en "mainstream" bil i Aptera 2-serien , en lille trehjulet bil med en C x på 0,15. Som en klassisk firhjuling skiller Mercedes-Benz Bionic konceptbil sig med karosseri inspireret af en trunkfish ud med en værdi på 0,19.

C x optag historik på produktionsmodeller

	Audi 100 (C3)	Renault 25	Opel kalibra	General Motors EV1	Honda indsigt	Mercedes E klasse
Udgivelsesår	1982	1984	1989	1996	1999	2009
Koefficient C x	0,30	0,28	0,26	0,19	0,25	0,24

• Eksempler på køretøjer med lav trækkoefficient.

• På trods af sine vinklede linjer var Audi 100 (C3) i 1982 den produktionsbil med den laveste C x med 0,30.

• En EV1 udstillet i Beijing i 1999 ved en C x på 0,19.

• Mercedes-Benz Bionic Concept har også en C x på 0,19 (2005).

Indflydelse af en bils geometri på dens aerodynamik

Fordeling af tryk (eller tryk ) på en bilVSs{\ displaystyle C_ {p}}

Diagrammet overfor giver en typisk fordeling af trykkoefficienterne i symmetriplanet for en temmelig god fastback- bil , DrivAer-modellen. Denne DrivAer-model blev skabt af Technische Universitat Munchen (TUM) i samarbejde med to store producenter og er baseret på former og dimensioner på to typiske vejsaloner, Audi A4 og BMW 3-serien .

Profil af den bageste del

Udformningen af ​​et køretøjs agterstavn påvirker stærkt dets aerodynamiske modstand på grund af den turbulens, der genereres i denne del. Fænomenet med adskillelse af grænselaget , en væsentlig kilde til træk, er især involveret; dette fænomen opstår, når den laminære luft strømmer ikke længere følger karrosseriet. Jo mindre separationszonen er, desto mere reduceres trækket og dermed vigtigheden af ​​separationsstedet. I teorien er den ideelle form for køretøjets agterstavn - kendt som "Kamm's tail" - en tilspidsende kegle i en vinkel på mindre end 15 °.

Tagdrops design er særlig vigtig for aerodynamik. Generelt i biler anvender "aerodynamiske" tagnedløb en såkaldt fastback- profil, der er kendetegnet ved en blid hældning fra taget til bagagerummet. Mere specifikt har undersøgelser vist, at træk er minimal for en hældning af bagruden på 12 ° og maksimum for 30 °:

• i en vinkel på mindre end 12 ° flyder luften naturligt over rammen og tager af ved enden af ​​køretøjet
• i en vinkel mellem 12 ° og 30 ° tager luften delvist af fra væggen øverst på rammen, limer den derefter på og tager af ved enden af ​​køretøjet;
• over 30 ° tager luften af ​​ved slutningen af ​​flaget og forbliver i denne tilstand, derfor en særlig dårlig C x .

Bortset fra fordelen ved at reducere træk, skubber adskillelseszonen tilbage, det gør det muligt at begrænse aflejringen af ​​snavs på bagruden på grund af de partikler, som hjulene skubber ud af vejen og bragt tilbage af turbulensen på den bageste hylde.

Desuden kan køretøjets laterale luftstrømme suges ind i den bageste fordybning og dermed generere hvirvelsystemer, kaldet hvirvler , som er skadelige for den generelle aerodynamik. Ud over bagagerummet og tagfaldet skal der også tages hensyn til sidekanterne på kroppen for at reducere dette fænomen.

Bidraget fra den bageste del af et nuværende to-volumen køretøj (hvor løsrivelse finder sted over næsten hele baghøjden) anslås til 30% af et sådant køretøjs C x .

Bidrag fra den forreste del

Den forreste ende af et privat køretøj tegner sig typisk for omkring 11% af SC x , hvoraf otte alene skyldes motorkøling. Faktisk udøver luften, der kommer ind gennem køretøjets gitter, et betydeligt aerodynamisk tryk på væggene på radiatoren , motoren og kanalerne, der gør det muligt at føre det uden for motorrummet; luftstrømmen i den forreste del er derfor meget kaotisk. I teorien ville det være muligt at reducere træk på grund af motorkøling til nul ved hjælp af den termiske energi, der opnås med køleluften.

De resterende 3%, på grund af køretøjets profil, induceres af brud i hældningen på niveauet af gitteret, der forårsager "udseendet af hvirvelstrukturer". Højden Z r af stagnationspunktet , placeret på overfladen af skallen, hvor den lokale lufthastighed er nul, er desuden særligt vigtigt til reduktion af C x  ; sidstnævnte er minimum for et Z s / Z v- forhold (hvor Z v er køretøjets højde) tæt på 0,06 og maksimalt for 0,2.

I modsætning til hvad vores intuition dikterer for os, genererer den forreste del (eller frontkroppen ) af en korrekt tegnet bil kun en meget lille del af trækket. Desuden viser de aerodynamiske målinger tilstrækkeligt, at visse raketstridshoved, for eksempel i subsonisk , viser undertryk, hvilket er endnu mere kontraintuitivt. Denne defekt intuition er opmuntret af alle bilproducenter i det tidlige 21. th  Century, der fremstiller køretøjer i forhuset "hjørne" , som om forhuset var ansvarlige for "gennem luften" . Et symptomatisk eksempel er silhuetten af Citroën Xsara Picasso , som er den samme, men omvendt, som den af ​​Karl Schlörs Schlörwagen, som i 1939 havde opnået en meget lav C x (se billeder nedenfor).

• Kunstnerens indtryk af en Citroën Xsara Picasso vendte på hovedet eller "i den rigtige retning" .

• Den Schlörwagen (fronten er til venstre).

• Skud af Schlörwagen.

• Tilpasning af den "totalt turbulente" nedre træklegeme til vejen.

• Projektet C10 Citroën (forrest til højre) . VSx=0,258{\ displaystyle C_ {x} = 0,258}

Friktion træk dikotomi - tryk træk

Som det kan gøres for alle strømme, kan et køretøjs eksterne træk opdeles i to dele:

• en friktionstræk (integreret af x-komponenten af ​​de tangentielle kræfter på grund af væskens viskositet på køretøjets overfladeelementer)
• og i et trykmodstand (integreret af x-komponenten af ​​de normale kræfter på køretøjets overfladeelementer), idet x-aksen tages parallelt med køretøjets bevægelse.

Billedet modsat viser, at kun komponenterne i x af kræfterne, der opstår som følge af trykket og friktionen på en elementær overflade dS, deltager i trækket (dette billede er kun interesseret i overfladeelementerne dS, der vises i køretøjets plane median, men dette princip gælder for alle køretøjets overfladeelementer).

Disse to stier (friktion og tryk) fører efter opdeling af flowets dynamiske tryk og ved køretøjets frontflade til to fronter: friktionsfronten og trykfronten . Deres sum er den fulde frontal . VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Evaluering af bilens friktionVSx{\ displaystyle C_ {x}}

Bogen fra Hucho Aerodynamics of Road Vehicles giver et eksempel på en evaluering af friktionen af ​​en sedan: først skal du bestemme den gennemsnitlige friktionskoefficient, der gælder for sedanens overflade. Dette er en funktion af længden på Reynolds-nummeret på denne sedan, som afhænger af dens hastighed (f.eks. 30,56 m / s eller 110 km / t) og dens længde (f.eks. 4,7 m). Tilnærmelsen giver derefter strømmen omkring sedanen en længderetning af Reynolds på . VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSf{\ displaystyle C_ {f}}VSf{\ displaystyle C_ {f}}V∞={\ displaystyle V _ {\ infty} =}L={\ displaystyle L =}70.000∗V∞∗L{\ displaystyle 70000 * V _ {\ infty} * L}107{\ displaystyle 10 ^ {7}}

Dette Reynolds-nummer bestemmes således, man kan trække ud fra det i henhold til kurven, hvilket giver middel til denne graf (strømmen formodes at være udført med totalt turbulent grænselag) et middel på 0,003 (man kan desuden huske dette betyder 0,003 (eller 3 tusindedele), som vil være gældende for køretøjer af sammenlignelig længde ved tæt hastighed, hvor strømmen på alle produktionskøretøjer antages at forekomme med et totalt turbulent grænselag). VSf{\ displaystyle C_ {f}}VSf{\ displaystyle C_ {f}}VSf{\ displaystyle C_ {f}}

Den effektive gennemsnitlige hastighed af strømmen omkring køretøjet skal øges med 10% (sammenlignet med . Veff{\ displaystyle V_ {eff}}V∞{\ displaystyle V _ {\ infty}}

Den friktionsmæssige træk er derefter si er det dynamiske tryk i strømmen væk fra kroppen ( ) og er den projicerede uopviklede befugtede overflade af køretøjet. Tf=qVSf∗Smds∗(VeffV∞)2{\ displaystyle T_ {f} = q \; C_ {f} * S_ {mdp} * ({\ frac {V_ {eff}} {V _ {\ infty}}}) ^ {2}}q{\ displaystyle q}12ρV∞2{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ rho V _ {\ infty} ^ {2}}Smds{\ displaystyle S_ {mdp}}

Ved at dividere denne friktionstræk ved og ved køretøjets frontoverflade finder vi frontfriktionen på køretøjet. Denne friktionsfront er i størrelsesordenen 0,04 - 0,05, dvs. at den er meget svagere end køretøjets komplette frontende (sidstnævnte er ofte større end 0,25). Tf{\ displaystyle T_ {f}}q{\ displaystyle q}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Når basen ikke er strømlinet, indrømmer GW Carr en yderligere frontende på 0,07. VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Friktionsmodstanden for tunge sættevogne anslås til at være mindre end 10% af den samlede aerodynamiske træk.

Spor af internt eller eksternt tilbehør

Kælder

Selvom bilproducenter kun var interesserede i det sent, kan understellet repræsentere op til 30% af trækket på grund af de forskellige mekaniske komponenter, der forhindrer luftens passage. Bortset fra at sænke køretøjets højde for at begrænse luftmængden, der styrter under køretøjet (hvilket begrænser frihøjden til jorden), er løsningen til at reducere træk på underkroppen at gøre det retfærdigt (gøre bunden så glat som muligt)) ved at minimere hjulkassernes bredde. Den komplette kappe af basen er givet for at give en reduktion på op til 0,045. VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Hvis baggrunden kan formes som en perfekt diffusor, kan det resulterende fald nå værdien 0,07 (hvilket er ca. halvdelen af ​​det, der opnås med en sedan). VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Hjul og hjulkasser

Hjulets og mudderbeskyttelsens bidrag til aerodynamikken i et køretøj er ikke ubetydelig, hvilket repræsenterer mellem 15 og 20% ​​af den samlede træk. I Audi A3 tegner hjulene og hjulkasserne sig for 30-35% af C x . Faktisk afslører hjulets rotation områder med turbulens og recirkulation. For at begrænse disse fænomener er det tilstrækkeligt at rette hjulene og reducere hulrummet i skærmen. Denne løsning anvendes dog sjældent af grundlæggende æstetiske grunde; baghjulene med den stationære akse egner sig dog til det som på Citroën DS og Ami 8 .

De uregelmæssige former, der gives til hubcaps eller fælge af æstetiske (eller rettere mode) årsager, skaber også forstyrrelser i luftstrømmen ved hjulene. For at reducere konsekvenserne af dette fænomen på forbruget tester nogle prototyper solide eller optimerede fælge, især på elektriske køretøjer, hvor udfordringen med at spare energi er meget større.

Kropsdetaljer

Karosseridetaljer - det afrundede underlag, hældningsbruddet over kølergrillen, forrudestolperne, tagdækslet og endda vinduesstøtten - yder et væsentligt bidrag til træk. På grund af den lille turbulens, de genererer, undersøges karrosseridetaljerne også for at forbedre passagerernes aeroakustiske komfort .

Kølesti

Motorkøling øger køretøjets forende fra 0,02 til 0,06. Det skal huskes, om dette emne, at på Mustang- flyet , afkøling af motoren (arbejdet i længden af ​​ingeniørerne) frembragte trækkraft (derfor havde en negativ) på grund af udkastet bagud med høj hastighed. luftkøling. VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Eksterne spejle

Eksterne spejle kan ikke kræve en ren mindre end 0,3. Men de placeres i et område med høj overhastighed (hvilket øger deres egen Cx). Spejlerne øger køretøjets forende med 0,01, det vil sige for en temmelig god sedan på 0,25 en stigning på 0,01 / 0,25 = 4% . Derfor er den interesse, der kunne præsenteres ved at udskifte spejlespejle med kameraer. VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Tagstænger

Tagstængerne øges med 30 til 40%. VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Tagboks

Den rigtige base af tagbokse og skibokse ophører aldrig med at forbløffe aerodynamikere. Det samlede arbejde Aerodynamics of Road Vehicles citerer en tagboks til fire par ski, der øger prisen på en VW Golf ( ) med 0,28%. Den samme tagboks, der er placeret på en mere dydig sedan med et frontareal på 2 m² og en på 0,25, vil derfor øge lyden med 91,5%. VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx=0,40{\ displaystyle C_ {x} = 0,40}VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Aileron, et klassisk aerodynamisk vedhæng

Der er mange aerodynamiske vedhæng, herunder skibskøretøjet, baseret på et simpelt fysisk princip, Bernoullis princip , som definerer, at stigningen i lufthastighed ledsages af et fald i dets statiske tryk. Dette er Venturi-effekten . Funktionen af ​​kraniet er derfor at øge hastigheden af ​​luftstrømmen, der passerer i sin nedre del, således at der skabes en fordybning, der "suger" kraniet mod jorden og dermed stigningen i downforce. Yderligere downforce kan genereres af krængningsrørets hældning til skade for ikke desto mindre en nedbrydning af træk, blandt andet på grund af dannelsen af ​​hvirvler.

Som nævnt ovenfor medfører forbedring af downforce ved at tilføje en krængeron nødvendigvis en nedbrydning af C x , jo større jo større er dens hældning. Dimensionering af en finne skal derfor tage dette aspekt i betragtning og finde det bedste kompromis mellem L-understøtning ( lift ) og D- træk ( drag ). Den aerodynamiske effektivitet af en finne defineret af L / D-forholdet (også kaldet finesse ) repræsenterer dette kompromis: jo højere dette forhold er, jo bedre er finens ydeevne. I formel 1 er den aerodynamiske effektivitet tæt på 3.

Fremtidens bil

Masseproducerede biler

(i dette afsnit fremkaldes køretøjer, hvis træknøgthed simpelthen opnås ved valg af deres form, men uden strømningsreguleringsmidler , uanset om disse midler er passive (såsom turbulatorer) eller aktive som f.eks. plasmaaktuatorer (f.eks. brugen af ​​sådanne enheder kan revolutionere valget af former med mindre træk ).

Buchheim et al. skrev i 1981: "Der er fortsat frygt for, at reduktion af aerodynamisk træk for personbiler igen vil betyde, at alle disse køretøjer vil være ens. Hvis dette skulle vise sig at være, ville det i væsentlig grad begrænse distributionen af ​​sådanne køretøjer i bilindustrien marked. serie. "

For at forklare det modsatte billede (transformeret her til animation), Buchheim et al. fortsæt: “[Dette billede] sammenligner de langsgående og vandrette sektioner af fire typer ideelle køretøjer [til stede i den aerodynamiske litteratur], hvis målte værdier nærmer sig 0,15. Denne sammenligning viser, at selv ved så lave værdier af du er der stadig forskellige former. Det kan derfor konkluderes, at der, når der udvikles fremtidens low drag-biler, vil være tilstrækkelig spillerum til, at stylister kan sprede deres udseende [...], så de accepteres i tilstrækkeligt antal af offentligheden. "VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Optag biler

Eksperimentelle biler, der er beregnet til at bryde brændstofforbrug (eller hastighed for solbiler), kan vise vejen for fremtidige fremskridt. For eksempel Cityjoule, et brintkøretøj (der kører ved hjælp af en brændselscelle ), hvis frontal er blevet målt til 0,10 (billede til højre). Den sidstnævntes fulde diffuser lavet et væsentligt bidrag til performance. VSx{\ displaystyle C_ {x}}

I tilfælde af Sunraycer  ( billedet overfor venstre), en solcellebil, hvis forende er blevet sænket til 0,125, er specifikationerne forskellige fra brændselscellekøretøjer . Udnyttelse af solenergi kræver et stort overfladeareal af solceller, hvilket ikke er tilfældet med køretøjer, der bruger energi om bord. VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Nuværende projekter

Kun projekter, der ser ud til at markere spring i bilens aerodynamik, nævnes her.

I slutningen af ​​2020 lancerede Aptera Motors Aptera to-personers solkøretøj på markedet . Den blotte produktion af elektricitet fra 3  m 2 solceller antages at give op til 60  km solautonomi pr. Solskinsdag. Autonomi på batterier er fra 400 til 1600  km afhængigt af størrelsen på batterierne (fra 25 til 100  kWh . Dette køretøjs aerodynamik er kendetegnet ved en total reduktion (som det ses i billedet modsat, basen reduceres til et minimum).

Forbruget af Aptera er angivet til 62  Wh / km , hvilket svarer til et træk på 223,7  N (for en uspecificeret hastighed). Faktisk med dette forbrug på 62  Wh / km ser det største batteri (100  kWh ) ud til at love en rækkevidde på 1.613  km (eller de 1.000 miles målrettet af mærket).

Eksperimentelle og numeriske analyser

Test af vindtunnel

Test af vindtunnel er et middel for bilproducenter til at opnå empiriske resultater af køretøjets aerodynamiske træk, af de aerodynamiske lyde, der genereres omkring karrosseriet eller endda af de lodrette eller tværgående kræfter - kræfter målt ved hjælp af skalaer - induceret af luftstrømmen . En uigennemsigtig gas eller tråde af uld placeret på karosseriet gør det også muligt at visualisere de aktuelle linjer .

Selv om det ikke er ualmindeligt at bruge skalamodeller, kan bilvindtunneler normalt rumme fuldskalamodeller og kan udstyres med en drejeskive til at simulere en sidevind samt et rullebund og et system til drejning af køretøjernes hjul, således at at reproducere så trofast som muligt en bils bevægelse på vejen.

Gå på vandringen

Denne metode til måling af træk praktiseres på vejen med et køretøj i skala 1. Den består i at måle hastigheden for deceleration af køretøjet i frie hjul fra en bestemt hastighed og i nivellering. For at opnå bidrag fra køretøjets aerodynamiske træk er det naturligvis nødvendigt at trække rullende træk fra den samlede kraft, der bremser køretøjet (som måles med en vejecelle ved lav hastighed, hvor aerodynamikken ikke producerer træk. ). Det er ved denne metode til at gå på sporet, at de aerodynamiske trækegenskaber for tog (især højhastighedstog, for hvilke aerodynamik er afgørende) måles. Med hensyn til biler kan vi nævne eksemplet med Schlörwagen, som gangtest på vandringen tilskrev en frontal på 0,189 (vindtunneltest af en skala 1-model, hvilket resulterede i en frontal Cx på 0,186). VSx{\ displaystyle C_ {x}}

Denne vandringsmetode kræver lidt materielle midler (simpelthen en længde af lukket vandret vej).

Computational Fluid Mechanics (MFN)

Den beregningsmæssige væskemekanik, der behandles af computeren, oftere kaldet CFD (for "  Computational Fluid Dynamics  " ), er en digital opløsningsmetode, der anvendes blandt andre inden for aerodynamik i biler. Relativt nylig siden den blev født i 1970'erne, har denne metode fået fart igennem årene takket være fremskridt inden for datalogi og gør det i dag muligt at løse problemer med kompleks geometri.

CFD fungerer derfor takket være numerisk beregning  ; softwaren opretter en computermodel af det undersøgte objekt, deler den i endelige elementer - en proces kaldet "sammenkobling" - og anvender derefter de matematiske love i væskedynamik på hver celle. Jo finere masken (små elementer), jo mere præcise bliver resultaterne, men jo flere ressourcer har computeren brug for til at udføre beregningerne. Resultatet er "en meget præcis repræsentation af gevinster eller tab på det aerodynamiske niveau".

Numerisk beregning har især fundet sin plads i formel 1 , hvor den i væsentlig grad kan reducere de timer, der er brugt i vindtunnelen, eller endda analysere aerodynamikken hos enkeltpersoner i sving; staldene bruger der omkring 12.000 timer på en model, som er en stor udgiftskilde. I dag, selvom nogle forsøger at afstå fra vindtunneltest som i 2010'erne for Virgin Racing Formula 1- holdet , kan CFD ikke helt frigøre sig fra eksperimentelle resultater.

Noter og referencer

Bemærkninger

1. I den angelsaksiske litteratur er koefficienten betegnet med C d for "  træk  " .VSx{\ displaystyle C_ {x}}
2. Se tyktflydende væsker .
3. Se bemærkninger om forbruget af elektriske køretøjer .
4. Synlig på Cité de l'Automobile i Mulhouse .
5. Forkert, da formen af vand dråber er sfærisk op til en diameter på 3 eller 4  mm , hvor de begynder at udvide på forsiden.
6. Dette blev udført efter omfattende ingeniørarbejde på P-51 Mustang-fly, hvis kølesystem producerede en fremdrivende kraft.
7. Denne defekte intuition kan kvalificeres som en kollision, fordi man forkert føler, at den forreste del af køretøjet er ansvarlig for at "gøre mærket" (som en plov) for resten af ​​køretøjet.
8. For eksempel er den computer, der blev brugt af Renault F1 Team i 2010, i stand til at udføre mere end 38 millioner operationer pr. Sekund.

Referencer

1. Florent Mortel, "  Aerodynamics in the automobile  " [PDF] , University of Technology of Belfort-Montbéliard (adgang til 5. juni 2010 ) .
2. Dette kører træk er endda dominerende ved lave hastigheder (i byen, for eksempel).
3. Jean-Pierre Brossard , Vehicle dynamics: Modelling of complex systems , s.  235-239 .
4. Pierre Duysinx, Vehicle performance , ac.be,2010( læs online [PDF] ).
5. Bar 2009 , s.  25
6. Aerodynamik af vejkøretøjer 1990 , s.  36
7. Leclerc 2008 .
8. (in) "  General Principals Aerodynamic  " , gmecca.com (adgang 19. juni 2010 ) .
9. "  Komponenterne til træk  ", volez.net (adgang til 5. juni 2010 ) .
10. Douglas C. Giancoli, General Physics 1: Mechanics and Thermodynamics , De Boeck University ,1993, 568  s. ( ISBN  978-2-8041-1700-9 , læs online ) , s.  130, "Vigtigheden af ​​C x  ".
11. (in) "  Where the Energy Goes: Benzin Vehicles  " , Department of Energy of the United States ,2017(adgang 22. februar 2019 ) , citeret og illustreret i: (en) Transportforskningsråd  (en) , Dæk og brændstoføkonomi for personbiler: Informering af forbrugere, forbedring af ydeevnen , National Research Council ,2006, 178  s. , pdf, s.  40.
12. Jean-Marc Jancovici , Elbilen på jancovici.com.
13. Barreau 2009 , s.  11
14. Brændstofforbrug pr. 100  km repræsenterer den energi, der bruges til at køre den afstand. Imidlertid er energien brugt i træk til at tilbagelægge disse 100  km i niveau og med en stabiliseret hastighed er F km100 km .
15. Gino Sovran, Dwight Blaser, et bidrag til forståelse af bilbrændstoføkonomi og dets grænser , SAE International , 2003 [PDF] .
16. "  Introduktion til aerodynamik i formel 1  " , F1 Technologies,17. juli 2006(adgang til 18. juni 2010 ) .
17. "  Karakteristik af La Jamais Contente  " [PDF] , Energie Ouest Suisse (adgang til 5. juni 2010 ) .
18. Serge Bellu , Automobile World History , kap. “Fascinationen med hastighed”, s.  49 .
19. (da) Paul Niedermeyer, "  En illustreret historie om aerodynamik i biler - i tre dele  " , The Thruth About Cars,14. februar 2010(adgang 20. juni 2010 ) .
20. Serge Bellu , Automobile World History , kap. “Karosseriens guldalder”, s.  92 .
21. Bar 2009 , s.  13
22. Serge Bellu , "  Chrysler Airflow, Aerodynamics and fluidity  ", Science et Vie , n o  Hors Série,2008, s.  37.
23. Serge Bellu , ”  Peugeot 402, den’strømline’automobil fremstillet i Frankrig  ”, Science et Vie , n o  Hors Série,2008, s.  40.
24. “  Citroën DS 50-års jubilæum - Saga om en enestående bil  ” [PDF] , Cité des sciences et de l'Industrie (adgang 20. juli 2010 ) .
25. Serge Bellu , Automobile World History , kap. “Oliestødene”, s.  251 .
26. Julien Trombini , Understanding Formula 1 , chp. 2, aerodynamik, s.  13-43 (adgang til 7. juni 2010).
27. Jean Alami, "  Le coin du technicien - Le diffuseur  " , Udholdenhedsinfo (adgang til 10. januar 2010 ) .
28. Benoît Solivellas, ”  Automobildesign fra 1970'erne: aerodynamik!  " , Cartech,30. oktober 2009(adgang til 17. juni 2010 ) .
29. "  Cx 0.24 - Mercedes E-klasse coupe, den mest aerodynamiske bil i verden  " , Motor Nature,2009(adgang til 7. juni 2010 ) .
30. (i) "  Aerodynamik Cd World Record  " , Autozine Tekniske Skole (adgang 10 August 2010 ) .
31. (i) Ron Cogan, "  20 sandheder om GM EV1 Electric Car  " , GreenCar.com,26. maj 2008(adgang til 10. august 2010 ) .
32. Lionel Fiabane, Analytiske metoder til karakterisering af sammenhængende strukturer, der bidrager til aerodynamiske kræfter (doktorafhandling i mekanik), Polytechnique , 2010, Læs online [PDF] .
33. Sighard F. Hoerner, Modstand mod fremskridt inden for væsker , Gauthier-Villars redaktører, Paris, 1965, s.  49 (fransk oversættelse af væskedynamisk træk ).
34. (in) væskedynamisk træk ,1965( læs online [PDF] ) , s.  3-12.
35. Denne eksterne træk inkluderer ikke træk forårsaget af køretøjets interne strømme.
36. Aerodynamik af vejkøretøjer 1990 , s.  118.
37. Denne tilnærmelse er gyldig i luft ved havoverfladen, udtrykt selvfølgelig i m / s og udtrykt i meter.70.000∗V∞∗L{\ displaystyle 70000 * V _ {\ infty} * L}V∞{\ displaystyle V _ {\ infty}}L{\ displaystyle L}
38. Denne værdi på 0,003 kan også findes med de fire formler, der f.eks. Følger den samme grafVSf=0,044Rel1/6{\ displaystyle C_ {f} = {\ frac {0.044} {Re_ {l} ^ {1/6}}}}
39. Kun visse rekordstort køretøjer formår at bevare deres grænselag i en laminar tilstand over en stor del af deres længde.
40. For at omgå køretøjet skal strømmen i gennemsnit accelerere; denne tilnærmelse, citeret af Hucho, skyldes GW Carr. Dette er naturligvis en ingeniørregel.
41. Carr, GW, potentiale for aerodynamisk reduktion af træk i bildesign,. Virkning af aerodynamik på køretøjsdesign, Int. J. of Vehicle Design, SP3, London, 1983
42. Denne udrullede våde overflade, der er projiceret fra køretøjet, er fremspringet i vandret plan af afviklingen omkring køretøjets længdeakse på dens befugtede overflade; på denne måde har de lodrette overflader (såsom gitteret eller bagagerummet på bagagerummet) ingen afvikling og derfor ingen fremspring (de genererer ikke langsgående friktion). På den anden side fremstår køretøjets tag og dets base som allerede rullet ud og rager derfor næsten helt ud.
43. Denne yderligere er derfor trykket af alle de vækster, der behæfte basen.VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}
44. Wood RM (2004) Virkningen af ​​avanceret aerodynamisk teknologi på transportens energiforbrug. (2004-01-1306). SAE teknisk papir. doi: 10.4271 / 2004-01-1306, arbejde nævnt i denne artikel.
45. Aerodynamik af vejkøretøj 1990 , s.  162.
46. Vedtagelsen af ​​en perfekt diffusor reducerer desværre i høj grad køretøjets indre volumen og især bagagerummet.
47. Ifølge Pfadenhauer, Wickern & Zwicker (1996) opnås en 32,3% reduktion i C x ved at fjerne hjulene og forsegle hjulbuerne på denne Audi A3.
48. Vehicle aerodynamics, The drag, Alessandro Talamelli, 2002, KTH-Mekanik, University of Bologna, Læs online
49. Det er en disk med en strømlinet forreste legeme, hovedsagelig på grund af sin flade bundVSx{\ displaystyle C_ {x}}
50. Hoerner anslår, at det gennemsnitlige dynamiske tryk på spejle er 1,6 gange større end strømningens. Derudover insisterer han på, at spejle forårsager en stærk ekstra træk, der forstyrrer resten af ​​kroppen, yderligere træk anslået af ham til 60% af den rene træk. En tilpasning af Hoerners beregning til to moderne frontmonterede spejle giver således deres bidrag en værdi på 0,015 eller 6% af 0,25 af et ret dydigt køretøj.VSx{\ displaystyle C_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}
51. Hoerner og 1965 p250
52. Hoerner og 1992 s. 12-5
53. Hvis der er to tag stænger af 1,20  m bred og 25  mm tyk placeret på taget af en temmelig dydig køretøj af 2  m 2 frontalareal og 0,25 , kan vi opsummere dem som følger: 2 * 0,25 + 1,4 (2 * 0,025 * 1,20 * 1)  ; i denne ligning er 1.4 en multiplikator på grund af det dynamiske overtryk skabt af luftens overhastighed på køretøjets tag, og 1 er gennemsnittet af tagstængerne. Vi finder således, at det ekstra beløb, der skyldes tagstængerne, er 0,084, hvilket svarer til en stigning i køretøjets værdi på 17% (dette uden at tage hensyn til tagstængernes fastgørelser).VSx{\ displaystyle C_ {x}}SVSx{\ displaystyle SC_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}SVSx{\ displaystyle SC_ {x}}VSx{\ displaystyle C_ {x}}
54. Aerodynamik af vejkøretøjer 1990 , s.  183
55. “  Aerodynamikfil i F1  ” , Go-F1.com (adgang til 26. december 2010 ) .
56. “  Aerodynamik i formel 1  ” , Fémin-F1 (adgang 19. juni 2010 ) .
57. ... vel vidende at effektiviteten af ​​sådanne midler til flowkontrol skal bedømmes ud fra målestokken for deres samlede energibalance, og det ønskede mål er tilbage at bruge så lidt energi som muligt på at bevæge køretøjet ved dets hastighed gennem hele dets eksistens ( herunder fremstilling og demontering).
58. [Buchheim, Deutenbach, Lückoff: NECESSITY og lokaler til reduktion af aerodynamiske modstand af fremtidige PERSONBILER. SAE Paper 810185, Detroit, 1981. [1]
59. Denne skrupler forfattere forstås bedst i sammenhæng med en planet med uendelige ressourcer, der herskede i 1981, at i den situation, alvorlig klima og økologiske kriser i det tidlige 21. th  århundrede.
60. Blandt køretøjerne i denne animation er Schlörwagen betegnet "AVA Streamline form Cx = 0,15".
61. Diffusoren er den progressive hævning bagud af den fordybte bund på en bil. Denne stigning her reducerer køretøjets bund til dets mindste størrelse.
62. [2]
63. 1  Wh / km svarer til 3,6 N træk   ; 62  Wh / km derfor svarer til en sugekraft 223,7  N .
64. “  Teknik: principper for aerodynamik  ” , Motorlegend.com,5. august 2005(adgang til 23. juni 2010 ) , s.  2.
65. "  Computerassisteret vindtunnel!"  » , Renault F1 Team ,26. april 2010(adgang til 17. juni 2010 ) .
66. Marc Limacher, “  F1 - 2010: vindtunnel vs CFD  ” , TomorrowNewsf1,28. december 2009(adgang til 17. juni 2010 ) .

Tillæg

Bibliografi

 : dokument brugt som kilde til denne artikel.

• Cédric Leclerc , Reduktion af trækket på et motorkøretøj forenklet ved hjælp af aktiv kontrol med syntetisk jet (doktorafhandling i væskedynamik), Institute of fluid mechanics of Toulouse ,2008, 330  s. ( læs online [PDF] ). 
• Jean-Pierre Brossard, Vehicle dynamics: Modelling of complex systems , PPUR Presses Polytechniques,2006, 714  s. ( ISBN  978-2-88074-644-5 , læs online ).
• Serge Bellu, World Automobile History , Flammarion ,1998, 333  s. ( ISBN  978-2-08-013901-6 ). . 
• Julien Trombini, Forståelse af Formel 1 , ETAI Publishing ,2006, 207  s. ( ISBN  978-2-7268-9463-7 ).
• SF Hoerner , Modstand mod fremskridt inden for væsker , Paris, Gauthier-Villars ,1965( OCLC  727875556 , ASIN  B07B4HR4HP ).
• (en) SF Hoerner , Fluiddynamisk træk: teoretisk, eksperimentel og statistisk information ,1992( OCLC  228216619 ).
• Matthieu Barreau og Laurent Boutin, Refleksioner over vejkøretøjers energetik , Paris,Maj 2009, 50  s. ( læs online [PDF] ).
• (en) Hucho , aerodynamik af vejkøretøjer: Fra væskemekanik til køretøjsteknik , Wolf-Heinrich Hucho,1990( læs online ).

Relaterede artikler

• Køretøjsdynamik
• Beregningsvæskemekanik
• Aeroakustik
• Energieffektivitet i transport
• Gabrielli-diagram - von Kármán
• Flow kontrol