Aerodynamik - Vad är vindmotstånd?

 

Kort sagt, drag är kraften från vind eller luftmotstånd som trycker i motsatt riktning mot objektets rörelse. När ett föremål rör sig genom ett medium, såsom luft, genererar det ett motstånd, som kan vara större eller mindre beroende på formen på föremålet.

Den specifika dragnivån för ett objekt kallas dragkoefficienten Cd. När det multipliceras med den projicerade arean för objektet som rör sig genom mediet Asid, den totala Drag Force Fd kan beräknas. Detta är kraften som trycker fordonet i motsatt riktning mot dit det är på väg. Detta orsakas av tryckskillnaden som föremålet genererar när det rör sig genom mediet, på samma sätt som vingen på ett plan som skapar en lyftning uppåt på grund av det lägre trycket ovanpå vingen. I en bil skapas detta lägre tryck vanligtvis bakom fordonet där ett kölvatten bildas och luften når nästan noll hastighet som visas i bild 1. 

 

Simuleringarna gjordes med hjälp av en digital referensmodell kallad DrivAer Notchback, som har ett Cd på 0,254 och är konceptuellt en blandning av en Audi, BMW, Mercedes, Volvo sedanbil.
Med det projicerade området, Asid av detta referensfordon är 2,106m2, den totala Drag Force skapade Fd är 0,536. Genom att använda CFD för de två takboxarna och de sex varianterna av IXTAboxar erhölls följande resultat. 

Efter att examensarbetet avslutats har vi lagt till en diffusorvinge till alla IXTAbox-modeller vilket resulterar i ytterligare förbättrad aerodynamik. Vi har ingen formell statistik, men den uppskattade effekten förbättras ytterligare med -2% till -4%. 

Modell	Cd	Area (m2)	CdA = Fd	% Diff
DrivAer Ensam	0.254	2.106	0.536	0%
Strömlinjeformad takbox	0.307	2.407	0.740	38%
Volym takbox	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%

 

Båda takboxarna ökar naturligtvis den projicerade arean (ökad med 0,301-0,366 m2), medan endast hälften av IXTAbox-modellerna upplever någon ökning (ökad med 0,002-0,077 m)2). Dessutom är den högre dragkoefficienten Cd har en negativ effekt på takboxarna, eftersom Cd endast ökat något för IXTAbox-modellerna.
Resultaten drar slutsatsen att den totala dragkraften som skapas med valfri variant av IXTAbox endast kommer att öka från 3 % till maximalt 15 %, medan takboxarna genererar en extra dragkraft på 38 % till 43 %. På så sätt förbättrar han IXTAbox fordonens aerodynamiska egenskaper med i genomsnitt 300 % jämfört med en takbox. 

Effekten av luftmotståndsskillnaden skildras väl i följande jämförbara bilder, där du kan se storleken på kölvattnet som genereras av båda rutorna, såväl som lågtryckszonerna och vindhastigheten bakom fordonet.

 

 

*Bild 2.2*  IXTAboxen upptar en del av kölvattnet, vilket effektiviserar den aerodynamiska profilen. 

Denna studie visade att IXTAboxens vertikala position också kan ha en inverkan på vindmotståndet. En IXTAbox placeras företrädesvis i nivå med eller högre än bilens underyta. I de fall då IXTAboxen är placerad lägre kan vinden flyta mellan bilen och lådan, vilket ökar vindmotståndet något (bild 4). Men under vissa förhållanden kan en IXTAbox på ett fordon skapa en lägre dragkraft än fordonet ensamt.

 

* Bild 3.* Optimalt placerad IXTAbox 190x60. Även stora IXTAbox kan placeras optimalt.

* Bild 4. För lågt placerad IXTAbox 190x40 visar luft som rör sig mellan bilen och lådan vilket ökar luftmotståndet kraftigt*

 

Detta är möjligt då en IXTAbox kan ersätta mycket av bilens naturliga vak och därmed förändra fordonets och lådans totala form. Som framgår av bilderna 2 och 3 gör lådans form en "naturlig" förlängning av bilens sluttande form och förbättrar därmed den aerodynamiska formen totalt. När en låda lägger till en minimal projicerad area och är välpositionerad för att minimera luftflödet från underflödet mellan bilen och lådan, kan intressanta resultat uppnås. I simuleringar där en diffusor förlängs från botten av IXTAboxen mot bilen och därmed förhindrar luftflödet mellan bilen och boxen, är vindmotståndet cirka 5 % lägre än med endast fordonet. Detta scenario öppnar dörren för möjligheten att använda en IXTAbox för att sänka vindmotståndet och detta att köra längre.