فرمول یک ایران – در قسمت اول مقاله آیرودینامیک فرمول یک با برخی از پایه ای ترین و مهم ترین اصول مکانیک سیالات که در فرمول یک نیز کاربرد فراوانی دارند آشنا شدید. در این قسمت می خواهیم شما را با نحوه تولید داون فورس در خودرو های فرمول یک و مفهومات دیگر آشنا کنیم.

در بیان مطالب، تمامی سعی بر این بوده تا اصطلاحات و تعاریف به ساده ترین زبان و البته در عین حال به کامل ترین شکل ممکن بیان گردند و از ذکر مطالب اضافی نیز خودداری شده است. مخاطبان عزیزی که قصد مطالعه مطالب به صورت کامل و تخصصی را دارند، می توانند به فهرست منابع ذکر شده در انتهای مقاله مراجعه فرمایند.

آیرودینامیک فرمول یک ؛ اصول پایه ای – قسمت اول

ایرفویل (Aerofoil یا Airfoil)

ایرفویل را به طور ساده می توان اینگونه بیان کرد:

یک بال هواپیما را در نظر بگیرید. اگر روی بال یک برش عرضی بزنیم و بعد از کنار به این بال نگاه کنیم، شکلی همانند تصویر زیر خواهیم داشت. به این شکل ایرفویل یا ماهی واره گفته می شود. پس به طور دقیق تر می توان گفت که ایرفویل به سطح مقطع بال هواپیما، هلیکوپتر و یا پره های توربین گفته می شود. در فرمول یک نیز با ایجاد یک برش عرضی مثلا روی بال عقب می توان به این شکل دست پیدا کرد.

چند مفهوم روی یک ایرفویل تعریف می شوند:

ایرفویل و مفهومات تعریف شده روی آن

ایرفویل و مفهومات تعریف شده روی آن

لبه حمله (Leading Edge): لبه یا قسمت جلویی یک ایرفویل که در حقیقت اولین ناحیه تماس با جریان هوا می باشد را لبه حمله یا Leading Edge می گویند.

لبه فرار (Trailing Edge): لبه یا قسمت انتهایی یک ایرفویل که یک لبه تیز دارد، لبه فرار یا Trailing Edge گفته می شود.

وتر (Chord): خط مستقیمی که لبه حمله را به لبه فرار وصل می کند، وتر ایرفویل نامیده می شود.

مرکز فشار (Center of Pressure): مرکز فشار نقطه ای در طول وتر است که برایند تمام نیروهای آیرودینامیکی به آن نقطه وارد می شود.

زاویه حمله (Angle of Attack یا به اختصار AoA): به زاویه بین امتداد وتر ایرفویل و مسیر جریان هوا، زاویه حمله گفته می شود. زاویه حمله در یک بال نقش بسیار مهمی در ایجاد نیروی لیفت یا برآ در هواپیماها و داون فورس یا نیروی رو به پایین در خودرو ها دارد. با تغییر زاویه حمله یک بال، نیروهای فشاری نیز جابجا می شوند و لذا اندازه آن ها نیز در مکان های مختلف تغییر می کنند. متعاقبا برانید نیروها نیز تغییر کرده که منجر به تغییر مرکز فشار می شود.

داون فورس یا نیروی رو به پایین (Downforce) و درگ (Drag)

مهم ترین موضوع نه تنها در رابطه با خودروهای مسابقه ای، بلکه در رابطه با تمام خودروها داون فورس می باشد. چون اینجا بحث ما در رابطه با خودرو های فرمول یک می باشد پس راجع به این مورد بحث می کنیم.

داون فورس نیرویی است که بر خلاف نیروی لیفت یا برآ که موجب بلند شدن و پرواز هواپیما در آسمان می شود، خودرو را به سطح زمین می چسباند. در قسمت اول این مقاله، تاریخچه ای کوتاه راجع به آیرودینامیک و اهمیت وجود داون فورس در خودرو های فرمول یک بیان کردیم. حال می خواهیم نحوه تولید آن را بیان کنیم.

نحوه تولید داون فورس:

یک ایرفویل را در نظر بگیرید. اگر جریان های هوا را به صورت خط هایی موازی در نظر بگیرید، این خط ها یا همان هوا در برخورد با این ایرفویل به دو قسمت تقسیم می شوند. یک قسمت از آن ها به سمت بالای ایرفویل روانه شده و قسمت دیگری نیز به ناحیه پایینی جاری می شود. به دلیل وجود اختلاف فشار (Pressure Differential) میان ناحیه بالایی و پایینی ایرفویل (بال) و اینکه ناحیه پایین ایرفویل دارای فشار کمتری نسبت به ناحیه بالایی دارد و با توجه به قانون برنولی در معکوس بودن فشار و سرعت، جریان هوای پایینی، مقطع بال را با سرعت بیشتری طی می کند.

مقایسه سرعت و فشار جریان هوا در دو ناحیه بالا و پایین ایرفویل

مقایسه سرعت و فشار جریان هوا در دو ناحیه بالا و پایین ایرفویل

پس تا اینجا متوجه شدیم که جریان هوای زیر ایرفویل سرعت بیشتر و فشار کمتر و هوای بالایی آن سرعت کمتر و فشار بیشتری دارد. پس سرعت و فشار در دو ناحیه بالایی و پایینی ایرفویل اینگونه می شوند:

ناحیه بالایی: سرعت کمتر – فشار بیشتر

ناحیه پایینی – سرعت بیشتر – فشار کمتر

طبق روابط بالا فشار وارده بر ایرفویل از ناحیه بالایی بیشتر از ناحیه پایینی می باشد لذا برایند فشارها به سمت پایین بوده و بدین صورت نیروی نهایی رو به پایین به ایرفویل وارد می شود که به آن داون فورس گفته می شود.

نحوه ایجاد داون فورس طبق توجیه اول

نحوه ایجاد داون فورس طبق توجیه اول

از طریق دیگری نیز می توان تولید این نیرو را توجیه کرد. طبق قانون سوم نیوتون هر عملی عکس العملی دارد در خلاف جهت آن. به طور مثال دست شما با مشت زدن به دیوار درد می گیرد. دلیل آن طبق قانون سوم نیوتون کاملا قابل توجیه است. شما به دیوار نیرو وارد می کنید و دیوار نیز همان نیرو را در جهت عکس به دست شما وارد می کند و هر چه قدر محکم تر مشت بزنید دست شما بیشتر درد میگیرد یعنی هر چه نیروی بیشتری وارد کنید نیروی بیشتری نیز به دست شما وارد می شود.

به عنوان مثال در بال عقب یک خودروی فرمول یک به دلیل شکل خاص انتهایی آن (شکل ایرفویل را مشاهده کنید که انتهای آن به سمت بالا می باشد) هوا را به سمت بالا هدایت می کند. پس بال هوا را به سمت بالا هدایت می کند و عکس العمل آن یعنی نیرویی نیز به بال وارد می شود به سمت پایین و این همان داون فورس است.

نحوه ایجاد داون فورس طبق توجیه دوم

نحوه ایجاد داون فورس طبق توجیه دوم

گفته می شود که یک خودروی فرمول یک در بیشترین سرعتش حدود 5g یا بیشتر داون فورس تولید می کند یعنی نیرویی برابر با 5 برابر ورن خودرو، آن را به زمین می چسباند. یک خودروی فرمول یک بیشتر نیروی رو به پایین خود را توسط قسمت دیفیوزر و بال های جلو و عقب تولید می کند. حدود 40 تا 50 درصد داون فورس یک خودروی فرمول یک توسط بال های جلو و عقب و تا حدود 40 تا 45 درصد نیز توسط ناحیه دیفیوزر و 5 تا 10 نیز بدنه خودرو در تولید داون فورس نقش دارند. البته مقدار بسیار کمی نیروی لیفت در نواحی سایدپاد تولید می شود که البته تاثیر زیادی در ایرودینامیک خودرو ندارد.

تولید داون فورس به پایداری خودرو در پیچ ها کمک کرده و همچنین موجب افزایش چسبندگی و سطح تماس تایر ها با زمین می شود اما تولید داون فورس زیاد و غیر اصولی در خودرو ایده آل نیست چرا که موجب ایجاد پارامتر دیگری به نام درگ یا نیروی مقاومت هوا در خودرو شده که عملکرد خودرو و اجزای آن را تحت تاثیر قرار داده و موجب کاهش سرعت نهایی می شود. به طور کلی سه نوع درگ داریم که به صورت خلاصه آن ها را توضیح می دهیم:

  • درگ اصطکاکی ناشی از سطح (Skin Friction Drag): این نوع درگ در اثر تماس مولکول های هوا با سطح مورد نظر ایجاد می شود و ارتباط بسیاری عمیقی با مفهوم لایه مرزی یا Boundry layer (توضیحات مربوط به این مفهوم، پایین تر آورده شده است) دارد.
  • فُرم درگ (Form Drag): نیروی مورد نیاز برای شکافت و انتقال مولکول های هوا موجب ایجاد این نوع درگ می شود. طراحی بدنه خودرو به گونه ای که کمترین مقاومت را در برابر سیال داشته باشد موجب کاهش این نوع درگ می شود.
  • درگ القایی (Induced Drag): این نوع درگ محصول اجتناب ناپذیر تولید داون فورس می باشد. در رابطه با این درگ کار زیادی نمی توان انجام داد چراکه بدون وجود آن داون فورسی وجود نخواهد داشت. البته مهندسان با استفاده از المان هایی در خودرو سعی در کم کردن اثر این نوع درگ داشته اند اما این موارد نیز نمی تواند به طور کامل این نوع درگ را خنثی کند.

میان داون فورس تولیدی جلو و عقب خودرو باید تعادل ایجاد شود و این مورد نیز با توجه به نوع شکل پیست و رفتار خودرو تنظیم می شود. داون فورس زیاد در جلو موجب ایجاد بیش فرمانی (Oversteer) و در عقب موجب کم فرمانی (Understeer) می شود.

رابطه زاویه حمله با تولید داون فورس و استال بال

گفتیم که یکی از موارد مهم در رابطه با تولید داون فورس زاویه حمله می باشد. طبق توجیه دومِ نحوه ایجاد داون فورس، هر قدر زاویه حمله را افزایش دهیم (یعنی فرض کنید که ایرفویل را از ناحیه نوک تیز انتهایی بگیریم و آن را به سمت بالا ببریم)، بال هوا را به بیشتر به سمت بالا هدایت می کند و عکس العمل آن نیز بزرگ تر است یعنی داون فورس بیشتر. اما تا کجا می توانیم این را ادامه دهیم.

افزایش زاویه حمله یک بال حدی دارد که به حد آن زاویه حمله بحرانی (Critical Angle of Attack) گفته می شود. یعنی اگر میزان زاویه از عدد زاویه حمله بحرانی فراتر رود بال نه تنها داون فورس تولید نمی کند بلکه به طور کلی عملکرد آن مختل می شود. به حالتی که با افزایش زاویه حمله بال نه تنها داون فورس تولید نمی کند بلکه عملکرد آن مختل می شود، استال (Stall) بال گفته می شود. در استال، جریان هوا از سطح بال جدا شده و دچار تلاطم می گردد.

استال چگونه اتفاق می افتد؟

در وهله اول قبل از بیان چگونگی اتفاق افتادن استال، باید با مفاهیم زیر به طور کامل آشنا شویم:

*لایه مرزی (Boundry layer): سطح روی یک ایرفویل را در نظر بگیرید. در هنگام گذر مولکول های هوا از ایرفویل یا هنگام عبور این ایرفویل از میان جریان هوا، به دلیل خاصیت لزجی یا چسبناکی یا ویسکوزیته سیال و ایجاد نیروی جاذبه مانندی میان مولکول های هوا و سطح مورد نطر که در اینجا بال یا ایرفویل است، مولکول هایی که در نزدیک ترین فاصله ممکن با سطح مورد نظر قرار دارند به نوعی به سطح چسبیده و گویی ساکن شده اند. مولکول هایی که کمی بالاتر از این ها قرار دارند به دلیل همان خاصیت ویسکوزیته سیالات بر اثر کنش و واکنش با مولکول های پایین ترشان یعنی آن هایی که به سطح چسبیده اند، حرکتشان کند می شود.

این مولکول ها به نوبه خود مولکول های روی خود را تحت تاثیر قرار می دهند و آن ها را کند می سازند. هر چه از سطح دورتر شویم تاثیر این اتفاق کمتر شده و به جایی می رسیم که این اثر به صفر میرسد. این مورد موجب تشکیل لایه ای نازک در نزدیکی سطح ایرفویل می شود که سرعت جریان هوا در آن از صفر در نزدیکی سطح ایرفویل به مقدار جریان آزاد (Free Stream) در دورترین ناحیه از سطح تغییر می کند. به این لایه در نزدیکی سطح مورد نظر (در اینجا ایرفویل) لایه مرزی گفته می شود.

لایه مرزی بسته به کمیتی با نام عدد رینولدز (عددی است که از آن در مکانیک سیالات برای فهمیدن الگو یا رژیم یا همان شکل جریان سیال استفاده می شود) می تواند به دو صورت لایه ای یا خطی (Laminar) و یا آشفته و مشوش (Turbulant) باشد. برای عدد های پایین، لایه مرزی لایه ای بوده اما برای عددهای بالا لایه مرزی آشفته بوده و یا اصطلاحا منجر به ایجاد توربولانس می شود. لایه مرزی در ابتدای گذر از سطح مورد نظر ابتدا به صورت لایه ای بوده و پس از طی مسافتی به لایه مرزی آشفته مبدل می شود.

به حالت یا مرز میان دو حالت خطی و آشفته، حالت یا ناحیه گذار (Transition Region) گفته می شود. در خصوص سطوح آیرودینامیکی نظیر سطح بال (بال یک هواپیما یا بال یک خودروی مسابقه ای) یا اصلا به طور کلی ایرفویل، داشتن یک لایه مرزی لایه ای یا خطی که دارای انرژی پایین تری می باشد مد نظر است چرا که لایه مرزی آشفته دارای Skin Friction یا اصطکاک سطحی بالاتری بوده و در نتیجه درگ ایجاد شده توسط آن (Skin Friction Drag) نیز بیشتر خواهد بود.

**دلیل این که چرا جریان هوا مسیری مطابق با شکل ایرفویل را طی می کند:این مسئله در رابطه با جریان هوای ناحیه بالایی ایرفویل کاملا واضح است. در رابطه با هوای ناحیه پایینی ایرفویل می توان اینگونه گفت: در قسمت اول این مقاله بیان کردیم، هوا همیشه دوست دارد که به سمت ناحیه کم فشار متمایل شود. همانند تصویر زیر (سمت چپ) هوا را در هنگام عبور از ناحیه زیرین، مستقیم متصور شوید. ناحیه ای کم فشار در زیر ایرفویل وجود دارد که مطابق با جمله قبلی هوا به سمت ناحیه کم فشار موجود در سطح زیرین ایرفویل متمایل می شود. لذا به همین دلیل است که جریان هوا در زیر مطابق با هندسه ایرفویل جریان می یابد.

***پدیده جدا شدن جریان یا Flow Seperation:

در خودرو های مسابقه ای جریان هوا همواره باید بدون جدا شدن در سطح خودرو جریان داشته باشد وگرنه در غیر اینصورت خودرو هیچ گاه به پیک آیرودینامیکی خود نخواهید رسید چرا که اجزای آیرودینامیکی خودرو نخواهند توانست وظیفه خود حال چه در تولید داون فورس یا تغذیه سایر بخش ها را به درستی انجام دهند. گفتیم که برای سطوح آیرودینامیکی یک خودرو نیاز به یک هوای تمیز و بدون اغتشاش و با لایه مرزی لایه ای یا خطی داریم.

اما مشکلی در رابطه با لایه مرزی خطی داریم و آن وقوع پدیده جدا شدن جریان یا Flow Seperation می باشد. بنابراین ما نیاز داریم تا وقوع این پدیده را تا حد ممکن به تاخیر انداخته و یا حتی اثر آن را کاملا از بین ببریم. ابتدا بگذارید نحوه وقوع این پدیده را توضیح دهیم:

سطح یک ایرفویل را در نظر بگیرید. گفتیم که فشار در بالا بیشتر از پایین می باشد. دو ناحیه در تصویر زیر را در نظر بگیرید.

ترسیمی تقریبی از میزان فشار در نواحی مختلف ایرفویل

ترسیمی تقریبی از میزان فشار در نواحی مختلف ایرفویل

فاصله میان ناحیه اول تا دوم جاییست که هوا در آن فشار پایین و سرعت بالایی دارد که خب گفتیم که تولید داون فورس از این طریق صورت می گیرد. اما در همین حال در مکانیک سیالات پدیده ای با نام Adverse Pressure Gradient یا گرادیان فشار ناخواسته یا نامطلوب (همان اختلاف فشار) نیز داریم. این پدیده بیان می کند که فشار یک جریان در جهت حرکت آن افزایش می یابد.

افزایش فشار سیال موجب افزایش انرژی پتانسیل آن شده و در نهایت کاهش انرژی جنبشی آن را به همراه دارد و لذا این حالت موجب کاهش سرعت آن می شود. توضیح مفهوم آن در ریاضی به صورت زیر می باشد:

گرادیان فشار ناخواسته

بدین معنا که دیفرانسیل فشار با دیفرانسیل حرکت در جهت محور X یکنواخت بوده و با جهش بیشتر در جهت این محور، فشار نیز به نوبه خود افزایش می باید. تصویر بالا را یک بار دیگر مشاهده کنید. جریان هوا در حال گذر از ناحیه 1 با فشار پایین به ناحیه 2 با فشار بالا می باشد. گفتیم که سیال همیشه مایل است تا هواره به ناحیه با فشار پایین جریان یابد در حالی که اینجا خلاف آن می باشد.

از آن جایی که لایه درونی لایه مرزی سرعت بسیار پایینی دارد، تاثیر افزایش گرادیان فشار بر آن بیشتر بوده و فشار آن تا جایی افزایش می یابد که در نهایت سرعت آن جریان را به صفر می رساند و باعث می شود تا جریانی برگشته و بر خلاف جهت حرکت خود، حرکت کند. جریان هوای برگشته با جریان هوایی که در حال گذر به سمت جلو می باشد، در نقطه ای با نام Stagnation point یا نقطه ایستا برخورد کرده و در نهایت موجب ایجاد پدیده Flow Seperation یا جدا شدن جریان می شود.

پدیده جدا شدن جریان (Flow Seperation)

پدیده جدا شدن جریان (Flow Seperation)

با جدا شدن هوا از سطح مورد نظر، نقطه ای خالی میان جریان هوا و سطح وجود دارد که این پدیده در آن نقطه موجب ایجاد Wake یا هوای سرگردان و آشفته می شود و در نهایت موجب ایجاد درگ یا نیروی مقاومت هوای بسیار زیادی می شود. پدیده جدا شدن جریان غالبا در لبه فرار رخ می دهد اما ایجاد آن به شرایط و عوامل بسیاری بستگی دارد که ذکر آن ها از حوصله مقاله خارج بوده و همچنین مربوط به اهداف مقاله نیز نمی باشد.

پدیده جدا شدن جریان و ایجاد هوای آشفته در یک ایرفویل

پدیده جدا شدن جریان و ایجاد هوای آشفته در یک ایرفویل

حال سراغ توضیح پدیده استال برویم:

گفتیم با افزایش زاویه حمله داون فورس تولیدی افزایش می یابد اما اگر این زاویه را بیش از حد افزایش دهیم (یعنی قسمت نوک تیز ایرفویل را بیش از حد بالا بیاوریم)، پدیده Flow Seperation اتفاق افتاده و جریان هوا از ناحیه زیرین سطح بال جدا شده و دیگر بال داون فورس کافی تولید نکرده و برعکس درگ بیش از حد و بسیاری تولید می کند و موجب بر هم زدن بهره وری آیرودینامیکی در خودرو می شود. به چنین حالتی که با افزایش زاویه حمله، نه تنها داون فورس افزایش نیافته بلکه منجر به تولید درگ می شود، استال (Stall) گفته می شود.

آن چه که با افزایش زاویه حمله اتفاق می افتد این است که وقوع پدیده جدا شدن جریان را تسریع می بخشد یعنی نقطه ایجاد آن را از لبه فرار با افزایش ذره ذره زاویه حمله، ذره ذره به لبه حمله نزدیک می کند.

وقوع پدیده استال

وقوع پدیده استال

در هواپیما ها نیز چنین است. اگر خلبان دماغه را بیش از حد به سمت بالا هدایت کند، زاویه حمله بال ها افزایش یافته و در نهایت لیفت تولیدی کاهش و درگ افزایش می یابد و موجب بر هم زدن تعادل هواپیما می شود. حال سوال این است که راه درمان این مورد چیست که در ادامه به آن می پردازیم.

نکته قابل ذکر دیگری که وجود دارد این است که مهندسان آیرودینامیک گاهی از استال به عنوان ابزاری در جهت منافع خود استفاده می کنند. به طور مثال طرح F-Duct تیم مکلارن برای فصل 2010 فرمول یک و یا چاره تیم فراری برای فصل 2020 در استفاده از استال برای ایجاد تعادل در داون فورس جلو و عقب از مثال های بارز استفاده مهندسین از پدیده استال در جهت سودمند می باشد.

گردابه یا گردابه ها (Vortex or Vortices)

گردابه به یک سیال مایع یا گازی در حال چرخش حول محوری در مرکز آن گفته می شود. تمام گردابه ها از خاصیت های خاصی دارا هستند. فشار در مرکز گردابه کمترین مقدار خود را دارا می باشد و با فاصله گیری از مرکز یا هسته آن، فشار به تدریج افزایش می یابد. گردابه هایی که موازی و هم جهت با یکدیگر دوران کرده با یکدیگر ترکیب شده و ترکیب آن ها گردابه ای بزرگ تر و قدرتمندتری را تشکیل می دهد.

گردابه ها اثر جانبی تولید داون فورس یا لیفت می باشند. در فرمول یک ما با گردابه های لبه بال (Wingtip Vortices) سر و کار داریم و آن ها را اینگونه نامگذاری می کنیم.

گردابه لبه بال عقب در خودروی فراری F138 2013

گردابه لبه بال عقب در خودروی فراری F138 2013

نحوه ایجاد گردابه ها

گردابه های لبه بال بر اثر اختلاف فشار میان سطح بالا و پایینی یک ایرفویل یا بال ایجاد می شوند. تصویر زیر از بال جلوی یک خودروی فرمول یک را در نظر بگیرید. در یک فلپ از بال، فشار هوا در قسمت بالایی فلپ بیشتر از قسمت پایینی می باشد. لذا از آن جایی که جریان هوا همواره متمایل به منطقه کم فشار است، سعی می کند تا خود را از منطقه پر فشار بالای فلپ به منطقه کم فشار زیر آن برساند. نتیجه این عمل باعث می شود تا جریان هوا به صورت چرخشی با هوای ناحیه پایین در قسمت انتهایی فلپ ترکیب شده و در نهایت موجب تشکیل گردابه در لبه بال می شود.

این اتفاق در سایر فلپ های بال نیز افتاده و از آن جایی که جهت چرخش آن ها با هم یکی است با یکدیگر ترکیب شده و یک گردابه پر انرژی واحد را تشکیل می دهند.

گردابه لبه بال جلو در یک فلپ

گردابه لبه بال جلو در یک فلپ بال

گردابه ها پس از تولید، همراه با خود درگ یا نیروی مقاومت هوای زیادی نیز تولید می کنند و همان طور که گفتیم درگ تولیدی توسط گردابه ها که درگ القایی یا Induced Drag نام دارد، محصول اجتناب ناپذیر تولید داون فورس می باشد. بال عقب نیز به همین صورت بوده و در لبه بال به همین شکل گردابه تولید می شود. شاید تا به حال پره هایی را در قسمت هایی از خودرو های فرمول یک در نقاطی مثل روی سایدپاد ها، زیر بال جلو، روی کف خودرو و یا بارج بورد ها دیده باشید. به این پره ها گردابه ساز یا Vortex Generators گفته می شود و مهندسین با قرار دادن این پره ها سعی در ایجاد آن ها دارند.

ممکن است گاهی اوقات گردابه های ناشی از بال عقب را در تصاویر تلویزیونی دیده باشید. اصولا گردابه ها را بر اساس شرایط و فعل و انفعالاتی (توضیح این پدیده هدف مقاله نمی باشد و از ذکر آن صرف نظر می کنیم) می توان در هوای مرطوب مشاهده کرد. البته آن بخشی که ما از طریق تصاویر می بینیم، صرفا ناحیه کم فشار مرکزی گردابه می باشد.

حل مشکل پدیده جدا شدن جریان

بگذارید ابتدا به سراغ مشکل مطرح شده در قسمت بالا برویم و پس از پاسخ دادن به آن سراغ موارد استفاده دیگر از گردابه ها برویم. بالاتر گفتیم که با افزایش زاویه حمله یک بال پدیده جدا شدن جریان سریع تر اتفاق افتاده و موجب بر هم زدن کارکرد بال در تولید داون فورس می شود. برای حل این مشکل باید پدیده جدا شدن جریان را تا حد ممکن به تاخیر انداخت و یا حتی این اتفاق را کاملا از بین ببریم. راه حل، تبدیل لایه مرزی از حالت خطی به حالت آشفته یا توربولانس می باشد که به زبان تخصصی مهندسین آن را Tripping Boundry layer می نامند.

با اینکه لایه مرزی آشفته دارای اصطکاک سطحی بیشتری می باشد اما عدم تبدیل لایه مرزی به آشفته که موجب جدا شدن جریان از سطح شده، صدمات بیشتری را وارد کرده و درگ بیشتری به مجموعه القا می کند و علاوه بر آن چون در انتشار جریان تداخل ایجاد می شود موجب بر هم زدن تعادل سیستم می شود. خاصیت لایه مرزی آشفته این قابلیت را دارد که در مقابل اثر Adverse Pressure Gradient یا گرادیان فشار نامطلوب مقاومت کرده و در نتیجه می تواند مدت بیشتری روی سطح بماند و از بروز پدیده جدا شدن جریان جلوگیری کند. با اینکه اصطکاک سطحی ناشی از تبدیل لایه مرزی به آشفته افزایش می یابد اما به طور کلی درگ نهایی را کاهش می دهد و این مصالحه ایست که مهندسین باید آن را بپذیرند.

اما برای تبدیل لایه مرزی به آشفته از گردابه ها استفاده می کنیم. بدین صورت که در صورت نیاز، مهندسین با قرار دادن گردابه ساز ها یا همان Vortex Gnerators ها، انرژی موجود در لایه مرزی را افزایش داده و بر اساس توضیحات بالا، از بروز پدیده جدا شدن جریان جلوگیری می کنند. به عنوان مثال تصویر زیر یک خودروی فرمول یک از نمای کناری را نشان می دهد. در صورت بروز پدیده جداشدن جریان از سطح خودرو، میان دو جریان جدا شده، Wake یا هوای آشفته ای تولید شده و با روانه شدن این جریان آشفته به سمت بال عقب، تعادل خودرو به طور شدیدی به هم میریزد. مهندسین با قرار دادن گردابه ساز ها در مسیر این جریان، هوا را به سطح خودرو جسبانده و لذا از جداسازی آن جلوگیری می کنند.

گودی های موجود روی توپ گلف و یا خز روی توپ های تنیس هم به منظور عدم جدا شدن جریان از سطح آن ها، تعبیه شده اند و این مورد اهمیت جلوگیری از پدیده Flow Seperation را نشان می دهد.

کاربردهای دیگر گردابه ها

گردابه Y250

اهمیت این گردابه پس از تغییر قوانین فصل 2009 و تغییر فلسفه خودرو ها از In-Washing به Out-Washing بیشتر مشخص شد. تا قبل از فصل 2009، بال جلوی خودرو ها به صورتی تنظیم شده بود که از هوای In-Washing (یعنی هوایی که پس از برخورد با بال جلو به سمت داخلی خودرو روانه می شد) برای کنترل هوای آشفته خودرو ها استفاده می شد.

فلسفه بال جلوی خودرو های فرمول یک: قبل از 2009 - بعد از 2009

فلسفه بال جلوی خودرو های فرمول یک: قبل از 2009 – بعد از 2009

اما پس از تغییر قوانین در فصل 2009، و جدا شدن فلپ های بال از بخش دماغه یا Neutral Section (بخش خنثی یا مرکزی خودرو که هیچ داونفورسی توسط این بخش نباید تولید شود)، مهندسین دریافتند که در کنار هوای Outwash می توانند از گردابه تولید شده توسط لبه فلپ های داخلی بال برای کنترل هوای آشفته تایر ها استفاده کنند. چون این گردابه در فاصله 250 میلی متری از بخش وسطی یا خنثی خودرو تشکیل می شد لذا نام آن را گردابه Y250 نامیدند. پس از دیگر موارد کاربرد گردابه ها در خودرو های فرمول یک، استفاده از آن ها به منظور ایزولاسیون هواهای آشفته یا Wake می باشد. در ویدئوی زیر می توانید گردابه Y250 ایجاد شده توسط بخش داخلی بال را مشاهده کنید:

تا قبل از فصل 2019 تیم ها با قرار دادن المان های فوق العاده پیچیده روی بال های جلوی خود، عمل ایزولاسیون هوای آشفته تایر ها را انجام می دادند. اما پس از تغییر قوانین فصل 2019 و ساده سازی بال ها، تیم ها دو فلسفه متفاوت In-Board Loaded (فلسفه فراری) و Out-Board Loaded (فلسفه مرسدس) را اتخاذ کردند. در فلسفه اول تیم فراری با تولید Outwash فوق العاده بالا از لبه خارجی بال می توانست Wake تایر ها را کنترل کند.

علاوه بر این نحوه قرار گیری بخش داخلی فلپ های بال به گونه ایست که اثر گردابه Y250 را تقویت می کند. اما در مرسدس چون بیشتر داون فورس جلوی خودرو، از بخش بیروی بال به دست می آمد، لذا Outwash کافی در اختیار نبود تا این مهم را انجام دهد. لذا مرسدس برای فصل 2020، قدری هندسه بال جلوی 2019 خود را تغییر داد و با تغییر زاویه فلپ های بال چه در بخش درونی و چه در بخش بیرونی آن، سعی در ایجاد گردابه Y250 فوق العاده قدرتمندی داشت تا بتواند Wake تایر ها را کنترل کند.

آن ها حتی این اثر را همانند فصل گذشته، با ایجاد یک شکاف در فلپ دوم بال تشدید نیز کردند. علاوه بر این، گردابه Y250 در همکاری با المان های بارج بورد، نقش بسیار مهمی را در تولید داون فورس خودرو ایفا می کند که این مورد یکی دیگر از اهمیت های این گردابه می باشد.

گردابه ها در بال عقب و نقش End-Plate در بال ها

همانند بال جلو، در بال عقب نیز گردابه های لبه بال ایجاد می شوند. با جرکت جریان هوای از قسمت رو و پایینی بال، مطابق با توضیحات بیان شده در قسمت های بالا، در لبه های بال عقب گردابه ای تولید می شود. از آن جایی که گردابه ها دارای درگ تولیدی بالایی بوده لذا در تعادل خودرو مشکل ایجاد می کنند.

برای کاهش انرژی و بالمال درگ تولیدی گردابه های لبه بال ها (جلو یا عقب) به طور کلی دو راه پیشنهاد می شود:

راه اول طراحی شکل بال به صورت بیضوی همانند بال های هواپیمای Spitfire و یا بال جلوی خودروی فرمول یک March 711 در فصل 1971 می باشد. مشکل اینجاست که به دلیل کاهش مساحت مفید بال در طراحی به این صورت، برای تولید داون فورس کافی و مورد نظر باید بال را بزرگ تر ساخت که به دلیل محدودیت قوانین اصلا امکان ساخت چنین چیزی وجود ندارد.

راه دوم استفاده از صفحه انتهایی یا End-Plate در بال ها می باشد. اندپلیت ها موجب افزایش مساحت مفید بال ها شده و بدون این که نیازی به بزرگ تر طراحی کردن بال باشد، باعث تولید داون فورس بیشتر شده و همچنین درگ القایی ناشی از گردابه های بال را کاهش می دهد. اندپلیت ها در بال عقب با تولید گردابه هایی در جهت چرخش مخالف با گردابه های لبه بال، اثر آن را کاهش و آن را تضعیف می کنند. تیم ها همچنین با ایجاد برشی هایی موسوم به Cut-Out در لبه انتهایی اندپلیت های این اثر را تقویت می کنند.

بال عقب خودروی مرسدس

Cut – out اندپلیت (فلش زرد) در بال عقب خودروی مرسدس W10

همان طور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، گردابه های به رنگ قرمز و آبی، گردابه ناشی از لبه بال عقب می باشند که در جهت خلاف عقربه های ساعت گردش می کنند. با تشکیل گردابه ای به رنگ سبز و بنفش ناشی از اندپلیت بال در جهت عقربه های ساعت و گردابه لبه بال، اثر گردابه لبه بال تضعیف می شود.

گردابه لبه بال عقب و گردابه ناشی از اندپلیت

گردابه لبه بال عقب و گردابه ناشی از اندپلیت

نقش بارج بورد ها و کف خودرو در تولید گردابه ها

یکی از دلایل پیچیده شدن ناحیه بارج بورد در خودرو ها طی سال های گذشته، کنترل همین هوای کثیف ناشی از تایر ها بوده است. پس از تغییر قوانین آیرودینامیکی در فصل 2017 و افزایش مساحت هندسه دیفیوزر و همچنین افزایش فاصله قسمت سایدپاد ها از ناحیه ابتدایی خودرو، دو مورد مصون کردن کف خودرو از هوای آشفته (به اصطلاح Sealing Floor) برای عملکرد مطلوب دیفیوزر و همچنین عدم جداشدن جریان در حین گذر از بال جلو به سمت ناحیه عقبی خودرو مورد توجه قرار گرفت.

مهندسین با قرار دادن پره ها با شکل های مختلف روی بارج بورد ها سعی در ایجاد گردابه هایی برای تقویت گردابه Y250 عبوری از این ناحیه دارند و همچنین با قرار دادن سایر المان ها مورد دوم را نیز محقق می سازند. ویدئوی زیر به طرز فوق العاده عالی، نحوه عمل دو جریان هوایی ناشی از گردابه Y250 و اوت واش اندپلیت و همکاری این دو جریان برای دور راندن هوای کثیف تایر ها را به تصویر کشیده است.

نکته قابل ذکر این است که ویدئوی زیر مربوط به خودرو های قبل از فصل 2019 می باشد و درست است که در بال جلوی خودرو های جدید، اثری از المان های مختلفی که در سال های گذشته در اختیار مهندسین بود وجود ندارد و بال ها ساده سازی شده اند اما در عمل، میان کارکرد خودرو های قبل و بعد از فصل 2019 برای دور راندن هوای آشفته تایر ها، تفاوتی نمی توان قائل شد.

 

علاوه بر این تیم ها با ایجاد شکاف هایی در کف و همچنین پره ها در کف خودرو نیز سعی در ایجاد هوای پر انرژی ای دارند که مانع از ورود هوای آشفته به ناحیه زیر کف خودرو ها می شود. پره های موجود در کف، با ایجاد جریان هوایی موجب تقویت اثر گردابه Y250 شده که این امر خود به عدم ورود هوای آشفته به کف خودرو کمک بسیاری می کند.

نکته بسیار مهم در رابطه با گردابه ها، تولید و نحوه رفتار با آن ها می باشد. از آن جایی که گردابه ها بسیار پر انرژی بوده و موجب ایجاد نیروی مقاومتی زیادی می شوند، لذا تولید و به کار گیری آن ها در خودرو ها باید با توجه و علم کافی صورت گیرد. یک گردابه نباید خیلی پر انرژی بوده و از طرفی نباید خیلی هم کم انرژی باشد چرا که نمی تواند هدف خود را برآورده کند. تولید بی رویه و بیهوده گردابه ها و عدم استفاده درست از آن ها می تواند فعالیت های چندین و چند ماهه یک تیم را خراب کرده و خسارات جبران ناپذیری را وارد کند.

منابع: (منبع دوم را به علاقه مندان حتما پیشنهاد می کنم)

  • Anderson, J. D. (2001). Fundamentals of aerodynamics. Boston: McGraw-Hill.
  • Katz J. (1995), “Race Car Aerodynamics: Designing For Speed”, MA, USA: R. Bentley.
  • Wolf-Heinrich Hucho (1987), Aerodynamics of Road Vehicles: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering, London : Butterworth-Heinemann
  • David Tremayne (2010), The Science of Formula 1 Design, Haynes Publishing; Third Edition
  • Simon McBeath (2006), Competition car aerodynamics, Sparkford : Haynes
  • Agathangelou, B. and Gascoyne, M. (1998), “Aerodynamic Design Considerations of a Formula 1 Racing Car,” SAE Technical Paper 980399.
  • Katz,J. Aerodynamics of race cars, Annu Rev Fluid Mech, 2006, 38, pp 27-63.

7 دیدگاه

  1. Jingoozz

    4

    0

    احسنت !
    جای همچین مقالاتی در سایت خالیه بهتره رویکرد در کنار خبررسانی، افزایش اطلاعات فنی خوانندگان جوانتر باشه…
    یکی از مهمترین و فاندامنتال ترین مباحث ، بحث مدیریت جریانهای تخلیه، گردبادهای گردشی و خروج هوای کثیف از منافذ پشتی هستش که همراه با مکانیم سیالات و اصول زیربنایی فیزیک ، تبیین میشه.
    خسته نباشید به نویسنده مقاله!

  2. aryan261

    1

    0

    خب آقا حامد
    من سوال زیاد دارم ذره ذره میپرسم 😁
    فعلا تا رابطه زاویه حمله با داون فورس خوندم؛

    سوال اولم اینه که وقتی ماشین ها میان پیت استاپ دو نفر با آچار یه تنظیماتی رو روی بال جلوی ماشین اعمال میکنن.
    چون هم تایر عوض شده و هم باک ماشین سبک تر شده، تنظیمات زاویه حمله باله ها رو تغییر میدن؟
    یعنی انقدر موثره روی داون فورس جلوی ماشین؟

    • سید حامد محمدی

      1

      0

      سلام
      حتما سوالاتتون رو بپرسید تا جایی که بلد باشم حتما جواب میدم
      بله دقیقا برای تغییر زاویه حمله فلپ های بال هستش و همون طور که توی متن هم گفته شده با تغییر زاویه حمله داونفورس تولیدی هم تغییر میکنه و بستگی داره که چه تغییری روش اعمال بشه یعنی زاویه حمله کم یا زیاد بشه. این تغییر هم بنا به خواست راننده و با توجه به بیش فرمانی و کم فرمانی ماشین داده میشه
      البته مقاله بعدی ما از این سری راجع به بال جلو هستش که در روزهای آینده منتشر میشه ‌و توی اون میتونید اطلاعات بیشتری راجع به بال جلو و کارکردش رو مطالعه کنید

دیدگاه خود را بیان کنید