Аэродинамическое устройство

Полезная модель относится к транспорту и может найти применение на наземных, водных, воздушных транспортных средствах для улучшения их аэродинамических характеристик.

Аэродинамическое устройство содержит основание с элементами крепления его на транспортном средстве, установленные на основании торцами наружный и внутренний обтекатели, на образующих которых имеются радиальные отверстия, причем свободный конец внутреннего обтекателя имеет форму усеченного конуса, а свободный конец наружного обтекателя имеет форму сопла Лаваля, при этом, радиальные отверстия обтекателей имеют разный размер, а радиальные отверстия внутреннего обтекателя расположены в одной плоскости.

1 з п ф-лы, 1 илл. 1 табл.

Полезная модель относится к транспорту и может найти применение на наземных, водных, воздушных транспортных средствах для улучшения их аэродинамических характеристик.

Общеизвестно, что для уменьшения лобового сопротивления воздуха при движении наземных, водных, воздушных средств, в том числе и транспортных, их аэродинамические поверхности выполняют обтекаемой формы. Однако на практике форма средства зачастую диктуется его назначением и особенностями эксплуатации. Так, например, на транспортных средствах, особенно пассажирских, аэродинамическую форму определяют в основном багажные отсеки и пассажирские салоны, вынесенные за контур багажники, прицепы и пр. Данное обстоятельство значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление при движении средства, что приводит к повышению расхода топлива, загрязнению окружающей среды, снижению сроков работы (ресурса) двигателей и пр.

Для решения этой проблемы используют специальные аэродинамические устройства - обтекатели, которые монтируют на транспортных средствах, осуществляя улучшение их аэродинамических характеристик. Эти устройства имеют разное исполнение и принципы формирования воздушного потока в процессе движения транспортного средства.

Известно аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой, которое устанавливают на автомобиле перед его кабиной, содержащее активный элемент прямоугольной формы и стержень для закрепления активного элемента на торце кабины. В процессе движения автомобиля аэродинамическое устройство изменяет структуру течения воздушного потока перед кабиной и формирует между активным элементом и передним торцом кабины вихревое воздушное течение максимальной интенсивности. С кромок активного элемента происходит отрыв встречного потока с образованием струйного слоя смешения Оторвавшийся поток воздействует на торцевую часть кабины, перераспределяя давление по ней по сравнению со случаем обтекания кабины без активного элемента. Минимальное аэродинамическое сопротивление достигается при условии равенства длины потока за активным элементом и расстояния от

активного элемента до переднего торца кабины автомобиля. При соблюдении данного условия воздушный поток «скользит» по вихревым потокам и плавно обтекает кабину, уменьшая аэродинамическое сопротивление воздуха.

(см. патент РФ 2046049, кл. B62D 37/02, 1995 г.).

В результате анализа известного аэродинамического устройства необходимо отметить, что оно может быть эффективным только при довольно высоких скоростях движения транспортного средства, на которых возможно явление срывов воздушного потока с активного элемента и образование завихрений. При средних и малых скоростях движения данный активный элемент является дополнительным препятствием аэродинамическому потоку воздуха и вызывает эффект, обратный указанному в описании изобретения.

Известно аэродинамическое устройство, выполненное в виде диффузора, монтируемого на кормовой части автомобиля с зазором между его задней поверхностью и корпусом диффузора. Задняя стенка устройства представляет собой ряд перегородок, каждая пара из которых образует малый диффузор. Все малые диффузоры имеют одинаковые угол раскрытия и длину. В процессе движения транспортного средства среда (воздух) за его кабиной распределяются по малым диффузорам и выбрасывается в донную часть транспортного средства, что позволяет устранить срывное течение воздушного потока среды в кормовой части транспортного средства, уменьшив тем самым его сопротивление движению.

(см. патент РФ 2115833, кл. B62D 35/00, 1998 г.)

В результате анализа конструкции данного аэродинамического устройства необходимо отметить, что оно компенсирует только срывные потоки течения среды за кабиной транспортного средства, которые не оказывают большого влияния на аэродинамические характеристики. Конструкция данного устройства не позволяет уменьшить лобовое аэродинамическое сопротивление воздуха при движении транспортного средства.

Известно аэродинамическое устройство, состоящее из основания с элементами для крепления его на транспортном средстве, на основании соосно друг относительно друга закреплены наружный и внутренний обтекатели. Для обеспечения соосности обтекателей на основании могут быть предусмотрены пазы.

Каждый обтекатель выполнен полым, в виде тонкостенной цилиндрической и сопряженной с одним из ее торцов конической частью, в виде усеченного конуса.

На образующей обтекателей выполнены радиальные отверстия, которые могут иметь разные размеры (например, диаметры) для каждого обтекателя.

Обтекатели выполняют, как правило, из тонколистового металла.

Углы конусности обтекателей целесообразно выполнять на обтекателях равными или близкими по значению друг другу.

(см патент на полезную модель 74108, кл. B62D 35/00, 2008 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что при его функционировании невозможно изменять лобовое сопротивление воздуха в зависимости от скорости движения транспортного средства.

Задачей настоящей полезной модели является разработка аэродинамического устройства, обеспечивающего активное регулирование лобового сопротивления воздуха в зависимости от скорости транспортного средства.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в аэродинамическом устройстве, содержащем основание с элементами крепления его на транспортном средстве, установленные на основании торцами наружный и внутренний обтекатели, на образующих которых имеются радиальные отверстия, причем свободный конец внутреннего обтекателя имеет форму усеченного конуса, новым является то, что свободный конец наружного обтекателя имеет форму сопла Лаваля, при этом радиальные отверстия обтекателей имеют разный размер, а радиальные отверстия внутреннего обтекателя расположены в одной плоскости.

При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию охраноспособности «новизна».

Сведений изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления заявленной полезной модели.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлено аэродинамическое устройство, осевой разрез.

Аэродинамическое устройство состоит из основания 1 с элементами 2 для крепления его на транспортном средстве (не показано). На основании 1 соосно друг относительно друга (соосно оси «О-О») закреплены торцами два обтекателя 3 (наружный) и 4 (внутренний) Крепление обтекателей осуществляется известным

образом, например, с помощью болтов и гаек. Для обеспечения соосности обтекателей 3 и 4 на основании 1 могут быть предусмотрены пазы, через которые проходят крепежные элементы (позициями не обозначены). Регулировку положения обтекателей 3 и 4 вдоль оси «О-О» осуществляют посредством прокладок (не показаны).

Каждый обтекатель выполнен полым, в виде тонкостенной цилиндрической части (А, а - соответственно наружного и внутреннего обтекателя). Конец внутреннего обтекателя выполнен в виде усеченного конуса «б».

Конец наружного обтекателя выполнен в виде сопла Лаваля, образованного конической частью «Б» - диффузором и конической частью «Е» - конфузором.

На состыкуемых с основанием 1 торцах каждого обтекателя целесообразно выполнить отбортовки (В, в - соответственно наружного и внутреннего обтекателя) с отверстиями под крепежные элементы для установки их на основании 1.

На цилиндрической части обтекателей 3 и 4 выполнены радиальные отверстия (соответственно 5 и 6), которые могут иметь разные размеры (например, диаметры) для каждого обтекателя. Радиальные отверстия внутреннего обтекателя располагают в одной радиальной плоскости.

Обтекатели выполняют, как правило, из тонколистового металла. Технология их изготовления не представляет сложностей для специалистов.

Коническая часть обтекателя 4 имеет угол конусности , а мнимая вершина конуса обозначена как «Г».

Коническая часть обтекателя 3 имеет угол конусности , а мнимая вершина конуса обозначена как «D».

Углы и целесообразно выполнять на обтекателях 3 и 4 равными или близкими по значению друг другу. Это и технологичнее.

Высота (длина) «Н» обтекателя 3 примерно равна высоте «h» обтекателя 4.

Размеры аэродинамического устройства могут быть самыми различными и зависят, в основном, от размеров транспортного средства, на котором они монтируются. Естественно, что если транспортное средство имеет значительные габаритные размеры, например, большегрузные автомобили с прицепами, транспортные самолеты, дирижабли, то данное устройство может быть установлено практически на все проблемные, с точки зрения аэродинамики, поверхности, в том числе и на транспортируемый груз.

Аэродинамическое устройство работает следующим образом.

Работу устройства рассмотрим на примере его эксплуатации на легковом автомобиле. Использование устройства на иных средствах не отличается от того, которое будет описано ниже.

Для работы обтекатели 3 и 4 крепят на основании 1, а собранное аэродинамическое устройство крепят на бампере автомобиля между его передними фарами примерно по его продольной оси (предпочтительно, чтобы ось «О-О» совпадала с продольной центральной осью автомобиля).

Крепление осуществляется посредством элементов 2.

Из теории термодинамики и газовой динамики известно (см., например, С.И.Исаев и др. «Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи», Москва, «Машиностроение», 1968 г., стр.120), что «непосредственная передача энергии между двумя системами в виде работы происходит только тогда, когда давления в системах разные. При этом работа «переходит» из системы с большим давлением к системе с меньшим давлением и никогда наоборот». В области перехода происходит снижение скорости воздушного потока, его плотности, температуры и давления, то есть, наблюдается скачкообразное изменение параметров воздушного потока (возникает скачок уплотнения).

Обозначим 1 - плотность набегающего потока; Р1 - давление набегающего потока, а 2; Р2 - те же параметры воздушного потока после прохождения зоны уплотнения.

Для эффективной работы устройства необходимо соблюдение условия: 2<1; Р2<Р1, при котором сопротивление воздушного потока минимально. Для выполнения данных условий конец наружного обтекателя 3 выполняют в виде сопла Лаваля. Как известно, сопло Лаваля представляет собой конструкцию двух усеченных конусов, соединенных друг с другом меньшими основаниями. Характерной особенностью заявленного устройства является способность при движении транспортного средства постоянно создавать перед собой уплотненные воздушные фронты (препятствия для набегающего воздушного потока), причем сами фронты по отношению к обтекаемому воздушному потоку имеют оптимальную аэродинамическую форму. Физика данного процесса известна и описана в источниках информации.

Заявленное устройство реализует данный физический процесс, который основан на особенностях работы сопла Лаваля. Так, если в сопло Лаваля поместить сопло конической формы (что как раз и реализовано в заявленном устройстве), то

набегающий поток воздуха задолго до контакта с устройством «чувствует» находящееся перед ним препятствие и начинает «тормозиться», образуя перед ним плотные молекулярные воздушные волны 8 и 9, параметры которых зависят от скорости движения транспортного средства. Воздушные волны обеспечивают изменение траектории набегающего газового потока, уменьшая тем самым лобовое воздушное сопротивление. Размещенные один в другом обтекатели, имеющие заявленную форму, как раз и обеспечивают реализацию этого процесса. Воздух, входящий в полости обтекателей выходит за их пределы через радиальные отверстия. Выполнение радиальных отверстий разного диаметра способствует закрутке воздушного потока, что заставляет его за счет центробежных сил, а также под воздействием кориолисова ускорения земли «прижиматься» к стенкам обтекателей, уменьшая удельную лобовую нагрузку. Воздух из внутренних полостей обтекателей истекает из их радиальных отверстий. Идеальное истечение воздуха из внутреннего обтекателя обеспечивается при расположении радиальных отверстий в одной поперечной плоскости.

Устройство очень просто конструктивно, его без труда можно установить практически на любое транспортное средство или на его отдельные части, имеющие контактирующие с воздушным потоком части, характеризующиеся низкими аэродинамическими свойствами.

Проверку эффективности работы устройства проводили на транспортных средствах: ГА3-3109; ВАЗ 2105; ВАЗ 2107.

Устройство монтировалось на переднем бампере автомобиля между передними фарами.

Устройство имело следующие параметры:

Диаметр наружного обтекателя (мм) - 330

Диаметр внутреннего обтекателя (мм) - 200

Угол (град) - от 12,5 до 25

Угол (град) - от 12,5 до 25

Высота (Н) наружного обтекателя (мм) - 400

Высота (h) внутреннего обтекателя (мм) - 400

Результаты испытаний сведены в таблицу.

1. Аэродинамическое устройство, содержащее основание с элементами крепления его на транспортном средстве, установленные на основании торцами наружный и внутренний обтекатели, на образующих которых имеются радиальные отверстия, причем свободный конец внутреннего обтекателя имеет форму усеченного конуса, отличающееся тем, что свободный конец наружного обтекателя имеет форму сопла Лаваля.

2. Аэродинамическое устройство по п.1, отличающееся тем, что радиальные отверстия обтекателей имеют разный размер, а радиальные отверстия внутреннего обтекателя расположены в одной плоскости.