OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26- 27 Mayıs 2014, BURSA
GERÇEK ARAÇ MODELİ ÜZERİNDE DENEYSEL ve SAYISAL
AERODİNAMİK ANALİZLER
Armağan Altınışık*, Emre Kütükçeken*
Onur Yemenici** , Habib Umur**
*
**
Tofaş, Bursa
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Bursa
ÖZET
1:5 ölçekli FIAT Linea modeli Ankara Rüzgar Tüneli’nde (ART) 30 m/sn rüzgar hızında aerodinamik testlere tabii
tutulmuştur. Sürükleme katsayısı (Cd) ve simetri ekseni üzerindeki statik basınç değerleri(Cp) ölçümlenmiştir. ART
testlerinde model ön hava alıkları kapalı ve taban altı ise düzdür. Sayısal çalışmalarda RANS denklemleri StarCCM+
ticari kodu ile SIMPLE algoritması kullanılarak ve realizable k-ε two-layer türbülans modeli ile çözülmüştür. Sayısal
çalışmalarda üç durum modellenmiştir: 1:1 komple araç modeli, 1:1 model ön hava alıkları kapalı ve 1:5 model ön hava
alıkları kapalı,taban altı düz. Elde edilen ART deneysel sonuçları ve sayısal sonuçlar birbiriyle ve gerçek araç FIAT
rüzgar tüneli sonuçlarıyla kıyaslanmış ve paralel sonuçlar elde edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Otomotiv, aerodinamik, sürükleme katsayısı, basınç katsayısı
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL AERODYNAMIC ANALYSIS OF A PASSENGER CAR
ABSTRACT
1:5 scale model FIAT Linea has been tested in Ankara Wind Tunnel (ART) at 30 m/s freestream velocity. Model
drag coefficient
( ) and the static pressure distribution
( ) on the symmetry line have been measured. Front air
ducts were totaly closed and the model underbody was smooth. In the numerical part of the study RANS equations
were solved for 1:1 scale and 1:5 scale models by StarCCM+ commercial code. Realizable k-ε two-layer turbulence
model was used for the turbulence model. Numerical analysis have been performed for three cases as, 1:1 scale
complete vehicle, 1:1 scale front air ducts closed with detailed underbody, 1:5 scale front air ducts closed with
smooth underbody. Drag coefficient trends were very similar in both numerical and experimental results and
experimental (
) distributions on the symmetry line were almost same with the CFD results.
Keywords: Automotive, aerodyamics, drag coefficient, pressure coefficient
(1)
1. GİRİŞ
Aerodinamik stil araç dizaynı açısından en önemli
unsurlardan biridisir. Araç stabilitesi, kullanım konforu
ve yakıt sarfiyatı üzerine direk etkilidir. 100 km/h hızla
seyreden ortalama bir araçta harekete karşı oluşan
dirençlerin yaklaşık %75 ini aerodinamik dirençler
oluşturmaktadır. Dolayısıyla sürükleme katsayısının
düşürülmesi yakıt sarfiyatı açısından son derece
önemlidir(1). Aerodinamik sürükleme katsayısı aşağıdaki
formülasyonla ifade edilir:
Burada model üzerine etki eden toplam sürükleme
kuvvetini,
hava yoğunluğunu,
serbest hava akım
hızını, ise modelin hava akımına dik kesitini ifade
etmektedir.
Aerodinamik sürükleme kuvvetinin iki bileşeni
bulunmaktadır: yüzey sürtünmesine bağlı viskoz
kuvvetler ve modelin etrafında oluşan basınç dağılımına
bağlı basınç sürükleme kuvveti. Araç modelinin ön
kısmında pozitif yüksek basınç alanı oluşur iken arka
1
kısımında ise akım ayrılmasına bağlı olarak negatif
basınç alanı (vakum) oluşmaktadır. Aerodinamik basınç
katsayısı aşağıdaki formülasyonla ifade edilmektedir:
(2)
Burada
referans statik basıncını,
ise model
üzerinde ölçülen statik basıncı belirtmektedir. Modele ait
aerodinamik sürükleme katsayısının iyileştirilmesi model
üzerindeki aerodinamik basınç dağılımının iyileştirilmesi
ile doğrudan ilişkilidir.
Hava tünellerinde gerçekleştirilen deneysel testler
aerodinamik çalışmalar için hala vazgeçilmezliğini korur
iken, literatürde sayısal (CFD) analizlerinin de yaygın bir
şekilde kullanıldığı görülmektedir. İyi kontrol edilebilen
CFD kodlarıyla gerçekleştirilen analizlerde gerçek
sonuçlara %6-8 yakınlıkta sonuçlar elde edilebilmektedir
(2). Aynı modelin farklı hava tünellerinde test edilmesi
durumunda bile elde edilen sürükleme
katsayısı
değerinde %5 değerine kadar sapmalar görülebilmektedir
(3). Bu durumda sayısal ve deneysel çalışmalar
arasındaki farkların %10 ve üstü seviyelerinde olması
doğal kabul edilen bir sonuçtur (4,5,6).
Aerodinamik analizlerde bulunan sürükleme katsayısı
değerleri modelin test esnasındaki fiziksel durumu ile
direk ilgilidir. Örnek olarak modelin ön hava alıklarının
tamamıyle açık olması, taban altının tamamıyle gerçek
modeldeki gibi detaylandırılmış olması durumlarında elde
edilen sürükleme katsayısı değerleri artmaktadır. Araç
modeli
taban
altının
tamamıyle
düz
olarak
Şekil 1. (a)ART şematik görünümü 1.deney odası 2.
1.difizör 3. 1.ve 2. dönüş kanalları 4. fan 5. 2.difizör 6.
dönüş kanalları 7. akım düzeltici elekler 8. daralma konisi
(b) 1:5 ölçekli model deney odası görünümü
modellenmesinin
∆
değerini -0.045
literatür
çalışmalarından
seviyesinde iyileştirdiği
görülmektedir(7). Modelin ön hava giriş ızgaralarının
kapalı olması durumunda da gerçek araçtaki sürükleme
1:5 ölçekli model boyutları ve simetri ekseni boyunca
açılan statik basınç delikleri Şekil 2. de görülmektedir.
Simetri ekseni boyunca 84 adet = 1mm çapında basınç
deliği bulunmaktadır. Modelin altı ise düzdür.
∆
değerinin -0.04
katsayısı değerine göre
seviyesinde iyileşme görülmektedir(8).
Bu çalışmada, 1:5 ölçekli FIAT Linea modeli ART’de
30 m/sn rüzgar hızında aerodinamik olarak test edilmiş,
sürükleme katsayısı ve model simetri ekseni üzerinde
statik basınç katsayıları ölçümlenmiştir. Modelin alt
tabanı düz ve hava giriş alıkları kapalıdır. Sayısal
analizlerde, RANS denklemleri SIMPLE algoritması
kullanılarak, realizible k-ε two-layer türbülans modeli ile
üç değişik durum için çözülmüştür : 1:1 ölçekli komple
araç, 1:1 ölçekli araç ön hava alıkları kapalı, 1:5 ölçekli
model ön hava alıkları kapalı ve taban altı düz. Elde
edilen deneysel ve sayısal sonuçlar hem birbirleriyle hem
de gerçek 1:1 Linea modeli FIAT rüzgar tüneli
sonuçlarıyla kıyaslanmıştır ve paralel sonuçlar elde
edilmiştir.
2. DENEYSEL YÖNTEM
1:5 ölçekli model testleri ART’de gerçekleştirilmiş
olup modelin tünel içerisindeki görünümü ve tünelin
şematik resmi Şekil 1. de görülmektedir.
Şekil 2. (a) 1:5 model boyutları(mm) (b)simetri ekseni
üzerindeki statik basınç delikleri
2
Statik basınç ölçümlerinde %0.05 statik hassasiyetine
sahip 64 kanallı basınç data toplayıcısı kullanılmıştır.
Basınç ölçüm belirsizliği %1.13 olarak belirlenmiştir (9).
Sürükleme kuvvetlerinin ölçümünde özel olarak dizayn
edilmiş ise straingauge balans sistemi kullanılmıştır.
Balans sistemi referans yükler vasıtasıyla Şekil 3. de
görüldüğü modelin geometrik merkezinden asılarak data
toplayıcı vasıtasıyla kalibre edilmiştir. Kuvvet
ölçümlerinde
ölçüm
belirsizliği
%1.37
olarak
belirlenmiştir(9).
Tablo 1. ART ve FIAT rüzgar tüneli teknik özellikleri
1:1 tam ölçekli FIAT rüzgar tünelinde Linea model
araç Şekil 5. de görüldüğü gibi iki durum için test
edilmiştir: 1.Ön hava alıkları açık ve taban altı detaylı
(a)+(c) 2.Ön hava alıkları kapalı ve taban altı
detaylandırılmış (b)+(c). Taban altı düz ve ön hava
girişleri kapalı olarak gerçekleştirilen test sonuçları 1:5
ölçekli modelin ART test sonuçları olarak alınacaktır.
FIAT rüzgar tüneli testleri 20 m/s ve 50 m/s arası hızlarda
gerçekleştirilmiş olup bu çalışmada kıyaslama açısından
30 m/s hava akım hızındaki sonuçlar verilecektir.
Şekil 3. “1:5” ölçekli model kuvvet ölçümü kalibrasyonu
Şekil 4. de FIAT’ın İtalya’da bulunan 1:1 ölçekli
rüzgar tüneli görülmekte olup teknik özellikleri ART
hava tüneli ile kıyaslamalı olarak Tablo 1. de verilmiştir.
İki tünel de kapalı devre olup hava akım kalitesi son
derece yüksek olup blokaj oranları ise ihmal edilecek
düzeydedir.
Şekil 5. 1:1 ölçekli Linea aracın FIAT hava tüneli test
durumları: 1.test, komple araç durumu (a+c), 2.test, ön
hava giriş kanalları kapalı (b+c).
Şekil 4. FIAT rüzgar tüneli deney odası görünümü
3. SAYISAL YÖNTEM
Bu çalışmada FIAT’ın da standard CFD kodu olan
StarCCM+ kodu kullanılmıştır. RANS(Reynolds
ortalama Navier Stokes) denklemleri, realizable k-ε twolayer türbülans modeli (10) kullanılarak çözülmüştür. Bu
türbülans modeli araç dışı aerodinamik akışların
modellenmesinde literatürde yaygın olarak kullanılmakta
ve mevcut k-ε modellerine göre deneysel sonuçlara en
3
yakın sonuçları vermektedir(11,12,13,14).
Sayısal çalışmalarda Şekil 6. da görüldüğü gibi
deneysel çalışmalarda kullanılan üç değişik test durumu
modellenmiş ve çözülmüştür. Literatürde kullanılan
eleman sayıları 1-10 milyon seviyeleri arasında
görülürken bu çalışmada yüksek sayıda eleman
kullanılmıştır. Kullanılan eleman sayıları, 1:1 komple
araç modeli için 25 milyon, 1:1 model ön hava alıkları
kapalı model için 20 milyon ve 1:5 ölçekli ön hava
alıkları kapalı ve taban altı düz model için 15 milyon
seviyesindedir. 15 milyon seviyesindeki sayısal analiz
mevcut
imkanlar
ile
4
işgünü
zamanda
gerçekleştirilebilmektedir.
Sınır şartları olarak giriş hızı üniform, çıkış
atmosferik ortam olarak alınmış, referans yoğunluk 1.225
kg/m3 ve türbülans şiddeti 0.05 olarak belirlenmiştir.
Şekil 6. da 1:1 tam ölçek araç için örnek sayısal model
verilmiştir.
Şekil 7.”1:5” ölçekli model simetri ekseni üzerindeki
sayısal ve deneysel statik basınç katsayısı dağılımı
Max. pozitif basınç ön tampon üzerinde oluşmaktadır.
Bu nokta durma noktası olarak adlandırılır (stagnation
point). Motor kaputu ön ucunda lokal negatif basınç pik
değerine ulaşmaktadır. Ön silecek bölgesine doğru basınç
tekrar artışa geçmektedir. Bu noktadan sonra tavan ön
bölgesine doğru tekrar negatif basınç artışa geçmekte ve
lokal pik değerine ulaşmaktadır. Tavan orta bölgesine
doğru basınç hafif bir artış göstermekte ve orta bölgeden
tavan arka bölgesine doğru basınç sabit seviyede devam
etmektedir. Arka bombeli cam üst kısımından itibaren
basınç ani artış göstermektedir. Arka cam orta kısımından
itibaren bagaj kapağı orta kısımlarına kadar akım
ayrılması etkisiyle basınç yaklaşık olarak sabit kalmakta
fakat bagaj kapağı arka bölgesine doğru negatif basınç
tekrar artış göstermektedir. Şekil 8. de 1:5 ölçekli model
üzerindeki basınç dağılımları görülmektedir. Kırmızı renk
pozitif basıncı, mavi renk ise negatif basıncı göstermekte
olup deneysel sonuçlarla tam uyum görülmektedir.
Şekil 6. Sayısal analizlerde kullanılan modeller
4.1 STATİK BASINÇ DAĞILIMLARI
Şekil 7. de 1:5 ölçekli modelin (ön hava girişleri kapalı
ve taban altı düz) simetri ekseni üzerinde ART testlerinde
ölçülen statik basınç katsayısı dağılımının sayısal
sonuçlarla karşılaştırması görülmektedir. Hava akım hızı
30 m/s dır. Deneysel ve sayısal sonuçlar birbiriyle
tamamen uyumlu görülmektedir.
Şekil 8. “1:5” model üstü CFD basınç dağılımı(hava
girişi kapalı ve taban altı düz)
4
renkli basınç alanı) kaybolmakta ve hava ızgara
kısmından motor bölümüne yönlenmektedir. Taban
altında ise motorun hemen ön kısımında kırmızı basınç
alanları oluşmuştur. Kırmızı renkli basınç alanlarının
artması sürükleme katsayısının artması anlamına
gelmektedir. Dolayısıyla 1 nolu testten 3 nolu teste kadar
Cd değerleri artmaktadır.
4.2 SAYISAL ÇÖZÜM HIZ KONTURLARI
Şekil 9. Sayısal üç test konumunda model üzerinde hız
kontur dağılımı.
Şekil 10. Syısal üç test konumu için model üzeri ve taban
altı basınç dağılımları
Şekil 9. dan görüldüğü gibi taban altının düz olması
durumunda taban altı akım hızları daha yüksektir.Taban
altının detaylandırılmış olması durumunda ise girintili
çıkıntılı yüzeyler akım hızını yavaşlatmaktadır. Araç arka
iz bölgesinin (mavi renkte) bu sebepten dolayı aşağıya
doğru kıvrıldığı görülmektedir. Ön hava giriş kanallarının
açık olması durumunda ise, motor boşluğuna giren hava
yüzeylere çarparak taban altına doğru yönlenmektedir.
Motor boşluğu içerisinde görülen mavi renk içeri giren
havanın yavaşladığını göstermektedir. Bu durum bölüm
4.3 de belirtildiği gibi sürükleme katsayısında artışa
neden olmaktadır.
4.3 SÜRÜKLEME KATSAYILARI
(
Tablo 2. de deneysel ve sayısal sürükleme katsayıları
görülmektedir. Deneysel sonuçlar 1:1 ölçekli model için
FIAT rüzgar tüneli, 1:5 ölçekli maket model için ART
rüzgar tüneli test sonuçlarıdır. Hava serbest akım hızı 30
m/s dir. (1) nolu test konumunda, tam ölçekli araç ön
hava girişleri açık ve taban altı detaylandırılmıştır. Cd
değeri 0.353 olarak bulunmuştur. (2) nolu test
konumunda, tam ölçekli araçta sadece ön hava girişleri
kapatılarak tekrarlanmıştır. Taban altı (1) nolu testte
olduğu gibi detaylandırılmıştır. Cd değerinde düşüş
gözlenmiş ve 0.316 olarak bulunmuştur. (3) nolu
durumda ise 1:5 ölçekli model ön hava girişleri kapalı ve
taban altı düz haliyle ART rüzgar tünelinde test edilmiş
ve sürükleme katsayısı Cd = 0.264 bulunmuştur. Tabloda
aynı zamanda sayısal analiz sonuçları da 3 ayrı durum
için verilmiştir. Tüm durumlarda sayısal ve deneysel
ölçümler %6 seviyesinde sapmayla birbirine yakın
bulunmuştur. Bu sonuçlar literatürle kıyaslandığında
kullanılan türbülans modelinin doğru seçildiğini ve
modelin akım ayrılmasını sağlıklı bir şekilde
modelleyebildiğini göstermektedir.
Bu test sonuçlarından anlaşıldığı gibi ön hava
girişlerinin tamamıyle kapalı olması durumunda
sürükleme
katsayısı
-0.035/-0.040
sevilerinde
iyileşmektedir. Taban altının tamamıyle düz olarak
modellenmesi durumunda ise gerçek araçtaki duruma
)
Şekil 10. da model üzeri ve taban altı basınç dağılımları
sayısal sonuçları görülmektedir. Model ön hava girişleri
kapalı(maket model) ve taban altı düz durumdaki analiz
sonuçlarında taban altında kırmızı basınç bölgesi
görülmemektedir. Bu durum taban altında hava akışını
kesmeye çalışan herhangi bir direnç kaynağı
olmadığından dolayıdır. 2 nolu analizde ise taban altı
gerçek araçtaki gibi detaylandırılmış olup taban altında
kırmızı basınç bölgeleri oluşmuştur. 3 nolu analizde ise
ön hava girişi açık (motor bölmesine hava girişi mevcut)
ve taban altı detaylandırılmıştır. Bu durumda ise motor
kaputunun hemen uç kısımında görülen hızlanma(mavi
5
göre sürükleme katsayısı -0.050/-0.055 seviyelerinde
iyileşmektedir. Bu sonuçlar literatürdeki sonuçlarla
uyumlu bulunmuştur (9).
5.
Tablo 2. Deneysel ve sayısal sürükleme katsayıları
FIAT Rüzgar Tüneli
(1)
(2)
0.353
0.316
Deneysel Cd
Fark
(1)
0.332
Sayısal Cd
Fark
Sayısal-Deneysel
Fark%
5.9%
0.037
Sayısal Çözümler
(2)
0.298
0.034
5.7%
ART
(3)
0.264
6.
0.052
(3)
0.248
7.
0.050
6.1%
8.
(1) 1:1 ölçekli tam araç, ön hava girişleri açık ve taban altı detaylandırılmış
(2) 1:1 ölçekli tam araç, ön hava girişleri kapalı ve taban altı detaylandırılmış
(3) 1:5 ölçekli model, ön hava girişleri kapalı ve taban altı düz
9.
5. SONUÇ
10.
Bu çalışmada, 1:5 ölçekli model üzerinde ART
testlerinde ölçülen basınç dağılımları gene 1:5 ölçekli
model sayısal çözümüyle paralel olarak bulunmuştur.
Realizable k-ε türbülans modeli deneysel sonuçlara
paralel çözüm vermiştir. Sürükleme katsayıları sayısal ve
deneysel olarak %6 yakınlıkta bulunmuştur. Model ön
hava girişlerinin tamamıyle kapalı olmasının sürükleme
katsayısına etkisi -0.035: -0.040 seviyesinde bulunurken,
taban altının düz modellenmesi durumunda sürükleme
katsayısının -0.050 : -0.055 seviyelerinde iyileştiği
görülmüştür. Sayısal ve deneysel çözümler tüm testlerde
birbirine paralel sonuçlar vermiştir.
11.
12.
TEŞEKKÜR
13.
14.
Deneysel testlerin gerçekleştirilmesinde verdikleri
destekler için ART’ ye, prototiplerin oluşturulmasında
verdikleri destekler için TOFAS Prototip Atelyesine ve
sayısal analizlerde verdikleri destekler için TOFAŞ
Sayısal Analizler birimine teşekkürlerimizi iletiriz.
KAYNAKLAR
1. Hugho, W., Sovran, G., 1998, “Aerodynamics of
road vehicles”, Society of Automotive Engineers,
400 Commonwealth Dr, Warrendale, PA, 15096,
USA.
2. Yang, Z. and Schenkel, M., 2004, “Assessment of
Closed-Wall Wind Tunnel Blockage using CFD
“, Engineering Failure Analysis, Vol. 3, No. 1,
pp.13-28.
3. Hucho,W-H, 1998, ”Aerodynamics of Road
Vehicles”, 4th ed. SAE International.
4. Islam, F., Deker, F., Villiers, E., Jackson, A., Gines,
J., Grahs, T., Gehrke, G.A., Font, J.C., 2009,
6
“Application of Detached–Eddy Simulation for
Automotive Aerodynamics Developement”, SAE
2009-01-0333.
Olander, M., 2011, “CFD Simulation of the Volvo
Cars Slotted Walls Wind Tunnel”, Master’s
Thesis in Solid and Fluid Mechanics, Department of
Applied Mechanics, Chalmers University of
Technology.
Jindal, S., Khalighi, B., Laccarino, G., 2005,
“Numerical Investigation of Road Vehicle
Aerodynamics Using Immersed Boundary RANS
Approach”, SAE International.
Carr, G.,W., 1983, “Potential for aerodynamic
drag reduction in car design”, Impact of
Aerodynamics on Vehicle Design, Int. J. of Vehicle
Design, SP3, London, pp.44-56.
Emmelman,H.-J.,
1982,
“Aerodynamic
developement
and
conflicting
goals
of
subcompacts outlined on the Opel Corsa”,
Internat. Symp.Vehicle Aerodynamics, Wolfsburg.
Moffat,R.J.,1988, ”Describing the uncertainity in
experimental results”, Experimental Thermal and
Fluid Science, Vol. 1, pp. 3-17.
Shih, T.-H., Liou, W.W., Shabbir, A., Yang, Z. and
Zhu, J. 1994. “A New
k- Eddy Viscosity
Model for High Reynolds Number Turbulent
Flows -- Model Development and Validation”,
NASA TM 106721.
Shabbir, A., Shih, T.,H., Liou,W.,W.,Zhu, J., 1995
,“A new k-ε eddy-viscosity model for high
Reynolds number turbulent flows”, Computers
Fluids, 24(3):227-238.
Moky, M.,1995, “Wall Interference correction to
drag measurements in Automotive Wind
Tunnels”, Journal of Wind Engineering and
Industrial Aerodynamics, Vol.56, Issues 2-3, pp
107-12.
Star-CCM+ User Manual
Ahmad, N.,E., Abo-Serie, E., Gaylard, A., 2010 “
Mesh
optimization
for
ground
vehicle
aerodynamics”
CFD
Letters,
Vol
2(1)
7
Download

Gerçek Araç Modeli Üzerinde Deneysel Ve Sayısal