بررسي تاثیر اسپویلر عقب بر روی پایداری و مشخصه‌های ایرودینامیكي

بررسي تاثیر اسپویلر عقب برروی پایداری و مشخصه های ایرودینامیكي 

اسپویلر یکی از عواملی است که خصوصیات ایرودینامیکی خودرو را بهبود می بخشد و این امکان را فراهم می سازد تا پایداریخودرو افزایش یابدبدون آنکه موجب افزایش وزن و در پی آن کاهش شتاب و افزایش مصرف سوخت گردد.در این مقاله با رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی ، حل عددی جریان حول خودروی پژو 405 سدان در دو حالت بااسپویلر و بدون اسپویلر به صورت سه بعدی و در شرایط پایا به منظوردستیابی به نیروها و ضرائب آیرودینامیکی آن مورد مطالعه قرار گرفته واثرات اسپویلر عقب بر روی ضرائب آیرودینامیکی در سرعت متوسط و خصوصا درسرعت های بالا بررسی گردیده است.

در اثر برخورد جریان هوا با بدنه خودرو نیروهای آیرودینامیکی پسا¹ و برآ² بوجود می آید که بر روی مصرف سوخت، پایداری و عملکرد خودرو در شتاب گیری تاثیر بسزایی دارد . در حین رانندگی در سرعتهای بالا، خصوصا در اتوبان ها خودرو تمایل شدیدی به بلند شدن از سطح زمین دارد. عبور جریان هوا از روی خودرو منجر به ایجاد اختلاف فشار در سطح بالایی و پایینی خودرو و در نتیجه تولید نیروی برآ می گردد. این نیروی برآ پایداری خودرو را در سرعتهای بالا و هنگام عبور از سر پیچ ها بشدت کاهش داده و از این رو بسیار حایز اهمیت می باشد. به منظور کاهش این نیروی برآ در قسمت عقبی خودرو یک اسپویلر بر روی صندوق عقب قرار داده می شود تا با افزایش فشار در بخش عقب خودرو، نیروی رو به پایینی بوجود آورد و پایداری و کنترل پذیری خودرو را در سرعتهای بالا بهبود بخشد.این نیروی رو به پایین (برآ منفی) چسبندگی خودرو با سطح
جاده را افزایش می دهد و با افزایش اصطکاک بین چرخها و جاده به راننده این امکان را می دهد که در سرعت های بالا، خصوصا در سر پیچ ها بتواند خودرو را بهتر کنترل نماید. دو روش برای تولید نیروی برآِ منفی پیشنهاد می شود:

1- طراحی کانال ونتوری زیر بدنه خودرو. در این روش علاوه بر تولید نیروی برآِ منفی³ زیاد، نیروی پسای اندکی نیز تولید می شود.

2- بکارگیری اسپویلر هایی با زاویه حمله منفی در قسمت جلویی و عقبی خودرو. البته در این مورد میزان نیروی پسا بواسطه سطح مقطع خود اسپویلر اندکی افزایش می یابد.

تحقیقات بسیاری در زمینه ی آیرودینامیک بر روی انواع خودرو ها انجام گرفته است از جمله می توان به تحقیقات آقای اندرسون اشاره کرد که در این تحقیق تحلیل عددی جریان اطراف خودرو به کمک مدل تلاطمی با تابع دیواره غیر تعادلی شبیه سازی شده است .در ضمن بررسی ای تحت عنوان آیرودینامیک خودروهای اسپورت مدرن انجام شده است.آقای کیم و همکاران با استفاده از روشهای عددی، به بررسی پایداری یک خودرو و نویز آیرودینامیکی حاصل شده ازاسپویلر عقب پرداختند. و اثر اسپویلر عقب را در کاهش نیروهای آیرودینامیکی درگ برروی یک مینی ون مورد بررسی قرارداده اند. کیفرا و همکاران توسط یک مطالعه ی عددی با کد  و در جریان آشفته با استفاده از مدل اثر زمین را بر بال جلو در نظر گرفته اند. سپس بال عقب در زوایای مختلف نسبت به افق قرار داده اند ودر انتهازاویه ای را به عنوان زاویه بهینه آیرودینامیکی معرفی نموده اند.

– هندسه ی ایرفویل

دو نوع طراحی برای اسپویلرها متداول است: اسپویلر های زینتی و اسپویلر های ایرفویلی. اسپویلر های ایروفیلی بیشتر به منظور ایجاد نیروی برآی منفی در سرعتهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند.در این بررسی اسپویلر ,ایرفویلی انتخاب شده است. ایرفویل مورد نظر ما 4412 NACA  می باشد .از بین ایرفویل های استاندارد نیز، ایرفویل استاندارد4412 NACA  دلیل نامتقارن بودن و داشتن شکل هندسی مناسب در تولید نیروی برآِ منفی مورد استفاده قرار گرفته است.در این گام اسپویلر بایک پروفیل در چهار ارتفاع(300،200،100،50) میلی متر مشخص شده از صندق عقب با طول وتر 160 میلی متری رسم گردیده که جهت فهم راحت تر به ترتیب از سمت راست ارتفاعات را بانام های(a,b,c,d) نامیده شده است که در شکل2 آمده است و در شکل  3 و 4 مراحل اصلاح شده ی مدل و نمایی از مش خوردن خودرو با اسپویلر را نشان داده شده است.

مراحل کارابتدا مدل خودروی پژو 405 با سرعت 80 کیلومتر برساعت بدون اسپویلر بررسی شده است تا بدانید چه میزان ضریب برآو پسا را دارا می باشد. سپس با همین سرعت همراه با اسپویلر در زاویه صفر با ارتفاعات مختلف از صندوق عقب با نرم افزار فلوئنت موردتحلیل قرار داده شده است که از این بررسی ضرایب پسا وضرایب برآ برای این تحلیل مشخص کرده و در نهایت بهینه ترین ارتفاعی که کمترین ضریب برآ را می دهد را برای ادامه ی کار مورد بررسی قرارداده شده است. سپس در مرحله بعد بهینه ترین ارتفاع را با تغیر زاویه اسپویلردر جهت منفی به سمت پایین بازوایای (20- و10-) درجه مورد مقایسه قرار داده تا زاویه بهینه برای تولید کمترین برآ نسبت به خودرو بدون اسپویلر چه مقدار است در ادامه زاویه بهینه که کمترین برآ را داده است را با سرعت کیلومتر بر ساعت با مدل خودرو بااسپویلر همراه با زاویه بهینه نسبت به سرعت 80کیلومتر بر ساعت مورد مقایسه قرا داده شده است تا بدانید که در سرعت های مختلف اسپویلر چه تاثیری برروی خودروی 405 می گذارد.

– ارائه ی نتایج و بحث

ضریب پسای خودروی پژو 405 سدان در سرعت بصورت آزمایشگاهی 2054/0 می باشد. با اعمال شرایط مرزی و ضرایب توربو لانسی که همان ضرایب پیش فرض در نظر گرفته شده اند واز آنجا که هدف محاسبه ضریب درگ و ضریب برآ است .پس از حل مسئله به حالت یکنواخت ضریب پسا برابر 0 /583 بدست آمده است . در شکل 5 مقایسه ی ضریب فشار محاسبه شده توسط مدل توربو لانسی با نتایچ تجربی منتشردر سطح بالای خودرو آمده است که با نتایج آزمایشگاهی تونل باد این خودرو تا حد زیادی نزدیک می باشد و معتبراست. با توجه به شکل 6 از آنجایی که لازم است نتایج بدست آمده مستقل از تعداد المان ها باشند شبکه بندی تا حدی ریز شده که ضریب پسا مستقل ازتعداد المان ها شود.

در شکل 7 توزیع سرعت در خودروی بدون اسپویلر و با اسپویلر در زاویه  10- درجه با سرعت 180 کیلومتر بر ساعت و ارتفاع میلی متر آورده شده است. با توجه به شکل اسپویلر در مقایسه با خودروی بدون اسپویلر ، کشیده تر است و به سمت بالا منحرف می شود. در حقیقت با عبور جریان دان واش از قسمت ا نحنای شیشه عقب و صندوق عقب جهت جریان به سمت پایین منحرف می گردد. هر چقدر میزان زاویه این جریان که با گردابه های جانبی آمیخته شده است، در پشت خودرو بیشتر باشد، میزان پسای القایی و برآ وارد بر اکسل عقب بیشتر می شود. قرارگیری اسپویلر عقب در پشت خودرو منجر به تغییر جهت جریان و تضعیف آن می گردد. به همین دلیل انحراف دنباله خودروی بااسپویلر به سمت بالا می باشد. این موضوع سبب می شود تا میزان پسای القایی و برآ وارد بر اکسل عقب کاهش یابد.در جدول 3 مقایسه ی نتایج برای تحلیل خودرو بدون اسپویلر و اسپویلر آمده است با توجه به جدول به این نتیجه خواهید رسید که بهترین ارتفاع برای نصب اسپویلر در ارتفاع    100میلی متر از صندوق عقب است زیرا که کمترین نیروی برآ ودر عین حال به کمترین ضریب پسا نسبت به ارتفاعات دیگر رسیده است.

با توجه به ارتفاع بهینه مشخص شده برای اسپویلر  100 میلی متر در دو زاویه مختلف اسپویلر مورد بررسی قرار گرفته که در جدول 2 آورده شده است نتایج این جدول نشان می دهد که زاویه ی بهینه برای بهترین ارتفاع اسپویلرزاویه 10- درجه بوده زیرا که کمترین ضریب برآ ودر عین حال کمترین پسا را نسبت به دیگر زاویه ها به همراه دارد. با توجه به اینکه در زاویه 10- درجه بهترین ضریب برآ وکمترین ضریب پسا را نسبت به زاویه 20- درجه دارا می باشد وبا توجه به جدول 3 درسرعت 180 کیلومتر بر ساعت با زاویه 10- درجه نتایج را مورد بررسی قرار گرفته و مقدار ضرایب در سرعت 180 کیلومتر بر ساعت آمده است که نشان می دهد که نیروی برآ کاهش یافته که این نتیجه در برگیرنده ی این است که اسپویلر در سرعت های بالا تر نیروی برآی منفی زیاد ایجاد می کند و باعث چسبندگی و کنترل پذیری هرچه بهتر خودرو در سرپیچ ها می شود . درشکل 8 مقایسه بین دو حالت خودرو بدون اسپویلر وبا اسپویلر را در دو سرعت مختلف بررسی شده است.

جدول شماره1: تغییرات نیروی برآ و پسا بر حسب سرعت برای خودرو بدون اسپویلر و با اسپویلر عقب در زاویه صفردر سرعت 80کیلومتر

جدول شماره 2 : تغییرات نیروی برآ و پسا بر حسب سرعت برای خودرو با اسپویلر عقب در زوایای گوناگون درسرعت  80کیلومتر بر ساعت

جدول شماره3 : تغییرات نیروی برآ و پسا بر حسب سرعت برای خودرو با اسپویلر عقب درسرعت 580کیلومتر برساعت

– نتیجه گیری

در بررسی حاضر اثرات بکارگیری اسپویلرعقب روی خودروی پژو 405 سدان برضرایب آیرودینامیکی به کمک نرم افزار فلوئنت مورد مطالعه قرار گرفته است . مدلسازی سه بعدی و حل عددی خودرو برای دو سرعت ورودی 80 کیلوتر بر ساعت و 180 کیلومتر بر ساعت در حالت بدون اسپویلر و با اسپویلر عقب در زوایای مختلف بررسی شده است. همچنین به منظور صحه گذاری بر نتایج بدست آمده از حل عددی ایرفویل 4412 NACA و نتایج آزمایشگاهی موجود برای خودروی پژو بدون اسپویلر استفاده شده است . نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که:

1- در این تحقیق اثر افزودن اسپویلر عقب برروی ضریب درگ و پایداری آیرودینامیکی یک خودرو سدان ساده مورد بررسی قرارگرفت. معادلات جریان در اطراف مدل با استفاده از روش حجم محدود حل گردید و مشخص شد افزودن اسپویلر عقب هرچند برروی ضریب درگ تاثیر مثبت ناچیزی دارد ولی به پایداری بیشتر خودرو در سطح جاده کمک چشمگیری می نماید. 

2- بکارگیری اسپویلر عقب در پشت خودرو تاثیر بسزایی در کاهش نیروی برآ و تولید برآمنفی ایفا می کند. تولید برآمنفی در سرعتهای بالا منجر به افزایش کنترل پذیری و پایداری خودرو می گردد. این در حالیست که با افزودن اسپویلر عقب به خودرو نیروی پسای وارد بر خودرو اندکی افزایش می یابد. البته با طراحی مناسب اسپویلر و استفاده از روشهایی نظیر ونتوری زیر بدنه می توان این افزایش نیروی پسا را کنترل نمود.

علت استفاده از باله‌ها در مسابقات خودرویی، کاهش طبیعی کشش بین جاده و لاستیک در پیچ‌ها و گردش‌های مختلف است. هرچه که خودرویی نیروی روبه‌پایین بیشتری داشته باشد با افزایش درگیری لاستیک و جاده، اجازه حرکت با سرعت بیشتری را به راننده و خودرو در پیچ می‌دهد و همچنین در پایداری خودرو نقش دارد.

با این وجود نوع محور محرک در خودرو (که در مسابقات عموما عقب و در اتومبیل‌های شهری جلو است) در نوع استفاده از نیروی روبه‌پایین نقش دارند و نکته مهم‌تر اینکه تمامی براگیرها، دیفیوزرها و سایر اجزای آیرودینامیکی با تحلیل‌های مختلف ریاضی و عملی استفاده می‌شوند و نسبت به هر پیستی، زاویه و نوع استفاده آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد.

پس بطور کلی، شاید استفاده از باله‌ عقب برای افزایش زیبایی خودرو ایده بدی نباشد اما درنظر داشته باشید استفاده از چنین ابزاری بدون تحلیل علمی، در افزایش عملکرد خودرو موثر نیست و ممکن است در بازه زمانی طولانی نه تنها باعث افزایش سرعت خودرو نشود بلکه زمینه استهلاک بیشتر لاستیک‌ها، مصرف سوخت و… را فراهم کند!