آنچه در مورد آیرودینامیک نمی دانید

مروری بر زیر و بم دانش‌آیرودینامیک

هنر و فن آوری

یوسف مرشد

علم ‌آیرودینامیک (با تلفط صحیح اروداینامیک) شاید یکی از بهترین مثال‌ها برای درآمیختن فناوری و هنر باشد. زیبایی در سادگی نمود می‌یابد، علم به کارایی منجر می‌شود و ‌آیرودینامیک رشته‌ای است که می‌تواند از‌این چهار عنصر معجونی از خلاقیت و مهندسی بسازد. اگر جزو افرادی هستید که گاهی به نحوه جریان یافتن هوا از روی بدنه خودرو می‌اندیشید، اگر کارایی انواع بال‌ها و بالچه‌ها برایتان جذاب است و کنجکاوید تا از اصول عملکردی آ‌ها آگاه شوید، در ادامه‌این نوشتار با ما همراه باشید تا به بررسی زیبایی‌های علم ‌آیرودینامیک بپردازیم.

Aerodynamics

Aerodynamics

روایت CAR AND DRIVER

نشریه معتبر کار اند درایور ماه گذشته آزمونی جالب را ترتیب داد و پنج خودرو کاملا متفاوت و جدید را برای آزمون عملکرد آیرودینامیکی به تونل باد برد. نتیجه آن بود که ادعای مرسدس در زمینه ساخت‌ آیرودینامیک‌‌ترین خودرو چهار درب جاده‌ای، زیر سوال رفت و تسلا مدل S با کمترین ضریب درگ، لقب پادشاه ‌آیرودینامیک را از آن خود کرد. البته کارشناسان تونل باد در خصوص عدم تطبیق نتایج ادعایی مرسدس بنز با واقعیت تست شده در تونل باد، بر‌این عقیده بودند که احتمالا شرایط و تنظیمات تونل باد مرسدس‌بنز نسبت به تونل باد آزمایشگاهی مورد استفاده توسط ‌این نشریه متفاوت بوده و همین تفاوت جزئی هم به عدم تطبیق نتایج منجر شده است. ذات این آزمایش نو و بحث‌های بعدی در خصوص آن به خوبی ثابت کرد که توجه روزافزون به علم‌ آیرودینامیک تا چه حد برای خودروسازان اهمیت دارد و از سوی دیگر مبانی ‌این رکن هنرمندانه از صنعت خودروسازی تا چقدر برای عموم خودرو دوستان ناشناخته و تاریک است. به‌همین دلیل تصمیم گرفتیم که برخی از مهم‌ترین نکات در زمینه ‌آیرودینامیک را در قالب‌این مقاله مطرح کنیم.

کاهش ضریب DRAG

بزرگ‌ترین هدف مهندسان از انجام اصلاحات ‌آیرودینامیکی روی خودروها، کاستن از عوامل موثر روی افزایش نیروی مقاومت هوا یا همان کاهش ضریب درگ بدنه است. در سرعت‌های بالا به شکل میانگین در حدود 60 درصد از توان پیشرانه خودرو صرف غلبه بر مقاومت آیرودینامیکی می‌شود. بنابراین کاهش درگ در عمل به کاهش مصرف سوخت، کاهش صدای اضافی در سرعت‌های اتوبانی و افزایش آرامش رانندگی منجر خواهد شد. مطالعات در تونل باد نشان می‌دهند که عوامل به‌ظاهر کوچکی هم‌چون تیغه‌های برف‌پاک‌کن، ‌آینه‌های جانبی و پهنای چرخ‌ها، نقش پررنگی در افزایش ضریب درگ بازی می‌کنند. هم‌چنین تغییر زاویه اتصال سقف خودرو به ستون‌های A و C، نیز یکی از بزرگ‌ترین دستاورد‌های مهندسان در تونل‌های باد محسوب می‌شود. می‌توان گفت که علم ‌آیرودینامیک در زمره علوم تجربی قرار می‌گیرد و از‌این‌رو حتی با وجود پیشرفت‌های شگرف نرم‌افزارهای شبیه‌ساز در سال‌های اخیر نیز آزمایش در تونل باد هم‌چنان یکی از ضروریات طراحی خودروهای جدید محسوب می‌شود. بنابراین صرف زمان بیشتر در‌این تونل‌های گران‌قیمت، می‌تواند به معنای دستیابی به ضریب درگ کمتر و کاهش مصرف سوخت باشد. از سوی دیگر در تونل‌های باد، نقش جریان‌های اغتشاشی (turbulence) که در اطراف بدنه خودروها شکل می‌گیرد در افزایش نیروی مقاوم هوا مشخص می‌شوند، جالب آنکه ‌این جریان‌های اغتشاشی در مورد خودروهای هاچ‌بک در سطح بزرگتری شکل می‌گیرند و‌ این خودروها با ضعف آیرودینامیکی محسوسی نسبت به نمونه‌های مشابه سدان (صندوق دار) دست به گریبان هستند.

Aerodynamics (9) Aerodynamics (8) Aerodynamics (10)

در آزمایش‌های آیرودینامیک اهمیت فوق العاده بخش انتهایی و زیرین بدنه خودروها در نتایج تونل باد مشخص و راهکارهای جالبی برای غلبه بر جریانات مخرب هوا کشف شدند. بنابراین مهندسان در شرایط فعلی می‌توانند با مطالعه دقیق نتایج تونل باد و استفاده از تجارب گذشته، بدون نیاز به استفاده از راه‌حل‌های پرهزینه و پیچیده، خودروهای ‌آیرودینامیک‌تری را به بازار بفرستند.

افزایش DOWN FORCE و بهبود عملکرد

برای انتقال نیروی پیشرانه به سطح زمین و گذر از پیچ‌ها با بیشترین سرعت ممکن، نیاز به عاملی به نام (GRIP) یا چسبندگی به سطح مسیر وجود دارد. در سال‌های دور تصور بر‌این بود که میزان وزن خودرو، طراحی سیستم تعلیق، جنس و پهنای لاستیک‌ها، تنها عوامل تاثیرگذار روی میزان چسبندگی خودروها هستند که از مجموع آنها با نام چسبندگی مکانیکی یاد می‌شود اما برای اولین بار در اواخر دهه 60 میلادی، ‌ایده استفاده از عوامل‌ آیرودینامیک برای افزایش میزان چسبندگی چرخ‌ها در مسابقات فرمولاوان مورد آزمایش قرار گرفت. به نظر می‌رسد کالین چپمن، موسس کمپانی لوتوس، در زمره اولین افرادی بود که اجزای آیرودینامیکی را با هدف افزایش پایداری روی خودروهای فرمول‌یک به کار بست. نتیجه‌این خلاقیت، کشف پارامتر فوق‌العاده مهمی‌ به نام چسبندگی آیرودینامیکی، رکورد شکنی‌های متعدد و کسب قهرمانی‌های پی‌درپی به‌وسیله خودروهای لوتوس بود. ‌ایده اولیه برای کسب نیروی روبه‌پایین (DOWN FORCE) در نحوه استفاده از قوانین مکانیک سیالات در رابطه با نحوه گذر جریان هوا از روی یک قطعه آیرودینامیکی خلاصه می‌شود. در حالی که اختلاف سطح قسمت‌های فوقانی و تحتانی در بال هواپیما، به تولید نیروی رو به بالا یا در اصطلاح، بَرا (LIFT) برای غلبه بر هواپیما منجر می‌شود.

 Aerodynamics (1) Aerodynamics (2)

نصب یک بال هواپیما به‌صورت برعکس، نیروی روبه‌پایین (DOWN FORCE) تولید می‌کند که به چسبندگی بیشتر چرخ‌های خودرو به سطح مسیر در سرعت‌های بالا یاری می‌رساند. با‌این وجود با پیشرفت فن‌آوری، ‌این‌ایده ساده و کارا جای خود را به تحلیل‌ها و معادلات بسیار پیچیده مکانیک سیالات داد که حل بسیاری از آنها بدون استفاده از کامپیوتر‌ها ممکن نیست. مدل‌های معکوس بال هواپیما رفته‌رفته جای خود را به قطعات پیچیده آیرودینامیکی دادند و استفاده از پدیده‌های فیزیکی هم‌چون اثر زمین و جریان گذرنده در بخش‌های زیرین خودرو نیز به بخشی از رقابت بی پایان مهندسی در دنیای مسابقات اتومبیلرانی تبدیل شد.

در ابتدا سوپر اسپرت‌ها و سپس خودروهای اسپرت جاده‌ای از قطعات آیرودینامیکی برای بهبود قابلیت‌های حرکتی استفاده کردند و امروزه بال‌های عظیم الجثه دهه 80 و 90 میلادی، جای خود را به تکنیک‌های ظریف آیرودینامیکی و دیفیوزرها بزرگی داده‌اند که در بخش زیرین خودروهای اسپرت مدرن به کار می‌روند.

بررسی عملکرد اجزای‌ آیرودینامیک

گزارش خودرو

اگر خودروهای مسابقه‌ای و سوپر اسپرت‌ها به عنوان نماد به‌کارگیری علم ‌آیرودینامیک در صنعت خودرو قلمداد کنیم، می‌توان با بررسی قطعات بدنه آنها به کارایی هر عنصرآیرودینامیکی تا حد زیادی پی برد. بال بزرگ جلو که با نام اسپویلر شناخته می‌شود معمولا در نزدیک‌ترین سطح به زمین و به عنوان لبه زیرین سپر جلو یا دماغه خودرو طراحی می‌شود. ‌این قطعه بزرگ و سرتاسری عمدتا دو وظیفه مهم را به دوش می‌کشد. اولین و مهم‌ترین وظیفه‌ ایجاد نیروی روبه‌پایین (DOWN FORCE) با استفاده از جریان هوای قابل توجهی است که با دماغه خودرو درگیر می‌شود. اسپویلر جریان هوا را به دو بخش زیرین و زبرین تقسیم می‌کند. بخش زیرین با سرعت زیاد و فشار کم از زیر بدنه خودرو حرکت می‌کند و بخش زبرین نیز با سایر قطعات ‌آیرودینامیک و بدنه خودرو درگیر می‌شود. یکی از روش‌های هوشمندانه از جریان زبرین ‌این است که ضمن‌ ایجاد نیروی روبه‌پایین، که افزایش چسبندگی چرخ‌های محور جلو را به سطح مسیر در پی دارد، به‌منظور خنک کاری سطوح رادیاتوری نیز از‌این جریان استفاده شود. البته ذکر ‌این نکته مهم است که سطوح رادیاتوری وسیع در واقع خود باعث افزایش قابل توجه ضریب درگ می‌شوند. بخشی دیگر از جریان برخورد کننده با دماغه از طریق کانال بندی‌های مخصوصی به دیسک‌های ترمز می‌رسد و به منظور خنک‌کاری ‌این قطعات حیاتی استفاده می‌شود. در‌این زمینه طراحی رینگ‌های چرخ به صورتی که بتواند جریان هوا را از سطح زیرین خودرو به سمت کناره‌ها بمکد نیز مفید فایده خواهد بود و در برخی خودروهای فوق سریع با طراحی بدنه پیچیده به کار گرفته می‌شود. جریان گذرنده از روی بدنه خودرو در هنگام جدا شدن از سطوح اصلی بدنه (سقف و درب صندوق) اصطلاحا به لبه‌های فرار می‌رسد. در‌ این نقاط طراحی بال و بالچه‌های دیگر مثمر ثمر خواهد بود. بنابراین کاربرد اسپویلر سقفی و اسپویلر بزرگ درب صندوق عقب نیز به وضوح مشخص است.

Aerodynamics

Aerodynamics

طراحی ظریف و حرفه‌ای ‌این قطعات می‌تواند در سرعت‌های بالا بسیار کاربردی باشد. برای مثال طبق شبیه‌سازی آیرودینامیکی انجام شده در یکی از پروژه‌های دانشگاهی، اگر از یک بال هواپیما کارآمد و حرفه‌ای (برای مثال یکی از طرح‌های شرکت ناسا) به‌صورت برعکس روی درب صندوق خودرویی نظیر پژو 405 استفاده شود، می‌توان زمان ترمز گیری از سرعت 180 کیلومتربرساعت به 36 کیلومتربرساعت را در حدود یک ثانیه کاهش داد. چنین صرفه جویی‌ای در زمان علاوه بر آنکه در دنیای مسابقات سرعت بسیار حائز اهمیت است، در زمینه افزایش پایداری و‌ ایمنی نیز به معنای کاهش 28 متری خط ترمز خودرو (در سرعت‌های یاد شده) خواهد بود. ‌این در حالی است که به لطف طراحی بسیار دقیق و حساب شده، مصرف سوخت خودرو در پی افزایش درگ ناشی از نصب بال، تنها 0.03 لیتر در یکصد کیلومتر افزایش می‌یابد که به راستی رقمی ‌ناچیز و قابل اغماض است. البته ذکر‌این نکته الزامی است که طراحی بال‌های حرفه‌ای و طریقه نصب آن، تاثیری بسیار چشمگیر بر عملکرد و نتیجه نهایی خواهد داشت. برای مثال ارقام ذکر شده در‌ این شبیه‌سازی به شکل دقیق برای بالی با طول وتر 30 سانتی‌متر، عرض 120 سانتی‌متر و زاویه حمله 16 درجه بدست آمده‌اند و کوچک‌ترین تغییر در شکل بال یا زاویه حمله به معنای تغییر کلیه محاسبات خواهد بود. از‌این رو است که نصب بال‌های غیر حرفه‌ای و بازاری نه تنها فایده‌ای ندارد، بلکه ممکن است افزایش مصرف سوخت و ضریب درگ را هم در پی داشته باشد.

جالب‌تر آنکه در بسیاری موارد عملکرد یک قطعه آیرودینامیکی بر کارایی سایر قطعات نیز موثر است و به‌همین دلیل است که کمپانی‌های تیونینگ حرفه‌ای، قطعات‌ ‌آیرودینامیک خود را در قالب مجموعه‌ای کامل و هماهنگ عرضه می‌کنند.

دیفیوزر

یکی دیگر از قطعات‌ آیرودینامیک مشهور در صنعت خودروسازی مدرن، قطعه‌ای به نام دیفیوزر یا پخش کننده است که عموما در در سطح زیرین سپر عقب نصب می‌شود. وظیفه بنیادین ‌این قطعه به زبان ساده، تبدیل سرعت جریان هوای گذرنده از زیر خودرو، به فشار و در نتیجه نیروی رو‌به‌پایین است. با طراحی اصولی‌ این قطعه می‌توان به حداکثر DOWN FORCE دست یافت و حتی از نصب بال‌های بزرگ روی درب صندوق عقب نیز بی نیاز شد. ‌این روش سال‌هاست که توسط برخی خودروسازان بزرگ مانند فراری استفاده می‌شود و در زمینه بهبود عملکرد و هندلینگ خودروها در سرعت‌های متوسط و زیاد بسیار موثر است.

آیرودینامیک متغییر

ارتفاع، سرعت جریان هوا و زاویه قرارگیری قطعه‌ آیرودینامیک، تنها سه رکن متغییر از ده‌ها متغییری هستند که بر عملکرد یک مجموعه آیرودینامیکی تاثیر گذارند. تحلیل عملکرد اجزای ‌آیرودینامیک به‌هیچ عنوان ساده نیست و به هزاران ساعت کار آزمایشگاهی در تونل باد و ده‌ها ساعت تحلیل پیچیده نرم افزاری با ابریارانه‌های بسیار قدرتمند وابسته است. با‌این حال پیشرفت فناوری در سال‌های اخیر آنچنان بوده است که خودروسازان بتوانند با تحلیل کلیه شرایط خودروهای اسپرت را مجهز به تکنولوژی‌های ‌آیرودینامیک متغییر راهی جاده‌ها کنند. تغییر ارتفاع و زاویه بال عقب در بسیاری سوپر اسپرت‌ها مدرن می‌تواند کارایی مختلفی از تولید داون‌فورس تا اعمال نیروی ترمزی خالص (در پی افزایش ضریب درگ) را به دنبال داشته باشد.

Aerodynamics (1) Aerodynamics (7)

هم‌چنین ‌این روزها تیغه‌های انعطاف پذیری در دماغه برخی خودروها نصب می‌شود که در سرعت‌های مختلف، ‌آیرودینامیک خودرو را تغییر می‌دهد. اضافه‌شدن دریچه‌ها و کانال‌های متغیر برای کم و زیاد کردن جریان هوای درگیر با سطوح رادیاتوری نیز از دیگر فناوری‌های در دست تکمیل در ‌این زمینه است. شاید جالب باشد که بدانید حتی ارتفاع کلی خودرو از سطح زمین نیز به شکل قابل توجهی بر عملکرد آیرودینامیکی اتومبیل موثر است. از‌این رو تعلیق هوشمندانه برخی خودروها، به هنگام افزایش سرعت به سطح زمین نزدیک می‌شود تا عملکرد آیرودینامیکی و پایداری حرکتی خودرو بهبود یابد. افق‌های ‌آینده صنعت خودروسازی در‌این زمینه چندان روشن نیست، اما در تئوری‌ این احتمال وجود دارد که نسل آتی خودروها با بدنه‌ای کاملا انعطاف‌پذیر و تغیر شکل‌دهنده ساخته شوند تا در هر شرایطی امکان دستیابی به حداکثر کارایی حرکتی و بهترین شرایط آیرودینامیکی ممکن باشد.

داتیس نگین خودرو آریزو تعمیرگاه تخصصی بهنام

MVM x22

آمیکو

جک کرمان موتور

تلگرام
نظر شما !!
  1. عارف

    با عرض سلام و خسته نباشید
    مطالب گفته شده بسیار علمی و روان بود.لطفا منابع خود رو راهم برایم بفرسید