Aerodynamik - Hvad er Vindmodstand?

 

Kort sagt, er luftmodstand den kraft af vind eller luftmodstand, der skubber i den modsatte retning af objektets bevægelse. Når et objekt bevæger sig gennem et medie, såsom luft, genererer det luftmodstand, som kan være større eller mindre afhængigt af objektets form.

Det specifikke niveau af luftmodstand for et objekt kaldes Drag Coefficient Cd. Når det multipliseres med det projekterede område af objektet, der bevæger sig gennem mediet Ap, kan den samlede luftmodstandskraft Fd beregnes. Dette er den kraft, der skubber køretøjet i den modsatte retning af, hvor det er på vej hen. Dette skyldes trykforskellen, som objektet genererer, mens det bevæger sig gennem mediet, lignende vingen på et fly, der skaber et opadgående løft på grund af det lavere tryk på toppen af vingen. I en bil skabes dette lavere tryk typisk bag køretøjet, hvor der dannes en slipstrøm, og luften når næsten nul hastighed som vist i billede 1.

 

Simulationerne blev udført ved hjælp af en digital referencemodel kaldet DrivAer Notchback, som har en Cd på 0,254 og er konceptuelt en blanding af en Audi, BMW, Mercedes og Volvo sedan.
Med det projekterede område, Ap for dette referencekøretøj på 2,106m2, er den samlede skabte luftmodstandskraft Fd 0,536. Ved beregning ved hjælp af CFD for de to tagbokse og de seks varianter af IXTAbox blev følgende resultater opnået.

Efter afslutningen af specialet har vi tilføjet en diffuserfløj til alle IXTAbox-modeller, hvilket resulterer i yderligere forbedret aerodynamik. Vi har ingen formelle statistikker, men den anslåede effekt er yderligere forbedret med -2% til -4%.

Model	Cd	Areal (m2)	CdA = Fd	% Diff
DrivAer Alene	0.254	2.106	0.536	0%
Strømlinet tagboks	0.307	2.407	0.740	38%
Volumen tagboks	0.310	2.472	0.769	43%
150-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.554	3%
150-60 IXTAbox	0.281	2.106	0.592	10%
170-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.555	4%
170-60 IXTAbox	0.281	2.108	0.596	11%
190-40 IXTAbox	0.282	2.152	0.603	13%
190-60 IXTAbox	0.283	2.183	0.618	15%

 

Begge tagbokse øger naturligt det projekterede areal (forøget med 0.301-0.366m2), mens kun halvdelen af IXTAbox-modellerne oplever en forøgelse (forøget med 0.002-0.077m2). Desuden har den højere Drag Coefficient Cd en negativ effekt på tagboksene, da Cd kun steg en smule for IXTAbox-modellerne.
Resultaterne konkluderer, at den samlede luftmodstand genereret med enhver variant af IXTAbox kun vil stige fra 3% til maksimalt 15%, mens tagbokse genererer en ekstra luftmodstand på 38% til 43%. Dette gør IXTAbox forbedrer køretøjets aerodynamiske egenskaber med et gennemsnit på 300% i forhold til en tagboks.

Indvirkningen af forskellen i luftmodstand ses tydeligt i de følgende sammenlignelige billeder, hvor du kan se størrelsen af slipstrømmen genereret af begge bokse samt lavtrykszonerne og vindhastigheden bag køretøjet.

 

 

*Billede 2.2* IXTAbox optager en del af slipstrømmen, hvilket strømliner det aerodynamiske profil.

Denne undersøgelse viste, at den vertikale position af IXTAbox også kan have indflydelse på vindmodstanden. En IXTAbox placeres helst på niveau eller højere end bilens undervogn. I tilfælde hvor IXTAbox er placeret lavere, kan vinden strømme mellem bilen og boksen, hvilket øger vindmodstanden i nogen grad (billede 4). Under visse betingelser kan en IXTAbox på et køretøj skabe en lavere luftmodstand end køretøjet alene.

 

*Billede 3.* Optimalt placeret IXTAbox 190x60. Selv store IXTAbox kan placeres optimalt.

*Billede 4. For lavt placeret IXTAbox 190x40 viser, at luft bevæger sig mellem bilen og boksen og derved i høj grad øger modstanden*

 

Dette er muligt, da en IXTAbox kan erstatte meget af bilens naturlige slipstrøm og dermed ændre den samlede form af køretøjet og boksen. Som set i billederne 2 og 3, gør boksens form en "naturlig" forlængelse af bilens skrånende form og dermed forbedre den aerodynamiske form i sin helhed. Når en boks tilføjer et minimalt projekteret areal og er velplaceret for at minimere luftstrømmen fra understrømmen mellem bilen og boksen, kan interessante resultater opnås. I simulationer, hvor en diffuser er forlænget fra bunden af IXTAbox mod bilen, derved forhindre luftstrømmen mellem bilen og boksen, er vindmodstanden cirka 5% lavere end ved kun køretøjet. Dette scenario åbner døren for muligheden for at bruge en IXTAbox til at reducere vindmodstanden og køre længere.