Aerodynamikk - Hva er vindmotstand?

Kort sagt er luftmotstand kraften fra vind- eller luftmotstand som skyver i motsatt retning av objektets bevegelse. Når et objekt beveger seg gjennom et medium, for eksempel luft, genererer det luftmotstand, som kan være større eller mindre avhengig av objektets form.

Det spesifikke luftmotstandsnivået til et objekt kalles luftmotstandskoeffisienten Cd . Når den multipliseres med det projiserte arealet til objektet som beveger seg gjennom mediet Ap , kan den totale luftmotstandskraften Fd beregnes . Dette er kraften som skyver kjøretøyet i motsatt retning av der det er på vei. Dette er forårsaket av trykkforskjellen som objektet genererer mens det beveger seg gjennom mediet, på samme måte som vingen på et fly som skaper en oppoverløft på grunn av det lavere trykket på toppen av vingen. I en bil skapes dette lavere trykket vanligvis bak kjøretøyet der det dannes et kjølvann og luften når nesten null hastighet, som vist i bilde 1.

Simuleringene ble utført ved hjelp av en digital referansemodell kalt DrivAer Notchback, som har en Cd på 0,254 og konseptuelt er en blanding av en Audi-, BMW-, Mercedes- og Volvo-sedan.
Med det projiserte arealet, A p, for dette referansekjøretøyet på 2,106 m² , er den totale skapte luftmotstandskraften Fd 0,536 . Ved beregning ved bruk av CFD for de to takboksene og de seks variantene av IXTAbokser ble følgende resultater oppnådd.

Etter at masteroppgaven ble avsluttet, har vi lagt til en diffusorvinge på alle IXTAbox-modellene, noe som har resultert i ytterligere forbedret aerodynamikk. Vi har ingen formell statistikk, men den estimerte effekten er ytterligere forbedret med -2 ​​% til -4 %.

Modell	Cd​	Areal ( m² )	CdA = Fd	% Differanse
Kjør alene	0,254	2.106	0,536	0 %
Strømlinjeformet takboks	0,307	2,407	0,740	38 %
Volum takboks	0,310	2,472	0,769	43 %
150-40 IXTA-boks	0,263	2.106	0,554	3 %
150–60 IXTA-boks	0,281	2.106	0,592	10 %
170-40 IXTA-boks	0,263	2.106	0,555	4 %
170-60 IXTA-boks	0,281	2.108	0,596	11 %
190-40 IXTA-boks	0,282	2,152	0,603	13 %
190-60 IXTA-boks	0,283	2,183	0,618	15 %

Begge takboksene øker naturlig nok det projiserte arealet (økt med 0,301–0,366 m² ), mens bare halvparten av IXTAbox-modellene opplever noen økning (økt med 0,002–0,077 m² ). Dessuten har den høyere luftmotstandskoeffisienten Cd en negativ effekt på takboksene, ettersom Cd bare økte litt for IXTAbox-modellene.
Resultatene konkluderer med at den totale luftmotstanden som skapes med en hvilken som helst variant av IXTAbox bare vil øke fra 3 % til maksimalt 15 %, mens takboksene genererer en ekstra luftmotstand på 38 % til 43 %. Dermed forbedrer IXTAboxen kjøretøyets aerodynamiske egenskaper med et gjennomsnitt på 300 % sammenlignet med en takboks.

Virkningen av luftmotstandsforskjellen er godt vist i de følgende sammenlignbare bildene, hvor du kan se størrelsen på kjølvannet generert av begge boksene, samt lavtrykkssonene og vindhastigheten bak kjøretøyet.

*Bilde 2.2* IXTAbox-boksen opptar en del av kjølvannet, og effektiviserer dermed den aerodynamiske profilen.

Denne studien viste at den vertikale plasseringen til IXTAboxen også kan ha en innvirkning på vindmotstanden. En IXTAbox plasseres helst i vater eller høyere enn bilens underside. I tilfeller der IXTAboxen er plassert lavere, kan vinden strømme mellom bilen og boksen, noe som øker vindmotstanden til en viss grad (bilde 4). Under visse forhold kan imidlertid en IXTAbox på et kjøretøy skape en lavere luftmotstand enn kjøretøyet alene.

* Bilde 3.* Optimal plassert IXTAbox 190x60. Selv store IXTAboxer kan plasseres optimalt.

* Bilde 4. For lavt plassert IXTAbox 190x40 viser at luft beveger seg mellom bilen og boksen, noe som øker luftmotstanden betraktelig*

Dette er mulig ettersom en IXTAbox kan erstatte mye av bilens naturlige kjølvann og dermed endre den totale formen på kjøretøyet og boksen. Som vist på bilde 2 og 3, skaper boksens form en "naturlig" forlengelse av bilens skrånende form og forbedrer dermed den aerodynamiske formen totalt. Når en boks legger til et minimalt projisert areal og er godt plassert for å minimere luftstrømmen som kommer fra understrømmen mellom bilen og boksen, kan man oppnå interessante resultater. I simuleringer der en diffusor forlenges fra bunnen av IXTAboxen mot bilen, og dermed forhindrer luftstrømmen mellom bilen og boksen, er vindmotstanden omtrent 5 % lavere enn med bare kjøretøyet. Dette scenariet åpner døren for muligheten til å bruke en IXTAbox for å redusere vindmotstand og dermed kjøre lenger.