آیرو دینامیک
نیروی آیرودینامیک به عنوان یکی از نیروهای مقاوم وارد از طرف جاده شناخته می شود . نیروی آیرودینامیک وارد بر خودرو ، با نیروی دراگ و نیروی بالابرنده یا پایین برنده ، گشاور دورانی ، پیچشی و چرخشی و صدا اثر متقابل دارد . این نیروها بر مصرف اقتصادی سوخت ، کنترل کردن خودروو NVH بسیار موثرند .
نیروهای آیرودینامیکی روی خودرو از دو منبع نیروی فشار (دراگ) و اصطکاک چسبنده (گران رو) به وجود می ایند . در ابتدا مکانیک جرین هوا به منظور تشریح ماهینت جریان اطراف بدنه خودرو بررسی می شود سپس ساختار طراحی خودرو برای نمایش اثر کیفی کارکرد آیرودینامیکی مورد مطالعه قرار می گیرد .
مکانیک جریان هوای اطراف خودرو
توده جریان هوای روی بدنه یک خودرو از رابطه بین سرعت و فشار در معادله برنولی به دست می آید .
در فاصله دور از خودرو ، فشار استاتیکی هوا همان فشار محیطی یا فشار با رومتری یا فشار اتمسفری است . فشار دینامیکی به وسیله رابطه سرعت مربوط به دست می آید . رابطه ای که برای تمام خطوط جریان هوایی که به خودرو نزدیک می شوند صادق است . بنابراین فشار کل برای تمام خطوط جریان هوا ثابت است و برابر است با . هنگامی که جریان هوا به خودرو نزدیک می شود توده جریان هوا شکافته می شود که قسمتی به بالای خودرو و بقیه به زیر می روند . در نتیجه یک خط جریان مستقیما به بدنه برخورد می کند و به آن می چسبد (همان جریانی که با سپر خودرو بر خورد کرده ) و سرعت جریان به صفر میل می کند . با سرعت صفر ، فشار استاتیکی در آن نقطه از خودرو برابر خواهد بود و در صورتی که فشار ضربه وارد در این نقطه از خودرو صفر باشد فشار استاتیکی برابر فشار کل خواهد بود .
در نظر بگیرید چه اتفاقی برای جریان روی کاپوت می افتد . در ابتدا خطوط جریان به طرف بالا هدایت می شوند و انحناء خطوط جریان به صورت مقعر به سمت بالاست . در فاصله ای از بالای خودرو برای نیروهای آیرودینامیکی می توان در معادهل برنولی جریان هوا را غیر متراکم فرض کرد در حالی که رابطه مناسب برای جریان هوای متراکم معادله اول است .
این رابطه از به کار بردن قانون دوم نیوتن برای یک پیکر قابل رشد ، و از جریان سیال در یک مدل مناسب به دست آمده است . رفتار معقول (خوش رفتاری) به این معنی است که حرکت جریان هوا به آرامی صورت گیرد و اصطکاک ناچیز و جزئی باشد . برای جریان هوای نزدیک خودروی موتوری می توان از این فرض استفاده کرد . این معادله از مجموع نیروهایی که اثر فشاری روی ناحیه های مختلفی از بدنه سیال دارند به دست آمده است که این اندازه حرکت با تغییر آهنگ زمانی بر حسب سرعت بیان می شود .
هنگامی که جریان هوا به خودرو نزدیک می شود معادله برنولی بیان می کند که مقدار فشار استاتیکی به عالوه فشار دینامیکی هوا مقدار مشخص خواهد بود . تصور کنید که خودرو ساکن است و هوا حرکت می کند (مثل تونل باد) جریان هوا در امتداد خطوطی حرکت می کند که خط جریان نامیده می شود .
خطوط جریان یک دسته خطوطو هوا به شکل لوله جریان هوا هستند . جریان دود د رتونل باد به مرئی شدن لوله های جریان هوا کمک می کند .
در جایی که خطوط جریان مستقیم هستند فشار استاتیکی برابر با فشار محیط خواهد بود . به این خاطر که خطوط جریان به سمت بالا انحنا پیدا کرده اند و برای جلوگیری از نیرویی که مسیر جریان هوا را به سمت بالا هدایت می کند فشار استاتیکی آن نقاط از فشار محیط بیشتر خواهد بود .
ار گفشار استاتیکی بیشتر باشد سرعت کاهی یابد . بر عکس هنگامی که جریان روی کاپوت حرکت می کند (قیمت پایینی انحناء لبه کاپوت) فشار باید از فشار محیط کمتر باشد زیرا جریان هوا انحناء پیدا کرده و سرعت افزایش می یابد . این نقاط در شکل 2 به تصویر کشیده شده اند و جریان هوای اطراف استوانه ای را نشان می دهد .
معادله برنولی چگونگی تغییرات فشار و سرعت را برای توده ی جریان هوای روی بدنه خودرو توضیح می دهد . در صورت عدم وجود نیروی اصطکاک جریان هوا به راحتی از بالای سقف خودرو حرکت کرده و از پشت خودرو پائین می آید و تغییرات فشار در اثر سرعت همان طوری که در جلوی خودرو اتفاق افتاده بود انجام می گیرد .
در این حالت نیروی فشار در پشت خودرو دقیقا معادل نیروی جلو خواهد بود که موجب تولید نیروی مقاوم دراگ می شود .
در شکل 3 به جریان یکنواختی که به لبه تیز بدنه نزدیک می شود توجه کنید .
نزدیک به بدنه تمام لایه های هوا دارای سرعت یکسان هستند ( در نظر بگیرید که جریان آرام خوش رفتار است ) هنگامی که جریان از روی بدنه می گذرد و به سطح برخورد می کند به علت اصطکاک سطح سرعت به سمت صفر کاهش پیدا می کند .
بنابراین بروفیل سرعت نزدیک سطح گسترش می یابد و برای بعضی از فواصل سرعت از سرعت جریان اصلی هم کمتر است . منطقه ای که سرعت در آن کاهش یافته ، به ناحیه لایه مرزی معروف است . لایه مرزی با ضخامت صفر شروع به تشکیل کرده و در طول بدنه افزایش می یابد در ابتدا این جریان از نوع جریان آرام است ولی ناگهان تبدیل به جریان آشفته می شود.