АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к транспорту и может найти применение на наземных, водных, воздушных транспортных средствах для улучшения их аэродинамических характеристик.
Общеизвестно, что для уменьшения сопротивления воздуха при движении наземных, водных, воздушных средств, в том числе и транспортных, их аэродинамические поверхности выполняют обтекаемой формы. Однако на практике форма средства зачастую диктуется его назначением и особенностями эксплуатации. Так, например, на транспортных средствах, особенно пассажирских, аэродинамическую форму определяют в основном багажные отсеки и пассажирские салоны, вынесенные за контур багажники, прицепы и пр. Данное обстоятельство значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление при движении средства, что приводит к повышению расхода топлива, загрязнению окружающей среды, снижению сроков работы (ресурса) двигателей и пр.
Для решения этой проблемы используют специальные аэродинамические устройства - обтекатели, которые монтируют на транспортных средствах, осуществляя улучшение их аэродинамических характеристик. Эти устройства имеют разное исполнение и принципы функционирования в процессе движения транспортного средства.
Известно аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой, которое устанавливают на автомобиле перед его кабиной содержащее активный элемент прямоугольной формы и стержень для закрепления активного элемента на торце кабины. В процессе движения автомобиля аэродинамическое устройство изменяет структуру течения воздушного потока перед кабиной и формирует между активным элементом и передним торцом кабины вихревое воздушное течение максимальной интенсивности. С кромок активного элемента происходит отрыв встречного потока с образованием струйного слоя смешения. Оторвавшийся поток
воздействует на торцевую часть кабины, перераспределяя давление по ней по сравнению со случаем обтекания кабины без активного элемента. Минимальное аэродинамическое сопротивление достигается при условии равенства длины потока за активным элементом и расстояния от активного элемента до переднего торца кабины автомобиля. При соблюдении данного условия воздушный поток «скользит» по вихревым потокам и плавно обтекает кабину, уменьшая аэродинамическое сопротивление воздуха.
(см. патент РФ №2046049, кл. B62D 37/02, 1995 г.).
В результате анализа известного аэродинамического устройства необходимо отметить, что оно может быть эффективным только при довольно высоких скоростях движения транспортного средства, на которых возможно явление срывов воздушного потока с активного элемента и образование завихрений. При средних и малых скоростях движения данный активный элемент является дополнительным препятствием аэродинамическому потоку воздуха и вызывает эффект, обратный указанному в описании изобретения.
Известно аэродинамическое устройство, выполненное в виде диффузора, монтируемого на кормовой части автомобиля с зазором между его задней поверхностью и корпусом диффузора. Задняя стенка устройства представляет собой ряд перегородок, каждая пара из которых образует малый диффузор. Все малые диффузоры имеют одинаковые угол раскрытия и длину. В процессе движения транспортного средства среда (воздух) за его кабиной распределяются по малым диффузорам и выбрасывается в донную часть транспортного средства, что позволяет устранить срывное течение воздушного потока среды в кормовой части транспортного средства, уменьшив тем самым его сопротивление движению.
(см. патент РФ №2115833, кл. B62D 35/00, 1998 г.).
В результате анализа конструкции данного аэродинамического устройства необходимо отметить, что оно компенсирует только срывные потоки течения среды за кабиной транспортного средства, которые не оказывают большого влияния на аэродинамические характеристики. Конструкция данного устройства не позволяет уменьшить лобовое
аэродинамическое сопротивление воздуха при движении транспортного средства.
Известно аэродинамическое устройство для транспортных средств, содержащее модуль образования локальных вихрей набегающего потока воздуха, закрепленный на передней части транспортного средства и выполненный в виде выступа, закрепленного жестко, без зазора одной своей стороной на конструктивной части лобовой поверхности транспортного средства. Модуль может иметь форму плоско-выпуклого тела, одна большая сторона которого соединена с конструкцией лобовой части транспортного средства, или форму кольца, одна образующая сторона которого жестко соединена с конструкцией передней части транспортного средства.
(см. патент на полезную модель №58493, кл. B62D 35/00, 2006 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что при его функционировании локальные вихри образуются только на высоких скоростях движения транспортного средства, а кроме того, данные вихри сами являются аэродинамическими препятствиями при движении транспортного средства, при этом внешняя плоскость модуля образования локальных вихрей также является аэродинамическим препятствием для потока воздуха.
Задачей настоящей полезной модели является разработка аэродинамического устройства, обеспечивающего значительное уменьшение аэродинамического сопротивления транспортного средства, в том числе на малых и средних скоростях его движения.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в аэродинамическом устройстве, содержащем обтекаемый модуль, имеющий возможность установки на транспортное средство, новым является то, что обтекаемый модуль смонтирован на основании и выполнен в виде соосно на нем закрепленных с образующим сопло зазором наружного и внутреннего обтекателей, каждый из которых выполнен в виде цилиндра с радиальными отверстиями на нем, одним торцом закрепленного на основании, а на другом
их торце образована коническая поверхность в виде усеченного конуса. Радиальные отверстия каждого обтекателя могут иметь разный размер, например, диаметр.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию охраноспособности «новизна».
Сведений изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления заявленной полезной модели.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлено аэродинамическое устройство, осевой разрез.
Аэродинамическое устройство состоит из основания 1 с элементами 2 для крепления его на транспортном средстве (не показано). На основании 1 соосно друг относительно друга (соосно оси «О-О») закреплены два обтекателя 3 (наружный) и 4 (внутренний). Крепление обтекателей осуществляется известным образом, например, с помощью болтов и гаек. Для обеспечения соосности обтекателей 3 и 4 на основании 1 могут быть предусмотрены пазы, через которые проходят крепежные элементы (позициями не обозначены). Регулировку положения обтекателей 3 и 4 вдоль оси «О-О» осуществляют использованием прокладок (не показаны).
Каждый обтекатель выполнен полым, в виде тонкостенной цилиндрической части (А, а - соответственно наружного и внутреннего обтекателя) и сопряженной с одним из ее торцов конической частью, в виде усеченного конуса (Б, б - соответственно наружного и внутреннего обтекателя).
На свободном торце каждого обтекателя целесообразно выполнить отбортовки (В, в - соответственно наружного и внутреннего обтекателя) с отверстиями под крепежные элементы для установки их на основании 1.
На цилиндрической части обтекателей 3 и 4 выполнены радиальные отверстия (соответственно 5 и 6), которые могут иметь разные размеры (например, диаметры) для каждого обтекателя.
Обтекатели выполняют, как правило, из тонколистового металла. Технология их изготовления не представляет сложностей для специалистов.
Коническая часть обтекателя 4 имеет угол конусности α, а мнимая вершина конуса обозначена как «D».
Коническая часть обтекателя 3 имеет угол конусности β, а мнимая вершина конуса обозначена как «Г».
Углы α и β целесообразно выполнять на обтекателях 3 и 4 равными или близкими по значению друг другу. Это и технологичнее.
Высота (длина) «Н» обтекателя 3 больше высоты (длины) «h» обтекателя 4.
Размеры аэродинамического устройства могут быть самыми различными и зависят, в основном, от размеров транспортного средства, на котором они монтируются. Естественно, что если транспортное средство имеет значительные габаритные размеры, например, большегрузные автомобили с прицепами, транспортные самолеты, дирижабли, то данное устройство может быть установлено практически на все проблемные, с точки зрения аэродинамики, поверхности, в том числе и на транспортируемый груз.
Аэродинамическое устройство работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере его эксплуатации на легковом автомобиле. Использование устройства на иных средствах не отличается от того, которое будет описано ниже.
Для работы аэродинамическое устройство крепят на бампере автомобиля между его передними фарами примерно по его продольной оси (предпочтительно, чтобы ось «О-О» совпадала с продольной центральной осью автомобиля).
Крепление осуществляется посредством элементов 2.
Из теории аэродинамики известно (см., например, А.Д.Альтшуль «Гидравлика и аэродинамика», Москва, «Стройиздат», 1987 г., стр.120), что при обтекании тела потоком жидкости или газа перед ним образуется зона торможения. В этой области происходит снижение скорости потока и повышение давления, связанное с торможением, то есть возникает скачок
уплотнения. За фронтом уплотнения наблюдается резкое изменение параметров потока, возрастают плотность потока, его температура.
Отличием заявленного устройства от известных как раз и является способность при движении транспортного средства постоянно создавать перед собой уплотненный газовый фронт (препятствие для набегающего воздушного потока), причем сам фронт по отношению к обтекаемому воздушному потоку имеет оптимальную аэродинамическую форму. Физика данного процесса известна и описана в источниках информации.
Заявленное устройство реализует данный физический процесс следующим образом. Физический принцип, используемый в данном решении, известен из газодинамики и основан на особенностях работы сопла Лаваля. Так, если в сопло Лаваля поместить сопло конической формы (что как раз и реализовано в заявленном устройстве), то набегающий поток воздуха задолго до контакта с устройством «чувствует» находящееся перед ним препятствие и начинает «тормозиться», образуя перед ним плотную молекулярную воздушную волну, которая обеспечивает изменение траектории набегающего газового потока, уменьшая тем самым, лобовое воздушное сопротивление. Размещенные один в другом обтекатели, имеющие заявленную форму, как раз и обеспечивают реализацию этого процесса. Воздух, входящий в полости обтекателей выходит за их пределы через радиальные отверстия. Выполнение радиальных отверстий разного диаметра способствует закрутке воздушного потока, что заставляет его за счет центробежных сил «прижиматься» к стенкам обтекателей, уменьшая удельную лобовую нагрузку. Заявленное устройство по своей форме напоминает конический клин (обтекатель 3), внутри которого расположен второй конический клин (обтекатель 4). Наружная поверхность внутреннего обтекателя и внутренняя наружного образуют сопло. Воздух из внутренних полостей обтекателей истекает из их радиальных отверстий.
Благодаря конической форме наружного сопла фронт уплотненного воздуха перед ним имеет округлую форму (форму раскрытого зонтика) и набегающий поток воздуха обтекает ее, уменьшая тем самым
аэродинамическое сопротивление. Естественно, что воздушный поток обтекает и конструктивный элемент транспортного средства или транспортное средство в целом (в зависимости от размеров и места установи устройства), улучшая его аэродинамические характеристики.
Устройство очень просто конструктивно, его без труда можно установить практически на любое транспортное средство или на его отдельные части, имеющие контактирующие с воздушным потоком части, характеризующиеся низкими аэродинамическими свойствами.
Проверку эффективности работы устройства проводили на транспортных средствах: ГАЗ-3109; ВАЗ 2105; ВАЗ 2107.
Устройство монтировалось на переднем бампере автомобиля между передними фарами.
Устройство имело следующие параметры:
Диаметр наружного обтекателя (мм) - 330
Диаметр внутреннего обтекателя (мм) - 200
Угол α (град) - от 12,5 до 25
Угол β (град) - от 12,5 до 25
Высота (Н) наружного обтекателя (мм) - 400
Высота (h) внутреннего обтекателя (мм) - 275
Результаты испытаний сведены в таблицу.
Таблица
Марка автомобиля
Марка бензина
Количество залитого бензина (л)
Скорость движения км/ч
Расход бензина (л) на 100 км
Расход с установленным устройством
Экономия топлива %
ГАЗ-3109
АИ-76
39
80-110
12,5
11,5
9,2
ВАЗ-2105
АИ-92
39
80-110
7,0
5,8
8,3
ВАЗ-2107
АИ-93
39
80-110
7,5
6,2
8,26