AERODİNAMİK KUVVETLER
Taşıtın hareketi sırasında, hava hareketine bağlı olarak gelişen
aerodinamik kuvvetler, taşıtın performansını etkilemektedir. Hava
akışı, taşıtın hızına ve ortamın rüzgâr hızına bağlımlıdır.Taşıtın
hızı, sayısal değer ve yön bakımından sürekli olarak
deyişmektedir.Rüzgarın hızı ise bölgesel topografya ve atmosferik
koşullara bağımlı olarak değişmektedir. Tüm taşıt yüzeyine dağılmış
olan basınçların bileşkesi olan aerodinamik kuvvet, basınç merkezi adı
verilen bir noktaya etki etmekte, taşıtın kullanım ve yönlendirme
karakteristiklerini olumlu veya olumsuz biçimde etkileyen koşullar
yaratmaktadır. Aerodinamik kuvvet;taşıt kararlılığı bakımından dikkate
alınması gereken önemli bir kuvvettir.
Bileşke aerodinamik kuvvetin, taşıtın ileriye doğru hareketine karşı
olan bileşenine.”aerodinamik direnci” denilmektedir. Aerodinamik
kuvvetin diğer önemli iki bileşeni ise, aerodinamik kaldırma (lift)ve
yanal kuvvetlerdir. Aerodinamik kaldırma kuvveti, lastiklerle zemin
arasındaki tutunma tutunma kuvvetini azaltarak, taşıtın yönlendirme ve
tahrik karakteristiklerini; aerodinamik yanal kuvvet ise, taşıt
kararlılıgını etkilemektedir.Şekil1’de aerodinamik kuvvet ve temel
bileşenleri görülmektedir.
AERODİNAMİK DİRENÇ
Sabit hızlı bir akışkan bir gövde etrafında aktığından, iki bileşenden
oluşan bir direnç kuvveti oluşur. Bu bileşenler, yüzeyin yapışkanlık
etkisine bağımlı yüzey sürtünme direnci ve gövdeye etki eden ana akış
(taşıtın boşaldığı hacmin gerisinde kalan uyartım akımı ‘wake’ dahil)
basınç dağılımının sonucu olarak meydana gelen basınç direncdir.Akış
doğrultusunda basıncın artığı kısımlarda veya yüzeyin doğrultusunda
keskin değişmeler olduğunda, akış hatlarında ayrılma meydana gelir.
Şekil 2 Yüzeyden uzaktaki hız
Gradientleri sıfır olduğunda ters akış olur. Ayrılma basıncın artmasını
önler ve bu basınç direncine ters bir etki yapar. Yüzeye en yakın olan
ters akış, sadece yüzey direncini çok az miktarda olmak üzere azaltır.
Ayrılan akışın tekrar gövdeye yapışmasını, devamındaki yüzey
geometrisine bağımlıdır.Ters akış, geniş düzensiz girdaplar
oluşturarak, ana ana akışkan enerji kaybına sebeb olmaktadır.
Ayrılmanın olmadığı streamline gövdenin aerodinamik direnc katsayısı
0,15 kadardır.Herhangi bir ayrılma, direnci önemli ölçüde
artırdığından, yüksek yüzey sürtünmesinin olduğu durumlarda bile mümkün
olduğunca azaltılmalıdır.Sınır tabakadaki türbülans, yüzey sürtünmesini
artırır, fakat yüzeye yakın olan akışkanın momentumunun yüksek olması,
ayrılmanın oluşumunu geçiktirir ve direncte bir miktar azalmaya neden
olabilir.
Basınç merkezi adı verilen bir noktaya etki eden aerodinamik kuvvet, genelikle şu genel eşitlikle ifade edilir.
Ra =0,5 p C A v²
p = havanın yoğunluğu kg / m³,
C =aerodinamik katsayısı,
A =karakteristik iz düşüm alanı m²,
V =taşıtın hızı, m / s dir.
Basınç merkezi,bileşke aerodinamik kuvvetin etki ettigi noktalardır ve
ağırlık merkezinin aksine –ki o da yükün etkisindedir-, sabit değildir
ve hava akışına bağımlıdır. Yüksek hızlarda, öne doğru kayma
eğilimindedir.
Taşıtın biçimi ile ilgili olan aerodinamik katsayısı; rüzgârın geliş
açısı; iç direnç olarak da adlandırılan soğutucu hava akışı, taşıtın
havalandırılırması (özellikle pencereler açık iken), zemin, üst bagaj
vb ninde etkisi altındadır. Rüzgarın geliş açısının aerodinamik direnç
katsayısına etkisi şekil 3 de görülmektedir. Aerodinamik katsayısı aynı
zamanda, reynold sayısının da bir miktar etkisi altındadır, şekil 4
bilindiği gibi reynold sayısı;
Re=pvd
u
burada; p: yoğunluk, kg / m³
v : hız,m /s
d : karakteristik boyu,m,
u : dinamik vizkosite. kg /ms
Taşıtı etkileyen aerodinamik direnç, esas olarak şu üç elemanlardan oluşmaktadır:
1:Taşıtın arka kısmın boşaltıgı bölgede meydana gelen türbilansın
oluşturduğu direnç, özellikle arka kısım olmak üzere, taşıt gövdesinin
biçimine bağımlıdır. Aerodinamik en önemli bileşeni budur ve toplam
aerodinamik direncin, %80’i kadardır.
2:Taşıtın dış yüzeylerinden akan havanın neden olduğu yüzey sürtünmesi.
Normal durumdaki bir otomobilde bu bileşen, toplam aerodinamik
direncin, %10’ u kadardır.
3oğutma ve havalandırma amacıyla taşıtın radyatör sisteminde veya iç
kısımlarından geçen havaya bağlı olarak oluşan iç direnç. Bu birlite,
toplam direncin %10’ u kadardır.
Hesaplamaları basitleştirmek amacıyla, bu kuvvetlerin tümü tek bir
kuvvete indirgenir ve aerodinamik direnç olarak adlandırlır.Toplam
aerodinamik kuvvetin, taşıtın hareketi doğrultusundaki bileşeni olan
aerodinamik direnç;
Rax =0,5 p Cx A (V +,- Vo)²
Eşitliği ile hesaplana bilir. Burada ;
Cx:aerodinamik direnç katsayısı.
A:taşıtın ön iz düşüm alanı, m²,
V:taşıtın hızı m / s,
Vo:hareket doğrultusundaki rüzgar hızı, m / s (harekete karşı ise pozitif)dir.
Hızlar km / h yazılmak istendiğinde ise;
Rax=0,0386 p Cx A (V +,- Vo)²
Eşitliği kullanılabilir.
Havanın yoğunluğu (p) nun belirlenmesinde kullanılan atmosferik koşullar genellikle;
Baromik basınç =98...101kPa,
Atmosferik basınç =15...25 santigrat derece arasındadır.
AERODİNAMİK KALDIRMA (LIFT)
Sınır katman dışındaki akışı tanımlamak üzere kullanılan potansiyel
akış teorisine göre, taşıtın üst ve alt kısımları arasındaki basınç
farkı, taşıtın etrafında hava sirkülâsyonuna ve kaldırma kuvveti
oluşmasına sebeb olur.
Sirkilasyanun varlığı, akış hatlarının bükülmesine ve taşıtın arkasında
şekil 6’da görülene benzer girdapların oluşmasına sebeb olur.
Enerjinin korunumu genel kanuna göre; herhangi bir akışın her noktasındaki, statik ve dinamik basınçların toplamı sabittir.
Pa+Pd=Pt
Ve dinamik basınç;
Pd= pv²
2
dir.burada;
p:havanın yoğunluğu kg/m³
v:havanın hızı m/s dir.
Bu eşitlik, ‘bernouilli teoremi’ olarak da adlandırılır havanın akış
hızı artıkça, dinamik basınç karesi ile orantılı olarak
yükselmektedir.Toplam basınç değişmediğine göre; dinamik basıncın
yüksek olduğu bölerlerde, statik basınç azalmaktadır, şekil 7’de bu
durumda, hava hızını daha düşük olduğu taşıtın alt yüzeyine etkiyen
statik basınçtan daha fazla olacak ve fazla basınç taşıtı yukarıya
doğru kaldırmaya çalışaçaktır.Aerodinamik kaldırma (lift), lastikle
zemin zemin arasındaki normal yükün azalmasına sebeb olmaktadır. Temas
basıncının azalması, taşıtın performans karakteristikleri ile yön
kontürolü ve kararlılığını olumsuz biçimde etkilemektedir. Tipik bir
otomobille, durgun havada ve 160 km/h hızda yapılan denemeler
sonucunda, ön dingildeki pozitif kaldırma kuvvetinin, 110 N a kadar
ulaştığı tespit edilmiştir. Bu değer, ön dingil yükünün %20....25’i
kadardır. Aerodinamik kaldırmanın arka dingiline etkisi ise, 665 N
kadar oluşmuştur.
AERODİNAMİK YANAL KUVVET
Hava akışı taşıtın düşey simetri düzlemine paralel ise, bu düzleme
etkiyen bileşke hava kuvveti, bilinen iki bileşen olan aerodinamik
direnç ve aerodinamik kaldırma kuvvetine ayrılabilir. Ancak; hava akışı
taşıtın düşey simetri düzlemine herhangi bir açıda ise, akış hattı
simetriktir ve yanal bir kuvvet oluşur. Yanal kuvvete neden olan iki
etkenden birisi, taşıtın dönüşlerde doğrultu değiştirmesi, diğeri de
taşıta doğru herhanği bir açıda esen rüzğardır.Bileşke aerodinamik
kuvvet bu durumda aerodinamik direnç, aerodinamik kaldırma ve yanal
kuvvet olmak üzere üç bileşene ayrılarak değelendirilir, yanal kuvvet;
110 km/h hızla seyreden bir otomobilde, 1100 N a; 290 km/h hızla
seyreden bir yarış otomobilinde ise 4400 N’a kadar ulaşabilmektedir.
Yanal kuvvetin belirlenmesi de, diğer aerodinamik kuvvetler gibidir
:
Ray =0,5 p Cy A Vo² burada;
Cy:boyutsuz yanal kuvvet sayısı,
A:ön iz düşüm alanı m²,
Vo:taşıta göre bağıl rüzgâr hızı, m/s’dir.
Şekil 9’da Cy nin, taşıt boyutlarını ve sapma açısına bağımlı deyişimi
görülmektedir. Yanal kuvvet katsayısı için yaklaşık bir eşitlik;
Cy = Yanal alan B(0,005+0,0019)
Ön izdüşüm alanı
Şeklinde verilmektedir.
B: sapma açısı,
Nf:yanal kuvvet oranlama katsayısıdır.
AERODİNAMİK MOMENTLER
Taşıtın basınç merkezine etki eden aerodinamik kuvvet, bu noktaya göre
her hangi bir moment oluşturmaz.Ançak, taşıtın kütle hareket ve kütle
atalet kuvvetlerinin etki ettiği ağırlık merkezleriyle basınç
merkezinin nadiren bir noktada çalışmaları nedeniyle, aerodinamik
kuvvet, ağırlık merkezine göre bir moment meydana getirir. Bu moment
;aerodinamik kuvvet ile basınç merkezi (p) ve ağırlık merkezi (g)
arasındaki mesafenin çarpımına eşittir. Kuvvet konusundakine benzer
olarak aerodinamik moment de, vardır.
Bunlar ;
1)X eksenine göre moment, devrilme momenti, Mx
2)Y eksenine göre moment,şahlanma momenti,My,
3)Z eksenine göre moment, sapma momenti, Mz dir.
AERODİNAMİK DEVRİLME MOMENTİ
Aerodinamik devrilme momenti, yanal kuvvet (Ray) tarafından
üretilmektedir.Bu momentin etkisi;taşıt rüzgarsız dönüş yaparken veya
yanal rüzgârın estiği ortamda seyrederken ortaya çıkarak, taşıtın
kararlılığını ve tutunma karakteristiklerini etkiler. Devrilme momenti,
santrifüj kuvvete ek bir kuvvet olduğundan, özellikle dönüşlerde
önemlidir. Devrilme momenti;
Mx =Ray . z
eşitliği ile hesaplanabilir. Burada;
z:ağırlık merkezi ile basınç merkezi arasındaki düşey mesafe, m dir.
AERODİNAMİK ŞAHLANMA MOMENTİ
Ağırlık merkezi etrafındaki şahlanma momenti; süspansiyon reaksiyonları
ve taşıt-zemin ilişkileri dikkate alındığında önemlidir. Şahlanma
momenti, şekil 11’de görüldüğü gibi aerodinamik direnç ve aerodinamik
kaldırma kuvvetleri tarafından üretilmektedir.
Şahlanma momenti;
My=Rax.Z + Raz .X
Veya
My=0,5 p Cmy A V²
Eşitlikleriyle hesaplanabilir.Burada;
Z:ağırlık merkeziyle basınç merkezi arasındaki düşey mesafe m,
X:ağırlık merkeziyle basınç merkezi arasındaki uzunlamasına mesafe m,
Cmy:şahlanma momenti katsayısı (Cmy=yaklaşık olarak 0,05-0,20),
A:ön izdüşüm alanı,m²m
L:karakteristik taşıt uzunluğu (dingiller arası mesafe) m, dir.
AERODİNAMİK SAPMA MOMENTİ
Aerodinamik sapma momenti, aerodinamik yanal kuvvet tarafından oluşturulan bir momentir.Sapma momenti;
Mz=Ray.X
Eşitliği ile hesaplana bilir.
Sapma momenti, taşıt kararlılığı ve açısından önemlidir.
Nerden
Lakap
Çarş. Kas. 11, 2009 11:55 pm
