Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Anabilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı

Aerodynamics around wheels and wheelhouses

Tekerlek ve tekerlek çevresindeki aerodinamik

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 517612 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

The aerodynamic drag of an EV is the major energy consuming vehicle attributes, an EV requires less cooling flow, and can have a flat underbody, which potentially can improve the overall aerodynamics of the vehicle. The flow around the wheels and in the wheelhouses is a significant part of the total aerodynamic drag. Different aerodynamics concept vehicles have been studied in the past and shown in the automotive industry, the flow around wheels is managed and smoothen. They key for success is to manage the flow and keep the car functional and attractive. This master thesis project combines a through study of the historical and current aerodynamics concept cars regarding wheelhouse flows, comparing different rim designs, quantifying different features around the wheels or improvements in terms of drag reduction and range increase and finally a CFD study of DrivAer with implementing features/improvements. This study contains the result of 5 deflectors with different length , 3 different wheelhouse designs and 7 different rim designs effect on aerodynamic efficiency on EV. It is planned modeling NEVS EV design; due to privacy policy of the company, DriveAir model is used for analyses. Since NEVS design is electrical vehicle, the details at underbody structure is removed and radiator grille is closed on AirDrive model. Due to vehicle geometry is symmetrical and the condition is steady state, half-geometry is used for analyses. This provides 50 percent reduce on meshing so the time required for both creating mesh and analyzing decrease. Also, in order to provide convenience to increase the quality of mesh, every component of vehicle is named individually. Inlet boundary conditions of mesh are identified as, velocity is 120 km/h, turbulence intensity is 0.002 and turbulence viscosity ratio is 200. Outlet boundary condition is pressure outlet and measurement pressure is defined zero. Rotating speed of wheels boundary condition is defined 1015.82 RPM, that equals to 120 km/s speed of vehicle. To solve correctly the boundary layer on surface, prism layer is selected for volume mesh. Keeping Y+ value under 5, first layer differs from 3mm to 12 mm through the vehicle surface and it consists of 12 and 8 layers. Additionally, it contains box with 3 different mesh intensity. Cell density is 20 mm at first box, 75 mm at second box and 150 mm at third box. Effect of air deflector in front of the front wheel on aerodynamic drag force is studied. Deflectors with different length were analyzed and optimum deflector length is determined. Deflector length is increased 20 mm to 60 mm at intervals with 10 mm. It is observed that, aerodynamic drag force reduced between deflectors with 20 mm length to 40 mm length. However it is seen that after 40 mm length, aerodynamic drag force started to increase. In the circumstance, it is figured out that configuration with deflector 40 mm length provides the minimum aerodynamic drag force. The reason is that is reducing the wake on vehicle surface, deflector increases aerodynamic drag force. 3 different wheelhouse configuration analyzed during this study. Firstly, front wheel wheelhouse is closed. Drag coefficient decreased 0.009 at this configuration. Secondly, configuration with the rear wheel wheelhouse is closed and drag coefficient decreased 0.008. Finally, it is tried for configuration with both front and rear wheelhouses are closed. According to literature research, it is found that this configuration is expected to provide less aerodynamic drag than other two configurations yet it didn't happen. This may be caused by mistake at analysis or during closing, the increase on corss-section of wheelhouse. In order to show the effect of rim configuration on aerodynamic drag, 7 different design has been analyzed. Except last 2 configurations, other 5 configurations of rims have been created at ANSA, designs selected in accordance with literature researches which have effective validity. Minimum aerodynamic drag force is observed the configuration 9 which all rims are fully closed. Wheels effect aerodynamic decrease primarily. It is observed that drag coefficient is 0.007 at from wheels and 0.004 at rear wheels. Yet, since the wake increased at the rear end, drag coefficient increased 0.002 on the body structure. Final 2 configurations are modeled from SAAB Aero vehicles rims. It is seen that rims reverse placed in some SAAb Aero vehicle models. In order to stand out the importance of placing rim in correct direction last 2 configurations are included this study. In configuration 14, which is constituted by taking symmetry of SAAB Aero vehicle rim model has the highest aerodynamic drag. It has 0.009 more drag coefficient than correctly placed rim.

Summary:

Araç aerodinamiği, aracın performansı, konforu, güvenliği, aracın belli yerlerinin soğutulması ve stabil olmasında çok büyük öneme sahiptir.Araç,hava içerisinde hareket ettiğinde bir miktar havanın yerini değiştirir. Hava içerisinde hareket eden araba bu durumun etkisi olarak aerodinamik sürükleme (drag) kuvvetine maruz kalır ve sürükleme kuvveti cismin hızı arttıkça artar. Sürükleme kuvveti ayrıca araç yüzeyinin hava ile sürtünmesinden de (shear stress) oluşur. Günümüz araçlarında 80 km/s ile giderken toplam sürtünme kuvvetinin yüzde 75 – 80'i aerodinamik sürtünmeden kaynaklanır. Bu yüzden yakıt tüketiminin azaltılması veya elektrikli araçlarda aldığı mesafenin artırılmasında aerodinamik etkilerin azaltılması çok önemlidir. NEVS şirketinin, üretmeyi planladığı elektrikli araçlarda aerodinamik iyileştirilmelerinin yapılması istemesi bu tezin yapılma sebebidir. Elektrikli araçlarda (EV) enerji tüketiminin en büyük sebebi aerodinamik etkilerden dolayı oluşan sürükleme kuvvetidir. Elektrikli araçlarda soğutma akışına ihtiyacın daha az olması ve aracın alt yüzeyinin düz olabilmesi bu araçlarda aerodinamik geliştirmelere olanak sağlar. National Electric Vehicle Sweden AB (NEVS) İsveç şirketi olarak SAAB otomobil şirketinin batmasından sonra kurulmuştur. NEVS şirketinin kurulma amacı aerodinamik olarak gelişmiş elektrikli araçlar üretmek istemesidir. Böylelikle, geleceğin araçları olan elektrikli araçlarda pazar payı elde edilebilecekti. Şirket ilk elektrikli aracını 2017 üretmiş oldu. Araçlarda, aerodinamik geliştirmelerde başlıca amaç sürtünmenin azaltılmasıdır. Sürtünme azaltılmasında en mantıklı yaklaşım, sürtünmenin en fazla olduğu kısma odaklanmaktır. Böylelikle yapılan geliştirmelerin etkisi daha fazla olmuş olur. Daha önceki çalışmalarda araçın dış geometrisinde bir çok aerodinamik çalışmalar yapılmış ve önemli geliştirmeler sağlanmıştır. Bu zamana kadar yapılan çalışmaların çoğu aracın üst gövdesinde yapılan geliştirmelerden oluşmaktadır; çünkü günümüz araçlarında aerodinamik etkilerin yüzde 45'i üst gövdeden kaynaklanırken yüzde 25'i alt gövdeden, yüzde 30'u ise tekerlek ve tekerlek çevresinden oluşmaktadır. Üst gövdede birçok çalışmanın yapılması, üst gövdeyi aerodinamik geliştirmede limitlerine ulaşmıştır. Aerodinamik sürüklemenin önemli bir kısmını oluşturan tekerlek ve çevresinde akış geometrisinin karmaşıklığından dolayı yeterli çalışma yapılmamıştır. Bu yüzden bu kısımda hala geliştirmeye müsait bir çok aerodinamik problem vardır. Bu yüksek lisans tezinde ön tekerleğin önüne yerleştirilen hava deflektörü, davlumbaz ve jant tasarımının, sürükleme kuvvetine etkisi incelenmiştir. Bu tezin amacı, ön tekerlek davlumbazına yerleştirilen farklı uzunluklardaki hava deflektörlerinin, davlumbaz tasarımının ve farklı jant tiplerinin toplam aerodinamiğe etkisinin incelenmesidir. Tezde 5 farklı uzunlukta hava deflektörü, 3 farklı davlumbaz tasarımı ve 11 farklı jantın aerodinamik etkileri incelenmesine rağmen sonuçlarında belirgin fark olduğu düşünülen 7 farklı jantın sonuçları gösterilmiştir. İlk olarak analizlerin NEVS'in tasarladığı araç modeli ile yapılması planlanmıştır; ancak çalışmanın tez olarak dışarıda sunulacağından dolayı, şirketin gizlilik politikası gereği, otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan DriveAir modeli tercih edilmiştir. Modeli hacim çözüm ağına hazırlamak için ANSA programı ile yüzey temizlemeleri yapılmış ve yüzey çözüm ağı oluşturulmuştur. İlk olarak CAD dosyası ANSA programına aktarılmıştır. NEVS'in aracının elektrikli olmasından dolayı, analiz modeli buna uygun hale getirilmiştir. AirDrive'da bulunan gövdenin alt kısmındaki bütün ayrıntılar silinip ön tarafındaki radyatör ızgarası da kapatılmıştır. Araç geometrisi simetriktir ve analiz steady state durum içindir. Analizler yapılırken model geometrisinin yarısı alınmıştır. Böylelikle çözüm ağı yüzde 50 azaltılarak hem çözüm ağı oluşturma zamanı hem de analiz zamanından tasarruf edilmiştir. Ayrıca çözüm ağı kalitesini artırmakta kolaylık sağlanması için aracın bütün parçaları ayrı ayrı adlandırılmıştır. Bu, lokal olarak çözüm ağının artırılmasında büyük kolaylık sağlamıştır. Aerodinamik olarak etkisi önemsiz olan geometrideki küçük yüzeyler silinmiştir. Böylelikle hem CAD dosyasının boyutu hem de çözüm ağının azaltılması sağlanmıştır. ANSA'da yapılan bu iyileştirmeler ve geometrideki bütün problemlerin ayıklanması ile Star CCM+ de ek bir düzenlemeye gerek kalmamış ve kolaylıkla hacim çözüm ağı oluşturulmuştur. Zamana göre Navier–Stokes denklemlerinin ortalamasının alındığı The Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) modeli kullanılmıştır. Bu yaklaşımın seçilmesinin en önemli sebeplerinden biri, RANS modelinin diğer modellere göre hızlı olmasıdır. Ana modele göre, verimliliğin yüzdelik değişimine göre değerlendirileceği için RANS modelinin seçilmesi mantıklı bir karardır. Çalışmada ilk olarak otomotiv HAD analizlerinde tercih edilen türbülans modellerinden biri k - omega kullanılması denenmiş fakat bir türlü çözülemeyen osilasyon probleminden dolayı k-epsilon türbülans modeli seçilmiştir. Çözüm ağı giriş sınır koşulu olarak hız 120 km/s, türbülans yoğunluğu 0.002 ve türbülans viskozite oranı 200'dir. Çıkış sınır koşulu pressure outlet olup ölçüm basıncı sıfır olarak tanımlanmıştır. Yan yüzey koşulu olarak kayan sınır koşulu (slip boundary) tanımlanmıştır. Tekerleklerde sınır koşulu olarak 1015.82 RPM (aracın 120 km/s hızına denkgelmektedir) dönme hızı tanımlanmıştır. Yüzeyde sınır tabakayı doğru olarak çözmesi için, hacim mesh'i olarak prizmatik tabaka kullanılmıştır. Y+ değerinin 5'in altında olması için ilk tabakının araç yüzeyi boyunca 3 mm ile 12 mm arasında değişmekte ve 12 ile 8 tabakadan oluşmaktadır. Ayrıca 3 farklı mesh yoğunluğu olan kutudan oluşmaktadır. Ilk kutudaki hücre boyutu 20 mm, ikincisi 75 mm ve üçüncüsü 150 mm'dir. Bu kutuların uzunlukları ve genişlikleri oluşturulurken aracın arakasında oluşan ölü bölge göz önünde bulundurulmuştur. Bu, analiz sonuçlarının daha gerçekçi ve güvenilir olmasını sağlamıştır. En doğru çözüm ağını oluşturmak için bir çok hacim meshi oluşturulmuştur. Fakat sonuçların istenilen değerlerde olmaması, analizin yakınsamaması gibi problemler ile karşılaşılmıştır. Çözüm ağının son haline ulaşılana kadar çözüm ağında bir çok hata farkedilmiştir. Cam kenarlarında istenilen kalitede çözüm ağının oluşturulmadığı farkedilmiştir. Cam kenarlarının farklı adlandırılması sayesinde lokal olarak çözüm ağı iyileştirmeleri yapılmıştır. K epsilon türbülans modelinin kullanılmasına rağmen osilasyonun tekerlek çevresindeki çözüm ağından kaynaklandığı tespit edilmiştir. Tekerlek çevresinde akışın ani değişimlere maruz kalması,buradaki çözüm ağı kalitesinin diğer bölgelere göre çok kaliteli olması gerektiğini göstermektedir. Tekerlek çevresindeki ilk farkedilen hata, tekerlek ile yüzeyin birleştiği yerdeki çözüm ağında eğrilik oranının (skewness ratio) çok düşük olmasıdır. Buradaki eğrilik oranını artırmak için, sonucu etkilemeyeceği düşünülen, plaka yerleştirilmiştir. Böylelikle eğrilik oranı artırılarak problemler çözülmüştür. Buradaki hatanın geç fark edilmesindeki en önemli sebep, tekerlek çevresinde çözüm ağı yoğunluğununartırılmasına rağmen osilasyonun azalması yerine artmasından kaynaklanmaktadır. Bu durumun sebebi ise mesh yoğunluğu belli bir seviyenin üzerine çıktığında yuvarlama hatası olduğu farkedilmiştir. Ön tekerleğin önüne yerleştirilen hava deflektörünün aerodinamik sürükleme kuvvetine etkisi incelenmiştir. Bu konfigürasyonlar oluşturulurken yaklaşık 10 farklı deflektör yüsekliğine sahip konfigürasyon denenmiştir. Kayda değer 5 farklı konfigürasyonun simülasyonu, tezde sunularak optimum deflektör yüksekliği bulunmuştur. Deflektör yükseklikleri 20 mm'den 60 mm'ye kadar 10 mm aralıklar ile artmaktadır. Aerodinamik sürüklemenin, deflektör yüksekliği 20 mm'den 40 mm'ye kadar olan tasarımlarda azalmakta, 40 mm'den sonraki tasarımlarda tekrar arttığı tespit edilmiştir. Bu durumda 40 mm deflektör yüksekliğine sahip konfigürasyon ile minimum aerodinamik sürükleme sağlandığı görülmüştür. Deflektör, araç üzerindeki ölü bölgeyi azaltarak sürükleme kuvvetini arttırmaktadır. Bu etkiyi, tekerleğe çarpan havanın azalmasıyla tekerlek cevresindeki akışın daha düzenli gitmesini sağlayarak gerçekleştirir. Tekerlek davlumbazı kapatılarak 3 farklı konfigürasyon oluşturulmuştur. Ön tekerlek davlumbazının kapatıldığı konfigürasyonda, toplam 0.009 sürükleme katsayısı azaltılmıştır. Arka tekerlek davlumbazının kapatıldığı konfigürasyonda, 0.008 sürükleme katsayısı azaltılmıştır. İki tekerlek davlumbazının da kapatıldığı konfigürasyon denenmiştir. Yapılan literatür araştırmasına göre diğer 2 konfigürasyona göre daha az aerodinamik sürükleme beklenirken daha fazla çıkmıştır. Bunun sebebi analizde olan küçük bir hata veya davlumbazın kapatılırken ön kesit alanın artması olabilir. 7 farklı jant konfigürasyonunun aerodinamik sürüklemeye etkisi gösterilmiştir. Son iki konfigürasyon haricindeki 5 konfigürasyonun jant tasarımları literatürde aerodinamik olarak başarılı olduğu düşünülen jantlar seçilip ANSA'da oluşturulmuştur. En düşük aerodinamik sürükleme, jantların tamamen kapalı olduğu konfigürasyon 9'da gözlenmiştir. Aerodinamik azalma başlıca tekerleklerden gelerek ön tekerleklerde 0.007 sürükleme katsayısı arka tekerleklerde 0.004 olarak gözlenmiştir. Fakat aracın arkasındaki ölü bölgenin (wake) artmasından dolayı gövdede 0.002 sürükleme artmıştır. Son iki konfigürasyon SAAB Aero araç modelinde kullanılan jantlardan oluşturulmuştur. Aslında ikisi de aynı olan jant modelinden bir tanesinin simetrisi alınarak oluşturulmuştur. SAAB Aero araç modellerinden bazılarında jantların ters takıldığı görülmüştür. Jantın doğru yöne takılmasının önemini görmek için son iki konfigürasyon tez çalışmasına eklenmiştir. SAAB Aero araç modelinde kullanılan jantın simetrisi alınarak oluşturulan konfigürasyon 14'de aerodinamik sürüklemenin en fazla olduğu ve doğru yönde takılan janta göre 0.009 sürükleme katsayısı fazla olduğu gözlenmiştir. Araç üzerinde yapılan bu iyileştirmelerin, birlikte etkisi görülmek istenmesine rağmen şirketteki iş yoğunluğunun fazla olmasından dolayı iş istasyonlarını yeterince kullanılmaması bütün konfigürasyonların birlikte etkisi gözlenememiştir. Çalışmanın tamamı bilgisayar ortamında HAD ile yapılmıştır. Sonuçlar, ileride rüzgar tüneli testi ile karşılaştırılarak daha kesin ve gerçekçi sonuçlar elde edilebilinir.