Улучшение характеристик впускного тракта
 

Граждане любопытствующие,
Извольте отведать немного размышлений...

ВВЕДЕНИЕ / СПРАВКА

Что общего между улучшением наполнения цилиндров и игрой в гольф?
Правильно, нечто, лежащая в основе, например, вот этого:

http://smotra.ru/data/img/users_imgs..._img-27739.jpg

а именно - АЭРОДИНАМИКА.

В гольф играют не в вакууме, а на воздухе, поэтому на летящий мячик действует в т.ч. сила лобового сопротивления набегающего воздушного потока. Чтобы мяч летел дальше нужно эту силу минимизировать. Как? Было определено, что идеально гладкий мяч, рассекая поток воздуха, создает перед собой приграничный ламинарный слой, который максимизирует лобовое сопротивление и оставляет позади мяча широкую аэродинамическую тень из рассеченных слоев воздуха. Если же ламинарный приграничный поток превратить в турбулентный, то это приведет смещению зоны лобового сопротивления назад, а также уменьшит тень:

http://www.me.utexas.edu/~hidrovo/Im...plane_boat.jpg

Большое количество ямок на привычном мяче для гольфа как раз и решает задачу превращения ламинарного потока в турбулентный.

ПРИКЛАДНАЯ АВТО-ПРАКТИКА

Как это может пригодиться в авто?
Глядя на сюжет из Разрушителей Легенд на Discovery Channel, в котором они сделали кузов авто в форме поверхности мяча для гольфа в надежде снизить расход топлива:

http://www.autoblog.com/2009/10/22/m...-dimpling-mpg/

На днях же у меня в голове раздался вопрос: "А как изменятся характеристики воздушного потока, движущегося внутри трубы, поверхность которой вся испещрена ямками, как на мячике для гольфа?".

Посему я решил смоделировать 2 воздушных потока в трубе с ямками и без них. Для этого я смоделировал трубу внутр. ф75.0мм и длиной 300мм; одна труба остается без изменений, во вторую же я добавляю ямки.
Затем я продуваю обе трубы и сравниваю результаты.

Продувка:
Характеристики потока я взял те же, что использовал для продувки впускного коллектора:
За основу расчетов я взял турбомотор объемом 2.4л, с рабочим диапазоном оборотов от 1000 до 9000 rpm. Эмпирически я исходил из того, что турбина будет дуть с 3500-4000 rpm, выходя на буст 2 атм на 6000 rpm и держа его вплоть до 9000 rpm. Теоретически, здесь можно принять любые условия, потому что я сравниваю 2 трубы "при прочих равных условиях". Расход воздуха (с учетом работы цилиндров по схеме 1-2-2-1) получился следующий:

http://i.piccy.info/i5/53/50/1635053/Flow.jpg

Для тестов я использовал 4 замера в целях экономии времени: на 1000, 4000, 6000 и 9000 rpm соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Что же получилось?
Получилась, на самом деле, интересная картина: в зависимости от плотности и размера ямок можно получить разные характеристики потока по сравнению с гладкой трубой.
Я продул 7 разных вариантов поверхностей. Из них получил 2 геометрии, которые, в целом, продуваются лучше гладкой трубы; остальные - хуже.
Что есть "лучше" и "хуже"? В первую очередь, я обращал внимание на скорость потока: чем выше скорость потока - тем труба "лучше". Затем смотрел на давление. Известно, что чем выше скорость, тем ниже полное (динамическое + статическое) давление.

Так вот прирост скорости потока для меня был более значимым, нежели потеря давления. Расчеты показали, что давление падает несоразмеримо меньше, чем растет скорость, поэтому разницей давлений можно смело пренебречь.

На итоговой иллюстрации ниже показан "победитель" и сравнительная таблица (по мере убывания привлекательности) всех 7 геометрий. Также там показаны расчетные показатели 4х замеров "победителя".
(Под №3 скрывается "гладкая" труба без ямок)

http://5105.iz.piccy.info.nyud.net:8...5105/Slots.jpg

Из иллюстрации видно, что на 9000 RPM труба с ямками показывает наилучший результат: скорость потока составляет 61.02 м/сек против 58.17 м/сек у гладкого конкурента.
В то же время в зоне турбоямы (1000 RPM) скорость гладкой трубы несколько лучше: 2.29 м/сек против 2.28 м/сек. Но это уже малозаметные "копейки". Видно, что уже со следующего замера (4000 RPM) "ямки" начинают работать эффективнее.

Безусловно, можно было бы провести не 4, а, скажем, 9 или 18 замеров с шагом в 500 RPM и повысить точность расчетов. Но на это не было времени. Основная задача данного поста - привлечь внимание к этой, на мой взгляд, интересной проблеме и, в идеале, провести дискуссию.

Также остается открытым вопрос: насколько нужно и обосновано увеличение скосрости потока в зоне буста.

В общем, предлагаю обсудить.

PS. я тестировал только ямки сферической геометрии. Можно использовать треугольники, шестиугольники итд...

а как их делать конструктивно?

элементарно в 3 шага:
(1) делается болванка внутреннего пространства (труба с горбиками) из любого легкоразрушаемого материала
(2) сверху обклеивается композитным материалом (стекло, уголь итд)
(3) удаляется болванка

ШВЕД, Сделать можно и из алюминия, прессом на листе выдавить ямки и потом свернув лист в трубку - сварить.
Форма ямок я думаю не обязательно круг, в случае с мячиком такая идея лучшая так как шарик может вращаться при полете в любом направлении и лететь любой стороной. У нас же поток идет в одну сторону...Уверен что существует форма более оптимальная, но это уже к аэродинамщикам, тут я ламер.


Но! Если к примеру взять не прямую трубу а поворот, то тут ситуация интереснее! Ямки работают как создатели вакуума и изменяют направление потока и на повороте находясь на внутреннем радиусе трубы они будут очень хорошо помогать повернуть поток без трения о поверхность трубы, в то время как те что будут по внешнему радиусу будут поток тормозить. итог только повнутренней части поворота нужны ямки. Вот вам и патент))))

ШВЕД, измерь 90градусный гиб с ямками , я думаю расстроишься

Parus, neo:
спасибо за советы. попробую построить такие модели и если получится то результаты выложу.
для начала же хочу попробовать не сферы а другие тела попробовать на прямой трубе. постараюсь быстро это сделать

Думаю . И вот , что мне кажется , что данное усовершенствование приемлемо более для движущихся в газе тел в ,образно, бесконечность . Наш же поток , представим , что он действительно идёт по прямой , а не в гибах нашего пайпинга/ радиатора , имеет конечную станцию , а.и. депо/коллектор где он и складируется/распределяется по горшкам , и где его постоянно достаточно , учитывая правильный рессивер . Увеличим мы поток и куда он в итоге денется ? Да и вот , что измерения проводились на 3х метровой трубе , в действительности , что мы имеем , несколько коротких отрезков , думаю ,по законам , разницей можно пренебречь . ИМХО

(1) Шестигранники после турбоямы показывают несколько лучший результат нежели сферы:

http://i.piccy.info/i5/44/58/1635844/Slots_6.jpg

(2) Coach:
Со многим согласен. Но чтобы начать считать поток учитывая весь маршрут с прямыми, поворотами, силиконами итд нужно для начала убедиться на элементарных вещах в том что данный принцип применим. иначе есть риск потратить кучу времени на вычисления впустую.

что касается конструктива по твоему посту:
тут исходя из цифр можно говорит о 2 фазах: (а) турбояма и (б) буст.
с [б] все понятно - дроссель полностью открыт и все что есть от улитки до дросселя идет во впуск.
с [а] можно рассуждать так:
это либо состояние неполного открытия дросселя (=грубо говоря тошним в пробке)... в этом случае нам плевать на наполнение цилиндров.
и второе состояние - это дроссель открыт полностью но мы стартуем с холостых. в этом случае эффективность наполнения играет важную роль.

таким образом для меня остается только один вопрос: стоит ли жертвовать (пусть и жертвы копеечные) скоростью потока в турбояме ради разгона потока в стадии буста....

в то же время стоит иметь в виду что после дросселя поток будет разгоняться дудками (при условии что они имеются и они правильные).

Ну ладно , заверну по другому . Если мы отталкивались от формы мяча , то для него действительно лучшей поверхностью является описанная . А если взять эталон - каплю , а у неё поверхность идеально ровная . Ещё раз думаю , что тебе надо идти не от поверхности , а от формы . Тогда надо делать прямый в ямку , а гибы гладкими . И в идеале свести пайпинг к нулю прикрутив интеркуллер над в/ коллектором , устроив его теплоизоляцию и забор воздуха на него , а это уже не ново . А тут и ямки не нужны . Пишу и думаю , что уже не о том , но не писать тоже никак , уж больно интересная темка :)

ну у капли ровная поверхность из-за действия нескольких сил:
(1) гравитации (2) лобового сопротивления газовой среды и (3) поверхностного натяжения жидкости капли
если мы говорим о воде то тут главная сила наверное - поверхностное натяжение.
и вообще это отдельный тип задач гидродинамики - "внешняя задача".

у нас же "внутренняя задача" - газ идет внутри трубы. тут будут взаимодействовать граничные слои "газ/стенка" и слои внутри потока "газ/газ".

а вот с этим сразу я не готов согласиться. почему ты уверен что это идеал?
сведение длины труб конечно пойдет на пользу тк не будет потерь на трение.
но с другой стороны если ямки создадут завихрения которые будут способствовать более быстрому течению "внутренних" (ближе к центру потока) слоев - мы сможем увеличить скорость потока в целом. а в этом случае отказ от такой трубы уже не будет идеальным...
интересно кто-либо озадачивался такой конструкцией....

а можно смоделировать трубу с заданной шероховатостью поверхности?
просто поверхность пайпинга внутри далека от идеальной
поэтому о ламинарных потоках там можно не думать
какие параметры входящего потока в проге?

можно и шероховатость и температуру и теплопроводность и еще есть настройки.
только с шероховатостью никада не работал и не знаю что за параметры там (в чем и как измеряется). не вникал еще просто.
PS. софт: Flow Simulation 2010 для Солида.

Ну от чего же , ты не согласен ? Ты всей своей идей хочешь свести к нулю турбояму , а что она есть по сути , задержка во времени пока турбина закачает избыток во весь объём пайпинга, коллектора, интеркуллера....
И трение тут дело десятое :) А главное уменьшений того обЪёма .
Ничего не имею против твоего ноу хау , считаю , что для прокачки газа Уренгой-Помары-Ужгород это высший пилотаж :) , но у нас под капотом , я уже повторяюсь.....

ШВЕД, Подумал вот еще над чем... Должна быть разница для потока от глубины этих ямок. Чем глубже тем больше эффект, но до определенного размера. Но тут снова все же возвращаеся к поворотам, так как именно в них мы имеем самые большие потери.

ШВЕД, Да по форме ты меня не понял , капля это только пример , я же о том , что для разной формы нужна своя поверхность .

так, с поворотами возникла проблема...
сделать гладкую трубу с любыми поворотоми сложности не представляет...
а вот вычесть из этой трубы множество сфер которые помимо радиального симметричного расположения еще бы шли вдоль изогнутой кривой - проблема... работаю в Inventor'е 2010.... там таких инструментов не знаю :( как такое осуществить ума не приложу... вручную ясен пень делать не хочу.

Ладно, раскритикую саму концепцию использования в качестве примера гольф мяча.
Сама форма этого предмета далеко не идеальная и обусловлена прежде всего компромиссом, а именно, тем, что данный снаряд должен быть шарообразным (это ведь мяч) и ударопрочным (ведь по нему же бьют клюшкой).
Насколько я помню, наиболее эффективной в плане снижения сопротивления признана поверхность с эффектом "акульей кожи" (те-же гидрокостюмы для плавания) которую нельзя применять на мяче по причинам мной указанным.

в плане внутренней поверхности труб... Макс правильно написал, она далеко не полированная внутри, и у ней изначально присутствуют шероховатости.

extrimer, Но вот в поворотах концепция ямок имеет смысл.

какой конкретно?

extrimer, А такой что поток будет менять направление частично за счет притяжения в сторону ямок(как в хвостешарика), а не тупо скользя по стенке трубы испытывая трение.

Прочитай пост Ухоплана и концовку моего

extrimer, Ну шероховатость она дает приличную погрешность, но речь пока о том что в идеале. Все же неровности присутствуют и будут присутствовать в любой реальной модели, главное понять тут как работают ямки в различных комбинациях.

шероховатость:
я исхожу из того что впускной тракт от кулера идо дросселя изнутри имеет зеркально-гладкую поверхность. шероховатостью можно поэтому пренебречь.
технически это вполне достижимо.
посему сейчас дискуссия на тему целесообразности ямок на такой зеркальной поверхности.

ШВЕД, Леш, а по сути то форма ямок значения не играет! Сам посуди, обычная аэродинамика, я все не успокоюсь с поворотами... Достаточно веди сделать тупо стенку в виде гофры, но только мелкой и по внутреннему радиусу и все.

Простите за оффтоп. Но объясните как вот это даёт прирост http://baza.farpost.ru/8961666.html

это реальный офтоп который никак никакого прироста не дает. снаружи блестит - внутри шершавый.

Смею поправить , в этих костюмах , если мы имеем в виду спортивное плавание , имеет место конструкция фибры , накапливающая на своей поверхности пузырьки воздуха и тем самым повышающая плавучесть , снижая сопротивление воды , ибо тело меньше погружено в воду .

ШВЕД, какая характеристика входящего потока?
он ламинарный или турбулентный изначально?

использую смешанный (турбулентный + ламинарный).

апдейт:
сделал ямки по форме капли. результат = почетная бронзовая медаль (с небольшим отрывом):
(1) шестигранник (61.1384 м/сек @ 9000 RPM)
(2) первоначальная сфера (61.0213 м/сек @ 9000 RPM)
(3) капля (60.0757 м/сек @ 9000 RPM)

Т.е. 3м пайпа с шестигранниками поток пролетает за , грубо , 0,05 сек , а гладкую за 0,052 сек . В чём прикол и на сколько это сократит турбояму ?-)

Пацаны, а вам не кажется, что в корне эти ямочки толку не дают? Мяч для гольфа круглый и в полёте он вращается, в отличии от впускного тракта (он скорее вогнутый), возможно у него просто другая физика? Или вот те же самые военные, от которых потом к гражданским попадают самые передовые технологии - они что тупые и не догадались делать поверхность самолётов и ракет делать с ямочками чтобы снизить трение воздуха и тем самым ускорить полёт и сократить расход энергии? =)
Да и глупо вот так основываясь на программном софте строить такие точные расчёты воздушных потоков (не зря ведь такие деньги тратят на аэродинамическую трубу, если бы можно было б просто на компе смоделировать), тогда уж проще этот вопрос поднять на форуме, где сидят спецы по аэродинамике, там будет меньше воды (теоретических предположений), а больше всё-таки конструктива..

Coach,
а ты прикинь сколько воздуха за эти 0.002 может дополнительно пройти на высоких оборотах....

кроме того есть такой параметр как VE (Volume Efficiency) который показывает фактическую наполняемость цилиндра. Обычно этот показатель меньше единицы. Однако даже на атмосферных моторах при правильно подобранной геометрии впускного и выпускного трактов VE может достигать и 1.17. Без наддува.
Что касается наддува: да, на верхах в принципе особой паники нет - там турба дует. А вот низы хромают.
Посему с практической точки зрения оч хочется увеличить наполняемость цилиндров в первую очередь на низах. Особенно на строкерах.
Пока что расчеты показывают на положительный эффект на верхах. Тем не менее само существование эффекта позволяет предположить что правильно подобранная геометрия этих турбулентных ям могла бы помочь увеличить скорость потока (и как следствие VE) на низах. Но это нужно доказать или опровергнуть цифрами.

Теперь VadimG,
Для того чтобы понять дает что-то толк или нет нужно хотя бы попробовать что-то сделать. Т.е. исследовать проблему. Для этого требуются некоторые действия. Именно этим я и занялся и решил поделиться с форумчанами. Наконец мне это любопытно.
Возвращаемся к гольфу: законы аэродинамики едины как для внешних (гольф) так и для внутренних задач (трубы).
Наконец любимые многими аналогии с воеными... Мое мнение таково: какие-то абстрактные военые у которых якобы есть божественный дар и бесконечное множество талантов - для меня ни разу ни аргумент. Не хватит ли уже копировать стереотипные фразы? Что грандиозного эти "чудо-военые" передали нам, презренным гражданским? Какие-такие передовые технологии? Нано-тряпки? Уронили ракету со спутником? Что? Почему все дружно на них рефлексируют?

Нет, это не глупо. Весь мир уже достаточно давно освоил программные пакеты для расчета и потоков, и заполнения матриц при литье пластиков и металлов и еще бесконечное множество других технологических процессов. И если бы это было глупо, как ты говоришь, то никто бы этим не занимался. И делали бы все методом проб и ошибок и в сотни раз дольше.

Да, я могу найти специализированные форумы по аэродинамике и обсудить все нюансы "со спецами". Только как видно из моих действий я предпочел вынести эту проблему на обсуждение именно на этом форуме.
Зачем? Чтобы привлечь внимание рядовых ДСМеров например к такой проблематике матчасти. Возможно кому-то это пригодится, может для кого-то это будет импульсом для какой-то другой креативной мысли... Лично мне приятно когда люди с других форумов приходят и говорят "да, ребят, у вас самый толковый и информативный по технической части форум в инете". Да, это про наш DSM-club.org. И мне не хотелось бы чтобы форум превратился в барахолку и обсуждение где дешевле покрасить колеса... Лично мне интересно обсуждать технические проблемы требующие какого-то творчества. Это очень неплохо развивает.

ШВЕД, Сказал как отрезал) Но к сути темы: Согласись что в любом впуске самые затратные для потока места это повороты... может есть смысл рассматривать именно их?

повороты и еще силиконовые вставки и стыки труб.
я с радостью их рассмотрю.. но вот я уперся в моделирование такого поворота с ямками :( ума не приложу как такое сделать...

Добавлено через 1 минуту
т.е. трудность именно в создании криволинейной повторяющейся геометрии вдоль заданной кривой...

ШВЕД, Вот с радостью бы помог, но ни программы такой нет и не шарю я в ней(

да, именно для спортивного плавания (а не серф или дайвер гидры). Я читал там именно эффект чешуек
http://www.bolshoisport.ru/articles/plovtsy-v-upakovke

это слова профи , которые и перекликаются со мной , домыслы журналиста фигня . Могу расширить - в воде как известно есть кислород , так вот любая неровность приводит воду к бурлению , как следствие высвобождая оный , что и приводит к эффекту всплытия .Вся техника плавания направлена только на одно - выше лежать на воде + проталкивание и усё .

Добавлено через 19 минут
ШВЕД, Все твои труды праведные разобьются о подводные камни . такие как интеркуллер . Сидеть и ничего не делать или копировать , подбирать баночку или дворники скучно , вот тут ты прав и я буду копаться в таких темах как у тебя лучше .
Ты вспоминаешь атмосферу и низа на турбо , что и есть первое . Так вот есть первое правило и оно касается не конфигурации впускного тракта , а его длины , её стремление к нулю и улучшает реакцию на дроссель . Мне кажется путь на уменьшение длины пайпов даст большый эффект .
Что до прохождения твоей эксперементальной трубы , её в реале нет и не будет , отдельные небольшые же участки пайпа не дадут должной разности в наполнении .

леш, вроде, твоя прога считает статику
т.е. посмотреть динамику развития при переходе от 3000 к 4000 оборотов не получится (даже боюсь представить себе необходимую для этого вычислительную мощность)
а мне кажется, что на каких-то переходных режимах можно будет получить серьезный минус за счет резонансных явлений
поэтому основная проблема в том, что просто не получится просчитать правильную поверхность для всего впуска. т.е. теоретически интересная задача не имеет практического решения

дам своб критику,что данная труба работоспособна и дает + но на значительном растоянии,растояние же в 0,3-0,5 метра даже и не стоит яйца выеденого. ибо впускной тракт короткий,и задуман так конструкторами по тойже причине.
а вот где нашлось бы реальное применение такой трубы так это на выпуске,уменьшили бы отраженную волну в трубе в разы,скажу даже так на грузовиках интернешенал на выпуске стоят трубы гофры,которые ребристые кольцевидные влоть до самой банки глушителя, тем самым они убивают отраженную волну,и ломают и рвут поток воздуха чтобы он лучьше проходил на выход,и еше на выходе глушителя у них уснаовлен соповик...даже не знаю как вам обьяснить как он выглядит, представьте дорожные конусы которые у основания очень широкие а на верху значительно уже ну так вот широкой частью конусь надет на выход выхлопа но не надет а приварен на трубки держатели и зазор между стенками соповика и выхлопа примерно по 2 см., дальше он надет на выход глушителя примерно на 1-2 см в глубину, а выход этого конуса соповика чуть больше выхода трубы выхлопа,примерно на 1см. короче этот соповик нагоняет давление изза движения авто и изза конусовидный формы гонит его на выход и заодно высасывает выхлопы из глушителя причем очень не слабо.
такими соповиками даже пользовались чтобы откачать воду из подвала,кидался шланг с высоким давлением воды исоповиком,вода под этим давлением засасывала всю воду что была в подвале и в соповик ее втягивала и уносила дальше по шлангу.
причем было замечено что мотор потерял в тяге немного когда мы такой соповик оторвали случайно,а по приезду в сервисе повставили идентичный и снова вернулась тяга.

Zuomer, соповик . это называется по старой школе мигофон . ставились ранньше на все четырёх-тактные маторы . но понынешним меркам не проходят звуковые дицыбелы