Что такое аэродинамика карта?
Аэродинамическая эффективность становится все более важной областью разработки в картинге. На самом деле, благодаря применению новых технологий, таких как вычислительная гидродинамика (CFD), было доказано, что, уделяя внимание аэродинамическим аспектам гоночного карта, можно добиться невероятных результатов (даже на уровне экономии полсекунды за круг), с небольшими доработками и иногда даже минимальными затратами. На практическом уровне наиболее заметные разработки касаются обтекателей, которые давно эволюционировали из простых защитных устройств, став основными элементами карта, приводящими к снижению аэродинамического сопротивления (лобового сопротивления).
В настоящее время, хотя и в меньшей степени, чем раньше, аэродинамика гоночного карта зависит от присутствия в нём гонщика. Шлем, плечи и руки пилота – важные элементы, которые увеличивают площадь поверхности карта и создают большие области турбулентности, являющиеся основной причиной аэродинамического сопротивления. Открытые колеса также являются источником турбулентности, хотя в гоночных картах, в отличие от формул с открытыми колесами, они остаются частично в пределах габаритов обтекателей. Элементы, которые вносят наибольший вклад в аэродинамику гоночного карта, это передний бампер (губа) и передний/верхний обтекатель (лопата). Последние разработки в сфере аэродинамики карта сосредоточены именно на этих элементах. Наиболее заметные изменения в области аэродинамики связаны с разработкой обтекателей.
Работа над новым передним пластиком привела к созданию более крупных и закрытых форм в последние годы. Несмотря на небольшое увеличение передней площади, они обеспечивают большее прикрытие ног и колёс, что сильно сказывается на снижении сопротивления. Боковые обтекатели также эволюционировали и теперь они более тонкие, чем раньше, чтобы уменьшить поверхность столкновения с турбулентным воздухом, идущим от передних колес. На примере ниже можно увидеть большие различия между первым набором обтекателей, произведенных компанией KG Karting в 1992 году [Рис. 1], и комплектами KG 505 (одобрено в 2015 году) и KG 506 (одобрено в 2017 году) [Рис. 2].
Хотя в аэродинамике был сделан огромный шаг вперед, комбинация "карт-гонщик" все равно создает высокое лобовое сопротивление. Оно напрямую пропорционально коэффициенту аэродинамического сопротивления Cx (также называемому "коэффициентом лобового сопротивления"), который для современного карта составляет от 0,6 до 0,8 (для сравнения, у автомобиля он около 0,3). Cx - это безразмерное значение, и чем оно ниже, тем меньше сопротивление препятствует движению транспортного средства. В картах его величина связана с различной комплекцией пилотов (высоким гонщикам приходится хуже). Высокий коэффициент лобового сопротивления карта приводит к большему сопротивлению передвижению вперед и, следовательно, к потере мощности, которая могла бы быть использована для достижения большей максимальной скорости.
К счастью, скорости в картинге не так высоки, они редко превышают 150 км/ч, поэтому влияние роста пилота всё же не такое сильное. На самом деле аэродинамические силы становятся значимыми только при скоростях выше 80-100 км/ч, в то время как на меньших скоростях участвующие в процессе силы незначительны. Единственным исключением являются Суперкарты, оснащенные двигателями объемом 250 см³, у которых обтекатели полностью закрывают шины и в большой степени также закрывают гонщика, и поэтому их коэффициент сопротивления может составлять 0,4/0,5.
Несмотря на то что карты по своей природе аэродинамически устроены не лучшим образом, используя наиболее современные обтекатели и несколько трюков, все же можно оптимизировать тенденцию воздушных потоков с конкретными улучшениями времени круга.
Коэфицент CX: Что это такое и какого его знчение для картов
Рисунок 3. Передний бампер (губа) Tony Kart M7 является одной из самых передовых разработок в картинге, однако из анализа распределения коэффициента давления "Cp" (параметр, который мы обсудим позже) видно, что шлем по-прежнему остается одной из зон с наибольшим аэродинамическим сопротивлением.
Рисунок 4. Суперкарт, за рулем которого Питер Элкманн, победитель Европейского Чемпионата FIA по картингу, проходившего в ЛЕ-МАНЕ в 2019 году. Хорошо видно, что обтекатели этих картов гораздо более закрытые и обтекаемые по сравнению с гоночными картами с двигателями 125 см³ (такими как OK или KZ). Кроме того, можно заметить наличие заднего крыла, отсутствующего в других классах.
Как работает аэродинамика в картинге?
Описание принципа Бернули (Теория)
Формула 1. Сумма статического давления и динамического давления называется полным давлением и остается постоянной по всей поверхности тела, которое имеет относительную скорость по отношению к воздуху (например карт или автомобиль). В данном случае: P - это статическое давление, ρ (греческая буква ро) - давление жидкости; V - скорость жидкости.
Формула 2. Объемный расход (Q) остается постоянным вдоль потока воздуха, т.е. произведение сечения прохода (S) и скорости пересечения (V).
Формула 3. Если предыдущие уравнения применяются к двум разным точкам (1 и 2) и делается математическое упрощение, получается уравнение 3. Это уравнение говорит нам, что ограничение (уменьшение S) вызывает снижение статического давления и увеличение скорости потока воздуха.
Для понимания того, как генерируется аэродинамическая сила, необходимо понимать физический принцип Бернулли. Предполагая, что воздух является однородной жидкостью, пренебрегая эффектами сжимаемости и не учитывая рассеивание энергии из-за вязкого трения, мы можем говорить об "идеальной жидкости", для которой можно применять принцип в его наиболее известной формулировке. Он утверждает, что сумма кинетической энергии и давления остается постоянной вдоль "линии тока", т.е. вдоль потока воздуха. На основе этой гипотезы можно утверждать, что сумма статического давления и динамического давления остается постоянной. Эта сумма называется полным давлением [Формула 1]. В случае объекта, который двигается вперед, такого как карт, полное давление принимает одно и то же значение для каждой текущей линии, т.е. во всем аэродинамическом поле, которое создается вокруг него. Этот "баланс" фундаментален для понимания некоторых аэродинамических явлений, таких как подъем или прижатие (в случае нисходящей силы). Теперь введём принцип сохранения потока жидкости, который утверждает, что объемный расход (Q) остается постоянным вдоль потока воздуха [Формула 2] и применяя предыдущие уравнения в двух разных точках тела (1 и 2), мы получаем уравнение 3. Оно говорит нам о том, что ограничение сечения (уменьшение S) приводит к снижению статического давления и увеличению скорости потока воздуха. Таким образом, предполагая, что жидкость прилегает к поверхности, мы, используя уравнение Бернулли, можем сказать, что когда поток воздуха встречает вогнутую поверхность, он замедляется, и его давление увеличивается, в то время как с выпуклой поверхностью происходит обратное - уменьшается давление и увеличивается скорость.
На практике это понятие лежит в основе принципа работы крыльев самолета, но также во всех "перевернутых" профилях (которые установлены вверх ногами по отношению к самолетам), в основном используемым на автомобилях формулы и Суперкартах. На перевернутых крыльях выпуклая нижняя поверхность приводит к снижению давления воздуха (а также к увеличению его скорости) и, следовательно, создаётся вертикальная сила, направленная вниз, способная увеличивать сцепление с дорогой, незначительно увеличивая аэродинамическое сопротивление. Однако принцип Бернулли также лежит в основе многих других аэродинамических устройств, например, передних спойлеров последнего поколения, введенных в картинге. У них есть воздуховод с сужающейся формой внутри, который сужает проход воздуха и ускоряет поток, направленный к шлему водителя, с целью помочь воздуху обтекать шлем, таким образом уменьшая коэффициент давления на шлем и, следовательно, сопротивление. Такой воздуховод также называется трубкой Вентури. Трубка Вентури присутствует внутри карбюраторов: в этом случае уменьшение сечения служит для снижения давления – разряжения, чтобы заставить топливо поступать к воздуховоду.
Описание принципа Бернули (Практика)
Рисунок 5. Принцип Бернулли лежит в основе аэродинамических профилей, используемых для увеличения сцепления с дорогой: нижняя выпуклая поверхность вызывает снижение давления воздуха (а также увеличение его скорости) и, следовательно, создает прижимающую силу, то есть вертикальную силу, направленную вниз.
Рисунок 6. Передний спойлер KG Karting 508 имеет внутренний канал (трубка Вентури), способный ускорять поток воздуха и направлять его над шлемом водителя, чтобы снизить сопротивление. Согласно правилам CIKFIA, лопата не может выступать за линию руля и должен иметь максимальную ширину 300 мм.
Рисунок 7. Трубка Пито (которая получила свое имя в честь ее изобретателя Анри Пито) - самый надежный инструмент для измерения скорости воздуха, необходима для аэродинамических исследований. У нее есть два отверстия для измерения давления: одно на переднем конце тангенциально потоку (измерение общего давления) и одно на корпусе, перпендикулярно потоку (измерение статического давления). Разница между двумя давлениями - это динамическое давление, которое пропорционально квадрату скорости [Формула 1]. Таким образом, можно измерить скорость воздуха в конкретной точке поверхности, сталкивающейся с воздухом, например, фюзеляжа самолета или обтекателей карта.
Рисунок 8. Показан пример применения трубки Пито в случае использования переднего спойлера KG 508 с трубкой Вентури, а также боковых обтекателей.
Коэфицент давление Ср
Вторым аспектом, который следует иметь в виду, при рассмотрении аэродинамики карта, является коэффициент давления Cp, характеризующий давление вокруг карта. Коэффициент давления Cp определяется как безразмерное значение, полученное путем вычисления разницы между статическим давлением в измеряемой точке и неизмененным статическим давлением в направлении потока и делением этой разницы на динамическое давление снова относительно условий в направлении потока [Формула 4]. Коэффициент давления CP позволяет обобщить давление вдоль тела, сталкивающегося с воздухом, такого как движущийся карт. С помощью программного обеспечения CFD (Computational Fluid Dynamics), можно рассчитать коэффициент Cp в картинге. Значение Cp может быть в диапазоне от -1 до 1. Максимальное значение Cp, равное 1, будет в точках остановки потока, называемых точками "стагнации" (например, на переднем спойлере карта или на шлеме пилота). В любой точке потока, находящейся достаточно далеко от карта, у нас будет Cp = 0. Наконец, значение Cp между 0 и 1 будет относиться к потоку со скоростью ниже и будет указывать на наличие зон избыточного давления (статическое давление больше, чем неизмененное давление в направлении потока). Такие зоны можно обнаружить, например, на боковых обтекателях карта.
Отрицательный коэффициент Cp будет в областях, в которых статическое давление ниже, чем в направлении потока, например, во всех точках обхода с низким радиусом кривизны, которые вызывают сильные ускорения уходящего потока. Это происходит в нижней области спойлера или по бокам шлема пилота. Обычно, на изображениях отчета о CFD- исследовании, точки стагнации, со значением Cp близким к 1, обозначены красным цветом, в то время как отрицательные - синим. В зеленом цвете - промежуточные значения около 0. Если оставаться в рамках принципа Бернулли, увеличение давления определяет снижение скорости воздуха и наоборот. Однако существуют области, где это соотношение не соблюдается. Например, в районе радиатора, где скорость потока воздуха не изменяется ни до, ни после прохождения через массу радиатора, в то время как необходимо записать снижение Cp из-за падения давления (то есть падения давления, которые жидкость, такая как воздух, испытывает в результате трения).
Формула 4. Коэффициент давления CP получается путем вычисления разницы между статическим давлением измеряемой точки (P) и неизмененным статическим давлением в направлении потока (P0) и делением этой разницы на динамическое давление, также относительно условий в направлении потока (которое является результатом произведения между 1/2, ρ (греческая буква ро) давлением жидкости и V - скоростью карта (V). Расчет идёт относительно статического давления, которое можно измерить в достаточно удалённой от карта точке.
Рисунок 9. Типичное распределение давления воздуха вокруг карта. Обратите внимание, что существуют области "стагнации" (Cp=1), где давление максимально, а поток воздуха останавливается (шлем и передний бампер). Радиатор также является точкой с высоким Cp, поэтому в более холодные периоды предпочтительно наклонить его в более горизонтальное положение (чтобы уменьшить его переднюю площадь), а не закрывать,. Более современные обтекатели хорошо закрывают передние колеса и ноги пилота, которые в противном случае были бы также областями стагнации и генерации турбулентности.
Коэфицент Cр и сопротивление
Для низких скоростей основными факторами, влияющими на сопротивление движению карта вперед, являются сопротивление качению шин (называемое сопротивлением качению или "RR") и трение механических частей карта. Начиная со скорости примерно 80 км/ч аэродинамической силой, противостоящей движению карта, уже нельзя пренебрегать. Фактически, она становится все более и более преобладающей и растёт экспоненциально с ростом скорости. Аэродинамическое сопротивление (или "лобовое сопротивление"), выраженное в ньютонах, так как речь идет о силе, можно измерить с использованием уравнения 5. Где: ρ (греческая буква ро) выражает плотность жидкости, ударяющей по объекту (воздух имеет плотность 1,22 кг/м^3), A – площадь поверхности, сталкивающейся с жидкостью, которая зависит от формы карта и гонщика в нём, V - это скорость карта, выраженная в метрах в секунду, и Cx - коэффициент лобового сопротивления, который зависит от формы и направления движения воздуха. Анализируя формулу, очевидно, что силa сопротивления растет экспоненциально квадрату скорости. Поэтому, если скорость удваивается, аэродинамическое сопротивление увеличивается в 4 раза. Cx на самом деле не является единственной переменной. Передняя площадь также очень важна, и поэтому ее уменьшение и оптимизация позволяют увеличивать скорость в конце прямых. Благодаря экспериментальным данным о комплекте обтекателей KG 506, использовавшемся с 2018 по 2021 год, предоставленным компанией KG Karting, можно увидеть, что для современного карта более 30% аэродинамического сопротивления обусловлено передним пластиком: губой и лопатой. Аэродинамическое сопротивление пилота (учитывая его шлем, ноги и тело) составляет примерно 12% от общего сопротивления карта, в то время как в прошлом, со старыми обтекателями, это значение достигало 30%, потому что гонщик был «открыт» больше и подвергался воздействию встречного потока воздуха. Колеса, главным образом из-за вращения, дают в общей сложности 15% сопротивления. Радиатор также играет важную роль, внося около 16%.
Формула 5 выражает силу аэродинамического сопротивления, в частности: ρ является плотностью жидкости, сталкивающейся с телом (воздух имеет плотность 1,22 кг/м^3); A - это площадь, обтекаемая жидкостью, называемая передней площадью, которая зависит от формы карта и пилота; V - скорость карта, выраженная в метрах в секунду, и входит в функцию в квадратичной форме, а Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления (или коэффициент лобового сопротивления).
Рисунок 10. Диаграма показывает, какие компоненты способствуют образованию аэродинамического сопротивления в случае использования комплекта обтекателей KG 506 (2018-2021 годы). Процентное распределение аэродинамического сопротивления различных частей карта:
- Остальное (Rest): 14%
- Радиатор (Radiator): 16%
- Задний бампер (Rear spoiler): 7%
- Заднее колесо (Rear Wheel): 10%
- Переднее колесо (Front Wheel): 5%
- Передний бампер, губа (Front Spoiler): 26%
- Передний спойлер, лопата (Front Deflector): 6%
- Пилот (Driver): 12%
- Двигатель+воздушный фильтр (Engine+Airbox): 5%
Турбулентность и слипстрим
Уравнение Бернулли предполагает отсутствие энергетических потерь. Это означает, что поток воздуха не «срывает», а также отсутствует внутреннее трение. Однако, когда в реальном мире такие явления происходят, наблюдается и потеря энергии, что приводит к одновременному снижению скорости и статического давления воздуха, таким образом, выходя за рамки принципа Бернулли. Примером являются участки сильной турбулентности. В картинге существует множество участков турбулентности. Самый важный образуется сразу за пилотом, но есть и другие: за передним спойлером, за радиатором и за колесами. В турбулентной зоне поток воздуха теряет кинетическую энергию из-за градиента давления и внутреннего сопротивления, и поток отталкивается от поверхности; следовательно, скорость воздуха в этой области низкая, но это также область низкого давления (мы отклоняемся от принципа Бернулли, который утверждал бы обратное) [Рисунок 11]. Турбулентность вызывает сильное увеличение лобового сопротивления и, как следствие, неблагоприятно влияет на аэродинамику транспортного средства. Низкое давление в области турбулентности также является основной причиной явления слипстрима, которое позволяет карту, следующему на расстоянии нескольких метров позади другого карта, ощущать на себе снижение аэродинамических сил трения и, следовательно, "всасываться" вперед, увеличивая скорость при той же тяге двигателя. Чем выше скорость, тем больше будет заметно явление слипстрима за едущим картом. Ориентировочно, считается, что слипстрим начинает серьёзно работать при скоростях свыше 100 км/ч. Этот эффект снижается по мере удаления от впереди идущего карта, и в какой момент уже становится равным нулю.
В этом контексте, однако, любопытно подчеркнуть, что когда два карта двигаются близко один за другим, не только у второго карта есть «аэродинамическое преимущество», но и у первого, хотя и в меньшей степени. Дело в том, что наличие второго карта в слипстриме помогает уменьшить область турбулентности, потому что второй карт действует как продолжение первого и уменьшает процесс отрыва воздушного потока в задней части первого карта.
Рисунок 11. Участки турбулентности в верхней части карта.
Рисунок 12. Самый большой участок турбулентности находится сразу за гонщиком, а другие турбулентные зоны образуются за передним бампером и у колес.
Граничный слой
Представим тело, сталкивающееся с воздухом. Скорость частиц жидкости, находящихся рядом с поверхностью, равна нулю, и, отдаляясь от поверхности, эта скорость очень быстро достигает значения скорости невозмущенного потока. Область очень малой толщины, в которой происходит такое резкое изменение скорости, называется "граничным слоем". Толщина граничного слоя увеличивается с увеличением расстояния от самой передней точки тела. На скорости 100 км/ч толщина, в начальной части тела, составляет несколько миллиметров и может достигать нескольких сантиметров, если жидкостная струя остается прилегающей к поверхности на несколько метров, как в случае с автомобилем. Почему граничный слой важен? Если увеличение толщины граничного слоя слишком резкое, происходит отсоединение жидкостного потока, то есть поток больше не остается прилегающим к поверхности, и создается область высокой турбулентности. Это наблюдается, например, на задней части переднего спойлера карта или на его вершине, а также за шлемом и руками гонщика. Там, где есть острые края, воздух больше не может примыкать к поверхности, и струя отсоединяется. В некоторых случаях это необходимо, однако, важно чтобы это происходило явно. Если край слишком скруглен, воздух имеет тенденцию обходить его, приобретая значительную скорость и, следовательно, подвергаясь сильному понижению давления, что вызывает дополнительное сопротивление. Именно поэтому багажник автомобилей никогда не скруглён идеально [Рис. 15].
Рисунок 13. Граничный слой - это область малой толщины (несколько миллиметров), где воздух проходит от нулевой скорости, близкой к поверхности, до скорости невозмущенного потока.
Рисунок 14. Толщина (ẟ) граничного слоя увеличивается с увеличением расстояния от самой передней точки тела. Внутри скорость потока воздуха (V0) увеличивается по мере увеличения толщины, пока не достигнет скорости невозмущенного потока.
Рисунок 15. На обычных автомобилях отсоединение жидкостного потока происходит в задней части, рядом с багажником, который никогда не скруглён идеально, а имеет небольшой спойлер для облегчения отсоединения потока воздуха.
Граунд-эффект
До сих пор мы сосредотачивались на аэродинамических эффектах в верхней части карта, но важно подчеркнуть, что днище карта находится всего в нескольких миллиметрах от асфальта, поэтому аэродинамический анализ в картинге обязательно должен включать также изучение воздушных потоков, которые проходят под шасси и вызывают явление граунд-эффекта (эффекта близости поверхности/эффекта земли). Воздух входит как спереди под передним бампером, так и сбоку под боковыми обтекателями. Воздух выходит сзади сразу за сиденьем [Рис. 16]. Вот почему выбор правильной формы сиденья и правильный угол наклона днища могут создать своего рода трубку Вентури под картом, то есть сужение воздушного прохода, прямо под сиденьем, и последующее расширение в задней части. Эффект, как видно в первой части статьи, заключается в ускорении потока воздуха и, следовательно, снижении его давления (по принципу Бернулли), создавая прижимное усилие (то есть силу вниз) несколько кг при 100 км/ч, полезное для улучшения дорожного просвета и стабильности карта на высоких скоростях [Рис. 17]. Эффект прижимного усилия в картинге незначителен по сравнению с тем, что способен генерировать автомобиль типа формулы, который обычно оснащен настоящим воздуховодом в нижней части и задним диффузором для облегчения воздушного вывода и увеличения давления в нисходящем потоке вентури. Но в любом случае в картинге этот эффект присутствует и разумно его использовать в своих интересах. Для этого необходимо четко выровнять три нижних компонента карта: нижнюю часть переднего бампера, пол карта и сиденье. Их несоответствие создает острые края и разрывы, которые могут быть дополнительными источниками турбулентности из-за отрыва воздуха. Задний бампер, будучи далеко от сиденья, подвергается воздействию сильно турбулентного потока, который выходит за сиденьем, и поэтому оказывает небольшое влияние на аэродинамику нижней части карта в частности, и аэродинамике всего карта в целом [Рис. 18].
Рисунок 16. При аэродинамическом анализе в картинге важно изучать воздушные потоки, которые воздействуют на нижнюю часть карта и которые создают граунд-эффект. На рисунке показаны зоны входа потоков воздуха (под передним бампером и под боковыми коробами), и зона выхода (за сиденьем).
Рисунок 17. При правильном угле наклона сиденья в целом и его нижней части в частности можно создать канал Вентури под картом.
Рисунок 18. Несоответствие высоты между сиденьем, полом и передним бампером может быть источником турбулентности под картом.
На практике
Оптимизация аэродинамики в картинге, в первую очередь, направлена на снижение сопротивления, однако, поиск большего прижимного усилия также возможен. Хотя прижимное усилие рассматривается в меньшей степени, по сравнению с другими классами автоспорта, этот фактор нельзя сбрасывать со счетов, ведь он способен значительно улучшить сцепление с дорогой и большую стабильность на высоких скоростях. В картинге, за исключением Суперкартов, нет особых способов создания прижимного усилия, т.е. аэродинамической силы, направленной вниз.
Единственными компонентами, способными создавать прижимное усилие, кроме граунд-эффекта, являются передние обтекатели (губа и лопата). Сила воздуха, проходящего сверху, запросто может создавать нагрузку в 5 кг, приложенную к передним колесам, уже начиная со скорости 100 км/ч.
Развитие в области дизайна передних обтекателей карта в последние годы привело к более крупным и закрытым формам. Несмотря на небольшое увеличение передней поверхности карта, новые обтекатели больше закрывают передние колеса и ноги пилота, что сильно сказывается на снижении сопротивления. Боковые обтекатели также эволюционировали и теперь они стали тоньше, чем в прошлом, чтобы уменьшить поверхность сопротивления турбулентному воздуху, исходящему от передних колес.