1. Законы движения воздуха

В аэродинамике для простоты описания тех или иных процессов рассматривается установившийся воздушный поток [1]. Это такой поток, в котором давление, температура и плотность воздуха с течением времени остаются неизменными. Два основных понятия — это ламинарный и турбулентный воздушные потоки (Рис. 1).

Рис. 1

При ламинарном течении воздушный поток движется в одном направлении и струйки воздуха параллельны друг другу. То есть условно это равномерное прямолинейное движение воздуха. По мере увеличения скорости, в этом потоке начинают появляться вертикальные, то есть перпендикулярные к направлению движения, перемещения. Начинают появляться завихрения и в какой-то момент ламинарный поток переходит в турбулентный, где воздух движется хаотично. Место, где ламинарный поток переходит в турбулентный, называется точкой перехода. (Рис. 2)

Рис. 2

Следующее важное понятие — пограничный слой. Это слой воздуха на границе с обтекаемым телом, его толщина составляет несколько мм. В этом слое происходит изменение скорости воздушного потока, в точке соприкосновения с обтекаемым телом воздушный поток тормозится и скорость движения молекул на границе равна нулю. И по мере удаления от поверхности тела скорость воздуха возрастает до максимальной. Именно в этом слое и происходит переход от ламинарного потока к турбулентному. При установившемся ламинарном течении пограничного слоя, появляются силы только внутреннего трения, поэтому в нем сопротивление воздуха совсем мало. В турбулентном пограничном слое требуется большее количество энергии для поддержания хаотичного движения, соответственно трение больше и скорость тела меньше. Если мы рассматриваем профиль крыла, задача авиаконструкторов состоит в том, чтобы отодвинуть точку перехода в пограничном слое как можно дальше от кромки. Чтобы как можно большая часть крыла обтекалась ламинарным потоком.

2. Закон Бернулли. Образование прижимной силы. Угол атаки

Закон Бернулли рассматривает непрерывный установившийся поток воздуха или газа в трубе, где за единицу времени проходит одинаковое количество воздуха [2]. Но чтобы понять данный закон, необходимо ввести новое понятие: статическое давление. Статическое давление — давление неподвижного воздуха на тело, одинаковое со всех сторон ( ). Теперь рассмотрим вариант, когда воздух находится в движении, которые и находится в трубе. Динамическое давление — давление движущегося воздуха на тело ( ). Теперь, возвращаясь к эксперименту, установим связь между статическим и динамическим давлениями. В движущемся потоке воздуха, также есть статическое давление, и оно действует перпендикулярно на стенки трубы, в свою очередь динамическое давление направлено в сторону движения воздушного потока. Динамическое давление равно кинетической энергии движения воздушного потока, и выглядит следующим образом , где — это массовая плотность воздуха. Закон Бернулли гласит, что в любом сечении воздушного потока сумма статического и динамического давлений есть величина постоянная.

Рассмотрим его конкретное использование в гоночных болидах на примере переднего антикрыла. Переднее антикрыло болида — это перевернутое крыло самолета. Профиль антикрыла сделан таким, что воздух по его верхней поверхности проходит короткий путь, а по нижней — длинный. Соответственно, чтобы встретиться у хвостовой части в одно время, по верхней часть воздух будет проходить медленнее, то есть его скорость будет меньше, чем на нижней части. Так как в верхней части скорость ниже, динамическое давление меньше, а значит статическое давление в свою очередь больше. В нижней части наоборот, от чего и создается разница давлений, она толкает крыло, а с ним и весь болид вниз. Это и есть прижимная сила (downforce).

Хорда профиля — отрезок прямой, соединяющий две наиболее удаленные точки на профиле [3]. Через каждую точку крыла можно провести одну хорду. Теперь введем понятие угол атаки — угол, заключенный между линией хорды крыла и вектором набегающего потока воздуха. При изменении угла атаки меняется характер обтекания крыла, также прижимная сила и сила лобового сопротивления. Чем больше угол атаки, тем больше прижимной силы и аэродинамического сопротивления, то есть скорость меньше. Противоположная ситуация с меньшим углом атаки. Существует физическая точка, концентрация давления на крыло, это точка приложения полной аэродинамической силы, она называется центр давления. И именно из нее растут два вектора, вектор прижимной силы и вектор лобового сопротивления [4]. Через нее проходит вектор равнодействующей этих двух сил. Вектор прижимной силы всегда перпендикулярен набегающему потоку, а вектор лобового сопротивления всегда совпадает с направление воздушного потока (Рис. 3).

Рис. 3. Угол атаки

3. Основные аэродинамические элементы болида

Передние и задние антикрылья. Переднее антикрыло — первая часть болида, которая встречает воздушный поток. Дальше воздух распределяется по всей плоскости болида. Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25 % всей прижимной силы [5]. Заднее антикрыло состоит из нескольких элементов. Угол наклона этих элементов создает прижимную силу различной величины.

Диффузор. Конструкция днища или диффузор (приложение № 8) отвечает за то, как воздух, находящийся под болидом, его покидает. Обычно конструкторы усложняют форму большим количеством сложных углов, потому что чем быстрее воздух уходит, тем большую прижимную силу имеет болид и тем большей скоростью он обладает. На самом деле принцип действия диффузора прямо противоположен принципу действия антикрыла: вместо того, чтобы отталкивать воздух, диффузор засасывает его. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, «хвостовой» части болида, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к «концу» болида. Воздух, попадающий в диффузор из-под дна болида, разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания.

Боковые дефлекторы. Боковые дефлекторы разделяют и направляют воздух от передних колес на две части — одна направляется на охлаждение двигателя в воздухозаборники, вторая направляется наружу. Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигается две цели: снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение.

Воздухозаборник. Воздух, необходимый для работы двигателя, забирается из отверстия прямо над шлемом пилота. На размер этого отверстия ограничений нет, но при чрезмерно большом отверстии сильно возрастает тормозящий эффект.

Готовый болид с потоками ветра (Рис. 4 и 5).

Рис. 4

Рис. 5

Литература:

1. Основы аэродинамики / С. М. Егер, А. М. Матвеенко, Шаталов И. А. // МАИ [Электронный ресурс]. — URL: https://oat.mai.ru/book/glava05/5_1/5_1.html
2. Аэродинамика для всех — Часть 1 Начало видеокурса [видеоресурс]: https://vkvideo.ru/video-91808293_456239518
3. Аэродинамика для всех — Часть 2 Закон Бернулли, Угол атаки [видеоресурс]: https://vkvideo.ru/video-91808293_456239519
4. Аэродинамика для всех — Часть 4 Аэродинамические характеристики, Поляра [видеоресурс]: https://vkvideo.ru/video-91808293_456239521
5. Монсе Ж.-Л. Большая книга о Формуле 1. 80 лет шума и ярости / Жан-Луи Монсе, Ален Перно, Джонни Ривз. — Москва: Эксмо, 2024. — 288 с.