อากาศพลศาสตร์ของยานยนต์

Posted on : 21-05-2013 | By : Author | In : การทำงานของเครื่องยนต์

อากาศพลศาสตร์ของยานยนต์ (vehicle aerodynamics) เป็นวิชาที่ว่าด้วยการเคลื่อนไหวของอากาศผ่านยานยนต์ วิชานี้มีความซับซ้อนเพราะมีปัจจัยหลายอย่างที่ทำให้แรงฉุดของอากาศ เปลี่ยนแปลง ได้แก่ รูปทรงของยานยนต์ ระยะช่องว่างระหว่างพื้นยานยนต์กับถนน และมุมก้มของยานยนต์ เป็นต้น
การประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการลดแรงฉุดของอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะเห็นได้ชัดเจนในกรณีของการขับขี่ด้วยอัตราเร็วคงที่ อย่างไรก็ตาม อาจเห็นไม่ชัดเจนนัก ในกรณีของการขับขี่ทั่วๆ ไปที่มีทั้งการเบรกและการเร่งสลับกันไป เช่น ในบริเวณที่มีการจราจรหนาแน่น ฯลฯ
การลดแรงฉุดของอากาศมิใช่พิจารณาเฉพาะอากาศพลศาสตร์เพียงอย่างเดียวเท่านั้น การไหลของอากาศยังมีผลต่อแรงยกของอากาศและตำแหน่งของจุดศูนย์กลางของความดันที่กระทำกับรถยนต์ ทั้งสองประการนี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่อการควบคุมและการทรงตัวของรถยนต์ ระยะห่างจากพื้นรถถึงพื้นถนนมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อแรงฉุดของอากาศแต่กลับมีผลกระทบอย่างมากต่อแรงยกของอากาศ
นักออกแบบด้านอากาศพลศาสตร์ยังต้องคำนึงถึงการไหลของอากาศที่สามารถควบคุมการจับตัวเป็นหยดของน้ำและสิ่งสกปรกบนผิวกระจกและโคมไฟด้วย รวมทั้งยังต้องคำนึงถึงเสียงดัง เนื่องจากลมและการถ่ายเทอากาศภายในรถยนต์ การไหลของอากาศสำหรับหล่อเย็นเครื่องยนต์มีความสำคัญมากที่สุด ส่วนการไหลของอากาศเพื่อการถ่ายเทอากาศในห้องผู้โดยสารและการหล่อเย็นเบรกตลอดจนการหล่อเย็นห้องเกียร์มีความสำคัญรองลงมา
รถยนต์ในปัจจุบันได้รับการออกแบบให้มีรูปทรงลู่ลมมากขึ้นเพื่อลดแรงฉุดและปรับปรุงสมบัติต่างๆ ทางอากาศพลศาสตร์ให้ดีขึ้น เทคนิคทางคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้เพื่อทำนายการไหลหรือตรวจสอบในบริเวณเฉพาะบางแห่งของรถยนต์ได้เป็นอย่างดี ดังนั้นการทดสอบในอุโมงค์ลมจึงมีความสำคัญมาก
เนื่องจากรถยนต์เก๋งมีรูปทรงแตกต่างจากรถยนต์โดยสารหรือรถยนต์บรรทุก รถยนต์โดยสารหรือรถยนต์บรรทุกมีลักษณะต้านลมมากกว่ารถยนต์เก๋ง แต่อย่างไรก็ตามรถยนต์โดยสาร หรือรถยนต์บรรทุกขับเคลื่อนด้วยอัตราเร็วต่ำ ดังนั้นแรงฉุดของอากาศจึงไม่มีความสำคัญมากนัก แต่แรงต้านการหมุนของล้อจะมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากน้ำหนักของรถยนต์เพิ่มขึ้น สำหรับกรณีของรถยนต์บรรทุกที่เป็นประเภทรถหัวลากและรถพ่วงร่วมกันนั้น แรงฉุดของอากาศจะขึ้นอยู่กับระยะช่องว่างระหว่างรถหัวลากกับรถพ่วง และเมื่อมีการปรับแต่งบางอย่างจะช่วยลดแรงต้านของอากาศลงได้บางส่วน
กระแสอากาศที่ไหลผ่านวัตถุรูปทรงต่างกัน


รูปที่ 2.7 การเคลื่อนของอากาศผ่านรูปทรงต่างๆ ที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน (เป็นรูปวงกลม)
จากการทดสอบวัตถุรูปทรงต่างๆ เพื่อหาแรงฉุดหรือแรงต้านอากาศ พบว่าวัตถุที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นวงกลมและมีพื้นที่เท่ากันแต่รูปทรงต่างกันจะมีแรงต้านอากาศไม่เท่ากัน อาทิ แท่งทรงกระบอก ทรงกลม ทรงหยดน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 2.7 วัตถุทรงหยดนํ้าจะมีอากาศหมุนซึ่งเกิดขึ้นด้านหลังน้อยกว่าวัตถุทรงกลมและทรงกระบอกตามลำดับ จึงทำให้วัตถุทรงหยดนํ้ามีแรงต้านอากาศน้อยมาก และน้อยกว่าวัตถุรูปทรงอื่นๆ ที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน

แรงต้านอากาศที่เกิดขึ้นในขณะที่รถยนต์กำลังเคลื่อนที่นั้นส่วนมากมาจากความแตกต่างระหว่างความดันอากาศด้านหน้ากับด้านหลังรถยนต์รูปที่ 2.8 แสดงการเคลื่อนที่ของอากาศผ่านรถยนต์ที่มีรูปทรงต่างๆ กัน


รูปที่ 2.8 การเคลื่อนไหวของอากาศผ่านรถยนต์ซึ่งมีรูปทรงต่างๆ
การเคลื่อนไหวของอากาศผ่านรถยนต์ในขณะที่รถยนต์กำลังเคลื่อนที่นั้นแสดงให้เห็นในรูปที่ 2.8 (ก), (ข) และ (ค) บริเวณท้ายรถยนต์จะมีอากาศหมุนวนซึ่งมีความเร็วสูงกว่าอากาศบริเวณหน้ารถยนต์ ดังนั้นความดันอากาศบริเวณท้ายรถยนต์จึงต่ำกว่าอากาศบริเวณหน้ารถยนต์ จึงเกิดความแตกต่างของความดันซึ่งทำให้เกิดแรงต้านอากาศขึ้น
รูป (ก) แสดงลักษณะของรถยนต์โดยทั่วๆ ไป อากาศหมุนวนท้ายรถยนต์มีจำนวนปานกลาง รูป (ข) แสดงลักษณะของรถตู้ อากาศหมุนวนท้ายรถตู้มีจำนวนมาก รูป (ค) แสดงลักษณะของรถบรรทุกซึ่งมีอากาศหมุนวนจำนวนมากกว่ารถตู้ รูป (ง) แสดงอากาศหมุนวนจำนวน น้อยของรถยนต์ในอุดมคติ
ดังนั้นในการออกแบบรูปทรงของรถยนต์เพื่อลดแรงต้านอากาศจะต้องพยายามลดอากาศหมุนวนบริเวณท้ายรถยนต์ให้เหลือน้อยที่สุด
รูปทรงของวัตถุที่เพรียวลม
วัตถุรูปทรงคล้ายหยดนํ้าจะเป็นรูปทรงที่เพรียวลมและให้แรงต้านอากาศตํ่า วัตถุทรงหยดน้ำที่ยาวเกินไปนั้นถึงแม้ว่าจะสามารถลดอากาศหมุนจนเหลือน้อยมากก็ตาม แต่แรงฉุดจะเพิ่มขึ้นที่บริเวณผิวสัมผัสของทรงหยดนํ้ากับอากาศ จึงทำให้แรงต้านอากาศรวมเพิ่มขึ้น ในทางตรงข้าม วัตถุทรงหยดน้ำที่สั้นเกินไปจะมีอากาศหมุนบริเวณส่วนท้ายมากถึงแม้ว่าแรงฉุดที่บริเวณผิวสัมผัสจะน้อยก็ตาม ทำให้แรงต้านอากาศรวมเพิ่มขึ้น ดังนั้นวัตถุทรงหยดนํ้าจะต้องไม่สั้นหรือยาวเกินไป ค่าที่เหมาะสมสำหรับวัตถุทรงหยดนํ้าที่ให้แรงต้านอากาศน้อยที่สุดคือ a/b = 1/2.5 ตามรูปที่ 2.9


รูปที่ 2.9 สัดส่วนที่เหมาะสมของวัตถุทรงหยดน้ำ

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.