Aerodynamica - Wat is luchtweerstand?

 

Kortom, luchtweerstand is de kracht van wind- of luchtweerstand die in de tegenovergestelde richting duwt van de beweging van het object. Wanneer een object door een medium beweegt, zoals lucht, genereert het luchtweerstand, die groter of kleiner kan zijn afhankelijk van de vorm van het object.

Het specifieke luchtweerstandsniveau van een object wordt de luchtweerstandscoëfficiënt C genoemd.d. Vermenigvuldigd met het geprojecteerde oppervlak van het object dat door het medium beweegt Ap, de totale luchtweerstandskracht Fd kan worden berekend. Dit is de kracht die het voertuig in de tegenovergestelde richting duwt van waar het naartoe gaat. Dit wordt veroorzaakt door het drukverschil dat het object genereert terwijl het door het medium beweegt, vergelijkbaar met de vleugel van een vliegtuig die een opwaartse lift creëert door de lagere druk bovenop de vleugel. Bij een auto wordt deze lagere druk meestal achter het voertuig gecreëerd waar een wake ontstaat en de lucht bijna nul snelheid bereikt, zoals te zien is in afbeelding 1. 

 

De simulaties werden uitgevoerd met een digitaal referentiemodel genaamd DrivAer Notchback, dat een Cd van 0,254 en is conceptueel een mix van een Audi, BMW, Mercedes, Volvo sedan.
Met het geprojecteerde oppervlak, Ap van dit referentievoertuig is 2,106m2, de totale luchtweerstandskracht Fd is 0,536. Door CFD-berekeningen voor de twee dakkoffers en de zes varianten van IXTAboxes werden de volgende resultaten verkregen. 

Na het afronden van de masterthesis hebben we aan alle IXTAbox-modellen een diffusorvleugel toegevoegd, wat resulteerde in een verdere verbetering van de aerodynamica. We hebben geen formele statistieken, maar de geschatte impact is een verdere verbetering van -2% tot -4%. 

Model	Cd	Oppervlakte (m2)	CdA = Fd	% Verschil
DrivAer Alleen	0.254	2.106	0.536	0%
Gestroomlijnde dakkoffer	0.307	2.407	0.740	38%
Volume dakkoffer	0.310	2.472	0.769	43%
150-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.554	3%
150-60 IXTAbox	0.281	2.106	0.592	10%
170-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.555	4%
170-60 IXTAbox	0.281	2.108	0.596	11%
190-40 IXTAbox	0.282	2.152	0.603	13%
190-60 IXTAbox	0.283	2.183	0.618	15%

 

Beide dakkoffers vergroten natuurlijk het geprojecteerde oppervlak (toegenomen met 0,301-0,366m2), terwijl slechts de helft van de IXTAbox-modellen een toename ervaart (toegenomen met 0,002-0,077m2). Bovendien is de hogere luchtweerstandscoëfficiënt Cd heeft een negatief effect op de dakkoffers, aangezien Cd alleen licht toegenomen voor de IXTAbox-modellen.
De resultaten concluderen dat de totale luchtweerstand die wordt veroorzaakt door welke variant van de IXTAbox dan ook, slechts met 3% tot maximaal 15% zal toenemen, terwijl dakkoffers een extra luchtweerstand van 38% tot 43% genereren. Hierdoor verbetert de IXTAbox de aerodynamische eigenschappen van voertuigen gemiddeld met 300% vergeleken met een dakkoffer. 

De impact van het verschil in luchtweerstand wordt goed weergegeven in de volgende vergelijkbare afbeeldingen, waar je de grootte van de luchtstroom achter beide boxen kunt zien, evenals de lage-drukzones en windsnelheid achter het voertuig.

 

 

*Afbeelding 2.2* De IXTAbox neemt een deel van de luchtstroom achter de auto in beslag en stroomlijnt zo het aerodynamische profiel. 

Deze studie toonde aan dat de verticale positie van de IXTAbox ook invloed kan hebben op de luchtweerstand. Een IXTAbox wordt bij voorkeur op gelijke hoogte of hoger dan de onderkant van de auto geplaatst. In gevallen waarin de IXTAbox lager wordt gepositioneerd, kan de wind tussen de auto en de box doorstromen, wat de luchtweerstand enigszins verhoogt (Afbeelding 4). Onder bepaalde omstandigheden kan een IXTAbox op een voertuig echter een lagere luchtweerstand creëren dan het voertuig alleen.

 

* Afbeelding 3.* Optimaal gepositioneerde IXTAbox 190x60. Zelfs grote IXTAboxen kunnen optimaal gepositioneerd worden.

* Afbeelding 4. Te laag gepositioneerde IXTAbox 190x40 toont lucht die tussen de auto en de box beweegt, wat de luchtweerstand sterk verhoogt *

 

Dit is mogelijk omdat een IXTAbox een groot deel van de natuurlijke luchtstroom achter de auto kan vervangen en zo de totale vorm van het voertuig en de box verandert. Zoals te zien is in Afbeeldingen 2 en 3, vormt de vorm van de box een “natuurlijke” verlenging van de aflopende vorm van de auto en verbetert daarmee de aerodynamische vorm in zijn geheel. Wanneer een box een minimale geprojecteerde oppervlakte toevoegt en goed gepositioneerd is om de luchtstroom onder de auto tussen de auto en de box te minimaliseren, kunnen interessante resultaten worden bereikt. In simulaties waarbij een diffusor vanaf de onderkant van de IXTAbox naar de auto wordt verlengd, waardoor de luchtstroom tussen de auto en de box wordt voorkomen, is de luchtweerstand ongeveer 5% lager dan bij alleen het voertuig. Dit scenario opent de deur naar de mogelijkheid om een IXTAbox te gebruiken om de luchtweerstand te verlagen en zo verder te rijden.