ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΟ ΠΑΡΕΛΘΟΝ ΚΑΙ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ Πεχλιβάνογλου Γιώργος
ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ ΙΙ Εργαστηριακή Άσκηση Νο. 9 Πεχλιβάνογλου Γιώργος Τμήμα: Β' (11-13) Α) Θεωρητικό Μέρος Οι νόμοι της αεροδυναμικής Η Αεροδυναμική εξετάζει, τη ροή γύρω από αεροδυναμικής μορφής σώματα καθώς και τις δυνάμεις που αναπτύσσονται πάνω σ'αυτά. Τα σώματα είναι Αεροδυναμικής μορφής, που σημαίνει ότι παρουσιάζουν μικρή επιφάνεια κάθετα προς την κυρία κατεύθυνση της ροής, δηλαδή έχουν τη μία διάσταση τους, που είναι'κάθετη στη κύρια ροή, μικρή ως προς τις άλλες διαστάσεις του σώματος. Τα σώματα αυτά επιδιώκεται να έχουν τέτοια μορφή ώστε να μην εμφανίζεται αποκόλληση της ροής από την επιφάνεια τους, όπως θα συνέβαινε αν η επιφάνεια τους είχε οξείες ακμές. Συνεπώς, η λειότητα της επιφάνειας και η μικρή μετωπική επιφάνεια είναι τα χαρακτηριστικά των Αεροδυναμικών σωμάτων. Παραδείγματα σωμάτων αεροδυναμικής μορφής αποτελούν οι πτέρυγες και οι άτρακτοι των αεροσκαφών, ενώ η φύση με την εξέλιξη των ειδών δημιούργησε αεροδυναμικής μορφής σώματα (ψάρια, πουλιά) που η σημερινή τεχνολογία προσπαθεί να αντιγράψει το σχήμα τους. Οι ταχύτητες του ρευστού γύρω από τα Αεροδυναμικής μορφής σώματα είναι μεγάλες και συγκεκριμένα ο αριθμός Reynolds που χαρακτηρίζει τη ροή είναι πολύ μεγαλύτερος της μονάδας, l Re = ρ u 1 μ Στο παρακάτω σχήμα αναφέρονται τυπικές τιμές του αριθμού Reynolds της ροής γύρω από σώματα, όπου διαπιστώνεται η ευρύτητα μεταβολής του αριθμού Reynolds από 10 5 για τη ροή γύρω από το ψάρι μέχρι τον αριθμό ΙΟ 8 για τη ροή γύρω από το υπερηχητικό αεροσκάφος.
Άνωση Στη συνέχεια θα αναλυθεί το φαινόμενο της άνωσης. Το φαινόμενο αυτό χωρίζεται σε δυο κατηγορίες, την αεροστατική και τη δυναμική άνωση. Αυτές οι κατηγορίες διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως ως προς το μηχανισμό δημιουργίας της άνωσης. Στις παρακάτω παραγράφους περιγράφονται αυτοί οι δυο μηχανισμοί όπως εμφανίζονται στα αερόπλοια. Τα αερόπλοια είναι τα μοναδικά μέσα αερομεταφοράς τα οποία εμφανίζουν και τα δυο είδη άνωσης, σε αντίθεση με τα αεροσκάφη και τα ελικόπτερα στα οποία εμφανίζεται μόνο δυναμική άνωση. Ειδικότερα λοιπόν: Η αεροστατική άνωση Η αεροστατική άνωση που το μέγεθος της υπολογίζεται εύκολα με εφαρμογή της αρχής του Αρχιμήδη οφείλεται στη μικρότερη, σχετικά με τον αέρα, πυκνότητα του αερίου με το οποίο είναι γεμάτοι οι σάκκοι του αεροπλοίου. Στα πρώτα αεροπλοΐα χρησιμοποιείτο ως ανωστικό αέριο το Υδρογόνο αντί του Ηλίου λόγω της χαμηλότερης πυκνότητας του και της φθηνότερης παρασκευής του.
Όμως το Υδρογόνο είναι αναφλέξιμο και πολλά ατυχήματα συνέβησαν στα πρώτα αεροπλοΐα που οφείλονταν στην ανάφλεξη του, με τελευταίο ατύχημα την καταστροφή του Hindenburg το έτος 1937. Γι' αυτό στα σημερινά αεροπλοΐα το ανωστικό αέριο που προτιμάται είναι το Ήλιον (Ηe).Λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητας του Ηe έναντι του Η υπάρχει μία απώλεια αεροστατικής άνωσης για τον ίδιο όγκο αεροπλοίου. Έτσι μειώνεται η εμβέλεια πτήσης του αεροπλοίου κατά 20% ή απαιτείται μεγαλύτερο αερόπλοιο κατά 20% άρα και ακριβότερο, ώστε το αεροπλοΐα που είναι πληρωμένο με Ήλιο να έχει την ίδια απόσταση ωφέλιμου φορτίου ανά Κm πτήσης με το αεροπλοΐα Υδρογόνου. Το κόστος παρασκευής του Ηλίου είναι πολύ υψηλό (περίπου 2500 $ ανά 1000 m 3 σε τιμές 1974) και είναι τουλάχιστον 40 φορές μεγαλύτερο του κόστους του. Υδρογόνου, δηλαδή το κόστος είναι σημαντικός παράγοντας που επιδρά στο λειτουργικό κόστος του αεροπλοίου. Το Ήλιο σε κανονική θερμοκρασία και πίεση ζυγίζει 166 kg ανά 1000 m 3 και εκτοπίζει αέρα βάρους 1059 Kp, έτσι ανά 1000 m 3 χωρητικότητας Ηλίου προκύπτει αεροστατική άνωση, 892 Κρ. Η αεροστατική αυτή άνωση πρέπει να μεταφέρει το βάρος του αεροπλοίου (περίβλημα, κατασκευή, συστήματα ελέγχου, κινητήρες και το έρμα πτήσης). Η επιπλέον αεροστατική άνωση είναι συνήθως 30% έως 40% της αρχικής ολικής και διατίθεται για τη μεταφορά του υπόλοιπου φορτίου (καύσιμα, επιβάτες, μεταφερόμενο φορτίο). Δυναμική Άνωση Η δυναμική άνωση είναι αποτέλεσμα της διαφοράς πίεσης του κάτω και του πάνω μέρους του αεροπλοίου (ή του αεροσκάφους), οι οποίες όμως οφείλονται στην κίνηση του αεροπλοίου με κάποια γωνία πρόσπτωσης ως προς την κατεύθυνση του ανέμου. Η δυναμική αυτή άνωση, που ανάλογη της είναι η δυναμική άνωση των αεροσκαφών, είναι ελαφρώς μεγαλύτερη της
δυναμικής άνωσης των αεροσκαφών για την ίδια γωνία πρόσπτωσης λόγω της αποκόλλησης της ροής που συμβαίνει στο επάνω μέρος του αεροπλοίου, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Η δυναμική άνωση μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης. Ο μικρός όμως λόγος επιμήκους του αεροπλοίου έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη πολύ μικρής δυναμικής άνωσης και τη δημιουργία μεγάλης αντίστασης. Η δυναμική άνωση που μπορεί να αναπτυχθεί το πολύ να φτάσει μέχρι το 10% της αεροστατικής άνωσης για 10 γωνία πρόσπτωσης. Παραμετρική μελέτη δίνει ότι ελαχιστοποίηση της αεροδυναμικής αντίστασης που δίνει τη βέλτιστη ταχύτητα και κατανάλωση καυσίμου επιτυγχάνεται σε μηδενική γωνία προσβολής του αεροπλοίου. Έτσι, το συμπέρασμα αυτό με το γεγονός ότι η αποκολλημένη ροή λόγω γωνίας προσβολής δημιουργεί προβλήματα στην ικανοποιητική πλοήγηση του αεροπλοίου και ότι η δυναμική άνωση που επιτυγχάνεται είναι μικρή σχετικά με την αεροστατική οδηγεί στην αγνόηση της άνωσης αυτής ως συνεισφοράς στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αεροπλοίου και στην κίνηση του αεροπλοίου με μηδενική γωνία πρόσπτωσης. Η δυναμική άνωση των ατρακτοειδών σωμάτων και όλων των πτερύγων και αεροτομών υπολογίζεται γενικά από τη σχέση: 1 L = C L ρ A V 2 Όπου: C L είναι ο συντελεστής άνωσης ο οποίος χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά κάθε σώματος σχετικά με το φαινόμενο της άνωσης και εξαρτάται από τη μορφή του σώματος, ρ είναι η τιμή της πυκνότητας του ρευστού, Α είναι η μετωπική επιφάνεια η οποία για τις πτέρυγες δίνεται από το γινόμενο της χορδής επί το εκπέτασμα, V είναι η ταχύτητα του ρευστού, όταν το αντικείμενο είναι ακίνητο ή η ταχύτητα του αντικειμένου όταν το ρευστό είναι ακίνητο, ή η σχετική ταχύτητα όταν κινείται και το ρευστό αλλά και το σώμα. Η Αεροδυναμική Αντίσταση και ο συντελεστής Οπισθέλκουσας Όταν ένα σώμα κινείται μέσα σε ένα ρευστό ή όταν ένα ρευστό κινείται γύρω από ένα σώμα, εμφανίζονται μεταξύ του σώματος και του ρευστού δυνάμεις τριβής. Οι δυνάμεις αυτές οφείλονται στην τριβή ανάμεσα σε ένα
αριθμό μορίων του ρευστού και τα μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια του στερεού σώματος. Η δύναμη της τριβής ανάμεσα στο ρευστό και το σώμα δίνεται από τη σχέση: F D 1 = CD 2 p A V Όπου: ρ είναι η τιμή της πυκνότητας του ρευστού, Α είναι η μετωπική επιφάνεια του σώματος, V είναι η ταχύτητα του ρευστού, όταν το αντικείμενο είναι ακίνητο ή η ταχύτητα του αντικειμένου όταν το ρευστό είναι ακίνητο, ή η σχετική ταχύτητα όταν κινείται και το ρευστό αλλά και το σώμα. C D είναι ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης (ή συντελεστής οπισθέλκουσας) ο οποίος εξαρτάται από τη μορφή του σώματος. Ο συντελεστής αυτός έχει επινοηθεί από τους μελετητές των αεροδυναμικών φαινομένων, για να δικαιολογηθεί η διαφορά που παρουσιαζόταν στην τιμή της αεροδυναμικής αντίστασης μεταξύ σωμάτων με ίδια μετωπική επιφάνεια. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται καθαρά πώς επηρεάζει η μορφή των σχημάτων ίδιας μετωπικής επιφάνειας την τιμή της αεροδυναμικής αντίστασης. 2 Οι δυο δυνάμεις που αναλύθηκαν παραπάνω (άνωση - αεροδυναμική αντίσταση) είναι ιδιαίτερα σημαντικές και παίζουν σημαντικότατο ρόλο σχεδόν σε όλες τις κατασκευές σήμερα. Κλασικά παραδείγματα σύγχρονων κατασκευών στα οποία τα αεροδυναμικά και υδροδυναμικά φαινόμενα έχουν
σημαντικό ρόλο είναι όλα τα επίγεια μέσα μεταφοράς, τα αεροσκάφη, τα κτίρια καθώς επίσης και τα πλοία και υποβρύχια. Στις παρακάτω παραγράφους αναλύονται ορισμένα αεροδυναμικά φαινόμενα τα οποία βασίζονται στην άνωση και την αντίσταση και εμφανίζονται στα αυτοκίνητα και τα αεροσκάφη. Σπάζοντας το φράγμα των ΙΟΟχμ/ώρα Οι αγώνες παίζουν καθοριστικό ρόλο οτην εξέλιξη των αυτοκινήτων, αφού τα πειράματα και οι δοκιμές που γίνονται στους αγώνες, περνούν αργά ή γρήγορα και στα αυτοκίνητα ευρείας παραγωγής. Κάπως έτσι έγινε και με την αεροδυναμική. Τότε ο υπέρ πάντων αγώνας ήταν τα ρεκόρ ταχύτητας. Το 1899, ο Βέλγος Καμίλ Ζενστζί κατασκευάζει έναν γήινο πύραυλο και σπάει το φράγμα των 100 χλμ/ώρα γράφοντας 106 χλμ/ώρα. Το όχημα αυτό, αν και έμοιαζε πολύ με πύραυλο, ήταν ηλεκτρικό. Εκείνη την εποχή ο προσανατολισμός των κατασκευαστών ήταν η μείωση της οπισθέλκουσας, ενώ λίγο αργότερα, όταν οι ταχύτητες ανέβαιναν, άρχισε να τους απασχολεί η ευαισθησία των οχημάτων σε πλάγιους ανέμους. Το 1913, ο κόμης Ρικότι, σχεδίασε για λογαριασμό της Άλφα Ρομέο το Castagna, που έπιανε τα 136 χλμ/ώρα. Το αυτοκίνητο αυτό δεν ήταν αγωνιστικό, αλλά ολοκληρωμένη πρόταση επιβατικού αυτοκινήτου έχοντας σχήμα σταγόνας.
Οι σχεδιαστές αυτοκινήτων, επηρεασμένοι από τη ναυπηγική, σχεδίαζαν το τελείωμα (ουρά) του οχήματος όπως θα σχεδίαζαν πρύμνη καραβιού. Αυτή η επιλογή εφαρμόστηκε για ομαλότερη ροή στο πίσω μέρος, αλλά τελικά δεν δούλεψε ποτέ, μιας και η αποκόλληση του οριακού στρώματος ακριβώς μπροστά από την ουρά (λόγω φτερών και ακάλυπτων τροχών) αλλά και σε ολόκληρο το αυτοκίνητο, ήταν πολύ έντονη. Η Boat Tail (ουρά βάρκας) όμως άρεσε στον κόσμο και υιοθετήθηκε σε μοντέλα όπως το Audi Alpensieger του 1913. Μετά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο (το 1918) ο Δρ. Έντμουντ Ρούμπλερ άφηνε τη βιομηχανία αεροσκαφών και μεταπηδούσε στην αυτοκινητοβιομηχανία. Η εμπειρία του σε αεροδυναμικό σχεδιασμό ήταν δεδομένη, κάτι που φάνηκε το 1924, όταν σχεδίασε το Rumpler Car με ουσιαστικά αεροδυναμικά χαρακτηριστικά. Επρόκειτο για ένα επιβατικό όχημα, που αν το κοιτούσες από πάνω, έμοιαζε με αεροτομή, ενώ και η όψη από το πλάι φανέρωνε την προσπάθεια του σχεδιαστή να μειώσει τους στροβιλισμούς στο πίσω μέρος. Ο Ρούμπλερ είχε δημιουργήσει ένα τόοο αεροδυναμικά ζυγισμένο αυτοκίνητο,
που όταν το 1979 η Volkswagen το τοποθέτησε στην αεροδυναμική της σήραγγα, μέτρησε συντελεστή οπισθέλκουσας 0,28 (με μετωπική επιφάνεια 2,57 τετρ. μέτρα) κάτι εξαιρετικά εντυπωσιακό για εκείνη την εποχή. Χρειάστηκε να περάσουν 58 χρόνια για να πλησιάσουν επιβατικά αυτοκίνητα την τιμή 0,30 (Audi 100 III). Ο Ρούμπλερ το 1923 είχε σχεδιάσει και ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο για την BENZ, που και πάλι θύμιζε σταγόνα, σημειώνοντας επιτυχίες. H συνδρομή του Paul Jaray Αν κάποιος έδωσε ώθηση στην αεροδυναμική οχημάτων (που κινούνται στο έδαφος), αυτός είναι ο Αυστριακός Πάουλ Γιάραϊ. Δούλευε και αυτός στην βιομηχανία αεροσκαφών, σχεδιάζοντας αεροπλάνα για τον κόμη Ζέπελιν, αλλά μετά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο πέρασε και αυτός στα αυτοκίνητα, όπου σχεδίαζε, αλλά κυρίως μελετούσε, την αεροδυναμική. Ήταν ο πρώτος που έκανε πειραματικές μελέτες οε αεροδυναμική σήραγγα. Η σήραγγα ήταν μικρή, ανήκε στον Ζέπελιν και ο Γιάραϊ τοποθετούσε μικρά μοντέλα (κλίμακας Ί :10), μελετώντας τη ροή του αέρα γύρω από αυτά. Ο Γιάραϊ πειραματίστηκε πολύ με την αεροδυναμική σήραγγα, τοποθετώντας διάφορα σώματα, με διάφορα σχήματα, προσπαθώντας να καταλάβει ποια μορφή είναι αυτή που έχει τον χαμηλότερο συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, αναπτύσσοντας παράλληλα και διάφορες τεχνικές για τη μέτρηση αυτών των μεγεθών. Πρώτος απ' όλους παρατήρησε πως ελλειψοειδή οχήματα (το περίφημο σχήμα της σταγόνσς) παρουσιάζουν τη μικρότερη αντίσταση. Ο αυστριακός μηχανικός κατέληξε με τις μετρήσεις του πως ο χαμηλότερος
συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης οχήματος που κινείται στο έδαφος με ρόδες έχει κατώτατο όριο το 0,15 - κάτι που, απ' όσο ξέρουμε, δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα- Το 0,15 ήταν ο απόλυτος στόχος κατά τον Γιάραϊ, αλλά φυσικά ποτέ δεν κατάφερε να τον πλησιάσει. Παρ' όλα αυτά υπέδειξε τη μορφή που θα πρέπει να έχουν τα αυτοκίνητα για να πλησιάσουν το όριο του χαμηλού συντελεστή που προσδιόρισε. Δυστυχώς, οι αεροδυναμικές λύσεις του Γιάραϊ δεν ήταν πρακτικές, θέλοντας τα αυτοκίνητα να είναι ψηλά μακριά και με πολύ ομαλό πίσω μέρος. Κάποιοι ακολούθησαν παρ' όλα αυτά τα αποτελέσματα των ερευνών του και τόλμησαν να βγάλουν στην παραγωγή αυτοκίνητα όπως το Alder Trumpf, σχεδιασμένο από τον Κλεγιέρ το 1934, και το τσεχοσλοβάκικο Tatra 87 του 1937. Οι μελέτες και οι παρατηρήσεις του Γιάραϊ επηρέασαν πάντως πολλούς μηχανικούς μεταγενέστερα, οι οποίοι εφάρμοσαν τις αρχές του στα σχέδια τους. Ο Δρ. Φερντινάρντ Πόρσε ήταν ένας απ' αυτούς, σχεδιάζοντας για τη VW το KRAFT DURCH FREUDE, το γνωστό σκαθάρι. Η ευπάθεια, όμως, των αυτοκινήτων που ήταν σχεδιασμένα σύμφωνα με το δόγμα στενό και μακρύ, ήταν το ότι παρουσίαζαν αστάθεια στους πλευρικούς ανέμους και στις υψηλές ταχύτητες. Κάτι τέτοιο ήταν σημαντικό πρόβλημα για αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων όπως η Porsche 911 (επηρεασμένη και αυτή από τις αρχές του Γιάραϊ), οπότε η τοποθέτηση αεροτομής στο πίσω μέρος γινόταν απαραίτητη. Από το 1934 και μετά εφαρμόζεται η λύση του απότομου κοψίματος της ουράς, στα λεγόμενα αυτοκίνητα Kamm Back, τιμής ένεκεν οτον πρωτοπόρο Καμ που σχεδίασε το Κ5 το 1939. Το αυτοκίνητο αυτό, μετρημένο και πάλι από
τη VW, έδωσε συντελεστή οπισθέλκουσας 0,37 ενώ η μετωπική του επιφάνεια ήταν 2,17 τετρ. μέτρα. Σαν απόλυτο νούμερο σήμερα μπορεί να μην εντυπωσιάζει, αλλά αν αναλογιστεί κανείς πως τα μοντέλα εκείνης της εποχής ο συντελεστής ήταν 0,8 τότε καταλαβαίνουμε πως η τιμή του ήταν ιδιαίτερα χαμηλή. Η κήρυξη του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου, σήμανε και τη λήξη των αεροδυναμικών εξελίξεων με βάση τις ιδέες του Γιάραϊ. Μόνο η Citroen συνέχισε να σχεδιάζει αυτοκίνητα παραγωγής προς αυτή την κατεύθυνση. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η DS που εμφανίστηκε στα μέσα της δεκαετίας του '50. Το δημιούργημα του ιταλού γλύπτη Μπερτόνι είχε συντελεστή οπισθέλκουσας 0,38 με μετωπική επιφάνεια 2,14 τετρ. μέτρα. Ο σύγχρονος σχεδιασμός Η πετρελαϊκή κρίση το 1973 ανάγκασε όλο τον κόσμο να επαναπροσδιορίσει στόχους και πορείες. Φυσικά η βαριά βιομηχανία, στην οποία ανήκει και η αυτοκινητοβιομηχανία, επηρεάστηκε. Όλοι έψαχναν χαμηλό κόστος παραγωγής, αλλά και χαμηλό κόστος χρήσης για τα αυτοκίνητα. Εκεί κάπου ανακάλυψαν και πάλι την αεροδυναμική και το ρόλο της στην χαμηλή κατανάλωση καυσίμου, αφού όσο λιγότερη αντίσταση έχει το αυτοκίνητο τόσο πιο εύκολο είναι το έργο του κινητήρα, άρα λιγότερη είναι και η κατανάλωση καυσίμου. Εκείνη την εποχή ξεκινούσε και μια άλλη επανάσταοη, αυτή των υπολογιστών. Η εκμετάλλευση της υπολογιστικής δύναμης αυτών των μηχανημάτων θα βοηθούσε καθοριστικά ένα κατεξοχήν δύσκολο υπολογιστικά θέμα όπως η αεροδυναμική. Η αεροδυναμική σήραγγα δε, είχε πλέον καθιερωθεί σαν το βασικό εργαστήριο για τη μελέτη της ροής γύρω από οχήματα, αλλά και κάθε λογής κατασκευάσματα που ενδιαφέρει η ροή του αέρα
γύρω τους. Σήμερα οι σχεδιαστές, χρησιμοποιώντας όλα αυτά τα βοηθήματα, έχουν φτάσει να μειώσουν το συντελεστή οπισθέλκουσας σε αυτοκίνητα παραγωγής, στο 0,26. Το ΟρeΙ Calibra, που παρουσιάστηκε το 1989 στην έκθεση Φρανκφούρτης, ήταν το πρώτο με τόσο χαμηλό συντελεστή, ενώ και η καινούργια C-class της Mercedes ισοφαρίζει αυτό το ρεκόρ. Εξίσου σημαντικός όμως είναι ο χαμηλός συντελεστής και στα μικρά αυτοκίνητα. Στα συγκεκριμένα μοντέλα, η οικονομία καυσίμων είναι το ζητούμενο, ενώ οι κινητήρες τους κατά τεκμήριο είναι μικρού κυβισμού, οπότε η αντίσταση του αέρα καλό θα ήταν να επιβαρύνει τον κινητήρα όσο το δυνατόν λιγότερο. Το καλό αεροδυναμικό ζύγισμα λοιπόν, είναι καθοριστικό, αλλά οι διαστάσεις και το σχήμα των μικρών αυτοκινήτων δυσκολεύουν τα πράγματα. Όντας με μικρό μήκος και πολλές φορές με αρκετό ύψος για χώρους στο εσωτερικό, τα μικρά αυτοκίνητα εκ προοιμίου δεν είναι αεροδυναμικά. Η επίτευξη συντελεστή οπισθέλκουσας 0,30 στο Toyota Yaris είναι το αντίστοιχο ρεκόρ για τόσο μικρού μήκους αυτοκίνητο. Οι οικολογικοί προσανατολισμοί που επικρατούν σήμερα, και η ολοένα αυξανόμενη υπολογιστική ισχύς των ηλεκτρονικών υπολογιστών θα δώσει τη δυνατότητα για ακόμα καλύτερη εξομοίωση και μελέτη της ροής του αέρα στα αυτοκίνητα. Εγγυημένο αποτέλεσμα λοιπόν η ακόμα καλύτερη κατανόηση της αεροδυναμικής και η ακόμα καλύτερη αεροδυναμική σχεδίαση μοντέλων που ίσως κάνουν το διακαή πόθο του Γιάραϊ, πραγματικότητα σε ένα καθημερινό αυτοκίνητο.
Αεροτομές (Αρνητική Άνωση) Όπως σημειώθηκε σε προηγούμενη παράγραφο, το φαινόμενο της δυναμικής άνωσης είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία ανωστικής δύναμης στις αεροτομές (πτερύγια) και κατά συνέπεια την πτήση των αεροσκαφών. Ωστόσο η δύναμη της άνωσης στην αρνητική της μορφή είναι απαραίτητη και στη σύγχρονη βιομηχανία αυτοκινήτων. Είναι δεδομένο, πως ένα όχημα που κινείται στο έδαφος, πρέπει να εφάπτεται συνεχώς σε αυτό, έτσι ώστε να είναι δυνατός ο δυναμικός έλεγχός του (στροφή, φρενάρισμα κ.λ.π). Όσο αυξάνεται όμως η ταχύτητα κίνησης του οχήματος, δημιουργούνται διάφορα προβλήματα σχετικά με τη δυναμική του συμπεριφορά. Όταν λοιπόν ένα όχημα κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα (σίγουρα πάνω από 100-120 χ.α.ω) πρέπει να εξασφαλιστεί η συνεχής επαφή του με το οδόστρωμα και αν είναι δυνατόν, η πίεση του στην επιφάνεια του εδάφους με δύναμη μεγαλύτερη από αυτή που ασκεί η βαρύτητα της γής στο όχημα. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο συντελεστής τριβής μεταξύ των τροχών του οχήματος και του εδάφους, άρα βελτιώνεται η δυναμική του συμπεριφορά. Οι σχεδιαστές αγωνιστικών αυτοκινήτων διαπιστώνοντας τα παραπάνω, προχώρησαν στη εφεύρεση μια διάταξης η οποία χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα σε όλα τα οχήματα που επιτυγχάνουν μεγάλες ταχύτητες. Τοποθέτησαν λοιπόν στο όχημα παράλληλα προς το έδαφος, μια αεροτομή η οποία μοιάζει με ανεστραμμένη πτέρυγα αεροσκάφους. Αφού λοιπόν η κανονική πτέρυγα παρέχει ανωστική δύναμη στο αεροσκάφος, η ανεστραμμένη πτέρυγα, συμπιέζει το όχημα στο έδαφος. Οι αεροτομές έχουν εξελιχθεί πάρα πολύ τα τελευταία χρόνια και έχουν κατασκευαστεί πάρα πολλά προφίλ αεροτομών τα οποία χρησιμεύουν για διάφορες χρήσεις σε διάφορα οχήματα. Η συνηθέστερη θέση της αεροτομής
στο όχημα είναι πίσω, κοντά στο άκρο του οχήματος, ωστόσο έχουν αναπτυχθεί και διάφορες άλλες αεροτομές οι οποίες τοποθετούνται περιμετρικά του οχήματος, και αυξάνουν την κάθετη δύναμη συμπίεσης του οχήματος στο έδαφος. Στα παρακάτω σχήματα φαίνονται διάφορα είδη σύγχρονων αεροτομών. Όπως είναι γνωστό, το φαινόμενο της άνωσης δημιουργείται λόγω της διαφοράς πιέσεων μεταξύ υ επιφανειών μιας πτέρυγας. Έτσι λοιπόν, στην πάνω επιφάνεια των πτερύγων των αεροσκαφών, επικρατεί χαμηλή πίεση, ενώ στην κάτω
επιφάνεια υψηλή, με αποτέλεσμα την εμφάνιση της ανωστικής δύναμης η οποία επιτρέπει στο αεροσκάφος να πετά. Αντίστοιχα στις αεροτομές των αυτοκινήτων, όπως σημειώθηκε παραπάνω, ισχύει το ακριβώς αντίθετο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία δύναμης η οποία συμπιέζει το όχημα στο έδαφος. Ωστόσο οι σχεδιαστές αγωνιστικών αυτοκινήτων υπέθεσαν πως θα μπορούσε να συμβεί το ίδιο και στο σώμα του οχήματος. Δηλαδή, αν με κατάλληλη σχεδίαση μπορούσε να μειωθεί η πίεση στο κάτω μέρος του οχήματος, θα εμφανιζόταν επιπλέον δύναμη συμπίεσης, από αυτή που θα δημιουργούσαν οι αεροτομές. Η πρωτοποριακή αυτή ιδέα ονομάστηκε φαινόμενο εδάφους (Ground Effect) και εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στα μονοθέσια της Formula 1 της δεκαετίας του 60' ενώ στη συνέχεια τοποθετήθηκε και σε πολλά αυτοκίνητα παραγωγής, υψηλών επιδόσεων. Σήμερα, η χρήση της θεωρίας του Ground Effect θεωρείται δεδομένη στα αγωνιστικά αυτοκίνητα, ενώ έχει εξαπλωθεί σε μεγάλο βαθμό σε πολλά οχήματα μαζικής παραγωγής. Στην πράξη, το πάτωμα των οχημάτων διαμορφώνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να σημειώνεται όσο δυνατόν λιγότερη εισχώρηση αέρα στο κάτω μέρος του οχήματος, αλλά και η ταχύτατη έξοδος του αέρα που τελικά εισχωρεί. Έτσι το πάτωμα τον αυτοκινήτων είναι επίπεδο και βρίσκεται πολύ κοντά στο έδαφος. Ειδικότερα στο μπροστινό μέρος του οχήματος είναι πολύ κοντά στο έδαφος (μείωση εισερχόμενου αέρα) ενώ στο πίσω μέρος το πάτωμα ανασηκώνεται διευκολύνοντας τη δημιουργία υποπίεσης.
Τέλος μια άλλη καινοτομία στο χώρο της αεροδυναμικής του αυτοκινήτου υπήρξε η εφεύρεση του Gurney flap. Πρόκειται για μια γωνιακή προσθήκη στο χείλος εκφυγής της αεροτομής, η οποία αυξάνει πολύ την τιμή της αρνητικής άνωσης με μικρή αύξηση της αεροδυναμικής αντίστασης. Η εφεύρεση αυτή του Αμερικάνου μηχανολόγου Dan Gurney δοκιμάστηκε για πρώτη φορά στα μέρα της δεκαετίας του 70 στα μονοθέσια της Formula 1 και από τότε χρησιμοποιείται πολύ στους αγώνες αυτοκινήτων. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μορφή του πτερυγίου αυτού και η εφαρμογή του σε ορισμένα αυτοκίνητα.
Αυτό λοιπόν που επιτυγχάνεται με το συγκεκριμένο πτερύγιο είναι η απότομη αποκόλληση του οριακού στρώματος από την επιφάνεια του πτερυγίου και η δημιουργία στροβιλισμών. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η πορεία που ακολουθεί το ρευστό κατά την αποκόλληση του οριακού στρώματος. Η Αεροσύραγγα Η αεροσύραγγα είναι μια εγκατάσταση η οποία χρησιμοποιείται για αεροδυναμικές μετρήσεις σε αντικείμενα με πραγματικό μέγεθος ή σε μοντέλα (πρότυπα) κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Η πιο σπουδαία απαίτηση σε μια αεροσύραγγα είναι η ομαλή παροχή του αέρα. Για την επίτευξη αυτής της ομαλής ροής, απαιτούνται ορισμένες διατάξεις εξομάλυνσης της ροής. Αρχικά οι αεροσύραγγες χρησιμοποιούνταν για τις δοκιμές των αεροτομών των αεροπλάνων. Σήμερα ωστόσο χρησιμοποιούνται επίσης εκτεταμένα στο σχεδιασμό των αυτοκινήτων, των βλημάτων, των σιδηροδρομικών οχημάτων, καθώς επίσης και για την πρόβλεψη των ανεμοδυνάμεων και των ταλαντώσεων που προκαλούνται στα κτήρια, τις γέφυρες και σε άλλες ογκώδεις κατασκευές από τους ανέμους. Στις εικόνες παρουσιάζονται μοντέλα
διαφόρων αντικειμένων τα οποία δοκιμάστηκαν σε αεροσύραγγα. Η Υποηχητική Αεροσύραγγα του Εργαστηρίου
Η αεροσύραγγα του εργαστηρίου αποτελείται από τα παρακάτω βασικά τμήματα: 1) Ο Συνχύτης είναι το τμήμα της αεροσύραγγας από όπου εισέρχεται ο αέρας προς το εσωτερικό. Πρόκειται για έναν κωνικό αγωγό στο άκρο του οποίου είναι τοποθετημένη μια διάταξη ομαλοποίησης της ροής. Η διάταξη αυτή έχει τη μορφή κυψελωτού αγωγού, οι κυψελίδες του οποίου, αναγκάζουν τον αέρα σε εξομάλυνση της κίνησης του. 2) Μετά τον συγχύτη, ακολουθεί ο Χώρος Δοκιμών, όπου τοποθετούνται τα δοκίμια προς μελέτη, καθώς και τα μετρητικά όργανα. Ο Χώρος Δοκιμών είναι ένας κυλινδρικός αγωγός, με ειδικές οπές οι οποίες επιτρέπουν την είσοδο των μετρητικών οργάνων. 3) Ο Διαχύτης είναι το τελευταίο τμήμα της αεροσύραγγας από όπου διοχετεύεται ο αέρας ξανά στο περιβάλλον. Ο Διαχύτης, όπως και ο συνχύτης, είναι κωνικός, με μικρότερη όμως κωνικότητα, και αντίστροφη φορά του κώνου. Στο άκρο του Διαχύτη βρίσκεται ένας αξονικός ανεμιστήρας υψηλής ισχύος, ο οποίος δημιουργεί το ρεύμα αέρα στην αεροσύραγγα. Μετρητικές - Ρυθμιστικές Διατάξεις 1) Ηλεκτρονικά Ισχύος, τοποθετημένα στο κύκλωμα του ανεμιστήρα, μεταβάλλουν την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος που κινεί τη φτερωτή. Έτσι είναι δυνατή η μελέτη της συμπεριφοράς των σωμάτων σε ροές διαφόρων ταχυτήτων. 2) Σωλήνας Pitot. Τοποθετείται στο χώρο δοκιμών από ειδικές οπές, ελέγχοντας την ομαλότητα της ροής στο χώρο δοκιμών. Η διαδικασία του ελέγχου της ομαλότητας της ροής είναι ιδιαίτερα σημαντική, για τη διασφάλιση της ακρίβειας των εξαγόμενων αποτελεσμάτων.
3) Πιεζομετρικοί σωλήνες και πολλαπλό υοειδές μανόμετρο. Πρόκειται για μία διάταξη η οποία μπορεί να δώσει τιμές πίεσης για διάφορα σημεία μιας διατομής της ροής. Με τον τρόπο αυτό, οπτικοποιείται η μεταβολή της πίεσης και της ταχύτητας που προκαλεί το εξεταζόμενο σώμα στη ροή. Η μετρητική αυτή διάταξη φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 4) Κεκλιμένο υοειδές μανόμετρο. Πρόκειται για ένα μανόμετρο, το οποίο παρέχει τιμές μέτρησης αρκετά μεγάλης ακρίβειας. Η βαθμονόμησή του δεν έχει γίνει με βάση τις μονάδες πίεσης, αλλά με βάση τις μονάδες ταχύτητας. Έτσι λοιπόν επιτρέπει στο χειριστή της αεροσύραγγας τον ακριβή έλεγχο της ταχύτητας ροής στο χώρο δοκιμών. 5) Διάταξη εξισορρόπησης της αεροδυναμικής αντίστασης. Πρόκειται για μια σχετικά απλή διάταξη η οποία αποτελείται από έναν αρθρωτό βραχίονα με δυνατότητα μεταβαλλόμενης φόρτισης. Ειδικότερα, ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να προσθαφαιρεί (δοκιμαστικά) βαρίδια στο βραχίονα, έτσι ώστε να εξισορροπήσει με τα βαρίδια αυτά την, ασκούμενη από τη ροή στο σώμα, δύναμη (F D ). Η διάταξη αυτή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί.