CAPITOLUL 1. INTRODUCEREA MĂSURĂTORILOR ÎN TUNELUL AERODINAMIC 9 1.1 Instrumente și aparate pentru determinarea parametrilor curentului de aer 12… [308117]

CUPRINS

REZUMAT 3

INTRODUCEREA 4

CAPITOLUL 1. INTRODUCEREA MĂSURĂTORILOR ÎN TUNELUL AERODINAMIC 9

1.1 Instrumente și aparate pentru determinarea parametrilor curentului de aer 12

1.2. Instrumente și aparate pentru determinarea directă forțelor aerodinamice 14

1.3. Instrumente și tehnici pentru vizualizarea curgerii 17

CAPITOLUL 2. TUNELELE AERODINAMICE 19

2.1 Clasificare tunelelor aerodinamice 19

2.2 Componentele constructive 20

2.3 Utilizarea tunelelor aerodinamice 26

2.4 Influența raportului de blocare 26

CAPITOLUL 3. DESCRIEREA INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE 28

CAPITOLUL 4. AUTOMATIZAREA TUNELULUI AERODINAMIC LA SCARĂ MODELARĂ 33

CAPITOLUL 5. PROBLEME SPECIALE DE AERODINAMICA AUTOVEHICULELOR 36

5.1 Efectul de sol în aerodinamica autovehiculelor 36

CONCLUZII 42

BIBLIOGRAFIE 44

REZUMAT

Motivul alegerii temei

Alegerea temei de licență are a fot fundamentată de dorința mea de a descoperire și a aprofunda cunoștințele obținute pe parcursul anilor de studiu în acest domeniu.

Baza alegerii temei date o constituie cursurile la care am participat legate de dinamica autovehiculelor în cei patru ani de studiu. Astfel, am ajuns să îndrăgesc și mai mult aspectele legate de dinamica autovehiculelor.

[anonimizat]: [anonimizat], [anonimizat].

Obiectivele lucrării

Obievele lucrării cuprind: prezentarea, cunoașterea și înțelegerea fenomenelor ce au un impact major asupra performanțelor unui autovehicul rutier.[anonimizat] 5 [anonimizat]:

INTRODUCEREA – [anonimizat], metode și practici de analiză;

CAPITOLUL 1. [anonimizat].

CAPITOLUL 2. [anonimizat], componentelor, utilizarea și influența tunelelor aerodinamice.

CAPITOLUL 3. [anonimizat] a tunelului aerodinamic.

CAPITOLUL 4. [anonimizat].

CAPITOLUL 5. PROBLEME SPECIALE DE AERODINAMICĂ A AUTOVEHICULELOR – aici sunt descrise problemele cu care se confruntă un autovehicol rutier legate de aerodinamică.

INTRODUCEREA

Aerodinamica este știința (ramură a mecanicii fluidelor) care se ocupă cu studiul mișcării aerului (și în general al gazelor) precum și cu studiul mișcării corpurilor în aer (sau în alte gaze). Ca o consecință a [anonimizat]:

[anonimizat], [anonimizat];

aerodinamica experimentală studiază fenomenele prin intermediul unor experiențe adaptate lor (cu precizarea că obținem același rezultat dacă deplasăm corpul față de fluid sau fluidul față de corp).

aerodinamica aplicată folosește cunoștințele din celelalte două sectoare ale aerodinamicii, în construcțiile aeronautice.

Aerodinamica urmărește interacțiunea dinamică dintre aerul atmosferic și corpurile solide, denumite structuri aeromecanice. În funcție de categoriile în care se pot grupa corpurile, în prezent fiind următoarele ramuri ale aerodinamicii:

aerodinamica aeronavelor, care studiază aripi portante, ampenaje, fuselaje, sau alte componente ale unei aeronave (Figura 1.1)

aerodinamica automobilelor, analizând în principiu curgerea aerului în jurul caroseriei, dar și probleme legate de curgerea aerului în habitaclu sau compartimentul motor. (Figura 1.2)

aerodinamica rotorilor paletați, precum în cazul studiului elicelor propulsive sau a turbinelor eoliene.

aerodinamica industrială, se ocupă cu studiul celorlalte categorii de corpuri, precum clădiri, poduri, antene, diverse elemente de infrastructură supuse acțiunii vântului sau curenților de aer.

Aerodinamica automobilelor este știința care se ocupă cu studiul fenomenelor rezultate ca urmare a interacțiunii dintre automobil și aer. Simplificat, putem defini coeficientul aerodinamic ca un parametru care reprezintă rezistența cu care se opune aerul la deplasarea unui automobil. Cu cât coeficientul aerodinamic este mai mic cu atât rezistența aerului la deplasarea automobilului este mai mică.

Dacă până nu de mult aerodinamica era domeniul exclusiv al aplicațiilor din industria aeronautică, la ora actuală se poate vorbi de o nouă ramură a acestei științe: aerodinamica autovehiculelor. Odată cu dezvoltarea tot mai rapidă a industriei constructoare de mașini, la proiectarea noilor automobile se au în vedere, din ce în ce mai mult, aspectele de ordin aerodinamic, care să complementeze pe cele tradiționale: fiabilitate, ergonomie, siguranță în exploatare, consum redus etc.

Cercetări sistematice de aerodinamica autovehiculelor au fost realizate pentru prima dată în Europa, în Germania, la aproximativ 25 de ani de la apariția primului automobil. Astfel, în 1922 Klemperer W. publică în presa de specialitate articolul ,,Investigations of the Aerodynamic Drag of Automobiles’’ în care sunt prezentate rezultatele unor experimente efectuate în tunelul aerodinamic al uzinelor Zeppelin, referitoare la influența formei autovehiculelor asupra rezistenței la înaintare a acestora, evidențiind posibilitatea obținerii unei valori a coeficientului de rezistență la înaintare cx= 0.15 pentru un corp (pe roți) având forma unei jumătăți de picătură de apă, ca în figura 1.3. Un autovehicul având această formă a fost brevetat și ulterior realizat de inginerul Aurel Persu în 1922.

Cronologic au urmat studii referitoare la influența forțelor aerodinamice asupra stabilității automobilelor, întreprinse de un grup de cercetători condus de Kamm, fondându-se cu această ocazie Institutul de Cercetare a Vehiculelor în Stuttgart, în prezent acesta fiind integrat în Universitatea Tehnologică din Stuttgart. În SUA, primele studii de aerodinamica autovehiculelor au fost efectuate la începutul anilor ’30 de către firmele Chrysler și Ford, dar au fost sistematizate abia la după 1950, coincizând cu perioada în care studiile de aerodinamică în aviație au avut ca efect o îmbunătățire radicală a performanțelor avioanelor.

Până spre sfârșitul anilor ’70 principala preocupare a inginerilor a fost îmbunătățirea mecanicii și funcționalității automobilelor, aerodinamica acestora fiind o problemă secundară. Odată cu creșterea vitezei de deplasare a autovehiculelor, cu cunoașterea influenței forței de rezistență la înaintare asupra puterii necesare unui automobil (vezi figura 1.4,) și implicit asupra consumului de combustibil (vezi figura 1.5), aerodinamica revine în actualitate, reducerea coeficientului de rezistență la înaintare cx, fiind una din principalele priorități. (J.W. Fitch, 1994)

Deși o preocupare constantă a inginerilor pentru reducerea rezistenței la înaintare a automobilelor o reprezintă forma exterioară a structurii superioare a caroseriei, după cum se poate observa și din figura 1.3, recent, atenția acestora se îndreaptă tot mai mult asupra geometriei structurii inferioare a automobilelor în vederea asigurării unei curgeri optime și pe sub vehicule . În acest sens, se efectuează studii complexe, care pun în evidență aportul fiecărei componente a structurii caroseriei la rezistența totală. Astfel de cercetări au devenit posibile odată cu dezvoltarea și perfecționarea tehnicilor experimentale de investigare a curgerilor supuse influenței căii de rulare, precum cele care utilizează dispozitive cu covor rulant cu ajutorul căror a se pot reproduce atât mișcarea relativă dintre vehicul și sol cât și proprietățile stratului limită de la nivelul acestuia. (Cazacu M.,1996)

În acest context, reducerea coeficientului de rezistență la înaintare (rezistență aerodinamică) constituie una din principalele priorități, atât pentru autovehiculele de mare tonaj, cât si pentru automobile. (Robert J. Englar, 2005) În acest sens, se efectuează studii complexe, care pun în evidență aportul fiecărei componente a structurii caroseriei la rezistenta totală, evidențiindu-se posibilitățile de îmbunățățire a comportamentului aerodinamic a autovehiculelor.

Deoarece forțele aerodinamice care acționează asupra unui automobil au un rol semnificativ asupra comportamentului dinamic al acestuia în ceea ce privește stabilitatea, manevrabilitatea, sensibilitatea la rafale laterale și nu în ultimul rând a consumului de combustibil și a zgomotului produs, s-a ajuns ca în ultimul deceniu, aerodinamica să devină una din cele mai importante considerente care stau la baza proiectării autovehiculelor.

Principalele direcții ale studiului aerodinamic ale unui autovehicul se pot grupa după cum urmează:

determinarea forțele și momentele aerodinamice la care este supus un autoturism în cadrul interacțiunii lui cu atmosfera; din cele 6 componente ce caracterizează performanțele aerodinamice ale unui autovehicul cea mai importantă este rezistența aerodinamică la înaintare, FX; studiile efectuare în acest sens au relevat faptul că reducerea coeficientului de rezistență la înaintare pentru o mașină obișnuită de la cx=0.4 la cx=0.3 ar conduce la o reducere a consumului de combustibil cu aproximativ 7%, cu consecințe importante inclusiv asupra prețului petrolului pe piața mondială;

studiul curgerii aerului în jurul autoturismului, cât mai detaliat posibil; curgerea exterioară este cea care determină traseul picăturilor de ploaie, mecanismul de depunere al prafului, zgomotul aeroacustic, răcirea frânelor, forțele care acționează asupra ștergătoarelor de parbriz etc; astfel, calitatea unui autoturism din punct de vedere aerodinamic depinde în mare măsură de succesul modelării caroseriei acestuia, în sensul obținerii unui câmp de curgere exterior astfel încât să fie rezolvate favorabil problemele prezentate mai sus;

curgerea aerului în interiorul compartimentul motorului; curgerea corespunzătoare a curentului de aer contribuie la o reducere a suprafeței utile a radiatorului și la o răcire mai bună a componentelor aflate în acest compartiment;

climatizarea compartimentului pasagerilor pentru obținerea unui confort sporit al acestora.

Creșterea semnificativă a numărului de cercetări din domeniul aerodinamicii autovehiculelor, se datorează în mare măsură dezvoltării recente a performanțelor mașinilor de calcul, precum și a soft-urilor din domeniul CFD (Computational Fluid Dynamics), în special a facilităților oferite de acestea în ceea ce priveste vizualizarea rezultatelor. Astfel, investigarea autovehiculelor din punct de vedre aerodinamic se realizeaza recent, cu succes, în medii virtual. (Kleber, A.,)

CAPITOLUL 1. INTRODUCEREA MĂSURĂTORILOR ÎN TUNELUL AERODINAMIC

Interacțiunea dinamică dintre aerul atmosferic și un vehicul în mișcare relativă față de acesta, are ca rezultat formarea unei forțe aerodinamice globale (rezultante) și a unui moment (aerodinamic) corespunzător , ale căror componente raportate la sistemul de referință al automobilului sunt prezentate în figura 1.1.

Forța de rezistență la înaintare (R );

Forța laterală (L );

Forța portantă (P );

Momentul aerodinamic de ruliu;

Momentul aerodinamic de tangaj (răsturnare);

Momentul aerodinamic de girație;

viteza relativă a aerului față de automobil;

unghiul dintre și ax a longitudinală a automobilului.

Originea sistemului de referință poate fi centrul de greutate al mașinii sau punctul determinat de intersecția diagonalelor patrulaterului format din “punctele” de contact ale celor patru roți cu calea de rulare.

Natura forței aerodinamice globale, prec um și a componentelor ei, poate fi interpretată din două perspective diferite, cea a automobilului și cea a aerului atmosferic prin care vehiculul se deplasează.

Astfel, din perspectiva automobilului, valoarea forței pe care curentul de aer o exercită asupra acestuia se poate calcula prin integrarea pe suprafețele exterioare ale vehiculului a forțelor elementare de presiune (pe direcție normală la elementul de suprafață ) și forțelor elementare tangențială de frecare , care se exercită în stratului limită ce s e form ează la nivelul suprafețelor automobi lului expuse acțiunii aerului:

(1.1)

unde, reprezintă componenta normală a efortul unitar ce se exercită pe

elementul de suprafață ; este definit conform relației ,

unde este versorul normalei la suprafața , orientat spre exteriorul

acesteia, iar este presiunea care se exercită pe ;

reprezintă componenta tangențială a efortul unitar ce se exercită pe

elementul de suprafață , cunoscută ca tensiunea tangențială de frecare;

se datorează exclusiv vâscozității aerului.

Astfel, forța aerodinamică globală se poate scrie ca sumă a două componente, dintre care una de presiune și a două de frecare , după cum urmează:

(1.2)

Evaluarea directă a celor două componente, separat, necesită cunoștințe detaliate despre distribuția de presiuni și eforturilor tangențiale de frecare pe întreaga suprafață a vehiculului studiat. Aceste distribuții se obțin extrem de dificil pe cale experimentală pentru corpuri complexe din punct de vedere geometric, precum cele ale automobilelor, fiind practică doar în cazul anumitor porțiuni ale caroseriei, unde distribuția de presiuni este rezonabil uniformă.

Calculul celor două componente se poate realiza cu o precizie suficient de bună cu ajutorul tehnicilor CFD (Computational Fluid Dynamics).

Din această perspectivă componentele , , ale forței aerodinamice globale se pot evalua experimental în mod direct, cu ajutorul unei balanțe aerodinamice.

Din perspectiva curentului de aer , forța aerodinamică globală se determ ină aplic ând prima teoremă a impulsului (Euler) masei de aer cuprins ă întru -un volum de control de mari dimensiuni din jurul automobilului. În această direcție unul din rezultatele semnificative ale cercetărilor din domeniu a fost determ inarea rez istenței la înaintare ca rez ultat al trenei de vârtejuri care se formeaz ă în spatele automobilului și care își au originea în diferite zone de impact ale caroseriei (de presiune scăzută) unde se produce desprinderea stratului limită.

Din această perspectivă componentele ale forței aerodinamice globale se pot evalua experimental în mod indirec t, prin măsurarea diferențelor de presiune care apar în două plane simetrice față de sistemul de referință raportat la direc ția curentului de aer, ca de exemplu prin măs urarea diferenței de presiune dintre secțiunea de intrare în camera de experiențe și un alt plan perpendicular pe direcția de curgere, din spatele modelului testat, pentru determinarea forței de rez istență la înaintare.

Relațiile practice de calc ul a celor șase componente ale forței aerodinamic e rez ultante și momentului c ores punzător, deduse pe bază criteriilor de similitudine, sunt:

(1.3)

unde, reprezintă presiunea dinamică a curentului de aer neperturbat de

prezența autovehiculului, de referință, calculată cu relația (1.5);

reprezintă aria de referință a autovehiculului luată în considerare la

calculul forțelor aerodinamice; de obicei este aria proiecției

automobilului pe planul de referință (planul transversal al

mașinii), vezi figura 1.2, dar sunt situații când de referință se

consider a fi aria secțiunii transversale maxime;

reprezintă lungimea de referință (caracteristică) a autovehiculului

luată în considerare la calculul forțelor aerodinamice; de obicei este

lungimea automobilului, dar sunt situații când de referință se

consideră a fi ampatamentul mașinii (distanța dintre axele

geometrie ale punților față și spate ale mașinii);

sunt coeficienți adimensionali ce caracterizează forțele aerodinamice

corespunzătoare, denumiți și coeficienți aerodinamici; în cazul

automobilelor aceștia se determină experimental;

sunt coeficienți adimensionali ce caracterizează momentele

aerodinamice corespunzătoare axelor sistemului de referință al

automobilului. (Costinescu, P., 2000)

(1.5)

unde, reprezintă densitatea curentului de aer neperturbat de prezența

autovehiculului (de referință);

reprezintă viteza curentului de aer neperturbat de prezența

autovehiculului (de referință);

Pentru a caracteriza din punct de vedre aerodinamic performanțele unui autovehicul se utilizează coeficienții aerodinamici. Pentru o poziție stabilită a automobilului fața de calea de rulare, aceștia sunt dependenți de numărul Reynolds , , adică de regimul de mișcare (relativă) al curentului de aer ce învăluie mașina.

(1.6)

unde, reprezintă vâscozitatea dinamică a curentului de aer neperturbat de

prezența autovehiculului (de referință);

reprezintă vâscozitatea cinematică a curentului de aer neperturbat de

prezența autovehiculului (de referință);

Pentru a caracteriza modul în care un automobil interacționează cu aerul atmosferic cu care vine în contact se construiesc diagrame ale variației coeficientului de presiune pe suprafețele acestuia. Cu ajutorul acestor diagrame se poate determina componenta datorată distribuției de presiuni de a forței aerodinamice globale, dependentă de forma caroseriei.

În primă aproximație, puterea consumată de un autovehicul pentru învingerea forței de rezistență la înaintare se poate calcula în cazul deplasărilor uniforme cu relația:

(1.7)

După cum se observă este o funcția cubică de viteza de deplasare a automobilului, acesta fiind principalul motiv pentru care reducerea valorii coeficientului de rezistență la înaintare constituie una din prioritățile proiec tării autovehiculelor.

Practic, s-a constatat că pentru un automobil cu aria secțiunii transversale de aproximativ puterea consumată pentru învingerea forței de rezistență la înaintare se menține în limite rezonabile până la viteze de

Principalele obiective ale aerodinamicii automobilelor sunt:

Reducerea rezistenței la înaintare

Maximizarea forței de apăsare aerodinamică

Instrumentele și aparatele de măsură specifice tunelelor aerodinamice se pot grupa în:

instrumente și aparate pentru determinarea parametrilor curentului de aer

instrumente și aparte de determinarea forțelor aerodinamice;

instrumente și aparate pentru vizualizarea curgerii.

Instrumente și aparate pentru determinarea parametrilor curentului de aer

Din această categorie a instrumentarului specific unui tunel aerodinamic fac parte instrumentele de determinare a presiunii, vitezei, temperaturii, direcției și gradului de turbulență a curentului, precum și instrumentele pentru efectuarea măsurătorilor în stratul limită.

Pentru viteze mai mari de 10 m/s pot fi utilizate aparatele clasice, pneoumometrice, a căror funcționare se bazează pe măsurarea presiunilor sau a diferențelor de presiuni din interiorul unui curent de fluid, precum tuburile Pitôt sau Pitôt –Prandtl, deoarece sensibilitatea (precizia) acestora scade odată cu micșorarea vitezei. De asemenea astfel de aparate măsoară o mărime medie în timp, în unele situații acest fapt constituind un dezavantaj.

În domeniul vitezelor mai mici de 10 m/s s-au impus aparatele electrice, precum anemometrele, sau termoanemometrele, a căror sensibilitate crește odată cu scăderea vitezei, acestea având capacitatea de a măsura valori instantanee. Cele mai utilizate tipuri sunt anemometrul cu fir cald, cu morișcă și anemometrul cu laser, prezentate succint în cele ce urmează.

Principiul de funcționare al anemometrul cu fir cald se bazează pe faptul că transferul de căldură prin convecție, dintre un solid și un mediu gazos, este dependent de viteza relativă dinte fluid și solid. Constructiv, un termoanemometru se compune dintr-o sondă cu filament de platină, nichel sau wolfram, fixat pe doi suporți (electrozi) din manganin și din instalația electrică la care este conectată aceasta.

Firul încălzit de un curent electric este expus perpendicular pe direcția de curgere a curentului de fluid, răcindu-se în funcție de viteza curentului. Circuitele electrice ale termoanemometrelor depind de metoda adoptată pentru măsurare. Astfel, pentru determinarea vitezei curentului se poate măsura intensitatea curentului din circuit pentru o rezistență constantă, cunoscută (vezi figura 1.1.a), sau prin măsurarea rezistenței pentru o intensitate cunoscută (vezi figura 1.1.b). (Buzdugan, G., 1974)

Pentru anemometrele uzuale lungimea filamentului este cuprinsă în intervalul 3 – 12 mm, iar diametrul este de 0.025 – 0.15 mm. Astfel de sonde pot fi simple sau combinate, caz în care pot determina variația vitezei pe două sau trei direcții (vezi figura 1.2), ultimul tip de sondă fiind folosit la determinarea gradului de turbulență

Principalele dezavantaje al anemometrelor cu fir cald se datorează fragilității sondei și a faptului că etalonarea ei nu e stabilă în timp, fiind recomandate reetalonări pentru fiecare măsurătoare în parte.

Principiul de funcționare al anemometrul cu morișcă se bazează pe convertirea în semnal electric al mișcării de rotație a unei moriști, a cărei turație este dependentă de viteză curentului de aer. Dimensional sunt mai robuste ca cele prezentate anterior, utilizarea lor fiind limitată de dimensiunile de gabarit ale sondei. .( Buzdugan, G., 1974)

În cazul anemometrelor cu laser, principiul de funcționare al acestora se bazează pe efectul Doppler referitor la lumina difuzată de o particulă aflată în suspensie într-un curent de fluid: frecvența undei difuzate prezintă un decalaj față de frecvența undei incidente această diferență de frecvență putând fi exprimată în funcție de viteza a particulei cu relația:

unde, este lungimea undei incidente;

sunt vectorii unitari ai direcției luminii difuzate și ai luminii incidente

după o direcție dată;

Pentru a putea pune în evidență diferențe mici de frecvență între două unde de lumină sursa trebuie să fie monocromatică, să aibă o divergență foarte mică ( de ordinal 10⁻³ rad ) și să concentreze o energie importantă în punctul de măsură, proprietăți întrunite de laser. Pentru măsurători în aer sunt necesare particule ale căror dimensiuni să fie cuprinse în intervalul (1-10) .

Avantajul acestei metode constă în faptul că permite măsurarea vitezei într-un punct a unui curent de fluid fără a perturba curgerea acestuia prin prezența unei sonde, dar încă rămâne o metodă scumpă.

1.2. Instrumente și aparate pentru determinarea directă forțelor aerodinamice

Această categorie de instrumente specifice tunelelor aerodinamice este constituită de balanțele aerodinamice. Cu ajutorul acestora se pot determina cele șase componente ale torsorului format din forța aerodinamică globală și momentul corespunzător acesteia, raportate la originea unui sistem de referință triortogonal drept, precum cel prezentat în paragraful anterior, sau unul orientat după direcția curentul de aer.

După numărul componentelor măsurate balanțele se pot numi cu o componentă (în cel mai simplu caz), cu două componente, …, sau cu șase componente în cel mai general caz. După poziția față de modelul testat pot fi interioare sau exterioare, iar după principiul de determinare al componentelor se pot clasifica în balanțe mecanice (vezi figura 1.3) și balanțe tensometrice. (Carafoli, E. 1954)

Deși acuratețea de determinare a sarcinilor aerodinamice în cazul utilizării balanțelor tensometrice este de aproximativ , mai mică decât a celor mecanice, de precizie , cele mai utilizate la determinarea caracteristicilor aerodinamice ale automobilelor sunt cele tensometrice, motiv pentru care for fi prezentate pe scurt în cele ce urmează.

Sunt mai robuste, influențează mai puțin prin prezența lor curgerea în jurul modelului testat, iar măsurarea componentelor aerodinamice se bazează pe transformarea deformațiilor pe care le suferă un element elastic în semnale electrice cu ajutorul unor traductoare, cele mai utilizate fiind mărcile tensometrice. Cel mai simplu element elastic poate fi constituit dintr-o bară din oțel în consolă, cu ajutorul căruia se pot măsura maxim trei componente (două forțe și un moment). Pentru a mări sensibilitatea de măsurare se preferă barele cu pereți subțiri, iar poziționarea modelului se face astfel încât sarcina globală să fie una excentrică, ca în cazul prezentat în figura 1.4.

Constructiv, balanța tensometrică prezentată în figura 1.4 se compune din:

suport 4 de fixare (rigidă) al modelului studiat în suflerie,

brațul balanței 5 și

elementul elastic 6 (tub cu pereți subțiri),

fixat prin intermediul unui suport 7

de un cadru metalic 8, independent de structura de rezistența a tunelului.

Forțele aerodinamice care acționează asupra modelului încercat în suflerie sunt transmise prin intermediul brațului balanței la elementul elastic, deformațiile acestuia fiind preluate de mărci tensometrice conectate în punte Wheatstone (vezi figura 1.5) transmise la aparate de înregistrare (tensometre electronice), unde sunt și convertite în semnale electrice, afișate analogic sau digital. (Carafoli, E., 1981)

Pentru mărirea numărului de componente măsurate se pot realiza structuri care să combine două sau trei astfel de elemente elastice (Huminic 2003), ca în figura 1.6.

Procedura de etalonare a acestor balanțe e mai complicată, necesitând și determinarea influențelor reciproce dintre componente în cazul deplasărilor mari.

1.3. Instrumente și tehnici pentru vizualizarea curgerii

Date importante referitoare ca curgerea fluidelor în jurul corpurilor se pot obține și prin vizualizarea mișcării acestora. În general natura acestor informații este una calitativă, dar s-au dezvoltat și tehnici care pe baza observațiilor vizuale furnizează informații din punct de vedere cantitativ, în special în cazul corpurilor complexe geometric.

Cele mai uzuale tehnici de vizualizare a curgerii aerului în jurul caroseriilor de automobile sunt vizualizarea cu fum sau cu ajutorul firelor lipite de suprafața caroseriei. Sunt ieftine și ușor de realizat practic.

În cazul utilizării tehnicilor cu fum (sau a altor particule vizibile introduse în curentul de aer) scopul de bază îl constituie vizualizarea liniilor de curent și a determinării zonelor de tranziție astratului limită (vezi figura 1.7). Se utilizează cu precădere în tunele în circuit deschis a căror întreținere este mai simplă de efectuat, în cazurile în care au loc depuneri pe suprafețele interioare a tubulaturii.

Utilizarea firelor, de mătase sau lână, este cea mai simplă tehnică de vizualizare. Nu necesită aparatură specială de vizualizare și spectrul curgerii pe care îl oferă conține informații utile mai ales în ceea ce privește curgerea pe suprafața caroseriei, evidențiind zonele de desprindere a stratului limită și de formare a turbioanelor, precum în figura 1.8.

Principalul inconvenient al acestei tehnici de vizualizare se datorează faptului că prezența firelor pot genera perturbații care să influențeze curgerea. Pentru a evita acest inconvenient se utilizează tehnici de vizualizare a curgerii pe suprafețele caroseriei folosind uleiuri minerale sau alte substanțe aderente cu vâscozitate apropiată de a uleiului.

Recent au fost dezvoltate tehnici speciale de vizualizare a curgerii în jurul caroseriilor de autovehicule, precum PIV (Particle Image Velocimetry). Această tehnică furnizează date despre domeniul supus analizei, măsurând două din componentele vectorilor viteză instantanee ai particulelor într-o secțiune transversală a curentului de aer, cea de a treia componentă fiind determinată utilizând două camere de luat vederi așezate în poziție stereoscopică. Procedeul e similar celui de formare a imaginilor în relief în cazul aparatului vizual al oamenilor. Utilizând camere de luat vederi și calculatore performante se realizează un spectru al curgerii în timp real. Este o metodă foarte scumpă și nu e la îndemâna oricărui laborator de aerodinamică. (Oprean C.)

CAPITOLUL 2. TUNELELE AERODINAMICE

Cercetările experimentale de aerodinamică sunt strâns legată de experimentele realizate în tunele aerodinamice, altfel numite și suflerii. În camerele de experiențe ale acestora se reproduc condițiile de mediu în care structurile aeromecanice testate evoluează în mod curent.

2.1 Clasificare tunelelor aerodinamice

Există o gamă variată de astfel de instalații, principalele criterii după care acestea se pot clasifica fiind următoarele:

după arhitectura acestora, se disting tunele aerodinamice:

cu circuit deschis (vezi figura 2.1.1), tip Eiffel, sau

cu circuit închis (vezi figura 2.1.2), tip Prandtl; (Huminic, A., 2005)

după tipul camerei de experiențe, se disting tunele aerodinamice:

cu cameră de experiențe deschisă (prezintă avantajul unor interferențe reduse între modelul studiat și pereții camerei de testare, dar sunt mari consumatoare de energie);

cu cameră de experiențe închisă, (prezintă avantajul unui consum de energie mai mic);

după valoarea vitezei maxime de referință (din camera de experiențe), se pot clasifica în tunele aerodinamice:

subsonice incompresibile,

subsonice compresibile

supersonice;

după valoarea presiunii din camera de experiențe, pot fi tunele aerodinamice

atmosferice

presurizate, de densitate variabilă.

Pe lângă tunelele aerodinamice descrise anterior s-au mai construit și unele cu destinație specială cum ar fi cele de vizualizare a curgerii, aeroacustice etc. (Versteeg H.K.,)

2.2 Componentele constructive

Legat de principalele componente constructive ale tunelelor aerodinamice menționate anterior să prezint pe scurt câteva detalii în cele ce urmează:

Camera de experiențe (testare): este zona unde se plasează modelul de studiat și în care se reproduc condițiile atmosferice în care acesta evoluează în mod obișnuit. În secțiunea transversală camera de testare poate avea diferite forme, cele mai utilizate fiind (în funcție de destinația tunelului) cele dreptunghiulare, circulare, mai rar octogonale sau eliptice etc. Lungimea recomandată pentru camera de experiențe este ( este diametrul hidraulic al secțiunii camerei de testare). În cazul unor lungimi mai mari, grosimea stratului limită poate influența negativ precizia măsurătorilor. În figura 2.2.3 sunt prezentate principalele caracteristici geometrice ale unei camere de experiențe de secțiune rectangulară.

Difuzorul: este plasat după camera de experiențe și trebuie astfel realizat încât să nu se producă desprinderi ale curentului de aer de pe pereții acestuia. Pentru secțiuni circulare valoarea maximă recomandată a unghiul de evazare al pereților este de aproximativ . Această valoare poate ajunge la în cazul secțiunilor dreptunghiulare, unde creșterea secțiunii se realizează, frecvent, prin evazare într-un singur plan, ca în cazul prezentat în figura 2.2.4. Caracteristicile geometrice ale unui astfel de difuzor sunt următoarele:

Confuzorul: este plasat înaintea camerei de experiențe și are rolul de a mări viteza curentului de aer la valoarea și de a micșora turbulența în camera de experiențe. Valorile recomandate ale gradului de convergență sunt – raportul dintre aria secțiunii de intrare în confuzor și aria secțiunii de ieșire din confuzor (respectiv de intrare în camera de experiențe). Există mai multe tipuri constructive de confuzoare, în figura 2.2.5 fiind prezentate principalele caracteristici geometrice ale unui confuzor cu variație a secțiunii într-un singur plan și curbură dublă, cu generatoare curbilinii. Principalele caracteristici geometrice ale unui astfel de confuzor sunt următoarele:

Rețeaua de rectificare: este utilizată pentru micșorarea turbulenței curentului de aer și conducerea favorabilă a acestuia spre alte componente de interes ale tunelului, precum confuzorul. Cele mai simple din punct de vedere constructiv sunt realizate din plase. Cele mai eficiente sunt cele din rigle de grosime constantă , ale căror ochiuri pot avea diferite forme, mai des întâlnite fiind cele dreptunghiulare (vezi figura 2.2.6).

Ventilatorul: reprezintă sursa de putere a instalației, asigurând circulația aerului prin tunel. Pentru tunelele clasice mai des utilizate sunt cele axiale. Pentru diminuarea vârtejurilor generate de rotorul ventilatorului se folosește uneori soluția montării succesive a două ventilatoare identice ce se rotesc în sensuri contrare. Cel mai adesea se introduc pe circuitul tunelului rețele de rectificare a curentului de aer, rețele de profile etc. Se montează cât mai departe posibil de camera de experiențe. În cazul în care turația ventilatorului este constantă, debitul de aer se reglează cu ajutorul unei vane.

Elemente de legătură: sunt necesare în general tunelelor în circuit închis și fac legătura între principalele elemente componente ale acestora. Sunt reprezentate cel mai adesea de coturi și corpuri de trecere de la un tip de secțiune la altul, ca de exemplu de la secțiunea circulară a ventilatorului la o secțiune de curgere dreptunghiulară, precum în figura 2.2.7.

În cazul coturilor, pentru reducerea rezistenței hidraulice, se recomandă echiparea acestora cu pale directoare. La coturile ai căror pereți nu sunt concentrici, acestea pot fi profilate aerodinamic (vezi figura 2.2.8.a), cilindrice de grosime constantă (vezi figura 2.2.8.b), sau concentrice subțiri pentru cele cu pereți concentrici (vezi figura 2.2.9).

În coturilor ai căror pereți nu sunt concentrici, palele directoare din acestea formează un grătar aerodinamic, care provoacă abaterea curentului de aer spre peretele interior, datorită forțelor aerodinamice ce se dezvoltă pe acestea. În cazul alegerii corecte a dimensiunilor, numărului, unghiului de așezare și după caz, a profilului palelor directoare, abaterea curentului spre peretele interior preîntâmpină desprinderea curentului de perete și formarea unei zone turbionare de recirculare.

Acțiunea palelor concentrice se exprimă mai ales prin aceea că ele scindează cotul dat într-un șir de coturi cu un grad mai mare de lungire a secțiunii transversale ceea ce duce la micșorarea pierderilor de presiune.

Numărul normal de pale necesar obținerii unei distribuții uniforme a vitezei imediat după cot se determină din formula:

Amplasarea optimă a palelor în coturi cu pereți concentrici se obține dacă:

2.3 Utilizarea tunelelor aerodinamice

Deși extrem de complexe din punct de vedere constructiv și având proceduri de utilizare bine stabilite (conform normelor SAE – Society of Automotive Engineers, USA), tunelele aerodinamice, ca instrumente de simulare a condițiilor reale de trafic în ceea ce privește interacțiunea dintre mașină, atmosferă și calea de rulare, pot induce o serie de erori în procesul de evaluare aerodinamică a autovehiculelor. În general, rezultatele testelor depind de:

calitatea curentului de aer din camera de experiențe;

stabilirea c orec tă a presiunii dinamice de referință (din camera de experiențe);

modul de form are a stratului limită la niv elul podelei camerei de ex periențe;

geometria c amerei de experiențe;

poziția modelului studiat în camera de experiențe;

geometria modelului studiat;

raportul de blocare;

simularea efectului de s ol (a mișcării relative dintre sol și automobil, cu sau fără luarea în considerare a rotației roților;

efectul curgerilor interioare la nivelul modelului studiat.

Toate acestea fac ca testele din tunelele aerodinamice să fie extrem de complexe și tributare, în general, condițiilor concrete de experimentare. În scopul generalizării rezultatelor obținute în diversele tunele aparținând unor firme de profil ( DB, BMW , FIAT, FORD, VW, VOLVO, …), sau unor institute de cercetare în domeniu, SAE (Society of Automotive Engineering) a elaborat o serie de norme ș i recomandări, publicate în rapoarte, precum SAE J2071 JUN94, care face obiectul încercărilor aerodinamice în suflerii.

2.4 Influența raportului de blocare

Pentru a caracteriza dimensiunile tunelului în raport cu cele ale modelelor încercate se definește raportul de obturare (sau raportul de blocare) a secțiunii de testare, ca raport procentual între aria proiecției automobilului pe planul transversal al secțiunii de testare și aria secțiunii de testare:

unde, aria proiecției automobilului pe planul trans versal al secțiunii de testare;

aria secțiunii de testare (aria secțiunii de ieșire din confuzor).

În cazul evaluării aerodinamice a automobilelor, valorile acestui raport pot fi relativ mari în raport cu cele întâlnite la evaluarea structurilor de aviație, în unele cazuri efectuându-se încercări pentru rapoarte de peste 20%. Valorile raportului de blocare cresc și mai mult în cazul testelor termice (la radiatoare de exemplu). În mod obișnuit, conform practicii din aviație, o valoare adecvată pentru raportul de blocare este de 5%. Un calcul simplu conduce la valori ale secțiunii de testare de peste 40 m2 pentru un automobil obișnuit. Doar câteva firme constructoare de mașini au reușit să-si construiască, recent, suflerii cu secțiuni de testare mai mari de 25 m², dintre care menționăm FIAT, 30 m², DB, 32.64 m² și VW, 37.5 m².

În figura 2.4.1 este prezentat modul în care raportul de blocare influențează variația coeficientului de rezistență la înaintare obținut în urma testelor din suflerie , raportat la coeficientul de rezistență de referință , determinat în tunele mari, precum cele menționate anterior. După cum se observă, rezultate mai bune se obțin în suflerii deschise.

(a) – teste efectuate în suflerii cu cameră de experiență închisă;

(b) – teste efectuate pe corpuri profilate aerodinamic în tunele cu cameră de experiență deschisă;

(c) – teste efectuate pe corpuri neprofilate aerodinamic în tunele cu secțiune de lucru deschisă.

Corecțiile ce trebuiesc aduse valorii presiunii dinamice de referință (din camera de experiențe) pentru blocaje mai mari de 5%, conform SAE J2071 JUN94 sunt prezentate în figura 2.4.2; reprezintă un coeficient caracteristic modelului studiat, variația acestuia fiind prezentată în figura 2.4.3 pentru diferite tipuri de corpuri.

CAPITOLUL 3. DESCRIEREA INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE

La evaluarea tunelelor aerodinamice din punct de vedere energetic, în faza de proiectare a acestuia, se utilizează noțiunea de calitate , prin care se înțelege inversul raportului pierderilor din el:

(3.1)

unde, coeficientul de rezistență hidraulică totală a tunelului;

Ca valoare, calitatea unui tunel aerodinamic trebuie să fie cât mai mare posibil, limitată evident de pierderile energetice inerente. În cazul tunelelor echilibrate corespunzător din punt de vedere energetic, calitatea acestora este supraunitară.

Coeficientul de rezistență hidraulică al unei tunel, considerat ca o rețea hidraulică, constituie raportul dintre puterea totală pierdută pe întregul traseu al acestuia și energia cinetică (în unitatea de timp) într-o secțiune de referință, adoptată: (Buzdugan, G., 1974)

(3.2)

Dacă variația densității fluidului se poate neglija, se calculează ca fiind raportul dintre presiune totală pierdută pe traseul rețelei și presiunea dinamică în secțiunea de referință,

(3.3)

Deși din punct de vedere fizic, pierderile de presiune totală (de rezistențe hidraulice) în orice element al unei rețele sunt indivizibile, pentru comoditatea calculelor, aceste pierderi sunt adesea împărțite, convențional, pentru aceeași secțiune de calcul, în:

pierderile distribuite (rezistența distribuită), ;

pierderile locale(rezistența locală), .

Pierderea distribuită este provocată de vâscozitatea (atât moleculară, cât și turbulentă) a fluidului de lucru și constituie rezultatul schimbului de cantitate de mișcare între molecule (în cazul mișcării laminare), precum și între particulele aflate în straturi învecinate ale fluidului, care se mișcă cu viteze diferite (în cazul mișcării turbulente).

Pierderile locale de presiune apar la perturbarea locală a curgerii normale, desprinderea curentului de pereții rețelei, formarea vârtejurilor și amestecarea turbulentă intensivă a curentului în locurile cu schimbări ale configurației traseului sau la întâlnirea și ocolirea obstacolelor (difuzoare, confuzoare, coturi de întoarcere, rețele de rectificare, vane de reglare a debitului etc.).

Fenomenele enumerate anterior intensifică schimbul de cantitate de mișcare (eforturile tangențiale de frânare), mărind disiparea de energie. Fenomenele de desprindere și formare a vârtejurilor sunt legate de existența diferențelor de viteze în secțiunea transversală a curentului și a gradientului de presiune pozitiv în lungul curentului. Apar la încetinirea mișcării, de exemplu într-o conductă care se lărgește (difuzor), după un cot cu rază de curbură mică, la ocolirea diferitelor obstacole. Diferența de viteze în secțiune transversală, în cazul gradientului de presiune negativ, de exemplu la curgerea printr-o conductă care se îngustează (confuzor), nu duce la desprinderea curentului. Pe porțiunile cu îngustare lină curentul este chiar mai stabil decât pe porțiunile de secțiune constantă.

Ambele feluri de pierderi se însumează după principiul suprapunerii pierderilor, pentru care se ia suma aritmetică a pierderilor distribuite și a pierderilor locale: (Buzdugan, G., 1974)

[m col.aer] (3.4)

Practic, valoarea trebuie luată în considerare numai pentru componentele de lungime relativ mare, sau atunci când este apropiată ca valoare de

În calculele moderne ale rețelelor hidraulice se operează cu coeficienții adimensionali ai rezistențelor hidraulice. Este mult mai convenabil deoarece în curenții dinamic asemenea, pentru care se respectă asemănarea geometrică a sectoarelor și egalitatea numerelor Reynolds (și a altor criterii de similitudine, dacă ele sunt importante), valoarea acestor coeficienți este independentă de natura fluidului, de viteza curentului, precum și de dimensiunile sectoarelor calculate. În funcție de acești coeficienți relația (3.4) se poate scrie astfel: (Cazacu M., 1996)

[] (3.5)

unde, coeficientul de rezistență distribuită;

: coeficientul de rezistență locală;

În conformitate cu principiul adoptat convențional al însumării rezistențelor hidraulice:

(3.6)

Coeficientul rezistenței distribuite pentru un element considerat se exprimă în funcție de coeficientul lui Darcy după cum urmează:

(3.7)

unde, coeficientul lui Darcy;

lungimea elementului calculat;

diametrul hidraulic al elementului calculat.

(3.8)

unde, perimetrul secțiunii de curgere, mărginită de suprafețe soliude, udată de

curentul de fluid;

aria secțiunii vii a curentului de fluid;

Când raportul este constant și fluidul este incompresibil, coeficienții de rezistență , respectiv depind de numărul Re și de rugozitatea relativă a pereților elementului calculat: (Cazacu M., 1996)

(3.9)

unde, Rugozitatea pereților elementului hidraulic calculat;

Coeficientul rezistenței locale depinde în special de parametrii geometrici ai elementului considerat, precum și de câțiva factori ai mișcării, dintre care fac parte: loc

Caracterul distribuției vitezei la intrarea fluidului în elementul examinat; la rândul ei, distribuția de viteze depinde de regimul de curgere, de forma intrării în element, de lungimea porțiunii drepte ce precede intrarea, de distanța până la diferitele părți prelucrate ale tronsonului sau obstacole etc.;

Numărul Reynolds;

Numărul Mach Ma:

(3.10)

unde, : viteza sunetului în mediul fluid luat în considerare;

Principiul însumării pierderilor se aplică nu numai la calculul unui element separat al unei rețele hidraulice, dar și la calculul hidraulic al întregului ansamblu, adică suma aritmetică a pierderilor în diferitele elemente de pe traseu dă rezistența totală a rețelei. În acest caz că se iau în considerare influențele reciproce ale elementelor ce compun rețeaua hidraulică, situate la distanțe mici unele față de altele.

Pentru o rețea hidraulică principiul însumării pierderilor se poate realiza prin două metode:

Prin însumarea pierderilor de presiune pe diferitele tronsoane ale tunelului.

În cazul variațiilor semnificative ale densității fluidului de lucru în secțiunile de calcul ale rețelei, valoarea pierderii de presiune, ca pierdere de energie specifică, depinde de debitul volumic la care este raportată această energie. De aceea este necesară însumarea pierderilor raportate la același debit volumic. Astfel, pentru un debit , pierderea totală de presiune se calculează cu o relație de forma: (Dănăilă S., 2002)

unde, numărul elementului curent al rețelei;

numărul total al elementelor de calcul;

Prin însumarea coeficienților de rezistență ai diferitelor elemente, raportați în

prealabil la viteza din secțiunea convențională și exprimarea ulterioară a rezistenței totale a rețelei prin coeficientul ei total de rezistență , rețea: (Dănăilă S., 2002)

unde, coeficientul total de rezistență al elementului dat al rețelei, raportat la

viteza în secțiunea adoptată a rețelei ;

coeficientul total de rezistență al elementului dat al rețelei, raportat

la viteza în secțiunea adoptată a rețelei ; acesta include de obicei

și influența reciprocă a elementelor rețelei situate la mică distanță.

Astfel, pentru întreaga rețea pierderea totală de presiune se calculează cu o relația: (Dănăilă S., 2002)

Pentru curgeri incompresibile, , relația anterioară devine:

Date experimentale și indicații și referitoare la modul de calcul coeficienților pierderilor de presiune pe tronsoane hidraulice de diferite forme sunt furnizate în Îndrumarul pentru calculul rețelelor hidraulice elaborat de I.E. Idelcik.

Odată calculat coeficientul de rezistență hidraulică totală a tunelului, se pot determina punctele teoretice de funcționare ale acestuia, în funcție de regimul de curgere (gradul de deschidere al vanei de reglare al debitului ). După cum spuneam anterior, acest calcul furnizează informații despre calitatea tunelului în faza de proiectare a acestuia.

În figura 3.1 este prezentat modul în care variază punctul teoretic de funcționare al unui tunel aerodinamic de viteze mici, aparținând laboratorului de aerodinamică din Universitatea Brașov, de care se leagă și o parte a experienței profesionale a colectivului de autori în domeniul aerodinamicii experimentale. A fost construit în colaborare cu ICA Brașov (Intreprinderea de Construcții Aeronautice Brașov) și are următoarele caracteristici funcționale:

domeniul vitezelor realizate: v = (15 ÷ 40) m/s;

dimensiunile secțiunii camerei de testare: (600 x 1200) mm2. (Dănăilă S., 2002)

Din punct de vedere constructiv, principalele elemente ce compun tunelul aerodinamic, conform figurii 3.1, sunt:

1 – camera de experiențe (CE);

2 – ventilator axial (VA);

3 – suportul ventilatorului;

4, 14 – corpuri de legătură (trecere) ventilator axial – coturi de întoarcere, confuzor, respectiv difuzor (TC,TD);

5, 6, 11 – coturi de întoarcere (CI);

7 – rețea de rectificare (RR);

8 – confuzor (C);

9 – difuzor (D);

10 – cot difuzor (CD);

12 – vană de reglare debit(VD) ;

13 – manivelă de acționare a dispozitivului vanei;

15 – platformă de lucru;

16 – balanța aerodinamică;

17 – sistem de achiziție date experimentale.

Pentru realizarea unui grad de turbulență cât mai mic în camera de experiențe, coturile tunelului sunt prevăzute cu palete directoare concentrice.

CAPITOLUL 4. AUTOMATIZAREA TUNELULUI AERODINAMIC LA SCARĂ MODELARĂ

Datorită costurilor ridicate necesare realizării unor tunele de dimensiuni mari și a echipamentelor aferente, în vederea realizării unui raport de blocare corespunzător și pentru tunelele uzuale se preferă testarea unor modele la scară. Dar, pentru ca rezultatele stabilite pe modele la scară să fie valabile și pentru cele în mărime naturală, trebuiesc îndeplinite criteriile de similitudine. Acestea sunt mărimi adimensionale numite numere caracteristice, și reprezintă condiția de asemănare a două fenomene. În dinamica fluidelor reale (vâscoase) condițiile de asemănare rezultă din ecuația Navier-Stokes: (Dănăilă S., 2002)

(4.1)

unde, accelerația particulelor de fluid;

presiunea оn interiorul fluidului;

ansamblul forțelor masice exterioare ce acționează asupra unității de

volum;

ansamblul tensiunilor de frecare care acționează asupra unității de

volum de fluid.

(4.2)

unde, vâscozitatea dinamic ă a fluidului;

operatorul diferențial de ordinul doi (operatorul lui Laplace);

Relația (4.1) reprezintă condiția ca suma forțelor exterioare ce acționează asupra unității de volum: de inerție, masice, de presiune și de frecare vâscoasă să fie zero. Similitudinea dinamică impune ca raportul dintre suma forțelor ce acționează asupra modelului real și suma forțelor ce acționează pe modelul la scară să fie constant:

(4.3)

În practică, fenomenele de dinamică a fluidelor depind în general, în afara forțelor de inerție, de o singură forță, ponderea celorlalte putând fi neglijată. Acest lucru a permis stabilirea unor criterii particulare, a căror valabilitate este restrânsă la condițiile concrete în care una din forțele exterioare este predominantă.

În cazul experimentelor realizare în tunele aerodinamice, situație în care predominante sunt forțele de frecare vâscoasă, criteriul de similitudine care trebuie îndeplinit este criteriul Reynolds. Pentru ca două mișcări în care predomină forțele de frecare să fie asemenea pe model și în natură, trebuie ca numărul Reynolds să fie egal în ambele situații. (Dănăilă S., 2002)

unde, vitezele aerului în cazul modelului real, respectiv în cazul modelului la

scară;

lungimile caracteristice ale modelului real, respectiv ale modelului la

scară;

vâscozitățile aerului în cazul modelului real, respectiv în cazul

modelului la scară;

Observații

Lungimea caracteristică în cazul unui automobil este lungimea acestuia.

Datorită faptului că în tunelele aerodinamice se experimentează cu același fluid ca și în situațiile reale (aerul atmosferic), relația (3.4) se poate rescrie sub forma:

Astfel, în cazul în care se utilizează un model la scara 1:5 viteza ar trebui să fie de cinci ori mai mare. Pentru o viteză de 90 km/h (25 m/s) în realitate, viteza în cazul modelului ar trebui să fie de 450 km/h (125 m/s). Pentru un tunel uzual, subsonic, incompresibil, această viteză este greu de atins. De altfel, la această valoare a vitezei aerului efectele termice și de compresibilitate nu mai pot fi neglijate și în consecință și rezultatele obținute ar trebui corectate.

Experimental s-a constatat că în cazul automobilelor care în general se deplasează cu viteze corespunzătoare unor numere Reynolds mari (), influența acestui criteriu se poate neglija. În figura 4.1 este prezentată modul în care coeficientul de rezistență la înaintare variază în funcție de numărul Reynolds. Se observă că pentru valori mai mici ale acestuia (),) , scade odată cu creșterea numărului . Peste valoarea (numită critică) variația lui devine nesemnificativă cu variația numărului Reynolds. (Dănăilă S., 2002)

Acest lucru face posibilă evaluarea caracteristicilor aerodinamice ale automobilelor și pe modele la scară. Cele mai des utilizate fiind scările 1:2.5, 1:5, mai rar1:10.

CAPITOLUL 5. PROBLEME SPECIALE DE AERODINAMICA AUTOVEHICULELOR

5.1 Efectul de sol în aerodinamica autovehiculelor

Ca fenomen aerodinamic, efectul de sol este definit de interacțiunea dintre aerul atmosferic și un vehicul, când acesta evoluează în apropierea unei suprafețe dense, cel mai adesea reprezentată de sol, dar care poate fi și suprafața liberă a unei ape. Este pus în evidență de modificarea caracteristicilor aerodinamice față de cele obținute într-un curent de aer liber. Ca majoritatea termenilor folosiți în aerodinamica autovehiculelor și acesta a fost adoptat din terminologia curentă studiului aeronavelor, dar semnificația lui a suferit modificări.

Astfel, din punctul de vedere al structurilor portante de aviație două fenomene contribuie la apariția acestui efect, când o aripă se apropie de sol, acestea datorându-se influenței anvergurii și influenței corzii aripii. Rezultatul final constă într-o reducere a rezistenței aerodinamice induse, urmată de o creștere de portanță.

Uzual, când menționează efectul de sol, inginerii de aviație fac referire la componenta datorată anvergurii aripii, dominantă în acest fenomen. Reducerea rezistenței la înaintare în efect de sol se datorează faptului că structurile de vârtej care se dezvoltă la capetele aripii sunt influențate de prezența solului, după cum este ilustrat în figura 5.1. (Huminic A., 2005)

Aceste vârtejuri se datorează circulației aerului din zonele de presiune ridicată (intradosul aripii) spre zonele de presiune mică, de pe extradosul aripii, care modifică distribuția de portanță, după cum se poate observa în figura 5.2 (a). Practic, pentru a limita acest fenomen se utilizează aripioare laterale (winglets), precum în figura 5.2 (b). (Dăscălescu, S., 2007)

Referitor la influența corzii, efectul de sol nu se concretizează întotdeauna printr-o creștere de portanță. Este posibil ca în anumite situații, când intradosul aripii este convex, la unghiuri mici de atac, între suprafața inferioară a aripii și sol să se formeze un tunel Venturi. Presiunea scăzută din interiorul acestuia generează o zonă de sucțiune care duce la scăderea portanței, fapt relevat și de studiile efectuate în această direcție pe un profil Clark Y 11.7%, vezi figurile 5.3, 5.4. (Huminic A., 2005)

Acest tip de efect de sol este utilizat la proiectarea automobilelor de viteză, care au suprafața inferioară modelată astfel încât să genereze acest fenomen, mărindu-se astfel forța normală de apăsare, aderența pneurilor și o mai bună transmitere a cuplului la roțile motoare.

Efectul de sol este bine evidențiat de mașinile de Formula 1, figura 5.5, la a căror construcție se îmbină cele două idei anterior expuse: de a avea o aripă care să ruleze în imediata vecinătate a solului și de a profila corespunzător suprafața inferioară astfel încât să se creeze efectul de tunel Venturi între aceasta și pistă. Primii care au exploatat acest fenomen au fost inginerii echipei McLaren în anii ’80. (Huminic, A., 2007)

În cazul mașinilor fabricate în serii mari, nu se mai poate vorbi de efect de sol, după cum a fost prezentat în paragraful anterior. Autovehiculele sunt concepute să se deplaseze în apropierea solului, în contact cu acesta prin intermediul pneurilor, deci în "efect de sol". În consecință, utilizarea acestui termen în cazul automobilelor păstrând semnificația specifică aviației devine inadecvată. În concordanță cu fenomenele care au loc în cazul automobilelor, un termen adecvat este acela de efect Venturi.

Sunt situații în care inginerii de automobile folosesc expresia "efect de sol" când menționează mișcarea relativă dintre calea de rulare și mașini, în situțiile în care acestea sunt evaluate experimental în tunele aerodinamice. În acest sens sau dezvoltat o serie de tehnici care să reproducă acest fenomen. Există posibilități variate de reprezentare a căii de rulare în tunele aerodinamice, cele mai utilizate fiind:

suprafață solidă fixă (vezi figura 5.6); este cea mai simplă și mai des utilizată metodă, dar nu se pune în evidență mișcarea relativă dintre vehicul și sol, și cel mai adesea nici mișcarea de rotație a roților; între acestea și podea este necesară existența unui spațiu h în vederea izolării modelului studiat și înregistrării corecte a forțelor aerodinamice; (Robert J., 2005)

metoda oglindirii, utilizând un model identic cu cel studiat, plasat simetric față de primul (vezi figura 5.7); această metodă afectează negativ raportul de blocare al tunelului în cazul modelelor la scară 1:1, sau implică un studiu efectuat pe modele la scări subunitare; (Robert J., 2005)

prin ejecție, prin suflarea unui curent de aer de grosime mică și viteză mare, tangențial la suprafața podelei (vezi figura 5.8), care să realizeze o distribuție de viteze acceptabil uniformă la nivelul secțiunii de testare prin micșorarea grosimii stratului limită la nivelul podelei; (Robert J., 2005)

metoda anterior prezentată este îmbunătățită dacă se utilizează dispozitive de control a stratului limită la nivelul podelei pe întreaga suprafață a acesteia. În figura 5.9 este ilustrată situația în care acest control se realizează prin sucțiune. Principalul inconvenient este legat de dificultatea determinării vitezei de aspirație. (Robert J., 2005)

cu bandă rulantă, cu sau fără luarea în considerare a mișcării de rotație a roților (vezi figurile 5.10, respective 5.11); principalul inconvenient derivă din capacitatea limitată a benzii rulate de a suporta greutatea modelelor la scara 1:1; în cazul în care roțile sunt fixe, această capacitate se îmbunătățește; de asemenea dimensiunile benzii rulante sun limitate în raport cu c ele ale modelelor studiate. (Robert J., 2005)

La simularea efectului de sol în tunele aerodinamice trebuie avute în vedere:

mărimile fizice ce trebuiesc reproduse: în situații reale, la o distanță mare în fața și spatele automobilului nu există strat limită la nivelul solului, datorită absenței mișcării relative dintre aer și sol, adică mărimile anterior menționate sunt nule; câmpul de viteze și a grosimea stratului limită pot evolua diferit, în funcție de geometria vehiculului, unghiului de atac șa;

metoda utilizată pentru reproducerea acestui fenomen.

Singura metodă care, în principiu, este capabilă să reproducă toate proprietățile stratului limită care se dezvoltă la nivelul solului în situații reale pentru un curent de aer uniform este cea în care se utilizează o bandă rulantă (vezi figura 5.12). (Robert J., 2005)

Totuși, realizarea acestor dispozitive, din punct de vedere tehnic, este departe de a rezolva toate problemele legate de simularea efectului de sol. Acestea se datorează în primul rând dimensiunilor limitate ale benzii rulante în raport cu cele ale modelelor la scara 1:1, de stabilitate a acesteia în timpul funcționării (pot apare fenomene de flutter), dificultăților legate de corelarea mișcării benzii cu cea a roților șa. Ca și celelalte metode de simulare a efectului de sol, nici aceasta nu face posibilă studii de aerodinamică cu vânt lateral. (Huminic A., 2005)

CONCLUZII

Prin intermediul acestei lucrări mi-a propus să efectuez un studiu determinând rezistența aerului la scară modelară prin intermediul automatizării standului experimental.

Astfel, am început cu definirea noțiunilor de bază ale aerodinamicii, notând elementele cheie ale acesteia. În introducere am vorbit despre aerodinamică ca știință și ramurile acestea, cu accent pe aerodinamica automobilelor. Aerodinamica automobilelor este știința care se ocupă cu studiul fenomenelor rezultate ca urmare a interacțiunii dintre automobil și aer. Simplificat, putem defini coeficientul aerodinamic ca un parametru care reprezintă rezistența cu care se opune aerul la deplasarea unui automobil. Cu cât coeficientul aerodinamic este mai mic cu atât rezistența aerului la deplasarea automobilului este mai mică. Cercetări sistematice de aerodinamica autovehiculelor au fost realizate pentru prima dată în Europa, în Germania, la aproximativ 25 de ani de la apariția primului automobil. Tot aici am punctat că reducerea coeficientului de rezistență la înaintare (rezistență aerodinamică) constituie una din principalele priorități, atât pentru autovehiculele de mare tonaj, cât si pentru automobile. Creșterea semnificativă a numărului de cercetări din domeniul aerodinamicii autovehiculelor, se datorează în mare măsură dezvoltării recente a performanțelor mașinilor de calcul, precum și a soft-urilor din domeniul CFD (Computational Fluid Dynamics), în special a facilităților oferite de acestea în ceea ce priveste vizualizarea rezultatelor.

Capitolul 1 descrie amănunțit măsurătorile efectuale în procesul determinării profilului tunelului aerodinamic. Calculul componentelor, de asemenea se pot realiza cu o precizie suficient de bună cu ajutorul tehnicilor CFD (Computational Fluid Dynamics). Instrumentele și aparatele de măsură specifice tunelelor aerodinamice se pot grupa în:

• instrumente și aparate pentru determinarea parametrilor curentului de aer, din această categorie a instrumentarului specific unui tunel aerodinamic fac parte instrumentele de determinare a presiunii, vitezei, temperaturii, direcției și gradului de turbulență a curentului, precum și instrumentele pentru efectuarea măsurătorilor în stratul limită.

• instrumente și aparte de determinarea forțelor aerodinamice, această categorie de instrumente specifice tunelelor aerodinamice este constituită de balanțele aerodinamice.

• instrumente și aparate pentru vizualizarea curgerii, cele mai uzuale tehnici de vizualizare a curgerii aerului în jurul caroseriilor de automobile sunt vizualizarea cu fum sau cu ajutorul firelor lipite de suprafața caroseriei.

Capitolul 2 este dedicat în exclusivitate tunelelor aerodinamice, clasificării acestora, componentelor, rolului și influenței lor. Cercetările experimentale de aerodinamică sunt strâns legată de experimentele realizate în tunele aerodinamice, altfel numite și suflerii. În camerele de experiențe ale acestora se reproduc condițiile de mediu în care structurile aeromecanice testate evoluează în mod curent. Studiind aspectele date am însușit că tunelele aerodinamice se clasifică în fucncție de mai multe criteria pe care le-am punctat mai sus. Sintetic vorbind acestea sunt structurate în patru tipuri, fiecare având subtipurile sale. Legat de principalele componente constructive ale tunelelor aerodinamice am punctat următoarele: camera de experințe, difuzorul, confuzorul, rețeaua de rectificare, ventilatorul și elementele de legătură. Deși extrem de complexe din punct de vedere constructiv și având proceduri de utilizare bine stabilite, tunelele aerodinamice, ca instrumente de simulare a condițiilor reale de trafic în ceea ce privește interacțiunea dintre mașină, atmosferă și calea de rulare, pot induce o serie de erori în procesul de evaluare aerodinamică a autovehiculelor.

În capitolul 3 am descris instalația experimentală, unde am notat ce înseamnă noțiunea de calitate λ"Tunel" și punctând elementele cheie ale acesteia.

Capitolul 4 este despre automatizarea tunelelor aerodinamice la scară modelară. Datorită costurilor ridicate necesare realizării unor tunele de dimensiuni mari și a echipamentelor aferente, în vederea realizării unui raport de blocare corespunzător și pentru tunelele uzuale se preferă testarea unor modele la scară.

În capitolul 5 am vorbit despre efectul de sol în aerodinamica autovehiculelor. Am notat definiția acestuia care fiind un fenomen aerodinamic, definit de interacțiunea dintre aerul atmosferic și un vehicul, când acesta evoluează în apropierea unei suprafețe dense, cel mai adesea reprezentată de sol, dar care poate fi și suprafața liberă a unei ape. Este pus în evidență de modificarea caracteristicilor aerodinamice față de cele obținute într-un curent de aer liber. Am aflat că acest tip de efect de sol este utilizat la proiectarea automobilelor de viteză, care au suprafața inferioară modelată astfel încât să genereze acest fenomen, mărindu-se astfel forța normală de apăsare, aderența pneurilor și o mai bună transmitere a cuplului la roțile motoare. Tot aici am însușit că defapt efectul folosit la autovehicule este cel de venturi. Sunt situații în care inginerii de automobile folosesc expresia "efect de sol" când menționează mișcarea relativă dintre calea de rulare și mașini, în situțiile în care acestea sunt evaluate experimental în tunele aerodinamice. În acest sens sau dezvoltat o serie de tehnici care să reproducă acest fenomen. Există posibilități variate de reprezentare a căii de rulare în tunele aerodinamice, cele mai utilizate fiind: suprafață solidă fixă, metoda oglindirii, prin ejecție, prin sucțiune, cu bandă rulantă. De asemenea, la simularea efectului de sol în tunele aerodinamice trebuie avute în vedere: fizice ce trebuiesc reproduce, metoda utilizată pentru reproducerea acestui fenomen. Singura metodă care, în principiu, este capabilă să reproducă toate proprietățile stratului limită care se dezvoltă la nivelul solului în situații reale pentru un curent de aer uniform este cea în care se utilizează o bandă rulantă.

În urma acestui studiu, am reușit să-mi ating obiectivele stabilite la începutul efectuării lucrării. Astfel, mi-am aprofundat cunoștințele în domeniul aerodinamicii autovehiculelor, fiind capabil să interpretez, să comentez, să calculez profilele tunelelor aerodinamice și măsurătorile aferente.

BIBLIOGRAFIE

Buzdugan, G., ”Manualul Inginerului Mecanic” Bucuresti: Editura Tehnica, 1974.

Carafoli, E., ” Aerodinamica vitezelor mari. Bucuresti: Editura Academiei Republicii Socialiste Romania, 1954.

Carafoli, Elie; Constantinescu, V.N. Dinamica fluidelor incompresibile, Bucuresti: Editura Academiei Republicii Socialiste Romania, 1981.

Cazacu M., et al., Aurel Persu Inventator al automobilului aerodinamic, Editura Tehnică, București, 1996.

Costinescu, P., Mihăilescu, M., Olteneanu, M., Inventatori români, ediția a II-a, editura OSIM, București, 2000.

Dănăilă S., Berbente C., "Metode Numerice în Dinamica Fluidelor", Editura Academiei Române, 2002.

Dăscălescu, S., Dimitriu, L., Application of Coanda Effect on Cooling Airflow Control Devices Used by Internal Combustion Engines, Acta Technica Napocensis, Series: Applied Mathematics and Mechanics 50, Vol. IV, 2007, International Congress, Automotive, Environment and Farm Machinery, AMMA 2007, Cluj-Napoca, Romania.

Englar, R., Improved Pneumatic Aerodynamics for Drag Reduction, Fuel Economy, Safety and Stability Increase for Heavy Vehicles, Vehicle Aerodynamics, SP 1985, 2005

Emmelmann, H., J., Berneburg, H, Schuze, J., The Aerodynamic Development of the Opel Calibra, Vehicle Aerodynamics PT-49, SAE Inc., 1996.

Huminic A., Lutz Th., "CFD Study of Ground Effect Simulation", Proceedings of HEFAT 2005, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 2005, Cairo, Egypt.

Huminic A., "Studiul Interacțiunii aerodinamice automobil – cale de rulare", Tezǎ de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2005.

Huminic A., Chiru A., "On CFD Investigations of Vehicle Aerodynamics with Rotating Wheels' Simulation", Procedings of SAE (Society of Automotive Engineers) 2006 World Congress, 2006, Detroit, USA.

Huminic A., "Mecanica Fluidelor", Editura Universității Transilvania din Brașov, 2014.

Huminic, A., Huminic, G., Analiza CFD a unui Profil Aerodinamic Deportant în Efect de Sol, cu Efect Coandă, ANSYS & FLUENT Romanian Conference, 2007

Huminic, A., Huminic, G., Eleron (Spoiler) de Autovehicul si Procedeu de Control Activ al Fortei Aerodinamice Deportante a Autovehiculelor, Universitatea Transilvania Brasov, cerere pentru brevet de invenție.

J.W. Fitch, Motor Truck Engineering Handbook, SAE, Forth Edition, 1994

Kleber, A., Simulation of Air Flow Around an Opel Astra Vehicle with FLUENT, Journal Articles by FLUENT software users, JA132, 2001.

Klemperer W., articolul ,,Investigations of the Aerodynamic Drag of Automobiles’’, 1922

Oprean C. et al., "Studiul Aerodinamic al Automobilului ARO 26, Contract de cercetare științifică nr. 1604/1987, ICSITA Pitești – INCREST București.

Sumantran, V., Sovran, G., "Vehicle Aerodynamics", PT-49, SAE International, USA, 1996.

Versteeg H.K., Malalasekera W., "An introduction to computational fluid dynamics. The Finite Volume Method", John Wiley & Sons Inc. USA.

*** http://www.osim.ro/publicatii/bopi09.htm.

*** https://www.sae.org/

*** https://www.jsae.or.jp/en/

*** https://www.fisita.com/

*** https://www.scopus.com/home.uri