Az örvénykeltés fontossága az F1-es oldaldoboz felületén

Tweet

Az oldaldoboz mentén kialakuló örvénylések kontrollálása kiemelt szerepet játszik a Coanda-kipufogók hatékonyságának tekintetében (Fotó: Formula1Tech Blog)

A Nemzetközi Automobil Szövetség 2012-es évre eszközölt technikai szabálymódosítása, melynek értelmében a csapatok számára tiltott lett a kipufogóval befújt diffúzorok további használata, komoly fejtörést, és egyben mélyreható fejlesztési harcot váltott ki a mezőny résztvevői között. Az új előírásoknak köszönhetően a versenyautók kipufogórendszerének végződését a karosszéria, illetve az oldalsó kocsiszekrény fölé kellett emelni, ami már önmagában véve is megváltoztatta a versenyautók hátsó traktusára jellemző aerodinamikai karakterisztikát.

A 2011-es szezon egyik legjelentősebb technikai megoldása a kipufogóval fújt diffúzorok alkalmazása volt, amely igencsak komoly aerodinamikai előnyt jelentett a versenyautóra ható aerodinamikai leszorító erő fokozásának tekintetében. A kipufogóból kiáramlott forró égésterméket a versenyautó padlólemeze, illetve diffúzora alá vezették, és a meleg levegő kedvező aerodinamikai jellemzőjéből adódóan fokozni tudták az autóra ható leszorító erőt. Mivel az FIA a 2012-es évtől kezdődően már nem engedte, hogy a motorvezérléssel befolyásolt égéstermék-áramlást a padlólemez aerodinamikai hatékonyságának növelésére használják a csapatok, a mérnökök számára az egyik legnagyobb kihívást az jelenti, hogyan oldják meg a fentiekben említett korlátozásból eredő leszorító erő hiány pótlását a versenyautó hátsó tengelyére vonatkozóan.

A Formula-1 jelenlegi technikai szabályzata értelmében a versenyautó mindkét oldalán egy-egy kipufogó-végződést lehet kialakítani. A versenyautó hosszanti szimmetriatengelyétől 200mm-re meghatározott 300mm széles, 700mm hosszú (a hátsó tengelytől mért 500…1.200mm-es tartományban) és 350mm magas (az autó alatt lévő referencialemez feletti 250…600mm-es tartományban) képzeletbeli doboz által körülhatárolt területen kell elhelyezni a kipufogórendszer végződését, amelynek az utolsó 100mm-es szakaszának egyenes vonalvezetéssel és kör keresztmetszettel kell rendelkeznie. A kipufogó végződésével kapcsolatos további kritérium, hogy a versenyautó szimmetriatengelye és a kipufogó-végződés által bezárt szög nem lehet nagyobb 10°-nál, míg az utolsó 100mm-es szakasznak a vízszinteshez képest 10…30° között kell lennie.

Az újonnan megjelent kipufogó-konstrukciók révén pedig a meleg égéstermék a hátsó kerékfelfüggesztés lengőkarjai, a hátsó légterelő szárny, valamint annak alsó eleme, a rúdszárny, és nem utolsó sorban a hátsó fékek légbeömlő nyílása mellett kialakított légterelő lemezek felé is áramolhat.

A csapatok szakemberei azonban egyre inkább kezdtek alkalmazkodni az új szabályok adta lehetőségekhez, és a 2013-as évre tervezett versenyautók mindegyike a Coanda-effektuson alapuló kipufogó-végződéssel rendelkezik. A kipufogórendszerből kiáramló forró égéstermék aerodinamikai leszorító erő fokozására történő felhasználásához a csapatok olyan oldaldobozokat alakítottak ki, amelyek a kipufogógázokat a karosszéria felülete mentén elvezetik a padlólemez irányába, majd a diffúzor oldalsó légkamrájánál kilépve fokozta a menetstabilitást a leszorító erő növelésének köszönhetően.

A pilótafülke mellett megjelent légterelő lapok az oldaldoboz körüli légáramlások minőségét hivatottak javítani (Fotó: Mercedes AMG Petronas Formula 1 Team)

A kipufogórendszerből kiáramló forró égéstermék nagyobb része a megfelelő módon kialakított oldaldoboz és a kipufogó végződését követően kialakított légcsatorna révén az előzőekben említett Coanda-effektus hatására követi az oldalsó kocsiszekrény felületének vonalvezetését, és a hátrafelé szűkülő, valamint a padlólemez irányába lejtő vonalvezetésnek köszönhetően a meleg levegő a hátsó kerékfelfüggesztés irányába továbbhaladva lép ki az autó mögé.

A jelenség hatására az oldaldoboz hátsó részét takaró felület felszínét a meleg levegő egy bizonyos pontig követi, majd azután áramlásleválás következik be. A karosszériára ráhajló levegő görbült áramvonalai miatt pedig megnő a nyomáskülönbség a burkolattól távolabb levő ponthoz képest, és az így kialakuló nyomáskülönbség hatására az autó karosszériájára, vagy éppen a padlólemezére ható aerodinamikai leszorító erő jön létre.

A román repülőmérnök, Henri Coanda nevéhez fűződő aerodinamikai törvényszerűség elvén alapuló kipufogórendszerek tehát nagy lépést jelentenek az F1-es csapatok számára abban, hogy az autó hátsó részét a lehető legoptimálisabb menetdinamikával lássák el. A Formula-1-es versenyautók oldalsó kocsiszekrénye meglehetősen nagy felülettel rendelkezik ahhoz, hogy az ott elhaladó légáramlatok aerodinamikai hatékonyságnövelése ne lenne kiemelt prioritású. Áramlástani szempontból az autó oldaldobozának elülső része – amely elsőként találkozik az első kerekek irányából érkező légáramlatokkal – jelentős szerepet játszik az autó hátsó részének aerodinamikai karakterisztikája szempontjából. Az oldaldoboz felső részén végighaladó levegő egy bizonyos pontig képes követni a karosszéria felületét, majd mielőtt elérné a kipufogó előtti területet, a felület görbületi sugarától – az áramló közeghez képest kialakított állásszögétől – függően kavitációval együtt járó áramlásleválás valósul meg. Az ilyen módon létrejövő szabálytalan áramlások aerodinamikai szempontból nézve meglehetősen kevés hasznos energiát képesek biztosítani. Ezen probléma minél hatékonyabb módon történő megoldása érdekében az F1-es csapatok mérnökei egy, a repülőgépek gyártása során is alkalmazott aerodinamikai kiegészítőt, az örvénykeltő lemezek használatát kezdték el alkalmazni az autók oldalsó kocsiszekrényei mentén.

Még mielőtt azonban ismertetésre kerülnének a 2013-as konstrukciók esetében használt örvénykeltő lemezek és azok jelentősége, érdemes megnézni, hogy milyen aerodinamikai jelenségek állnak ezen kiegészítők alkalmazásának hátterében.

Az örvénylések hatása és jelentősége

A levegő megfelelő páratartalma esetén láthatóvá válnak a hátsó légterelő szárnynál kialakuló turbulens áramlások (Fotó: F1technical.net)

A Formula-1-es versenyautó hatékony menetjellemzőihez a megfelelő nyomatékviszonyok és a sebesség biztosításához szükséges erőforrás mellett szükség van olyan karosszériaelemekre is, amelyek az áramló közeg – jelen esetben a levegő – és az útjába kerülő autó által keltett turbulenciákat és áramlásokat úgy alakítja, hogy az minden körülmények között stabil útfekvést tegyen lehetővé. Az egyes karosszériaelemek felülete mentén elhaladó levegő egy vékony, viszkózus határréteget képez az autó adott részei körül.

A Formula-1-es versenyautókon alkalmazott, az autó különböző pontjain, különböző kialakítással megjelenő légterelő lemezek használatával a tőlük elvárt feladattól függően hol az áramló levegő turbulens hatásainak csökkentése, hol pedig ezzel ellenkezőleg, turbulens hatások létrehozása a cél. Jogosan merülhet fel a kérdés, hogy miért is lehet olyan kifizetődő, ha egy versenyautó körül turbulens légáramlatokat alakítanak ki szándékosan. Ha a kérdés megválaszolására az egyszerűbb módot kellene választani, akkor azt lehetne mondani, hogy a turbulens légáramlatok nagyobb energiával rendelkeznek, amelyek megfelelő felhasználásával javítani lehet az egyes karosszériaelemekre ható aerodinamikai leszorító erő nagyságán. A téma érdekessége és az ezzel együtt járó összetettség révén azonban talán érdemes egy kissé továbbgondolni mindezt.

Az örvénylő, vagy más néven kavitáló légáramlatok belsejében a levegő rotáló mozgása következik be, ami ezzel együtt megváltoztatja a közeg áramlási sebességét és/vagy az irányát is. Az örvénylő légáramlatok azon része, amelyek az örvénylés középpontjától távolabb haladnak, megváltoztatják az áramló levegő áramlási irányát, vagy más néven folyásirányát. Az örvénylés középpontjában mindezek mellett lecsökken a statikus nyomás mértéke, ami kihat az áramló közeg viselkedésére. Éppen ezért a Formula-1-es csapatok mérnökei igyekeznek ezen aerodinamikai jellemzőket kihasználni a versenyautók oldaldobozának a kialakításánál, hogy általa az oldaldoboz- és ezzel együtt a Coanda-kipufogó aerodinamikai hatékonysága javítható legyen.

Egy Formula-1-es versenyautó esetében megfelelő körülmények esetén leginkább annak hátsó légterelő szárnyán lehet szabad szemmel is látni a szárny két végén leváló légáramlatok turbulens áramlását. A hátsó légterelő szárnyra érkező légáramlatok a szárny konfigurációjától és állásszögétől függően eltérő statikus nyomáskülönbséget idéznek elő a légterelő felületek felső- és alsó felülete mentén. Ennek hatására a szárny felületén végighaladó levegő a kilépő élt követően a magasabb nyomású térből a kisebb nyomású tér irányába alábukik. A kilépő él kialakításának módjától függően az alááramló légáramlatok forgó mozgást végeznek, miután azok nem képesek további légterelő felülethez tapadni, miközben az örvénylés középpontjában a statikus nyomás lecsökken. A létrejövő örvénylő hatás következtében kialakuló leáramlás mellett csökkenni kezd a turbulens áramlás belsejében keletkező kinetikai energia is. Ezen hatásokat megfelelő módon alkalmazva az örvénylő légáramlatok meglehetősen hasznosak lehetnek egy Formula-1-es versenyautó aerodinamikai hatékonysága érdekében, a statikus nyomás csökkentése és a levegő áramlási irányának befolyásolása révén.

Az előzőekben a hátsó légterelő szárny két végén leváló légáramlatok turbulens hatásának példaként történő megemlítése azonban még egy kis magyarázatot érdemel. Ez a fajta légáramlási jelenség természetesen minden esetben ott van a versenyautók hátsó szárnyánál, ha az autó mozgásban van. Azok szabad szemmel való láthatósága azonban nem minden esetben valósul meg. Az olyan versenyhelyszínek esetében viszont, ahol a levegő magasabb páratartalommal rendelkezik, már egészen más a helyzet. A levegő megfelelő mértékű páratartalma esetén a turbulens légáramlatok középpontjában az alacsony statikus nyomás azt eredményezi, hogy a levegőben lévő nedvességtartalom vízpára képében kicsapódik, ami láthatóvá teszi számunka a szárny végeiről leváló levegő turbulens mozgását.

Az örvénykeltő lemezek jelentősége

A kipufogórendszer végződésénél érvényesülő Coanda-effektus hatékonyságának növelése érdekében örvénykeltő lemezek kerültek fel a CT03-as autó oldaldobozára (Fotó: Caterham F1 Team)

Az előzőek alapján kis túlzással azt is mondhatnánk, hogy egy Formula-1-es versenyautó karosszériája örvénykeltő, és örvénymentesítő felületek összességéből áll össze. Bármennyire is egyszerűnek tűnik azonban ez a fajta megfogalmazás, áramlástani szempontból el kell ezt fogadnunk.

A versenyautó oldaldobozának felső felülete meglehetősen nagy ahhoz, hogy a mérnökök ne igyekeznének azt a lehető legjobb aerodinamikai jellemzőkkel felruházni, vagyis kiaknázni mindazon lehetőségeket, amelyek segítségével az érintett felület részt tud venni az aerodinamikai leszorító erő fokozásában. Az autó elülső része felől érkező levegő egy bizonyos hosszon képes követni az oldaldoboz felületét. A felületen kialakuló határréteg kiterjedése azonban nem elegendő ahhoz, hogy ezt a határréteget létrehozó légáramlatokat megfelelő módon alkalmazni lehessen az autó hátsó traktusában is. Ezen áramlatok ugyanis alapesetben nem képesek kellő hatékonyságot produkálni az oldaldoboz hátsó szakaszánál, miután az oldaldoboz felső felületéről kisebb örvénylések mellett áramlásleválást hajtanak végre, amelyek nem képesek kellő hatékonysággal szolgálni.

Miután a Coanda-kipufogó lényege nem más, mint hogy a meleg égéstermék az oldaldoboz hátsó szakaszának és a padlólemez felületének a követése mellett fokozza az autó hátsó traktusának menetstabilitását, és az oldaldoboz elülső szakasza az előzőekben ismertetett aerodinamikai jellemzőkkel rendelkezik, a kipufogórendszer végződése és az oldalsó kocsiszekrény belépő éle közötti felület aerodinamikai hatékonyságának növelése jelentős előrelépést jelenthet a Coanda-kipufogók szempontjából.

Az oldaldoboz felső felületén kialakuló határréteg meghosszabbítása és ezzel együtt az idő előtti áramlásleválások megakadályozása érdekében a Formula-1-es autók oldalsó kocsiszekrényének elülső részén kiegészítő légterelő elemek kezdtek megjelenni, ami a 2013-as konstrukciók esetében egyre nagyobb hangsúlyt kapnak. A McLaren és a Sauber alakulatok már a tavalyi évben is használtak olyan műszaki megoldásokat, amelynek eredményeként az oldaldoboz mellett lévő váll-lemezt a pilótafülke oldalsó részével összekötő, vízszintes légterelő idom jelent meg. Mindezek mellett vannak olyan megoldások is, aminek hatására az oldaldoboz elülső részén, annak felületére merőlegesen kisebb légterelő lemezek kaptak helyet, míg egyes autók esetében, mint például a Mercedes W04-es konstrukción a pilótafülke külső oldalán további, a jerezi teszteken látott kivitel szerint 3-3db vízszintes légterelő lap is megjelent. Ezeket a légterelő elemeket szokás örvénykeltő lemezeknek nevezni, amelyek feladata nem más, mint az előzőekben ismertetett, az oldaldobozok felső felületén kialakuló határréteg által képviselt felület megnövelése, és az idő előtti áramlásleválások megakadályozása.

Az adott felület aerodinamikai hatékonyságának növelése a légáramlatok örvénylésének megfelelő kontrollálása révén (Fotó: Formula1Tech Blog)

Az örvénykeltő lemez tehát egy bizonyos aerodinamikai felület, amelynek a feladata nem más, mint hogy a segítségével az adott felületen örvényléseket lehessen létrehozni. A Formula-1-es versenyautók oldaldobozának felületére merőlegesen elhelyezett örvénykeltő lemezek hasonló célt szolgálnak, mint a repülőgépek szárnyfelületein lévő társaik, amelyek segítségével tulajdonképpen a szárnyfelületet megfelelő mértékben igyekeznek aerodinamikai célokra alkalmazni.

Az oldaldoboz felső felületén tapasztalható idő előtti áramlásleválások megakadályozása mellett tehát a mérnökök igyekeznek minél több légáramlatot juttatni az oldaldoboz mentén egészen a kipufogó végződéséig. Ehhez a határréteg és a felület közötti távolság ismerete mellett megfelelő nagyságú négyszögletes, vagy háromszöghöz közeli kialakítású örvénykeltő lemezeket alkalmaznak. A repülőgépiparban sincs ez másként, ahol ezzel a megoldással a határrétegnek hozzávetőlegesen a 80%-os magasságáig terjedő örvénykeltő lemezek segítségével próbálják javítani a szárnyak kilépő éleinek aerodinamikai szerepét. Az oldaldoboz esetében tehát a kiegészítő légterelő lemezek segítségével képesek beavatkozni a felület mentén kialakuló határréteg szempontjából, hogy a létrejövő kisebb örvényléseknek köszönhetően minél inkább késleltetni tudják a nem kívánt áramlásleválások kialakulását, több levegőt juttatva ezzel az oldaldoboz hátsó részéhez, növelve ezzel a Coanda-effektus szerepét.

Címkék: Coanda-effektus, Kipufogórendszer, Oldalsó kocsiszekrény

Hozzászólások (0)

Kilépés a válaszból

Szólj hozzá...

Név *

E-mail cím (nem lesz látható mások számára) *

Weboldal

* A mezők kitöltése kötelező!

Ellenőrző kód *