1.4. Обтекание тел воздушным потоком.

При обтекании твердого тела воздушный поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений воздуха. Наличие различных по величине давлений у поверхности твердого тела приводит к возникновению аэродинамических сил и моментов. Распределение этих сил зависит от характера обтекания тела, его положения в потоке, конфигурации тела.

Для изучения физической картины обтекания твердых тел применяются различные способы визуализации картины обтекания тела. Видимую картину обтекания тел воздушным потоком принято называть аэродинамическим спектром.

Для получения аэродинамических спектров применяют такие приборы, как дымканалы (см. Рис. 1.7, 1.8 а), используют шелковинки (Рис. 1.8 б), оптические методы исследования (для сверхзвуковых потоков) и др.

Рис. 1.7 Дымканал.

1 - источник дыма; 2 - струйки дыма; 3 - обтекаемое тело; 4 - вентилятор

В дымканале аэродинамический спектр создается струйками дыма, выпускаемыми из специального «дымаря» в поток воздуха, обтекающий тело.

Сущность способа с использованием шелковинок состоит в том, что в интересующих местах на поверхность обтекаемого тела наклеиваются специальные шелковинки, которые при обдуве тела располагаются вдоль обтекающих тело струек. По положению шелковинок судят о характере движения потока вблизи поверхности тела.

Рис. 1.8. Визуализация воздушных потоков.

а - посредством дыма, б - с нитками на транспортном средстве

Рассмотрим аэродинамические спектры некоторых тел.

Плоская пластинка (Рис. 1.9), помещенная в поток под углом 90°, создает довольно резкое изменение направления движения потока, обтекающего ее: торможение потока перед ней, поджатие струек у ее краев и образование непосредственно за краем пластинки разрежения и больших вихрей, которые заполняют всю область за пластинкой. Перед пластинкой, где в результате торможения частичек воздуха и падения их скорости до нуля (кинетической энергии воздушного потока полностью переходит в потенциальную), давление (по уравнению Бернулли) будет больше чем в невозмущенном потоке, а за пластинкой вследствие разрежения давление уменьшится.

Рис. 1.9 Аэродинамический спектр плоской пластинки и шара.

Может быть, шар - идеально обтекаемая поверхность? Нет! Действительно, сначала воздух легко обтекает закругленную поверхность шара. Но когда воздушный поток минует точку, где шар имеет максимальный радиус, ему придется следовать за стремительно сходящейся поверхностью. Для воздуха эта задача более трудная, и вскоре воздушный поток будет уже не в состоянии следовать за поверхностью и оторвется от нее, вызывая турбулентные завихрения. Турбулентные завихрения беспорядочно движутся с обратной стороны шара. Давление турбулентного воздуха ниже, чем окружающего спокойного, и поэтому возникает сила всасывания, действующая в обратном относительно движения шара направлении и тормозящая его.

Симметричное каплеобразное тело (Рис. 1.10), имеет более плавный характер обтекания, как в передней, так и в хвостовой частях.

Рис. 1.10 Аэродинамический спектр каплеобразного тела.

Воздух с легкостью огибает его переднюю закругленную часть, но там, где у шара воздух уже не может следовать за изгибом поверхности и отрывается от нее, у каплеобразного объекта поверхность поката, и воздух легко ее огибает, вызывая очень маленькое торможение.

В сечении А - Б (наибольшая величина поперечного сечения) аэродинамический спектр показывает наибольшую деформацию струек, наибольшее их поджатие. В хвостовой части образуются небольшие завихрения потока, которые уносятся потоком, постепенно затухая (Рис. 1.10).

Каплеобразную в сечении форму имеют, например, детали подвески болидов. Если бы они были круглыми в сечении, они бы гораздо сильнее тормозили движущийся на большой скорости болид.

Несимметричное каплеобразное тело по характеру обтекания близко к симметричному, но отличается величиной деформации струек в верхней и нижней частях тела (см. Рис. 1.11).

Рис. 1.11 Аэродинамический спектр несимметричного каплеобразного тела (профиля крыла).

Здесь имеет место так называемое несимметричное обтекание. Наибольшая деформация струек наблюдается там, где тело имеет наибольшую величину искривления поверхности (точка К). В районе этой точки струйки поджимаются, поперечное сечение их уменьшается. На нижней, менее искривленной поверхности деформация потока будет меньше.

На верхней поверхности тела, в месте наибольшего поджатия струек, согласно закону неразрывности (закону постоянства секундных объемов) будет наблюдаться местное увеличение скорости потока и, следовательно, уменьшение давления. На нижней поверхности деформация потока будет меньше и, следовательно, меньше изменение скорости и давления.

При обтекании воздушным потоком симметричных (и несимметричных) каплеобразных тел, помещенных под некоторым углом  (углом атаки) к вектору скорости невозмущенного потока (Рис. 1.12), также будем иметь картину несимметричного обтекания и получим аэродинамический спектр, аналогичный тому, что получается при обтекании несимметричного каплеобразного тела (см. Рис. ).

Рис. 1.12 Аэродинамический спектр каплеобразного тела (профиля крыла), помещенного в поток под углом 

В результате крыло создает подъемную силу не только потому, что направляет поток вниз, как думают многие (хотя, конечно, подъемная сила и зависит от угла атаки). Все дело в профиле крыла. Форма его сечения такова, что поток воздуха над плоскостью проходит больший путь, чем поток под плоскостью. Поэтому скорость протекания воздуха над крылом и под ним неодинакова — над плоскостью поток течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, и создает над крылом зону разрежения и, в конечном итоге, подъемную силу (см. Рис. 1.13).

Рис. 1.13 Подъемная сила крыла.

Величины давлений на поверхность для различных тел определяют в лабораториях путем продувки в аэродинамических трубах. Полученные значения давлений для каждой точки наносят на специальные графики (Рис 1.14)

Кроме сил давления, на поверхность крыла по касательной к ней действуют силы трения, которые обусловлены вязкостью воздуха и целиком определяются процессами, происходящими в пограничном слое.

Рис 1.14 Распределение давлений по профилю крыла.

Обратная ситуация с антикрыльями (см. Рис 1.15). Антикрылья функционируют абсолютно по тому же принципу, но обеспечивают эффект "прилипания" болида к трассе, происходит это также за счет их формы. То есть, зная об обычном крыле, мы легко можем представить себе, что есть антикрыло. Достаточно просто повернуть обычное крыло передней частью вниз.

Рис. 1.15 Аэродинамический спектр крыла (а) и антикрыла (б).

Антикрыло сконструировано таким образом, что у нижней поверхности расстояние между передней и задней частью крыла больше, чем у верхней. Поэтому воздух, огибающий нижнюю часть крыла, должен течь быстрее того, что огибает крыло сверху для того, чтобы достичь той же точки в одно и то же время. По уравнению Бернулли, если скорость движения воздуха возрастает, давление его уменьшается и наоборот, поэтому более быстро движущийся воздух, проходящий внизу крыла, будет оказывать меньшее давление, чем тот, что проходит сверху. То есть в результате создается разница давлений и сверху давление сильнее, что позволяет прижимать болид к поверхности трека - вот вам и прижимная сила!

Прижимная сила и сила сопротивления - это как раз те две силы, которым посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида F1. Конструкции антикрыльев и самого болида должны быть совершенно оптимальны, то есть обеспечение прижимной силы должно быть реализовано так, чтобы это не вызывало силы сопротивления, мешающей скоростному движению, да и сам болид обязан быть наиболее приспособлен к преодолению этой самой силы.