آیرودینامیک؛ مهندسان چگونه هوای اطراف خودرو را کنترل می‌کنند؟

خودرو بانک/ به دومین بخش از سری پست‌های ایرودینامیک خوش آمدید. تا به اینجا در مورد فشار، جریان هوا و نحوه تولید داونفورس در بال‌های خودرو صحبت کردیم. در این بخش به سراغ توضیح ادامه اصطلاحات و قوانینی که بر جریان هوای اطراف یک خودرو اثر می‌گذارند می‌پردازیم. چگونه می‌شود هوای در جریان را کنترل کرد؟

بیایید برگردیم به همان طرح دو بعدی بال عقب که در پست قبلی از آن استفاده کردیم. مهم‌ترین نکته‌ای که شاید برای شما هم سوال شده باشد این است که چرا هوا سطح بال را دنبال می‌کند و از آن جدا نمی‌شود. فرض کنید هوا در خطوطی صاف به سمت بال در حرکت است. در حالت عادی این هوا علاقه دارد تا در همان جهتی که در حرکت بوده است، جریان یابد. بنابراین هوایی که به زیر بال منتقل خواهد شد در خطی مستقیم به حرکت خود ادامه می‌دهد.

حرکت هوای زیر بال در خط مستقیم

پس چرا در واقعیت این اتفاق رخ نمی‌دهد؟ به این دلیل که در ناحیه‌ای که در شکل مشخص شده است هوای بسیار کم فشاری داریم، در نتیجه و طبق آنچه تشریح شده است، هوای پر فشار زیر آن تمایل دارد به سمتش حرکت کند. پس این هوای پر فشار به طور طبیعی لایه‌های هوایی را به سمت زیر بال خم می‌کند و بدین ترتیب هوا در راستای سطح بال جریان می‌یابد. در پست قبلی دلیل سرعت گرفتن این هوا فشرده شدنش بیان شد. دلیل دیگر این سرعت، کشیده شدن هوا به سمت این محدوده کم فشار می‌باشد.

کشیده شدن هوا به سمت سطح زیرین بال

اگر هوا را لایه لایه فرض کنید. نزدیک‌ترین لایه به سطح بال، به دلیل نیروی بین مولکولی حرکت نمی‌کند!!! هرچه از سطح بال دورتر شویم سرعت لایه‌ها بیشتر می‌شود تا به لایه‌ای برسیم که سریع‌تر از بقیه است. از لایه اول را لایه استاتیک و لایه آخر را لایه مرزی (Boundry Layer) می‌نامند. عاملی که بین این لایه‌ها متفاوت می‌باشد، ویسکوزیته است. ویسکوزیته یکی از عوامل نیروی درگ است، زیرا سطح بال یا بدنه خودرو هوا را به سمت حرکت خودرو می‌کشد و این عمل باعث کند شدن هوا خواهد شد.

لایه‌های هوای تشکیل شده در زیر بال

حال برای افزایش داونفورس باید چه کرد؟ همانطور که حدس می‌زنید با افزایش زاویه بال احتمالا می‌شود داونفورس بیشتری تولید کرد. اما این حدس شاید غلط باشد. هرچه زاویه بال بیشتر می‌شود قدرت هوای زیر بال بیشتر شده و میل بیشتری به حرکت در خط مستقیم دارد پس به میزان کمتری به سمت هوای کم فشاری که در پشت بال وجود دارد حرکت می‌کند. به این اتفاق جدایی جریان هوا می‌گویند که باعث کاهش تولید داونفورس می‌شود.

پدیده جدایی هوا

لایه مرزی در این حالت سعی می‌کند به سطح بال بچسبد و هوا در نهایت آشفته خواهد شد. به این آشفتگی هوای کثیف گفته می‌شود.

هوای کثیف ایجاد شده بین دو لایه هوا

در این حالت داونفورس به شدت کاهش می‌یابد و نیروی درگ (در ادامه توضیح داده می‌شود) زیاد خواهد شد. برای برطرف کردن این مشکل از گردابه‌های هوایی (ورتکس‌ها) استفاده می‌شود. ورتکس‌ جریانی از هواست که در جهت حرکت به دور خود می‌چرخد. فرض کنیم بتوانیم ورتکسی را در بین لایه مرزی و هوای پر انرژی جدا شده حرکت دهیم.

ورتکس ایجاد شده بین دو لایه هوا

این ورتکس هوای پر انرژی را به سمت لایه مرزی می‌کشد و آن را برای مدت بیشتری به سطح بال می‌چسباند. پس یک ورتکس‌ می‌تواند به هوا کمک کند به سطح بال یا بدنه خودرو بچسبد و در راستای آن حرکت کند.

تاثیر ورتکس در از بین رفتن هوای کثیف

حال خودروی فرمول یک را فرض کنید. نواحی حساسی از خودرو وجود دارند که ما می‌خواهیم هوای پر سرعت و انرژی به آن‌ها هدایت شود. مثلا ایرباکس، سایدپاد و یا بال عقب.

نمای کناری خودروی فرمول یک

قبل از اینکه هوا به این قسمت‌ها برسد باید از طریق بدنه ماشین به سمت این نواحی هدایت شود و هیچ جدایی در هوا نباید ایجاد شود زیرا ممکن است سهوا هوای کثیف به سمت این نواحی هدایت شود و عملکرد آن قسمت را مختل کند.

اثر جدایی هوا بر خودروی فرمول یک

برای این منظور از فلپ‌های (بالچه‌های عمودی یا افقی) سازنده ورتکس‌ها استفاده می‌شود تا هوا را در نزدیکی سطح خودرو نگه دارند و مقدار هوای کثیف را تا حد امکان پایین آورند.

اثر ورتکس بر هوای اطراف بدنه خودروی فرمول یک

اثر منفی دیگر جدایی هوا نیروی درگ است. اگر جدایی هوا در طراحی ایرودینامیک خودروی شما زیاد باشد باعث ایجاد هوایی بسیار کم فشار در پشت خودروی شما خواهد شد. این در حالی است که هوای جلوی خودرو بسیار پر فشار است و در نتیجه جبهه هوای پر فشار به سمت آن حرکت می‌کند، که در اثر آن نیرویی در جهت خلاف حرکت خودرو وارد می‌شود. به این نیرو، نیروی درگ می‌گویند. ایجاد ورتکس‌ها به کم کردن اثر این نیرو نیز کمک می‌کند، زیرا اثر هوای کم فشار پشت خودرو را کم می‌کند.

نیروی درگ

این مسئله در تمام جهات مهم است. بیایید از نمای بالای خودرو به این طرح نگاه کنیم. در حقیقت ایجاد ورتکس‌ها باعث می‌شود تا حرکت هوا از حالت 1 به حالت 2 تغییر کند.

نمای بالای خودروی فرمول یک و اثر ورتکس بر جریان هوای اطراف آن

در حقیقت دلیل پیچیدگی زیاد بال جلوی خودروی فرمول یک به همین دلیل است.

بال جلوی خودروهای فصل 2019 تیمهای مرسدس، فراری و آلفارومئو

این بال ورتکس‌های بسیار بزرگ و قوی ایجاد می‌کند تا هوا در سرتاسر حرکتش به بدنه خودرو بچسبد و در بیرون خودرو هوای کثیف ناشی از چرخش و حرکت چرخ‌ها را کنترل کند.

اثر بال جلو بر جریان هوا

اما این ورتکس‌ها چگونه ایجاد می‌شوند؟ بال جلوی خودروی فرمول یک را در نظر بگیرید. یک المان از این بال را جدا می‌کنیم. در بالای آن هوای پر فشار، و در زیر هوای کم فشار قرار دارد. همانطور که می‌دانیم هوای پر فشار به سمت هوای کم فشار جریان‌ می‌یابد. در انتهای این المان و نوک تیزش این هوای پر فشار اجازه پیدا می‌کند تا به سمت هوای کم فشار حرکت کند. در نتیجه به صورت دایره‌ای به این قسمت جریان می‌یابد.

نحوه ایجاد ورتکس در بال جلو

بدین ترتیب ورتکس ایجاد می‌شود و به سمت بدنه خودرو حرکت می‌کند.

حرکت ورتکس به سمت بدنه خودرو

وقتی بقیه‌ المان‌های بال جلو را نیز در نظر بگیرید در می‌یابید که در همکاری با یکدیگر یک ورتکس بسیار بزرگ و قوی ایجاد می‌کنند.

تولید ورتکسی قوی و بزرگ در بال جلو

تا به اینجا نحوه تولید داونفورس و کنترل جریان هوا در اطراف بدنه خودرو را تشریح کردیم. در پست بعدی به توضیح بارج بورد، و المان‌های مختلف ایرودینامیکی که شما در خودروی فرمول یک می‌بینید خواهیم پرداخت. نظرات و سوالات خود را در قسمت کامنت با ما مطرح کنید.