Faget aerodynamikk viser hvordan luft bremser alt som flytter seg gjennom den. Ikke minst biler. Her er noen poenger.

Bildet øverst: Polestar 5 ble blåst i Volvos vindtunnel, du ser Kamm-hekken. Men en fly-ingeniør ville ha buet inn sidene mot hekken for å få smalere turbulensrull bak bilen (mindre sug) …  En enda mer aerodynamisk bil sånn sett er Mazda 6e, sjekk den!  (Foto: Volvo)

Av Stein Bekkevold

Vi glemmer fort at luft er gass. I gass er det molekyler. Alt med molekyler veier noe, det har masse – ting har også masse i verdensrommet men veier null og niks der, fordi det ikke er noen gravitasjon der …

Luftas masse veier i hodehøyde litt over en kg per kubikkmeter. En bil på 15 m³ må fortrenge dette (og litt til) når den kjører. Luft liker ikke – som all annen masse – å flytte på seg. Så vi har en fortrengningsmotstand. Og lufta strømmer langs bilen, men lengst inne, ved lakken – står den nesten stille. Lenger ut begynner den å strømme like fort som bilen kjører. Dette luftlaget – som i økende grad rives med – er grensesjiktet. I dette er det en skjærkraft – motstand skapt av den «fastsugde» lufta på lakken – fordi dette sjiktet i økende grad rives med av fartsstrømmen. Turbulensen gir motstand – dynamisk viskositet. Jo fortere du kjører, desto mer minner lufta om sirup!

Klassiske strømningsforhold rundt og bak en bil. – du ser hvor viktig hekkformen er.  (Illustrasjon fra NASA)

Vindtunneltesting

Gass liker ikke å forandre retning – alt med masse har en iboende treghet. Så en buet flate har riktig form bare i et gitt fartsområde. Må lufta strømme fortere blir den avløst – den slipper taket og blir turbulent – med stygge virvler og økende motstand. Glatt strøm er laminær, turbulent strøm koster energi. Poenget må være å lage en form som gir fin og glatt strømning helt opp mot toppfart. Med styrt avløsning bak bilen for å senke virveltverrsnittet der – suget – med Kammprofil. Da trengs vindtunneltesting.

Reynolds

Fordi det er altfor dyrt å lage modeller i full skala, lager de én modell, ofte i skala 1:20. Skal ferdig bil bli 4.8 meter lang må modellen være 4800 cm delt på 20 = 24 centimeter. Men den blåses jo med akkurat samme tette luft som den ferdige bilen må fortrenge – så motstandstallene blir feil – tunnellufta er tett og tung.

Derfor fant den irske forsker O. Reynolds (1842-1912) på noe kjempesmart, for rundt 150 år siden (lite er nytt): Han innførte Reynolds tall, sentralt i fluiddynamikk. Vi kaller det Re.

Her er den bratte motstandskurven – i skribentens tusj …

Re – og viskositet

Reynolds tall viser forholdet mellom treghetskrefter og viskøse krefter (seige) i en væske/gass med relativ indre bevegelse – i ulike hastigheter. Et strømområde der kreftene endres er jo et grensesjikt. Relativ bevegelsen i dette gir friksjon, turbulens. Reynolds tall Reangir den relative betydningen de to strømningstypene har, for gitte strømningsforhold, og angir når turbulent strømning oppstår.

Evne til å forutsi starten på denne er viktig designverktøy for alt som går gjennom luft, og Re brukes for å bestemme dynamisk likhet mellom to typer strømning, altså ulikhet/likhet mellom en modell og fullskalaversjonen – tallene kan ikke direkte overføres i forhold 1:20. Det som skjer er ikke lineært, med Re får vi skaleringsfaktorer. Som angir motstanden i en fullskala modell, den ferdige bilen.

Laminær og turbulent

Laminær strømning får vi ved lave Reynoldstall, der viskøse krefter dominerer, den er en jevn, konstant bevegelse; turbulent strømning ser vi ved høyere Re – med treghetskrefter, kaotiske virvler og diverse instabiliteter – med økt motstand. Formel: Re = uL/v = ro uL/my. My er dynamisk viskositet i Pa/s og Ns/m² mens v er kinematisk i m² /2. Dynamisk viskositet angir luftens indre friksjon eller seighet, og motstand mot skjærspenninger. Ved 20 gr C er den omtrent 1,8 ganger 10 ^-5 Pas (Pascal-sekund). Dette er lavt sammenlignet med vann, og øker med økende temperatur.

Også italienerne kan aerodynamikk – fine Dino med Kamm-hekk ble formet i urtiden av Brovarone og Fioravanti. (Foto: Mr. Choppers)

Kinematisk viskositet

Kinematisk viskositet skrives ν=η/ρ, der η er viskositet og ρ er massetetthet. Enheten er m²/s. Tallet kvantifiserer såkalte newton-væsker med viskosimeter, der tyngdekraften gir målene. Et vanlig mål er 1,6 x 10 ^-5 m² /s.

I en Newton-væske er flytehastigheten (skjærhastigheten) proporsjonal med kraften (skjærspenningen) som virker på den. De fleste væsker er newtonske.

Re er luftas tetthet (ro) ganger lufthastigheten ganger modellens lengde i meter delt på luftas dynamiske viskositet. SI-enheten er m²/s, ofte kalt centistoke (cSt), hvor 1 cSt = 10⁻⁶ m²/s. Kinematisk viskositet er omvendt proporsjonal med trykket (tettheten øker med trykket) og dermed synker den kinematiske viskositeten.

Det skal ikke være lett.

Luftmotstand

Formelen er D = ½ q Cd A v² der q er luft-tetthet i kg/m³ og A er det blåste tverrsnittet og v er farten i m/sek. Cd er luftmotstandskoeffisienten, den vi finner i vindtunnel. Om vi sier at alt foran v (konstanten) er lik X ser vi at D = Xv²/2 og at D sterkt avhenger av hastigheten v.

36 km/t er lik 10 m/s – fordi det er 60 sek i et minutt og 60 min i en time:3600; multiplikator 3,6. 20 m/s = 20 ganger 3,6 = 72 km/t; 30 = 108 km/t; 40 = 144 og 50 m/s = 180km/t.

Motstanden øker kvadratisk med fartsøkningen: (v²/2) og vi får: 50 x 50 = 2500/2 = 1750 N … I tillegg kommer Cd – poenget var å vise motstandsøkingen – som er en annengradskurve. Den stiger brattere etter ca 20 m/s. – 72 km/t.

Gode gamle Opel Manta hadde også fine linjer. (Foto: Erik van Putten)

Strømningsform

Alt dette påvirkes av tverrsnitt/lengdeforhold (en pil er slank), overflateform, kurvatur – og egnede styreflater. Slik kan du påvirke luftstrømmen så den endrer natur med hastigheten, du oppnår transient strømning. På overlydsfly kan vinge og skrog ha én lokal form som passer i hastigheter under 1300 km/t og en annen som passer godt – kanskje rett bortenfor eller litt opp – i overlydsfart – til 2500 km/t, som på kampflyet Saab 37 Viggen. Det er lokalisering av trykksentre. Der endrer luftstrømmen retning og karakter (trykk) – mens motstand og luftstyring holdes nær uendret. En ting er jo å lande et 16 tonns kampfly i 290 km/t, for å stanse på maks 700 meter (på veibase) – en annen er å holde flyet stabilt i en kurve i 2400 km/t på 18000 meters høyde … Da trengs gode trykksentra.

Finstyre strømmen

Men har alt dette mye å si for privatbilens forbruk? Ikke så mye på norske veier, der vi som regel kjører i 70-80-90 – så her er det nok MYE viktigere med riktig lufttrykk, og å kjøre jevnt … Det blir noe annet i baneløp. God aerodynamikk betyr svært mye for snitthastigheten når du kan justere suget under bilen med kanaler formet som venturi og klaffer for å finstyre strømmen og få økt toppfart rett fram – og sugende grep i svingen.

Men det er jo en helt annen historie.