Aεροδυναμική

TEXNIKA ΘΕΜΑΤΑ
ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

«Θύελλες... σ? ένα φλυτζάνι τσάι»

Οι αεροδυναμικές δοκιμές πραγματικών αυτοκινήτων σε σήραγγα είναι πανάκριβη
πειραματική διαδικασία. Έτσι οι αυτοκινητοβιομηχανίες καταφεύγουν σε αυτές,
αφού πρώτα εξαντλήσουν κάθε άλλο μέσο.
Στη συνέχεια αρχίζουν οι τελικές αεροδυναμικές δοκιμές στις σήραγγες που
συνήθως ανήκουν σε διάφορα πανεπιστήμια, αεροναυπηγικές βιομηχανίες και
εξειδικευμένους σχεδιαστικούς οίκους της Ευρώπης.

Της Αλεξανδρινής Πέτρου
Διαφάνειες: Αρχείο 4T

Η ΚΙΝΗΣΗ των ρευστών στο χώρο και συνεπώς και του αέρα γύρω από το
αυτοκίνητο περιγράφεται μαθηματικά από ένα ιδιαίτερα πολύπλοκο σύστημα
διαφορικών εξισώσεων που είναι γνωστές σαν εξισώσεις Navier-Stokes.
Έτσι, θεωρητικά, είναι δυνατή η αεροδυναμική μελέτη του αμαξώματος ενός
αυτοκινήτου, χωρίς την ανάγκη πειραματικών δοκιμών, απλά με την επίλυση
αυτών των εξισώσεων.
Όμως, στην πράξη, η λύση αυτών των εξισώσεων είναι δυνατή με χαρτί και
μολύβι, μόνο αν γίνουν απλοποιητικές παραδοχές, οι οποίες στην περίπτωση
ενός σύνθετου προβλήματος όπως το αυτοκίνητο θα οδηγούσαν σε λύσεις μη
αποδεκτές.
Τη δυνατότητα για ακριβή (ή μάλλον ακριβέστερη) λύση των εξισώσεων
Navier-Stokes μας τη δίνουν οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές με τη χρήση
αριθμητικών μεθόδων και το χωρισμό της επιφάνειας του αμαξώματος σε
πεπερασμένα στοιχεία.
Για τις ανάγκες της εξομοίωσης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή η επιφάνεια του
αμαξώματος χωρίζεται με πλέγμα που η ανάλυσή του μπορεί να φτάσει και τα
200.000 στοιχεία. Στα όρια κάθε στοιχείου με τα διπλανά του ο ηλεκτρονικός
υπολογιστής υπολογίζει τις τριβές στον αέρα, τις ταχύτητες ροής και τις
αντίστοιχες πιέσεις. Η απεικόνιση των μεγεθών αυτών στην οθόνη γίνεται με
εύκολα κατανοητό τρόπο, για παράδειγμα με κάποιο κώδικα χρωμάτων.
Για την εξομοίωση αυτή είναι απαραίτητη η χρήση υπερυπολογιστή τύπου Cray,
η ταχύτητα του οποίου φτάνει τις 350.000.000 πράξεις το δευτερόλεπτο. Με
αυτή την ταχύτητα οι υπολογισμοί ολοκληρώνονται σε μερικές ώρες, τη στιγμή
που και οι ισχυρότεροι συμβατικοί υπολογιστές θα χρειάζονταν ακόμα και
εβδομάδες.

Ακόμη και έτσι όμως από το μαθηματικό μοντέλο του αμαξώματος στον
υπολογιστή παραλείπονται τα τμήματα που προκαλούν διακοπές στην ομαλή ροή
του αέρα. Έτσι δεν υπάρχουν φτερά, καθρέφτες, μηχανικά μέρη κάτω από το
δάπεδο και οτιδήποτε άλλο θα μπορούσε να διαταράξει τη ροή του άερα.
Αυτό συμβαίνει πρώτον, διότι τα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου εξομοίωσης
με ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι αξιόπιστα μόνο στα σημεία της επιφάνειας
του αμαξώματος που η ροή του αέρα είναι ομοιόμορφη και δεν εμφανίζεται το
φαινόμενο του στροβιλισμού (τυρβώδης ροή). Ο δεύτερος λόγος είναι ότι η
λύση των εξισώσεων που προαναφέραμε θα γινόταν τόσο περίπλοκη που ακόμα και
οι ισχυρότεροι υπολογιστές δε θα μπορούσαν να δώσουν αποτελέσματα σε λογικό
χρονικό διάστημα.

Θύελλες υπό κλίμακα
Και μόνο η παράλειψη των αναγκαίων διακοπών στη συνέχεια των επιφανειών του
αμαξώματος δημιουργεί την ανάγκη πειραματικών δοκιμών σε σήραγγα
αεροδυναμικών δοκιμών. Ο δεύτερος λόγος είναι η επαλήθευση των
αποτελεσμάτων του ηλεκτρονικού υπολογιστή.
Οι πρώτες δοκιμές γίνονται με μοντέλα υπό κλίμακα κατασκευασμένα από πηλό.
Έτσι είναι δυνατή η πραγματοποίηση περισσότερων δοκιμών σε σήραγγες
μικρότερης διατομής που έχουν χαμηλότερο κόστος λειτουργίας. Με αυτή τη
διαδικασία δοκιμάζονται και αξιολογούνται διαφορετικές λύσεις στο σχεδιασμό
στις λεπτομέρειες του αμαξώματος όπως η μάσκα, οι υαλοκαθαριστήρες, το
σύστημα της εξάτμισης, οι καθρέφτες, ακόμα και τα τάσια των τροχών, με
σκοπό το βέλτιστο αεροδυναμικό, αισθητικό και λειτουργικό αποτέλεσμα.
Η ταχύτητα ροής του αέρα σε αυτές τις δοκιμές φτάνει μέσα στη σήραγγα τα
280 χλμ/ώρα και η ομαλότητα της ροής γύρω από το μοντέλο ελέγχεται με την
εισαγωγή δεσμών καπνού που αποκαλύπτουν τις περιοχές όπου εμφανίζεται η
ανεπιθύμητη τυρβώδης ροή που επιδρά σαν αόρατο φρένο στην κίνηση του
αυτοκινήτου και αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση καυσίμου.
Τα αποτελέσματα των αεροδυναμικών δοκιμών μοντέλων υπό κλίμακα έχουν μεγάλη
αξιοπιστία, αφού παρουσιάζουν απόκλιση μόλις λίγων ποσοστιαίων μονάδων από
αυτά των δοκιμών μοντέλων πλήρους κλίμακας.

Θύελλες? σε πραγματικές διαστάσεις
Οι οποίες όμως είναι τεχνητές.
Και βέβαια μιλάμε για τις αεροδυναμικές δοκιμές σε σήραγγα, πραγματικών
αυτοκινήτων. Πρόκειται για το τελευταίο στάδιο του αεροδυναμικού σχεδιασμού
των σύγχρονων αυτοκινήτων. Στο στάδιο αυτό καθορίζονται οι τελευταίες
λεπτομέρειες του σχήματος του αμαξώματος.
Επειδή το κόστος κατασκευής και λειτουργίας μιας σήραγγας για αεροδυναμικές
δοκιμές σε πλήρη κλίμακα είναι τεράστιο, λίγες είναι οι
αυτοκινητοβιομηχανίες που έχουν ιδιόκτητες τέτοιες εγκαταστάσεις.
Όσες έχουν, επιτρέπουν και σε άλλους κατασκευαστές να τις χρησιμοποιούν ?με
το αζημίωτο βέβαια.
Αλλοι κατασκευαστές πάλι προτιμούν να πληρώνουν για τη χρήση των σηράγγων
που ανήκουν σε πανεπιστήμια, αεροναυπηγικές βιομηχανίες και εξειδικευμένους
σχεδιαστικούς οίκους που βρίσκονται ανά την Ευρώπη.
Πολλές από αυτές τις σήραγγες, χάρη στα ιδιαίτερα κατασκευαστικά
χαρακτηριστικά τους, ειδικεύονται σε ορισμένους τύπους δοκιμών. Έτσι δεν
είναι σπάνιο κάποιο μοντέλο αυτοκινήτου να δοκιμάζεται σε πολλές
διαφορετικές σήραγγες με σκοπό τη βελτίωση διαφορετικών αεροδυναμικών
χαρακτηριστικών του.
Ας δούμε μερικά διάσημα παραδείγματα.

H αεροδυναμική σήραγγα του στούντιο Πινινφαρίνα
Ο σχεδιασμός του πίσω μέρους του αυτοκινήτου είναι ζωτικής σημασίας για την
επίτευξη χαμηλού συντλεστή οπισθέλκουσας. Μόνο το 15% του συντελεστή
οπισθέλκουσας ενός σύγχρονου αυτοκίνητου επηρεάζεται από το σχεδιασμό του
μπροστινού μέρους. Αντίθετα, η συμμετοχή του σχεδιασμού του πίσω μέρους
φτάνει το 50%.
Πολλοί κατασκευαστές καταφεύγουν για τη βελτίωση του σχεδιασμού του πίσω
μέρους των μοντέλων τους στη σήραγγα δοκιμών του Πινινφαρίνα στο Τουρίνο. Ο
ιταλικός σχεδιαστικός οίκος ειδικεύεται στην μελέτη της ροής του αέρα στο
πίσω μέρος. Η περιοχή «κενού» πίσω από το αυτοκίνητο είναι κρίσιμη για τη
χαμηλή οπισθέλκουσα. Η εμφάνιση τυρβώδους ροής σε εκείνη την περιοχή
δημιουργεί υποπίεση η οποία τραβάει το αυτοκίνητο προς τα πίσω εμποδίζοντας
την κίνησή του και αυξάνοντας την κατανάλωση.
Στη σήραγγα του Πινινφαρίνα χρησιμοποιούν ειδική διάταξη για τη μέτρηση των
μεγεθών της ροής του αέρα δέκα εκατοστά πίσω από το αυτοκίνητο. Έτσι είναι
δυνατός ο καθορισμός του σχήματος του πίσω μέρους έτσι, ώστε να
εξασφαλίζεται ομαλή ροή του αέρα μέχρι αρκετά μακριά από αυτό. Η ροή του
αέρα γίνεται ορατή με την εισαγωγή μέσα σε αυτή φυσαλίδων ηλίου.

H αεροδυναμική σήραγγα στο Έμεν
Στο Έμεν της Ελβετίας λειτουργεί η εταιρία αεροπορικών κατασκευών Καντόναλ.
Διαθέτει μία σήραγγα αεροδυναμικών δοκιμών στην οποία μπορούν να
εξομοιωθούν κακές καιρικές συνθήκες. Πολλοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν
αυτή τη σήραγα για να μελετούν και να μειώνουν την εναπόθεση σταγόνων
βροχής και λάσπης στα παράθυρα του αυτοκινήτου. Αυτό έχει στόχο την αύξηση
της ορατότητας, άρα και της ασφάλειας, τις βροχερές μέρες, αλλά και την
αύξηση της άνεσης των επιβατών που έτσι μπορούν να βλέπουν καλύτερα έξω.

H αεροδυναμική σήραγγα της DNW
Στην Ολλανδία λειτουργεί η Γερμανο-Ολλανδική (DNW) σήραγγα αεροδυναμικών
δοκιμών. Στη σήραγγα αυτή κάνει τις δοκιμές των επιβατικών αεροπλάνων της η
Αίρμπας. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της είναι ότι το δάπεδό της είναι ένας
γιγάντιος κυλιόμενος διάδρομος που κινείται με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα
που θέλουμε να εξομοιώσουμε.
Στις άλλες σήραγγες όταν ο αέρας κινείται γύρω από το αυτοκίνητο το δάπεδο,
δηλαδή ο δρόμος, παραμένει ακίνητο προκαλώντας αποκλίσεις των μετρήσεων στο
κάτω μέρος του αυτοκινήτου σε σχέση με τις πραγματικές τιμές των μεγεθών
που αναπτύσσονται κατά την κίνηση του αυτοκινήτου στο δρόμο.
Στη σήραγγα DNW το μοντέλο συγκρατείται με ειδική διάταξη λίγα χιλιοστά
πάνω από το δάπεδο, το οποίο κινείται εξομοιώνοντας την κίνηση του δρόμου
κάτω από το αυτοκίνητο. Έτσι επιτυγχάνεται ακριβέστερη ανάλυση της ροής του
αέρα κάτω από το αυτοκίνητο και της αλληλεπίδρασης των χαμηλότερων σημείων
του αμαξώματος (προφυλακτήρες, μαρσπιέ) με το δρόμο.
Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται και για την εξομοίωση της κίνησης των
αεροπλάνων κατά την απογείωση και την προσγείωση.

Ωφέλειες από τον αεροδυναμικό σχεδιασμό
Ο αεροδυναμικός σχεδιασμός των σύγχρονων αυτοκινήτων δε βελτιώνει μόνο το
συντελεστή οπισθέλκουσας και τις επιδόσεις. Είναι ταυτόχρονα παράγοντας
ασφάλειας και οικονομίας. Σε ένα αεροδυναμικά σχεδιασμένο αμάξωμα οι
δυνάμεις άνωσης στον εμπρός και τον πίσω άξονα παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα
εξασφαλίζοντας τη σταθερότητα και την καλή κατευθυντικότητα του
αυτοκινήτου.
Τα σύγχρονα αεροδυναμικά σχήματα με τις απαλές καμπύλες γραμμές μειώνουν
επιπλέον τις πιθανότητες τραυματισμού των πιο ευάλωτων χρηστών του δρόμου.
Η απουσία γωνιών, οι κρυμμένοι άξονες των υαλοκαθαριστήρων, οι επίπεδες
χειρολαβές στις πόρτες, το σχήμα των προφυλακτήρων, των καθρεφτών κ.λπ.
μειώνουν τους κινδύνους από τον τραυματισμό πεζών και δικυκλιστών στην
περίπτωση ατυχήματος.
Τέλος ο αεροδυναμικός σχεδιασμός βοηθάει και στη μείωση της κατανάλωσης.
Έχει υπολογιστεί ότι η οπισθέλκουσα είναι υπεύθυνη για το 40% της
κατανάλωσης ενός αυτοκινήτου στο ταξίδι. Εύκολα αντιλαμβάνεται κανείς τη
σημασία της μείωσής της.
Ο αεροδυναμικός σχεδιασμός ήρθε έντονα στο προσκήνιο στις αρχές της
προηγούμενης δεκαετίας. Σήμερα ο αρχικός θόρυβος έχει κοπάσει αλλά η έρευνα
και εξέλιξη στον τομέα αυτό συνεχίζεται αδιάκοπα με στόχο τη βελτίωση των
αριθμητικών μεθόδων στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και της αληθοφάνειας των
πειραματικών δοκιμών.
Η πιθανότατα επικείμενη επιβολή ορίων και στην κατανάλωση καυσίμου από την
Ευρωπαϊκή Ένωση μπορεί να ξαναφέρει τον αεροδυναμικό σχεδιασμό άλλη μία
φορά στην επικαιρότητα._Α.Π.

1:
Για τις ανάγκες της εξομοίωσης της ροής γύρω από το αμάξωμα στον
ηλεκτρονικό υπολογιστή η επιφάνεια του αμαξώματος χωρίζεται με πλέγμα που η
ανάλυσή του μπορεί να φτάσει και τα 200.000 στοιχεία.
Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής έτσι υπολογίζει σε κάθε σημείο την ταχύτητα ροής
και την αντίστοιχη πίεση. Το πράσινο πλέγμα αναπαριστά το χώρο γύρω από το
αυτοκίνητο.

2:
Η ταχύτητα και η διεύθυνση ροής του αέρα στα διάφορα σημεία της επιφάνειας
του αμαξώματος απεικονίζονται με βέλη διάφορων χρωμάτων, ανάλογα με το
μέγεθος της ταχύτητας. Έτσι οι σχεδιαστές μηχανικοί μπορούν να
παρακολουθούν τα δυναμικά χαρακτηριστικά της ροής και να κάνουν τις
αναγκαίες επεμβάσεις στο σχεδιασμό.

3:
Ο υπολογισμός των παραμέτρων της ροής γύρω από το αμάξωμα ενός αυτοκινήτου
μπορεί να γίνει μόνο με έναν μεγάλο υπερυπολογιστή. Η κατανομή της πίεσης
γύρω από το αμάξωμα απεικονίζεται στην οθόνη του υπολογιστή με ένα έγχρωμο
χάρτη. Με μπλε απεικονίζονται οι περιοχές χαμηλής πίεσης όπου η ροή είναι
στρωτή. Με κόκκινο απεικονίζονται οι περιοχές υψηλής πίεσης όπου η ροή
διαταράσσεται. Ενδιάμεσες καταστάσεις απεικονίζονται με ενδιάμεσα χρώματα.