55
ÖZET
ARAÇLARDA AERODİNAMİK TASARIMIN ÖNEMİ VE ANSYS FLUENT İLE ANALİZİ
İsmail SÖYLEMEZ
Bitirme Çalışması, Makine Mühendisliği Bölümü
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Ahmet ÇAĞLAR
Mayıs 2015
Otomotiv endüstrisinin ana konulardan bir tanesi, sayısal yöntemlerle sürükleme katsayısını azaltmak için araç tasarımı aerodinamiğinin iyileştirilmesi olmuştur.
Bu projede, Solidworks programında tasarlanan temsili araç modeli üzerinde Ansys CFD yazılımında k-ε türbülans modeli kullanılarak üç boyutlu hava akış simülasyonu uygulandı. CFD-mesh'te ağ yapısı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak oluşturuldu. CFD-setup'ta sınır şartları olarak serbest akış hızı 100 km/h ( 28 m/s) ve hava akış özellikleri belirlendi. Çözüm sırasında 50 iterasyon uygulandı. Kaldırma ve sürükleme katsayıları gibi aerodinamik karakteristikler hesaplandı. Aracın yüzeyindeki hız ve basınç dağılımları, akış çizgileri gösterildi. Daha sonra araca arka rüzgarlık (spoiler) eklenerek, analiz tekrar yapıldı ve kaldırma ve sürükleme katsayıları karşılaştırıldı.
Araç için çok daha sık ağ yapısı ve daha yüksek iterasyon sayıları elde etmek istenirse ve karmaşık eğrili yüzeylerin çözünürlüğüne bağlı olarak daha gerçekçi geometriler kullanılırsa, daha yüksek kapasiteli bilgisayara ihtiyaç vardır ve daha gerçekçi sonuçlar elde edilir..
ANAHTAR KELİMELER: Aerodinamik, ansys fluent, rüzgar tüneli
ABSTRACT
THE IMPORTANCE OF AERODYNAMICS DESIGN IN VEHICLES AND ITS ANALYSIS WITH ANSYS FLUENT
İsmail SÖYLEMEZ
B.Sc. Thesis in Mechanical Engineering
Adviser: Ass. Prof. Dr. Ahmet ÇAĞLAR
May 2015
One of the main subjects of automotive industry is to get better the aerodynamics of vehicle design in order to diminish the drag coefficient by using numerical methods.
In this project, three dimensional air flow simulation was applied to the representative vehicle model which was designed in the Solidworks program by using k-ε turbulence model of the Ansys CFD software. Meshing was made up by being used finite elements method. It was determined the speed of free flow as 100 kph (28 mps) as boundary and features of air flow in the CFD-setup. It was used 50 iteration during the solution. Aerodynamic characteristics were calculated like lift and drag coefficient. It was displayed the speed and pressure distributions on the surface of the vehicle and the flow lines. After that, analysis was performed again by being added spoiler to the vehicle and lift and drag coefficients were compared to previous version.
If more realistic geometries depending upon the resolution of complex curvilinear surfaces is used in order to create more dense mesh and higher iteration numbers, computers which have higher capacity will be a must. So it can be came to the more realistic results.
KEY WORDS: Aerodynamics, ansys fluent, wind tunnel
İÇİNDEKİLER
ÖZET i
ABSTRACT ii
SEMBOL LİSTESİ v
ŞEKİL LİSTESİ vi
TABLO LİSTESİ viii
1.GİRİŞ 1
1.1 Çalışmanın Amacı 2
1.2 Literatür Taraması 2
2.ARAÇ AERODİNAMİĞİNİN TARİHÇESİ ve KONUYLA İLGİLİ YAPILAN ÇALIŞMALAR 4
3.ARAÇLARDA AERODİNAMİK 10
3.1 Bir Araç Üzerindeki Hava Akış Mekaniği 10
3.2 Bir Araç Üzerindeki Basınç Dağılımı 13
3.3 Aerodinamik Kuvvetler 14
3.3.1 Sürükleme Direnç Kuvveti (Drag Force) (FD) 14
3.3.2 Kaldırma Kuvveti (Lift Force) (FL) 19
3.2.3 Yanal Kuvvet (FY) 20
3.4 Aerodinamik Momentler 20
3.4.1 Yunuslama Momenti (pitching) (Mp) 20
3.4.2 Yuvarlanma Momenti (rolling) (MR) 21
3.4.3 Yana Kayış Momenti (yaw) (MY) 21
3.5 Otomobillerde Kayıplar 21
3.6 Hava Direnç Katsayısını Azaltmak için Yapılan Çalışmalar 22
3.7 Araç Tasarımında İdeal Aerodinamik Şekil 23
3.8 Araç Alt Hava Akımı 25
3.9 Kanat (Spoiler) 26
4.RÜZGAR TÜNELİ 27
4.1 Benzerlik 29
4.2 Rüzgar Tüneli Deneylerindeki Sınırlamalar 30
4.3 Rüzgar Tünellerinin Genel Özellikleri 30
4.4 Rüzgar Tünellerinin Ana Elemanları 31
5.HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ 32
6.ANSYS 33
7.HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ (HAD) ANALİZİ 34
7.1 Temsili Araç Modelinin Bilgisayar Destekli Tasarımı 34
7.2 "Ansys Workbench CFD Analiz" İşleminin Adımları 36
7.2.1 Rüzgar tüneli mantığının oluşturulması 36
7.2.2 Mesh İşlemi 38
7.2.3 Çözüm ve Sınır Şartlarının Belirlenmesi 42
7.2.3.1 Türbülans modelinin belirlenmesi 42
7.2.3.2 Akışkan ve özelliklerinin belirlenmesi 43
7.2.3.3 Sınır koşullarının girilmesi 44
7.2.3.4 Sürtünme (CD) ve kaldırma (CL) katsayılarının girilmesi 46
8.SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME 48
KAYNAKLAR 56
SEMBOL LİSTESİ
Simge Simge Adı Birimi
CD Sürükleme katsayısı
CL Kaldırma katsayısı
Cp Statik basınç katsayısı
CMP Yunuslama momenti katsayısı
CMR Yuvarlanma momenti katsayısı
CMY Yana kayış momenti katsayısı
FL Kaldırma kuvveti N
FD Sürükleme kuvveti N
FY Yanal kuvvet N
MP Yunuslama momenti Nm
MR Yuvarlanma momenti Nm
MY Yana Kayış momenti Nm
m Kütle kg
q Dinamik basınç pa
Ps Statik basınç pa
Pt Dinamik basınç pa
V Havanın araca göre hızı m/s
ρ Yoğunluk kg/m3
A Taşıt kesit alanı m2
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil No Şekil Adı Sayfa
Şekil 2.1 CAMILLE JENATZY,tarafından 1899 yılında yapılan rekor 4
kıran araba , max.hız:105,9 km/h
Şekil 2.2 COUNT RICOTTI'nin damla modelinde Alfa-Romeo'su (1914) 5
Şekil 2.3 Boat-Tailed ''Audi Alpensieger'' (1913)
Şekil 2.4 Hareket halindeki arabanın arkasındaki toz akımının Rumpler 6
arabasıyla karşılaştırılması
Şekil 2.5 Rüzgar tünelinde Rumplerin ''Teardrop'' arabası (1922) 6
Şekil 2.6 Grand-Prix yarış arabası E.BUGATTI,(1923) 7
Şekil 2.7 ''Half-Body'' modeline göre aerodinamik direnç katsayısının 7
değişimi
Şekil 2.8 Otomobil ön ve arka formlarının direnç kuvveti katsayısına etkisi 8
Şekil 2.9 1930' lu yıllarda Amerika Birleşik Devletleri'nde otomobil 8
aerodinamiğinin durumu
Şekil 2.10 1950 den 1977 yılına Porsche otomobilleri 9
Şekil 2.11 1955 den 1982 ye Citroen otomobilleri 9
Şekil 2.12 Avrupa 'da seri üretilen Ford otomobillerinin direnç kuvveti 9
katsayıları
Şekil 3.1 Aerodinamik bir gövde üzerinden akmakta olan akış tüpleri 10
Şekil 3.2 Bir gövde üzerindeki akışın basınç ve hız değişimleri 11
Şekil 3.3 Bir sınır tabakanın gelişimi 12
Şekil 3.4 Bir karşı basınç gradyenindeki akış ayrışması 12
Şekil 3.5 Silindirik bir gövde üzerindeki girdap hareketi 13
Şekil 3.6 Bir otomobilin merkez çizgisi boyunca basınç dağılımı 13
Şekil 3.7 Bir otomobilin arkasında oluşan girdap sistemleri 14
Şekil 3.8 Silindir ve kolon şekilli cisimlerin direnç katsayıları 17
Şekil 3.9 Küre ve diğer üç boyutlu cisimlerin direnç katsayıları 17
Şekil 3.10 Araç kesit (referans) alanı 18
Şekil 3.11 Otomobil üzerinde oluşan aerodinamik kuvvetler, momentler ve 21
basınç, ağırlık merkezlerinin şematik görünümü
Şekil 3.12 1936 Yapımı Mercedes W125 23
Şekil 3.13a Fastback otomobil 24
Şekil 3.13b Normal binek otomobil 24
Şekil 3.14 Taşıtın lastik boşluklarında meydana gelen hava akımı 25
ayrılmasının şekli
Şekil 3.15 Taşıtın altındaki kısımların hava akımına maruz kalışı 26
Şekil 3.16 Ferrari F50'nin alttan görünüşü 26
Şekil 3.17 Hava kanadının hava akımını yönlendirişi 27
Şekil 4.1 Kapalı deney odalı, ses altı açık devreli rüzgar tüneli ana elemanları 30
Şekil 4.2 Açık deney odalı, ses altı açık devreli rüzgar tüneli ana elemanları 30
Şekil 7.1 Blueprints çizimi 34
Şekil 7.2a Temsili araç modeli (Araç-1) 35
Şekil 7.2b Temsili araç modeli (Araç-1) 35
Şekil 7.2c Temsili araç modeli (Araç-2) 35
Şekil 7.2d Temsili araç modeli (Araç-2 spoiler) 36
Şekil 7.3 Analiz modülünün seçilmesi 36
Şekil 7.4a Modelin Ansyse yüklenmesi 37
Şekil 7.4b Modelin Ansyse yüklenmesi 37
Şekil 7.5 Rüzgar tüneli modelinin oluşturulması 38
Şekil 7.6 Modelin meshlenmiş hali 39
Şekil 7.7 Rüzgar tüneli giriş kısmının isimlendirilmesi 39
Şekil 7.8 inlet, outlet, sidewalls, car 40
Şekil 7.9a Refine işleminin yapılması 40
Şekil 7.9b Refine işleminin yapılması 41
Şekil 7.10 Refine işleminden sonra "car" görünümü 41
Şekil 7.11 Refine işleminden önce "car" görünümü 41
Şekil 7.12 Double Precision 42
Şekil 7.13 Türbülans modelinin seçilmesi 43
Şekil 7.14 Akışkanın tanımlanması 44
Şekil 7.15 Giriş koşulunun girilmesi 45
Şekil 7.16 Çıkış koşulunun girilmesi 45
Şekil 7.17 Reference Values 46
Şekil 7.18 Solution Methods 46
Şekil 7.19 Sürtünme katsayısının girilmesi 47
Şekil 7.20 Solution Initialization 47
Şekil 7.21 Run Calculation 48
Şekil 8.1a Araç-1 için CD (sürükleme katsayısı) değişimi 48
Şekil 8.1b Araç-1 için CL (kaldırma katsayısı) değişimi 48
Şekil 8.2a Araç-2 için CD (sürükleme katsayısı) değişimi 50
Şekil 8.2b Araç-2 için CL (kaldırma katsayısı) değişimi 50
Şekil 8.3a Araç-1 üzerindeki hız vektörleri 52
Şekil 8.3b Araç-2 üzerindeki hız vektörleri 52
Şekil 8.4a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı 53
Şekil 8.4b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı 53
Şekil 8.5a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı 53
Şekil 8.5b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı 54
Şekil 8.6a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı 54
Şekil 8.6b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı 54
TABLO LİSTESİ
Tablo No Tablo Adı Sayfa
Tablo 3.1 Çeşitli cisimler için direnç katsayıları 16
Tablo 3.2 Bir araç üzerindeki direncin ana kaynakları 19
Tablo 8.1 Araç-1 için CL ve CD'nin iterasyon sayısına göre bulunması 49
Tablo 8.2 Araç-2 için CL ve CD'nin iterasyon sayısına göre bulunması 51
Tablo 8.3 Araç-1 ve Araç-2 üzerindeki minimum ve maksimum basınçlar 54
1.GİRİŞ
Hava içerisinde hareket eden bir cisme etki eden kuvvet ve moment sisteminin, cismin etrafındaki akışa ait özelliklerinin ve dolayısıyla aerodinamik karakteristiklerin tayini aerodinamiğin en temel problemlerinden biridir.
Üretici firmalar, araçlarının insanın ayağını yerden kesmek yanında yüksek sürat, yüksek taşıma kapasitesi, ekonomi gibi üstün performans özelliklerine sahip olması gerektiğini fark ettiklerinden bu yana bir yandan motor tarafından sağlanan gücü artırma, diğer yandan da aracın sistemlerindeki ve bilhassa hava direncinden kaynaklanan kayıpları azaltma yolları aramışlardır. İlk binek otolarının bir telefon kulübesinden farkı yok iken günümüzdeki otomobil üreticileri araçlarının daha iyi aerodinamik özelliklere sahip olmaları amacıyla köklü form değişikliklerine gitmişlerdir ve bu konudaki Ar-Ge çalışmalarına büyük önem vermektedirler. Özellikle rekabet piyasasında daha geniş yer hedefleyen üreticiler araçlarının ekonomikliğini artırırken, ekonomikliği artırmada en büyük engel olan hava direnç kaybını azaltmak için bu tür araştırmalara gelirlerinin büyük miktarını ayırmaktadırlar.
Aracın aerodinamik özelliklerinin iyileştirilmesi ile yakıt sarfiyatından önemli ölçüde tasarruf sağlanır. Aracın aerodinamik karakteristiğinin araç performans ve dengesi, ivmelenme, yol tutuş özellikleri, araç kirliliği, motor soğutma sistemi, havalandırma sistemi, fren sistemi, araç etrafındaki hava akışından kaynaklanan gürültü miktarı gibi birçok parametre üzerine de etkisi vardır.
Kaynakların içerik ve yayımlanma tarihleri incelendiğinde kara taşıtları ve özellikle otomobillerin aerodinamik özelliklerinin araştırılmasının İkinci Dünya Savaşı sonrasında önem kazandığı görülür. Özellikle sürükleme direnci katsayısını küçültmeye yönelik araştırmalar yapılmıştır. Araştırma sonuçları hızla üretime yansıtılmış ve düzenlenen otomobil yarışlarında diğer özelliklerin yanında aerodinamik yapılar da karşılaştırılmıştır.
Aerodinamik etkilerin deneysel olarak rüzgar tüneli kullanılarak incelenmesi ile ilgili ilk çalışmalar 1960'lı yıllara rastlar. White, 1969 yılında yayımladığı makalede, 1961-1968 yılları arasında arka arkaya raporlar yayımlayan Motor Industry Research Association'ın (MIRA) 141 farklı araca dair aerodinamik test sonucu verdiğini ve MIRA'nın raporlarının bugün için de çok değerli başvuru kaynakları olarak kabul edildiğini belirtir. Aynı makalede MIRA'dan sonra ilk olarak Carnish'in 13 ve Bowman'ın 21 araç üzerinde kısıtlı sayıda model üzerinde deneysel araştırmalar yaptıklarına değinilir.
Bu arada deneysel olmayan sayısal analiz yöntemleri de geliştirilmeye başlanmış ve 1969 yılında White, araçların sürükleme direnci katsayısını (CD) sayısal olarak hesaplamıştır.
White, daha önce deneysel olarak CD katsayıları belirlenmiş 20 araç üzerinde metodunu uygulamış ve ± % 7 doğruluk oranıyla MIRA'nın deneysel sonuçlarına yaklaşmıştır.
20. yüzyılın sonlarına doğru gelişen bilgisayar teknolojisi ve sayısal yöntemler, aerodinamik karakteristiğin belirlenmesinde de kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmalarda genellikle rüzgar tüneli deneyleri bilgisayar yazılımı ile simüle edilmeye çalışılır ve Navier-Stokes denklemleri nümerik çözülür. Sayısal yöntemler zaman, para ve deneylerin daha rahat tekrarlanabilmesi açısından tasarruf ve kolaylık sağlarlar. [1]
1.1 Çalışmanın Amacı
Bu çalışmanın amacı araçlarda aerodinamik karakteristikler, aerodinamiğin önemi hakkında bilgi vermek ve Ansys Fluent ile bir araç modelinin CFD analizinin nasıl yapılacağı hakkında kaynak oluşturmak ve araçtaki arka rüzgarlık (spoiler) etkisini gözlemlemektir.
1.2 Literatür Taraması
Kaynaklar incelendiğinde kara taşıtlarının aerodinamik özelliklerinin araştırılmasının 2.Dünya Savaşı sonrasında önem kazandığı görülür. Araştırmalar özellikle direnç katsayısını küçültmeye yönelik olarak yapılmıştır. Aerodinamik etkilerin deneysel olarak rüzgar tüneli kullanılarak incelenmesi ile ilgili ilk çalışmalar 1960'lı yıllardadır.
1969 yılında White (1969) araçların direnç katsayısını (CD) sayısal olarak hesaplamıştır. White, daha önce deneysel olarak CD katsayıları belirlenmiş 20 araç üzerinde metodunu uygulamış ve ± %7 doğruluk oranıyla deneysel sonuçlara yaklaşmıştır.
Otomotiv aerodinamiği ile ilgili oldukça geniş bir çalışma Hucho ve Savran (1993) tarafından yapılmıştır. Hucho ve Savran aerodinamik direnç belirleme için geliştirilmiş empirikal metotların bir çoğunun geçerliliğini yitirdiğini ve Reynolds ortalamalı Navier- Stokes metotlarının, otomobillerin aerodinamik karakteristiklerini analiz etmede daha yaygın kullanıldığını göstermişlerdir.
Han (1989), zemine yakın küt gövdeli taşıtların SAD (Sayısal Akışkanlar Dinamiği) esaslı aerodinamik direncini belirleyen ilk araştırmacılardan birisidir. Han, sıkıştırılamaz Reynolds ortalamalı Navier – Stokes metodunu k - ε türbülans modeli ile birlikte Ahmed tipi taşıt gövdeleri etrafındaki akışı simule etmek için kullanmıştır.
Han ve ark. (1996) üç farklı konfigürasyondaki (kare arka yüzeyli, uzun eğimli arka yüzeyli ve kısa eğimli arka yüzeyli) otomobil için 2 denklemli türbülans modellerinden Standard k – ε ve RNG k – ε modeli kullanarak direnç katsayısı belirleme çalışması yapmıştır. RNG modelin kullanıldığı sayısal çözümlerin deneysel sonuçlarla daha uyumlu olduğu tespit edilmiştir.
Zamanla araçlarda direnç katsayısının azaltılmasını sağlayacak yöntemler de araştırılmıştır. Araca ilave edilen aksamlar geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olanları kanatçıklar, spoiler ve hava bentleridir. Schenkel (1977) aracın önüne ve arkasına ilave edilen spoiler'in direnç ve kaldırma kuvvetleri üzerindeki etkilerini 3/8 ölçekli bir model üzerinde rüzgar tünelinde incelemiştir.
Ohno ve Hohri (1991) "kenar hava bentleri" ilavelerinin aracın aerodinamik performansına etkilerini rüzgar tünelinde incelemişlerdir. Çeşitli otomobillere ilave edilen kenar hava bentlerinin uygun geometrik biçimde olmaları halinde direnç ve kaldırma katsayılarını azaltma yönünde etkiledikleri sonucuna varılmıştır.
Swift (1991) bir taşıtın yuvarlanma direnci ve aerodinamik direnç katsayısının tespiti için yavaşlama deneyi gerçekleştirmiş, deney sonunda CD katsayısını 0,37 olarak tespit etmiştir.
Roussillon (1981) aerodinamik direnç katsayısı CD'nin düşük hızlı çapraz rüzgarda yavaşlama metodu ile ölçülmesi için yol deneyleri yapmışlar ve CD katsayısını 0,425 olarak belirlemiştir.
Gilhaus (1981) 1/5 ölçekte bir kamyon kabin şeklinin ve eklenen rüzgar yansıtıcısının aerodinamik direnci %14 azalttığını tespit etmiştir.
Krajnovic ve Davidson (2005) eğimli arka geometriye sahip basitleştirilmiş taşıt üzerinden akışa hareketli bir zeminin etkisini ele almıştır. Yapılan incelemede hareketli zeminin direnç etkisini %8 azalttığı tespit edilmiştir. Türbülans modeli olarak LES (Large eddy simulation) kullanılmıştır.
Euler ve RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) denklemlerinin kullanıldığı akış çözümlemelerinde SAD temel alan son yıllardaki çalışmalar C.P. van Dam (1999) tarafından ele alınmıştır. Uçak, helikopter ve karayolu taşıtları için ses altı ve ses hızındaki akış şartlarında direnç belirleme çalışmalarındaki gelişmeler özetlenmiştir.
Lokhande ve ark.(2003) genel amaçlı bir pikap model için transient hız ve basınç değerleri tespit etmişlerdir. SAD simülasyonlarını sonlu hacimleri esas alan Fluent paket programı ile LES ve RNG k-ε türbülans modellerini kullanarak yapmışlardır. Simulasyonlarında altı yüzlü ağların dört yüzlü ağlara nazaran daha doğru sonuçlara ulaştığı belirtilmiştir. Taşıta gelen akışın durma noktası olarak ön tamponun hemen üst kısmı tespit edilmiştir.
Le Good ve Garry (2004) otomotiv aerodinamiğinde kullanılan basit gövdeleri(Ahmed model, NRSCC/SAE model, Rover model, Davis model, Docton model, Chrysler model, Ford aspect ratio model, GM model v.b.) temel otomobil şekilleri ve değişken geometri modelleri (Ford variable, CNR, SAE/PININFARINA, Ford reference, Volvo ECC) incelemiş avantaj ve dezavantajları belirlemiştir.
Perzon ve ark. (1999) 0,3 ölçekte bir çekici ve römork modelinin deneysel sonuçlarını standart k-ε, RNG k-ε, Non-Linear Eddy Viscosity ve Reynolds Stress Transport (RSM) model türbülans modellerinin kullanıldığı STARCD ve FLUENT UNS paket programları yardımı ile elde edilen verilerle karşılaştırmışlar, RNG k-ε ve Non-Linear Eddy Viscosity modelleri ile durma noktalarındaki basıncın daha doğru tayin edilebildiğini belirlemişlerdir. Verilerin doğruluğunu arttırmak için çözüm ağını arttırmak gerektiğini tespit etmişlerdir.
Borg ve ark.(2003) karayolu taşıtlarının aerodinamik katsayılarını belirlemek için türbülans modellerin near wall formülasyonlarının etkilerini belirlemişlerdir. Zaman ortalamalı kararlı RANS metotlarının en az hesaplama zamanı alan metotlar olduğunu LES metodunun hesaplama zamanının çok daha fazla olduğunu ifade etmişlerdir. Otomotiv endüstrisinde dış akış hesaplamaları için SAD'nde günümüzün en yaygın yaklaşımının yüksek Reynolds sayısı türbülans modelleri kullanmak olduğunu belirtmişleridir. Diskretizasyon şekilleri olarak hem birinci derece hem ikinci derece kullanılarak etkileri kaba ve yoğun çözüm ağlarında incelenmiştir. [2]
2.ARAÇ AERODİNAMİĞİNİN TARİHÇESİ ve KONUYLA İLGİLİ YAPILAN ÇALIŞMALAR
Aerodinamik, genel anlamda havanın kuvvetsel etkilerini inceleyen bilim dalıdır. Katı bir cisim etrafında akan hava veya hareketsiz duran hava içinde hareket eden katı cisim söz konusu olduğunda hava, aerodinamik kanunlarına uygun davranır. Havanın göreli hareketinden kaynaklanan kuvvetler taşıma ve sürükleme kuvvetleridir. Hava taşımacılığında bu iki kuvvet önemli yer tutarken kara nakil araçları için belli bir hıza kadar sadece direnç sürükleme kuvveti göz önüne alınır. Ancak çok hızlı araçlarda örneğin Formula 1 yarış arabalarında taşıma kuvveti (aracın yol tutuşuyla ilgili olarak) dikkate alınması gereken değerlere ulaşır. [3]
Aerodinamik ve taşıt teknolojisi, tarih sürecinde birkaç başarılı denemeden sonra bir araya gelmistir. Bu durum, gerçek anlamda bir sürprizdi. Çünkü, akıskanlar mekaniği, bu bilim dalını verimli bir sekilde kullanan gemi ve uçak tasarımcılarının alanı olarak bilinirdi. Aerodinamik, doğrudan bu alanlarla ilgili olduğu için, uçak ve gemi tasarımcıları bu konuda çok daha iyi durumdaydılar ve kendileri için en iyi model olabilecek kuş ve balık şekillerini tasarımlarında rahatça kullanabiliyorlardı. Doğadan elde ettikleri bu şekillerden, kendileri için gerekli birçok özellik çıkarabiliyorlardı. Fakat, kara taşıtları için benzer bir doğal model yoktu. Bu yüzden, otomobil tasarımcıları tasarımlarında gemi ve uçak şekillerini kullanmaya çalıştılar. Fakat kısa bir süre sonra yaklaşımlarının yanlış olduğunun farkına vardılar. Bu uygunsuz yaklaşımlardan uzaklaşmalarıyla otomobil aerodinamiği ileri doğru bir ivme kazandı.
İlk zamanlarda otomobiller çok yavaştılar. Kötü yollarda aerodinamik şekilli otomobiller oldukça komik görünmekteydiler. Geleneksel atlı arabalar şoför ve yolcuları, rüzgar, çamur ve yağmurdan korumayı çok güzel bir şekilde başarıyorlardı. [4]
Şekil 2.1 CAMILLE JENATZY,tarafından 1899 yılında yapılan
rekor kıran araba , max.hız:105,9 km/h
Şekil 2.2 COUNT RICOTTI'nin damla modelinde Alfa-Romeo'su (1914)
Şekil 2.3 Boat-Tailed ''Audi Alpensieger'' (1913)
Sezgisel yaklaşımla özellikle 1.Dünya savaşından sonra geliştirilen aerodinamik taşıtların başlangıç dönemini oluşturur. Bu dönemde taşıtlara etkiyen dirençlerden aerodinamik direncin önemi anlaşılmış ve tanımlanmıştır. Elde edilen veriler ışığında aerodinamik direnci yenebilecek tasarımlar yapılmıştır.Bunlardan bir tanesi RUMPLER 'ın "Teardrop'' arabasıdır. Sekil 2.4 ve Sekil 2.5 görüldüğü üzere otomobil kanat formundadır.
Böylece aerodinamik direnci azaltmaya çalışmıştır. 1979 yılında Volkswagen' in büyük rüzgar tünelinde yapılan çalışmada Rumpler arabasından elde edilen sonuçlar;
Direnç Katsayısı Cd=0,28 ; İzdüşüm Alanı A=2,57 m2 olarak bulunmuştur.
Şekil 2.4 Hareket halindeki arabanın arkasındaki toz akımının Rumpler arabasıyla
karşılaştırılması
Şekil 2.5 Rüzgar tünelinde Rumplerin ''Teardrop'' arabası (1922)
1923 yılında iki boyutlu dizayn şartlarına göre tasarlanan Bugatti otomobili (Şekil 2.6) Strasbrurg Grand Prix'ine katıldı. Otomobil yandan görünüşe göre uçağı andırsa da ,dikkate değer bir şekilde düşük hava direncine maruz kalıyordu. Bu otomobil günümüz yarış arabalarına görünüm ve model itibariyle öncülük etmiştir.
Şekil 2.6 Grand-Prix yarış arabası E.BUGATTI,(1923)
Bugatti'nin bu arabası ''Streamline'' otomobiller olarak adlandırılan arabalar üzerinde çalışmaları hızlandırmış yeni yaklaşımlara yol açmıştır. Bu konuyla ilgili William KELEMPERER yaptığı çalışmalarda kanat formunu baz alarak aerodinamik direnci hesaplayabileceği modeller oluşturmuştur.
Buna göre Şekil 2.7'de CD azalışı görülmektedir.
Şekil 2.7 ''Half-Body'' modeline göre aerodinamik direnç katsayısının değişimi
Bu yıllarda araç ön ve arka formları ile oynayarak direncin nasıl değiştiği gözleniyordu.
Şekil 2.8'de ön ve arka formlar incelenmiştir.
Şekil 2.9'de optimize edilmiş otomobillerin CD değerleriyle verilmektedir.
Şekil 2.10, Şekil 2.11 ve Şekil 2.12'de çeşitli otomobil markalarının tarihsel gelişimi verilmektedir.
Şekil 2.8 Otomobil ön ve arka formlarının direnç kuvveti katsayısına etkisi
Şekil 2.9 1930' lu yıllarda Amerika Birleşik Devletleri'nde otomobil aerodinamiğinin
durumu
Görüldüğü üzere araç dış formu değişimi, aerodinamik direnci doğrudan etkilemektedir.
Şekil 2.10 1950 den 1977 yılına Porsche otomobilleri
Şekil 2.11 1955 den 1982 ye Citroen otomobilleri
Şekil 2.12 Avrupa 'da seri üretilen Ford otomobillerinin direnç kuvveti katsayıları
3.ARAÇLARDA AERODİNAMİK
3.1 Bir Araç Üzerindeki Hava Akış Mekaniği
Bir otomobil gövdesi üzerindeki akış, Bernoulli Denklemi'nde verilen hız ve basınç arasındaki ilişki ile açıklanır. (Bernoulli Denklemi otomotiv aerodinamiğine uygun olan sıkıştırılamayan akışı varsayar, öte yandan sıkıştırılabilen akış için eşdeğer ilişki Euler Denklemi'nde bulunmaktadır.)
Pstatik + Pdinamik = Ptoplam
Ps + ½ ρ V2= Pt (sabit) (3.1)
ρ = Havanın yoğunluğu
V = Havanın hızı (araca göre)
Bu ilişki Newton'un İkinci Yasası'nın sakin bir tarzda akan akışkan hacmine uygulanmasıyla türetilmiştir. Açıklamak gerekirse, buradaki ''sakin'' kelimesi akışın düzgün bir şekilde hareket ettiğini ve ihmal edilebilir derecede bir sürtünmeye maruz kaldığını anlatmakta olup, bu koşullar bir motorlu taşıta yaklaşan hava akışına da uygulanabilmektedir. Denklemin türetilmesinde kuvvetlerin toplamı, akışkan alanı üzerinde etkili olan basınç etkisini ortaya çıkarmaktadır. Bunu momentum değişim hızına eşitlemek hız terimini ortaya çıkarır.
Bernoulli Denklemi, havanın statik ve dinamik basınçlarının toplamının (Pt) araca yaklaştıkça sabit olacağını belirtmektedir. Araç durgun halde, hava da (bir rüzgar tünelindeki gibi) hareket halinde ele alınırsa, havanın ''akış iplikçikleri'' adı verilen çizgiler boyunca akmakta olduğu görülür. Akış iplikçiklerinin bir demeti bir akış tüpünü oluşturur. Şekil 3.1'de gösterildiği gibi bir rüzgar tünelindeki duman akışı, akış tüplerinin görülmesini mümkün kılmaktadır.
Şekil 3.1 Aerodinamik bir gövde üzerinden akmakta olan akış tüpleri
Taşıttan belli bir mesafe uzaklıkta, statik basınç sadece ortam basıncıdır veya (Patm) barometrik basınçtır. Dinamik basınç, araca yaklaşan tüm akış iplikçikleri için sabit olan bağıl hız tarafından üretilmektedir. Böylece toplam basınç, Pt, tüm akış iplikçikleri için aynı olup ;
Ps + ½ ρ. V2'ye eşittir.
Akış araca yaklaştıkça, akım tüpleri ayrılır, bazıları aracın üst tarafından bazıları da alt tarafından gider. Sonuç olarak, bir akış iplikçiği doğrudan araç gövdesine gitmeli ve durgunlaşmalıdır (Şekil 3.1'deki arabanın tamponu üzerine çarpan). Bu noktada bağıl hız sıfırlanır. Sıfır hız terimi ile, araç üzerinde o noktada gözlenen statik basınç Pt' ye eşit olacaktır. Yani, araç üzerinde bu noktaya bir basınç ölçer yerleştirilirse, ölçülen toplam basınç olacaktır.
Kaput üzerinden akan akış iplikçiklerine ne olması gerektiğini dikkate alalım. İlk olarak yukarıya yönlendiklerinde, kavis yukarı doğru içbükey olacaktır. Aracın belli bir mesafe üstünde, akım çizgilerinin hala düz olduğu bölgede, statik basınç ortam basıncı ile aynı olmalıdır. Hava akışının yukarıya kavislenmesi için, o bölgedeki statik basınç, hava akımını çevirmek üzere gerekli kuvveti sağlamak için ortam basıncından büyük olmalıdır. Eğer statik basınç daha yüksekse, o zaman bu bölgedeki hız Bernoulli Denklemi'ne uymak için azalmalıdır.
Aksine, akış kaportanın yüzeyini izlemek üzere döndükçe (kaportanın ağzında aşağı doğru kavis), basınç, akışı döndürmek için ortam basıncının altına düşmeli ve hız da yükselmelidir. Bu noktalar, bir silindir üzerindeki akışı gösteren Şekil 3.2'de verilmiştir.
Şekil 3.2 Bir gövde üzerindeki akışın basınç ve hız değişimleri
Böylece Bernoulli Denklemi, basınç ve hızın bir araç gövdesi boyunca hava akışında nasıl değişmesi gerektiğini açıklamaktadır. Sürtünmenin yokluğunda, hava, yukarıya tavan üzerinden ve aşağıya aracın arka tarafına doğru, öndeki gibi hızı basınca değiştirerek akacaktır. Bu durumda, aracın arka tarafı üzerindeki basınç kuvvetleri ön taraftakilerle tam olarak dengelenecek ve direnç oluşmayacaktır. Ancak araştırmalar göstermiştir ki direnç
oluşur. Direncin bir kısmı, hava ile aracın yüzeyi arasındaki sürtünmeden ve bir kısmı da sürtünmenin, ana akışı aracın arka tarafına yönlendirmesinden kaynaklanmaktadır.
Şekil 3.3 Bir sınır tabakanın gelişimi
Şekil 3.3'de görüldüğü gibi keskin kenarlı bir cisime kararlı bir akış yaklaşırken, tüm hava sabit bir hızla hareket etmektedir . Cisim üzerinden akarken yüzeye temas eden havanın hızı, yüzeydeki sürtünme nedeniyle sıfıra düşmektedir. Böylece yüzeye yakın bölümlerde bir hız profili gelişir ve belli bir uzaklık, δ, için hız ana akışın hızından daha düşük olur. Bu hızı azalan bölge ''sınır tabaka'' olarak bilinir. Sınır tabaka sıfır kalınlıkla başlar ve cisim boyunca büyür. Başlangıçta, laminer bir akışa sahiptir ancak daha sonra türbülanslı akışa sahip olur.
Araç gövdesinin ön yüzü üzerinde sınır tabaka, duracak akış iplikçiğinin yüzeye çarptığı noktada başlar. Sınır tabakasında hız sürtünme nedeniyle düşer. Durma noktasındaki basınç toplam basınçtır (statik artı dinamik) ve yüzey boyunca düşer. Yüzey boyunca basınç değişimi havayı sınır tabaka boyunca iter ve tabakanın büyümesi engellenir. Akış yönünde azalan basınç, sınır tabakanın büyümesini engellediğinden ''uygun basınç gradyeni'' olarak tanımlanır.
Fakat, akış cismi izlemek için döndükçe, basınç yine artar. Artan basınç sınır tabakasındaki akışı yavaşlatır ve bu da tabakanın kalınlaşmasına neden olur. Böylece ''karşı basınç gradyeni'' oluşur. Belli bir noktada yüzeye yakın akış basıncın etkisiyle Şekil 3.4'de gösterildiği gibi tersine çevrilebilir.
Şekil 3.4 Bir karşı basınç gradyenindeki akış ayrışması
Akışın durduğu noktaya ''ayrılma noktası'' denir. Bu noktada ana akış yolu cisimden kurtularak az çok düz bir çizgide yoluna devam eder. Akış, cisim arkasındaki bölgeden hava temin etmeye çalıştığı için bu bölgedeki basınç ortam basıncının altına düşer. Girdaplar oluşur ve akış bu bölgede oldukça düzensizleşir. Bir silindir üzerindeki akıştaki girdap hareketi Şekil 3.5'te gösterilmiştir.
Ayrılma olayı akışın aracın arka tarafına doğru ilerlemesini önler. Ayrılma bölgesindeki basınç aracın ön tarafına etkiyen basıncın altındadır ve tüm basınç kuvvetlerinin farkı ''form direnci''ni oluşturur. Araç yüzeyindeki sınır tabakada viskoz sürtünme olayından meydana gelen direnç kuvvetleri ''sürtünme direnci''dir. [2]
Şekil 3.5 Silindirik bir gövde üzerindeki girdap hareketi
3.2 Bir Araç Üzerindeki Basınç Dağılımı
Bölüm 3.1'de açıklanan temel mekanizmalar bir aracın gövdesi boyunca oluşan statik basınç dağılımını meydana getirir. Şekil 3.6, deneysel olarak ölçülmüş basınçların yüzeye dik çizilen grafiğini göstermektedir. Basınçlar araçtan belli bir uzaklıkta ölçülen ortam basıncına göre eksi veya artı olarak gösterilmektedir.
Şekil 3.6 Bir otomobilin merkez çizgisi boyunca basınç dağılımı
Aracın ön kısmı boyunca yükselen akış dönerek kaputu yatay bir şekilde takip etmeye çalıştıkça kaputun ön ucunda eksi basınç oluşur. Bu bölgedeki karşı basınç gradyeni, bu alanda direnç yaratan sınır tabaka akışını durdurma potansiyeline sahiptir. Son yıllarda, kaput önünü biçimlendirme ayrıntılarına, kaput üzerindeki ayrılmayı ve bunun sonucunda oluşan direnci önlemek için büyük önem verilmektedir.
Ön camın altı ve motor kapağı çevresinde akış yukarı çevrilmelidir, bu yüzden yüksek basınç görülmektedir. Yüksek basınç alanı klima kontrol sistemlerine veya motor hava girişine hava almak için ideal konumdur ve geçmişte bu nedenle sayısız araçta kullanılmıştır. Yüksek basınçlara, ön cam sileceklerini aerodinamik kuvvetler tarafından bozulmaktan koruyan daha düşük hızlar eşlik ederler.
Tavan çizgisi boyunca, akış tavan yolunu takip etmeye çalıştığından, basınç yine eksiye düşer. Bu bölgedeki düşük basıncın belirtisi, üstü açılıp kapanabilen arabaların kumaş tavanlarının dalgalanma hareketinde görülür. Basınç, arka cam üzerinden gövdenin bitimine kadar kavisin devam etmesinden ötürü düşük kalmayı sürdürür. Bu alan, akış ayrışması için en muhtemel yerdir. Bu bölgedeki açıların tasarımı ve gövde çizgisinin detayları aerodinamik açıdan kritik konulardır. Düşük basınçtan dolayı, aracın yan kısımlarındaki akış da bu bölgeye hava eklemeye çalışacak ve ayrışma potansiyeline katkıda bulunabilecektir. Aracın tepe ve yan taraflarındaki genel hava akış örneği Şekil 3.7'de gösterilmiştir. Aracın yan kısımlarındaki akış arkadaki düşük basınç alanına girip tavan üzerindeki akışla birleşerek aracın arkasında sürüklenen girdaplar oluşturur. [2]
Şekil 3.7 Bir otomobilin arkasında oluşan girdap sistemleri
3.3 Aerodinamik Kuvvetler
3.3.1 Sürükleme Direnç Kuvveti (Drag Force) (FD)
Araç üzerine etki eden aerodinamik kuvvetin serbest akış hızına ve yere paralel, taşıtın ileri hareket yönüne zıt yöndeki direnç kuvvetidir.
Karayolu taşıtlarına etkiyen en büyük aerodinamik kuvvet bileşeni genellikle aerodinamik sürükleme kuvvetidir. Bir binek taşıtı için oluşan aerodinamik sürükleme kuvvetinin (FD) % 90'dan fazlası şekil direnci nedeniyle oluşmaktadır.
Aerodinamik sürükleme kuvveti motorun sağladığı çeki kuvveti ile karşılanmaktadır. Onun için sürükleme kuvveti, gerekli motor gücünde ve dolayısıyla da yakıt tüketiminde etkilidir. Herhangi bir hızdaki yakıt tüketimi direkt olarak gerekli olan güç ile orantılıdır. Aerodinamik direnci yenmek için gerekli güç, motor gücünün büyük bir kısmını oluşturmaktadır.
Aerodinamik sürükleme direnç kuvveti denklem 3.2'den hesaplanır :
FD = 12 .ρ .V2.A.CD (3.2)
CD hava direnç katsayısı (birimsiz), taşıtın şekline ve rüzgarın hücum açısına göre değişmektedir. Burada, ρ havanın yoğunluğunu, Α taşıtın önden bakıştaki izdüşüm alanını V de taşıtın rüzgara göre bağıl hızını göstermektedir. Direnç katsayısı esas olarak cismin şeklinin bir fonksiyonudur fakat Reynolds sayısı ile yüzey pürüzlülüğüne göre de değişim gösterebilir.
Çeşitli cisimler için direnç katsayıları Tablo 3.1'de, silindir ve diğer kolon şekilli cisimlerin Reynolds sayısına göre direnç katsayısının değişimi Şekil 3.8'de, küre ve diğer üç boyutlu cisimlerin Reynolds sayısına göre direnç katsayısının değişimi ise Şekil 3.9'de gösterilmiştir.
Tablo 3.1 Çeşitli cisimler için direnç katsayıları
Şekil 3.8 Silindir ve kolon şekilli cisimlerin direnç katsayıları
Şekil 3.9 Küre ve diğer üç boyutlu cisimlerin direnç katsayıları
Maksimum kesit, taşıtın projeksiyon alanı ile aynıdır ve genellikle referans alanı veya karakteristik alan olarak adlandırılır. Bu alan lastiklerin hava akımına karşı olan alanlarını da kapsar. Yaklaşık olarak göz ile görülebilir veya küresel açı etkilerini ihmal edebilecek kadar uzak bir mesafeden fotoğraf makinesi (veya kamera) ile Şekil 3.10 deki gibi görüntülenen alandır.
Şekil 3.10 Araç kesit (referans) alanı
Geometrik boyutları araç dış formuna bağlı sürükleme katsayısı belli olan bir araca herhangi bir hızda etkiyen sürükleme kuvveti hesaplanabilir. Örneğin; hızı 30 m/sn (108 km/h) olan bir aracın projeksiyon alanı 3m2 ve sürükleme katsayısı CD = 0,45 ise bu araca etkiyen sürükleme kuvveti denklem 3.2'den aşağıdaki şekilde hesaplanır :
FD = 0,5.1,255.(30)2.3.0,45 =762,4 N 80 kgf
Direncin ana kaynakları ve 1970'lerin otomobilleri için bu bölgelerdeki tahmin edilen direnç azaltma potansiyeli Tablo 3.2'de belirtilmiştir. Bu tabloda, direncin yaklaşık olarak %64'ünün (0,28/0,435) gövdeden (taşıt önü, taşıt arkası, taşıt altı ve dış yüzey sürtünmesi) kaynaklandığı görülmektedir. Dirence en büyük katkıyı yapan bölüm, arka taraftaki ayrışma bölgesinden kaynaklanan direnç nedeniyle, taşıt arkasıdır. Direnç azaltma potansiyeli en çok bu bölgededir.
Tablo 3.2 Bir araç üzerindeki direncin ana kaynakları [2]
3.3.2 Kaldırma Kuvveti (Lift Force) (FL)
Araç hareket (serbest akış hızı) doğrultusuna ve yere dik aerodinamik kaldırma kuvvetidir. Otomobil aerodinamiğinde uçakların tersine kaldırma kuvvetinin küçük olması istenir. Kaldırma kuvvetinin düşük olması aracın yol tutuşunun iyileşmesine ve özellikle virajlarda savrulmamasına yardımcı olur. Ancak ters yönde etki edecek bir baskı kuvveti de, araç ve tekerlek arasındaki sürtünme kuvvetini artıracağı için yakıt sarfiyatında artışa ve hızlanma kabiliyetinde düşüşe neden olacaktır. Bu nedenle imalatçılar aerodinamik yapıyı kullanarak kaldırma kuvvetini belirli bir seviyede tutmayı amaçlarlar.
Tayfun veya hortum gibi şiddetli rüzgarların tehlikeli olmalarının bir nedeni çok alçaktan eserek yukarıya doğru basınç oluşturup herhangi bir kütleyi havaya savurmasıdır. Benzer bir etki de hızlı kullanılan otomobillerde oluşmaktadır. Bu etki aracın üstünde oluşan emme, altında oluşan kaldırma kuvvetiyle daha çok artmaktadır.
Yüksek hızlı araçlarda aracın üst kaporta yüzeyinin kambur olması bu bölgede eğrilik sebebiyle bir akım karakteristiği taşıyan hava akımının hareket yönüne dik bir hız bileşeni kazanmasına neden olur. Böylece yeni bileşen sayesinde daha büyük değere sahip bir bileşke hız vektörü ortaya çıkar.
Kaldırma kuvveti denklem 3.3'den hesaplanır :
FL = 12 . ρ .V2.A.CL (3.3)
CL kaldırma katsayısını ifade eder.
Aracın hızındaki artışa paralel olarak araç üstündeki basınç düşer ve araca yukarıdan emme etkisi yapar. Bu etki oluşurken bir yandan da aracın altından giren hava aracı yukarıya kaldırmak için basınç uygulamaktadır. Bu kaldırma ve emme kuvvetleri aracın tekerleklerindeki ağırlık kuvveti etkisini azaltarak kumandanın zorlaşmasına bilhassa viraj halinde aracın kolaylıkla savrulmasına ve hatta yerden havalanıp takla atmasına neden olur. Bu sebeple yarış otomobillerinin alt yapısına eğrilik verilerek yere basma kuvvetini artırmaya çalışılmıştır. Buna rağmen tam bir başarı sağlanamamıştır. Şöyle ki: olanca hızıyla giden bir yarış arabasını rüzgar piste adeta yapıştırır, öte yandan arabanın karoseri rüzgar direncini asgariye indirecek şekilde biçimlendirilmiştir. Rüzgar bir yandan arabayı piste yapıştırırken, öte yandan arabanın altında oluşan hava cereyanı bir karşı g ç oluşturur.
Öndeki otomobile fazla yanaşan bir yarış arabasının üzerindeki rüzgar baskısı azalır, çünkü rüzgarın esas baskısını öndeki otomobil karşılar, arkadaki otomobilin sürati artar ancak ön tekerlerin piste olan teması zayıflar. Bu durumda saatte 300 km hızla giden araç birden bire açıkta kalıp esen rüzgarla karşı karşıya geldiğinde arabanın altından giren hava tekerlerin yerle olan temasını keser ve aracı havalandırır.
Normal binek araçlarında tehlike bu boyutlarda olmamaktadır yine de savrulma riski vardır. Porsche 1966'dan 1969'a kadar ürettiği 911 marka araçlarda ağırlık artırımı yaparak soruna pratik bir çözüm bulmuştur. Saatte 225 km hızla giden araçlarının ön tarafına döküm demir sağ ile sol tarafa birer akü koyarak aracın yere yapışmasını sağlamıştır. Teknik açıdan daha akıllıca çözüm ise kanat (spoiler) kullanımı ile gelmiştir.
3.2.3 Yanal Kuvvet (FY)
Havanın hareketi taşıt şekline göre simetrik olmadığı zamanlarda oluşan aerodinamik kuvvetin yan bileşenidir. Bu kuvvet bileşeni sürükleme ve kaldırma kuvveti (FD ve FL) ile dik açı yapmaktadır.
Yanal kuvveti denklem 3.4'den hesaplanır :
FY = 12 .ρ .V2.A.CY (3.4)
3.4 Aerodinamik Momentler
Aerodinamik kuvvetlerinde taşıt dinamiğine etkisi hesaplanmak istendiğinde bu kuvvetlerin de ağırlık merkezine taşınması gereklidir. Bu durumda dinamik analizin içine aerodinamik momentler girmektedir. Bu momentler aerodinamik kuvvetler ile bunların ağırlık merkezine olan uzaklıklarının çarpımı ile bulunabilir.
Aerodinamik kuvvetler üç bileşene ayrıldığına göre bunların ağırlık merkezine taşınması sonucunda üç aerodinamik moment oluşur.
3.4.1 Yunuslama Momenti (pitching) (Mp)
Aerodinamik sürükleme ve aerodinamik kaldırma kuvvetlerinden kaynaklanan aracın ön ve arkasından etki eden kaldırma kuvvetleri birbirine eşit olmadığında oluşan yunuslama momenti MP dır. Basınç merkezinin, ağırlık merkezine göre rölatif pozisyonu xc ve yc uzaklığında olarak tanımlanırsa ;
MP = FL.xc+ FD.yc = q.A.(CL.xc+CD.yc) = q.A.L.CMP (3.5)
Burada q dinamik basınç (ρ.V2 /2), L taşıtın karakteristik uzunluğudur ve binek taşıtlar için genellikle ön ve arka aks arasındaki uzunluk alınır. CMP ise birimsiz yunuslama momenti katsayısıdır.
3.4.2 Yuvarlanma Momenti (rolling) (MR)
Aracın sağ ve sol taraflarına etki eden yanal kuvvetler birbirine eşit olmadığında oluşan yuvarlanma momenti MR, yc uzaklığında etkiyen aerodinamik yan kuvvetten kaynaklanmaktadır. CMR birimsiz yuvarlanma momenti katsayısıdır.
MR=FY.yc = q.A.L.CMR (3.6)
3.4.3 Yana Kayış Momenti (yaw) (MY)
Yanal rüzgarların aracın ön ve arkasına aynı şiddetle etki etmediği durumlarda oluşan aerodinamik yana kayış momenti MY, xc uzaklığında etkiyen aerodinamik yan kuvvetten kaynaklanmaktadır. CMY birimsiz yana kayış momenti katsayısıdır.
MY = FY.xc = q.A.L.CMY (3.7)
Basınç kuvvetlerinin taşıt üzerindeki belirli bir noktadan etkidiği şeklinde bir idealleştirme yapılabilir. Şekil 3.11'da görüldüğü gibi bu noktaya basınç merkezi (center of pressure, c.p.) denir. Bu nokta ağırlık merkezi (center of gravity, c.g.) ile aynı nokta değildir. Bu iki noktanın çakıştırılması aerodinamik açıdan oldukça büyük faydalar sağlar. [10]
Şekil 3.11 Otomobil üzerinde oluşan aerodinamik kuvvetler, momentler ve basınç, ağırlık merkezlerinin şematik görünümü
3.5 Otomobillerde Kayıplar
Kara nakil araçlarında motorca üretilen güç hava direnci ve sistem içindeki kayıpları dengeler.
Bu kayıplar :
Termodinamik kayıplar
Transmisyon kayıpları
Yuvarlanma kayıpları
İvme kayıplarıdır.
Düşük hızlarda hava direnci diğer kayıplar yanında oldukça düşük mertebelerdedir. Ancak hız 30-40 km/h değerine ulaşınca hava direnci önem kazanır. Bunun sebebi hava direncinin hızın karesiyle doğru orantılı olarak artmasıdır.
Tablo 3.4 Benzin motorlu 1200 kg'lık bir otomobilde 90 km/h saat hızda yakıt enerjisinin % (yüzde) kullanımı [5]
Sürükleme katsayısı CD'nin azaltılabilmesi için araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır. En ideal şekil ise su damlası şekli olarak bilinen yatay eksene göre simetrik şekle aittir. Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır.
3.6 Hava Direnç Katsayısını Azaltmak için Yapılan Çalışmalar
Aracın kaportası çevresinde akan havanın mümkün olduğunca kesintisiz ve pürüzsüz bir yüzey etrafında akması sağlanarak direnç katsayısı daha da düşürülebilmiştir. Bu amaca yönelik araçlarda kapı camlarının ve farların kaporta ile bir yüzeyde dizayn edilmesi, ön ve arka camların daha yatık dizayn edilmesi, yan aynaların formunun aerodinamik özellik taşıması, lastik oyuklarının genişletilmiş çamurluklarla örtülmesi, ön ve arka tekerlekler arasına etekler yerleştirilmesi, ön panel altına hava kesiciler ( airdam ) yerleştirilmesi, jant kapaklarının mümkün olduğunca aerodinamik yapıda imal edilmeleri, aracın altındaki düzgünsüzlükleri alt kaplama takviyesi ile kamufle edilmesi gibi önlemlere rastlanmaktadır.
Günümüzde yukarıda bahsettiğimiz önlemler sayesinde direnç katsayısı ;
Binek araçlarında 0,25'e
Otobüslerde 0,5'e
Motosikletlerde 0,4'e
Kamyonlarda ise 0,65'e dek düşürülebilmiştir.
Hava akımı içinde akım yönüne dik olarak tutulan bir levha için bu değer 1.28, paraşütte 1.70, tabanca mermisinde 0.3, futbol topunda 0.29, yolcu uçaklarında 0.25, bomba ve yedek yakıt tankı taşımayan savaş uçaklarında 0.20 civarındadır.
Bu arada laboratuvar çalışmalarında bulunan sonuçların normal trafikte tespit edilenler ile uyuşmaması çoğunlukla rastlanan haldir. Çünkü araca etkiyen yan rüzgar, yük durumu vb. faktörler direnç katsayısına doğrudan tesir ederler.
Açık bir pencere, bagajdaki 20 kg'lık fazla yükün oluşturduğu yere yaklaşma veya kullanılan lastiklerin daha kalın olanlarıyla değiştirilmesi gibi hallerde direnç katsayısı değeri %10-12 artış gösterir. Küçük gibi görünen bu artışın ise yakıt sarfiyatının %5 yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir.
Aracın altındaki düzgünsüzlüklerin alt kaplama ile kamufle edilmesi halinde CD değeri 0.045 düşüş gösterir. Ön ve arka camların eğik dizayn edilmesi, aracın iç kısmını etkileyen güneş ışığı miktarının artmasına neden olur. Bunun doğuracağı yüksek sıcaklık problemine çözüm olarak cam imalatçı firmalar renksiz iki ince cam tabakası arasına altın veya gümüş metalden mikron mertebesinde film sıvayarak güneşin görünür dalga boyundaki ışınlarını geçiren fakat enfraruj ışınlarını yansıtan camlar geliştirmişlerdir. Bunun maliyeti ise normal cam maliyetinin % 50 üzerindedir.
CD değerini azaltma çalışmalarının sonucu olarak şu söylenebilir. Geliştirilen farklı önlemler sayesinde direnç kaybı, oldukça düşürülebilmiştir ve hatta daha da düşürülebilir ancak, bu amaç için uygulanacak ilave önlemlerin doğurabileceği maliyet artışı CD değerinin küçültülmesi sonucu ortaya çıkacak avantajı aşacağından bu gibi önlemler, şimdilik sadece deneme, geliştirme ve yarış gibi özel amaçlı araçlara uygulanabilmektedir. Binek otolarında CD değeri 0.25 ile 0.6 arasında değişirken bu tür numunelerde CD değeri 0.20'ye düşebilmektedir.
Bu konuda rekor 0.182 ile Mercedes'in C111 serisinin 1985'de geliştirdiği C111/4 modelindedir. Zaman değerlerini alt üst eden 1936 yapımı geliştirilmiş Mercedes W125 0.20'lik CD değeri ile damla formuna en yakın araçlardan biridir. [5]
Şekil 3.12 1936 Yapımı Mercedes W125
3.7 Araç Tasarımında İdeal Aerodinamik Şekil
Taşıtın şekli, yolcu sayısı ve koltukların yerleşimine göre belirlenir. Taşıtın maksimum kesit alanına göre tasarım yapılır. Kesit alanına göre teorik olarak taşıtın aerodinamik sürükleme katsayısı bulunmaktadır. Günümüzün iyi tasarımlanmış spor ve yarış otomobilleri ancak 0,2 ile 0,3 arasında sürükleme katsayılarına sahiptir. Bu katsayı farkları çoğunlukla ideal şekilden sapmalardan (yolcu kabininin şekli gibi) kaynaklanır. Tekerlekler arasındaki boşluk en önemli sapmayı gerçekleştirmektedir. Yolcu bölümü kısmı sürücünün yolu görebilmesi için gereklidir, fakat şekil üzerinde düzgünce ilerleyen hava akımına karşı bir engeldir.
Aerodinamik Direncin En Önemli Kaynakları :
Gövde direnci ; Basınç dağılımının yatay bileşeninden dolayı oluşur.
Akışkan direnci ; Türbülansların oluşmasından ve aerodinamik kaldırma kuvvetinden dolayı oluşur.
Sürtünme direnci ; Taşıt dış yüzeyinin hava ile temasından dolayı oluşur.
İç hava akımı ; Taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı oluşur.
Tekerleklerin dönmesinden dolayı ve taşıtın altından geçen hava aerodinamik direnci arttırır. Akışın bölgesel olarak hızlanmasına ve yavaşlamasına sebep olan veya akışın yönünü değiştiren taşıt yüzeyindeki her şekil gövde direncine eklenir. Yolcu bölümünde hava ön cama geldiği zaman ivmelenir ve yön değiştirir bu yüzden taşıtın kesit alanındaki ani değişiklikler mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır.
Hava akışının kanallardan iletilmesi işleminden kaçınılmalıdır. Bölgesel hava akışlarını taşıt üzerinden kolaylıkla ileten şekiller bölgesel hız artışlarına sebep olurlar. Bunun gibi bölgesel hava jetleri taşıtın üzerindeki ana hava akış şeklini keserler ve çevresindeki havadan daha hızlı hareket etmesinden dolayı türbülansa sebep olurlar, bu da gövde direncine eklenir.
Taşıtın arka tarafında, kesit alanındaki ani değişiklikten dolayı hava akışının yavaşladığı bir viskoz sınır tabaka vardır. Bu basıncın artmasına ve ayrılma noktasına kadar ya da hava akışı dış ortamın hava şartlarına uyana kadar akışın basınca karşı iş yapmasına yol açar. Ayrılma çizgisi (separation line) yüzey üzerindeki oldukça küçük objeler sebebiyle veya tasarımdaki ufak detaylardan dolayı aniden meydana gelebilir, bunun için bu bölgenin tasarımına oldukça dikkat edilmelidir.
Taşıtın arka tarafının tasarımının aerodinamik direncinin düşürülmesi ;
Deneysel ölçümlerden taşıtın arka kısmının bölgesel hava akışına göre negatif eğimli olması gerektiği görülür. Gelen hava akımındaki türbülans oranı veya yüzeyin pürüzlülüğü gibi durumlar kritik açının değerini belirler, taşıtın arka tarafında yüzeyin bölgesel hava akımına göre eğimi 3° ila 5° yi geçmemelidir, geçilirse hava akışı ayrılışı tetiklenir. Bu fast-back olarak bilinen taşıt tasarımlarının ortaya çıkmasına sebep olmuştur (Şekil 3.13 a, b). Taşıtın yan kısımlarının tasarımı da gözönüne alındığı takdirde taşıtın arka yüzey alanı küçülür ve aerodinamik direnç düşer.
Şekil 3.13 a- Fastback otomobil b- Normal binek otomobil
Bu tasarım bize ayrılma çizgisinin hemen hemen taşıtın arka kenarında oluşmasından dolayı bir optimizasyon sağlar. Hava akışının ayrılmasına diğer bir etkende arka yüzeyler üzerine yerleştirilen çeşitli çıkıntılardır. Örnek olarak taşıt gövdesine iyi yerleştirilememiş camlar ayrılma çizgisini taşıtın arka kenarından daha önce olmasına yol açar ve aerodinamik direnci arttırır.
Lastiklerin oluşturduğu ark, içinde bulundukları boşluktan hava akışının geçmesiyle meydana gelmektedir. Lastiğin dönmesi ve alttan gelen hava ile karşılaşması ön ve arka tekerleklerde havanın lastik boşluğunu izlemesine ve türbülanslar oluşturarak uzaklaşmasına yol açar. Yağışlı bir gün sonrasında taşıtın ön ve arka çamurluklarına bakıldığında oluşan bölgesel türbülans, çamur ve diğer pisliklerin çamurluğa yapışmasına neden olurlar.
Şekil 3.14 de görüldüğü gibi ön lastikten sonra hava akımı, oluşan türbülanslarla taşıtın yan kenarı boyunca hareket ederken tekrar birleşirler. Arka lastiklerde meydana gelen hava akımı ayrılması genellikle taşıtın arka tarafındaki hava akımı ile birleşir. Bu durum arkada meydana gelen hava boşluğunun daha da büyümesine yol açar ve aerodinamik kuvveti artırır. Lastiklerin bulunduğu boşluğu kısmen veya tamamen kapatmak bu sorunu çözebilir. Arka lastiklerde tamamen kapatılabilinmesine rağmen ön lastikler hareketli olduğu için çok zordur.
Şekil 3.14 Taşıtın lastik boşluklarında meydana gelen hava akımı ayrılmasının şekli
Üstü açık spor otomobillerde hava akışının ayrılması genellikle ön camın bittiği noktada başlar. Taşıtın neredeyse tüm kesit alanında hava boşluğu meydana gelmesini sağlar ve oluşan aerodinamik direnç oldukça artar. Maksimum kesit alanını mümkün olduğunca azaltmak aerodinamik direnci düşürmenin en iyi yoludur. [6]
3.8 Araç Alt Hava Akımı
Taşıtın altındaki hava akımı her zaman istenmeyen bir olaydır. Taşıtın altında motor, vites kutusu, şaft, diferansiyel ve egsoz boruları gibi birçok parça vardır ve bunların hepsi açıkta bulunmaktadır (Şekil 3.15). Bütün bu parçalar sadece aerodinamik direnci artıran türbülansa değil, aynı zamanda hava akımını yavaşlatarak aerodinamik kaldırmaya yol açarlar.
Şekil 3.15 Taşıtın altındaki kısımların hava akımına maruz kalışı
Taşıtın alt kısmındaki hava akımının etkisini azaltmanın başka bir yoluda taşıtın alt kısmındaki parçaların hava akımına maruz kalmayacak şekilde yerleştirmek veya taşıtın altını tamamen kapatmaktır. (Şekil 3.16)
Şekil 3.16 Ferrari F50'nin alttan görünüşü
3.9 Kanat (Spoiler)
Kelime anlamıyla spoiler bozucu veya dağıtıcıdır. Yapılan laboratuvar araştırmalarında aracın üstünden akan hava akımının kaportayı terk ettiği arka bölüme konulan spoiler bu bölgenin arkasında oluşturduğu hız düşüşü ve buna bağlı olarak ortaya çıkan basınç artışının araca ilave itme kuvveti sağladığı veya diğer bir deyişle aracın hava direnç kaybını azalttığını ortaya koymuştur. Aracın ön tarafına konulan spoilerin ne kadar alçak yerleştirilirse o kadar iyi sonuçlar elde edilebilir ve rüzgarı yönlendirerek yukarı doğru basınç yapmasını ve böylece otomobilin ön kısmının havalanmasını engeller.
Ferrari mühendisleri 1960'lı yılların başında taşıtın arka kısmının sonuna bir uçak kanadı modeli yerleştirildiğinde aerodinamik kaldırma kuvvetinin ciddi bir biçimde düştüğünü, aerodinamik sürükleme kuvvetinin ise çok az artış gösterdiğini, aşağıya doğru bir net kuvvetin elde edilebildiğini gördüler.
Şekil 3.17 Hava kanadının hava akımını yönlendirişi
Hava kanadının altından geçen bir miktar hava akımı vardır. Bu fast-back olmayan taşıtlarda türbülansı engeller ve aerodinamik sürükleme katsayısının aynı kalmasını sağlar.
Kanadın etkin olarak görevini yapabilmesi için mümkün olduğunca yüksek yerleştirilmelidir, fakat ne kadar yüksek yerleştirilirse kanadın oluşturduğu aşağı doğru net kuvvet, ağırlık merkezine göre o kadar büyük moment oluşturur. Bu moment taşıtın ön aksındaki normal kuvveti düşüreceği için ön tekerleklerin yere tutunması zorlaşacaktır, buda taşıt kontrolü azalacaktır. Formüla 1 gibi yarış otomobillerinde bu etkiyi ortadan kaldırmak için otomobilin ön kısmına da kanat yerleştirilerek her iki aksta da istenilen aşağı doğru net kuvvet (downforce) elde edilebilir. Yüklü ağırlığı 750 kg civarında olan bir Formüla 1 otomobili 290 km/h bir hıza çıktığı zaman bu kanatlar sayesinde yere etkiyen toplam normal kuvveti 2500 kg'a kadar çıkmaktadır.
Aerodinamik kanatlar kaldırma kuvveti için iyi bir çözüm olmasına rağmen yarış otomobilleri tasarlayan mühendisler için hala isteklerinden uzaktır. Normal bir Formüla 1 otomobili viraj alırken 4g'lik bir ivmeye maruz kalır ve bunu yenebilmek için lastikleri yere iyice tutunmasını sağlayacak yeterli normal kuvvete ihtiyacı vardır. Büyük kanatlar yerleştirmek bunu karşılayabilmesine karşın, aerodinamik sürükleme katsayısını oldukça artırmaktadırlar. [6]
4.RÜZGAR TÜNELİ
Rüzgar tüneli, hava gibi hareketli bir gaz içinde bulunan katı cisimlere gazın uyguladığı etkinin incelenmesi, araştırılması ve yorumlanması için tasarlanmış ve üretilmiş içindeki havanın hareket ettirildiği ve hızının ayarlanabildiği tünellere denir. [7]
Hava tünelinden (ya da rüzgar tüneli) içine yerleştirilen gerçek ya da küçültülmüş boyutlardaki parça ve araçların aerodinamik niteliklerinin,denetlenebilen koşullar altında denenmesinde yararlanılır. Düzgün bir gaz (ya da hava) akışı sağlaması gerektiği gibi,gerekli hızlara göre farklı düzenekler kullanılır.
Eskiden yalnızca uçak gövdelerinin aerodinamik biçimlerinin denetiminde kullanılan hava tünellerinde, günümüzde hem mermilerin ve kara-demiryolu taşıtlarının biçimlerinin belirlenmesinde,hem de yüksek yapıların,köprülerin güç iletim hatlarının ve radar tarayıcılarının rüzgar yükleri ile gazların güvenlikle boşaltılması için, yüksek binaların çevresinde oluşan rüzgar girdaplarının incelenmesi için, karayollarının bulunduğu bölgelere yağan karın ne biçimde biriktiğinin araştırılması için yapılan deneylerde kullanılır.
Hızlarına Göre Tipleri :
1-) Ses altı hızlar için rüzgar tüneli
2-) Ses üstü hızlar için rüzgar tüneli
Çevrim Tipine Göre :
1-) Kapalı rüzgar tünelleri
2-) Açık rüzgar tünelleri [7]
Hava içerisinde hareket eden bir cisme etki eden kuvvet ve moment sisteminin, cismin etrafındaki akışa ait özelliklerin ve dolayısıyla aerodinamik karakteristiklerin tayini aerodinamiğin en temel problemlerinden biridir.
Günümüzde, artık bu çalışmalar sayısal yöntemlerle beraber yürütülmektedir. Böylece, bilgisayar ortamında yapılan çalışmalar, hem kullanılan teorilerin hem de elde edilen sonuçların doğruluğu açısından, deneysel çalışmalarla desteklenebilmektedir. Bilgisayar ortamında kullanılan sayısal yöntemlerdeki yaklaşımlardan dolayı elde edilen sonuçların hayata geçirilmesi açısından deneysel aerodinamik önemini daha uzun yıllar koruyacaktır.
Teoriler tam olarak tamamlanmadığı için deneysel çalışmalar tarafından desteklenmeye ihtiyaç duymaktadır ve bunun için rüzgar tünellerinde ölçeklenmiş bir model üzerinde deneysel çalışmalar zorunludur. Otomotiv sanayisinde kullanılan taşıtların tasarımında, bu noktadan hareketle, aerodinamik deney teknikleri iki temel kullanıma sahiptir :
Birincisi, deneysel yöntemler tasarım aşamasında, değişik unsurların olaya etkisini ve modifikasyonların sonucunu, güvenilir, çabuk, direkt ve nispeten ucuz bir şekilde belirlenmesini sağlar. Bilindiği gibi rüzgar tünellerinde, taşıtı oluşturan parçaların modelleri her biri tek başına test edildiği gibi, prototip taşıttan alınan bileşenler direkt olarak rüzgar tünelinde kullanılabilir.
İkinci kullanımı ise, teorik çalışmalarla beraber, akışkanın doğal davranışlarının temelleri hakkındaki bilgilerin tedarik edilmesi üzerinedir. Bu sayede teorilerde desteklenebilir ve geliştirilebilir. Bu tip çalışmalar genelde çok iyi planlanmak zorundadır ve son derece detaylı araştırmalar gerektirirler. Bu uzun dönem devam eden araştırma projelerinin sonuçları da, pratik olarak mühendisliğe uygulanabilir olmayabilir.
Cisim (model) etrafındaki akış, tamamıyla görecelidir ve cismin, durgun akışkan içerisinde hareketli olması ile, sonsuzda üniform hıza sahip bir akışkan içerisinde sabit durması arasında bir fark yoktur. Pratikte, sabit olarak duran model üzerinde ölçümler yapmak daha kolay olacağı için tercih edilmektedir. Model sabitlendiği için bitirilmiş olmaya veya kararlı olmaya ihtiyaç duymaz ve böylece modelin değişik unsurlarının aerodinamik özellikleri ayrı ayrı test edilebilir ve karşılıklı etkileşimleri tespit edilebilir. Daha fazlası, sürekli şartlar daha hızlı bir şekilde elde edilir ve daha uzun bir süre modelin herhangi bir pozisyonu için veya ayarlanabilir unsurlarının (kontrol yüzeyleri) modele göre değişik konumları için korunabilir.
Rüzgar tünelleri her ne kadar gerçek seyir şartlarına yakınlaştırılmaya çalıştırılsa da, hiçbir zaman model üzerinde tam anlamıyla gerçek seyir şartlarını oluşturamazlar. Bunun sebepleri arasında, tünelin yeterince büyük olmamasından dolayı küçük ölçekli modelin kullanılması, tünel içerisinde dolaşan havanın gerçek seyir hızında, gerçek hava yoğunluğunda ve sıcaklığında olmaması sayılabilir. Dolayısıyla, deneyler sonucu elde edilen bilgilerin serbest seyir hali ile uyuşması için bir takım kontroller yapılmalı ve deney öncesi bir takım şartlar sağlanmalı, gerekiyorsa sonuçlar üzerinde düzeltmeler yapılmalıdır. Aksi halde deney sonucu elde edilen boyutsuz katsayılar gerçeklerden uzak olur.
4.1 Benzerlik
Gerçek boyutlardaki bir taşıtın rüzgar tünelinde deneye tabi tutulmasının pahalı olması veya bu ölçülerde bir rüzgar tünelinin bulunma ihtimalinin düşük olması ve deney teçhizatının maliyeti gibi etkenler nedeniyle test edilecek taşıtın modelinin kullanılması en uygun hal tarzıdır. Test edilecek model, gerçek boyutlardaki taşıta etki eden kuvvet, moment ve dinamik yükleri elde edebilmek için belirli özelliklere sahip olmalıdır. Model ile gerçek taşıt arasındaki benzerliğin sağlanabilmesi için üç farklı benzerlik şartı aranır. Bunlar; Geometrik benzerlik, Kinematik benzerlik ve Dinamik benzerliktir.
Geometrik Benzerlik : Deney odasına genelde gerçek model konamayacağından dolayı, kullanılacak modelin ölçekli ve gerçeğine uygun olması gerekmektedir.
Kinematik Benzerlik : Benzerlik olması için ikinci kriter kinematik benzerliktir. Karşılık gelen noktalardaki hızlar aynı yönde ve mutlak değerlerinin oranı sabit olduğunda iki akış kinematik olarak benzer denir. Genelde kinematik benzerlik, sonsuz akış alanında performansı doğru modelleyebilmek maksadıyla bir cismin direncini belirleyebilmek için sonsuz kesite sahip rüzgar tüneli kullanımını gerektirecektir. Fakat pratikte rüzgar tüneli duvarları taşıt etrafındaki akım çizgilerinin genişlemesini sınırlar. Bu etki blokaj olarak belirtilir ve model kesit alanının rüzgar tüneli kesit alanına oranı blokaj oranı olarak tanımlanır. Karayolu taşıtları için bu oran hava taşıtlarına göre çok daha büyüktür. Bazen %20'ye kadar blokaj oranları kullanılır. Hatta termal deneylerde (mesela motor soğutma) blokaj oranı bu değerden de büyük olabilir. Uzun yıllar taşıtların aerodinamik deneyleri için uzay çalışmalarından edinilen uygulama ile %5 seviyelerindeki blokaj oranı uygun kabul edilmiştir. Böyle bir durumda standart bir araç için deney bölümü kesit alanı 40 m2 olması gerekir. Bu büyüklükte kesit alanı olan çok az otomotiv rüzgar tüneli vardır. Avrupa'da kullanılan rüzgar tünelleri genellikle 25 m2 alana sahiptir.
Dinamik Benzerlik : Karşılık gelen noktalardaki benzer kuvvet tipleri birbirine paralel ve mutlak değerlerinin oranı sabit olan kuvvet dağılımına sahip iki akış dinamik olarak benzer denir. Bilindiği gibi rüzgar tüneli deneylerinde temel olarak ölçülen büyüklükler aerodinamik kuvvet ve momentlerdir. Doğal olarak daha ufak bir model üzerinde farklı şartlarda oluşan bu büyüklükler bize gerçek aerodinamik kuvvet ve momentler açısından pek bir şey ifade etmezler. Bizim için anlam taşıyan büyüklüklerin boyuttan arındırılmış olması gerekmektedir ki basınç, kuvvet ve moment katsayıları böyledir. Bu boyutsuz büyüklüklerin gerçek modele ait katsayılar olarak kabul edilebilmesi için dinamik benzerliğin sağlanması gerekmektedir.
Reynolds sayısı Re, atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı olarak tarif edilir. Tam bir dinamik benzerlik için geometrik benzerliğe ek olarak gerçek boyutlardaki akışın Reynolds sayısı ile deney anındaki Reynolds sayısı aynı olmalıdır.
4.2 Rüzgar Tüneli Deneylerindeki Sınırlamalar
Taşıtlar rüzgar tünelinde deneye tabi tutulduğunda iki ana sınırlama ile karşılaşırlar.Birincisi yuvarlatılmış kenarlar nedeniyle rüzgar tüneli deney bölümündeki akışı taşıt bozar. İkincisi taşıt ve yol arasındaki bağıl hareket ve tekerleklerin dönüşünün meydana getirilmesi çok zor olup genellikle ihmal edilir. Bununla beraber son zamanlardaki gelişmeler ile bu sınırlamalar aşılmaktadır.
4.3 Rüzgar Tünellerinin Genel Özellikleri
Rüzgar tünellerinin görevi, laboratuvarda deney ortamında (deney bölgesi veya deney odası), istenen belirli koşullara (hız, üniformluluk, türbülans şiddeti v.s) sahip bir hava akımı elde etmektir. Rüzgar tünellerinin deney odası ve deney odası dışındaki kısımları (kolektör, difüzör v.s) deney odasında hava akımının istenen koşullara sahip olabilmesi için uygun olarak dizayn edilirler.
Şekil 4.1 Kapalı deney odalı, ses altı açık devreli rüzgar tüneli ana elemanları
Şekil 4.2 Açık deney odalı, ses altı açık devreli rüzgar tüneli ana elemanları
Kara taşıtlarının hız aralığı nedeniyle, kara taşıtlarının incelemelerinde kullanılan rüzgar tünelleri, ses altı (genellikle alçak ses altı) hızlı rüzgar tünelleridir. Kara taşıtları, havacılıkta kullanılan şekillerden farklı olarak, genellikle, aerodinamik şekilli olmayıp, küt ve karmaşık geometrik şekillidirler. Bu nedenle, kara taşıtları etrafındaki akım alanı üç boyutlu olup, oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Kara taşıtları ile rüzgar tünelinde yapılan deneylerde, blokaj etkisi de ayrı bir önem kazanır. Bu nedenle, bu tip deneylerde, açık deney odalı rüzgar tünellerine daha çok yer verilir. Diğer taraftan kara taşıtları, hava taşıtlarından farklı olarak, bir zemin (yol) üzerinde hareket ettiğinden, rüzgar tünelinde kara taşıtı ile yol arasındaki etkileşimi de benzeştirmek gerekebilir. Bu nedenle, kara taşıtları aerodinamiği incelemelerinde kullanılan rüzgar tünelleri kendine has bazı özelliklere sahiptir.
4.4 Rüzgar Tünellerinin Ana Elemanları
Deney Odası : Deney odası, rüzgar tünelinde deneyler sırasında modelin konulduğu ve modelin maruz kalması istenen akım şartlarının meydana getirildiği bölgedir. Deney odası kapalı veya açık olabileceği gibi bu iki yöntemi birlikte uygulamakta mümkündür. Ayrıca, duvarları rijit olmayan, ayarlanabilir duvarlı rüzgar tünelleri yapılabilir. Deney odasında akımın türbülanslı olması ve deney odasına dik düzlemlerde akımın düzgünlüğü deney odasının şekline bağlı olduğu gibi, kolektör, difüzör gibi tünelin diğer elamanlarına da yakından bağlıdır. Deney odasının farklı şekillerde olması, özellikle, deney odası boyunca akımın düzgünlüğü, blokaj etkisi ve modelin deney odasına yerleştirilmesi açılarından önemlidir.
-Kapalı Deney Odası = Kapalı deney odası halinde kolektör çıkışı ile difüzör girişi rijit duvarlarla birleştirilir. Yani, deney bölgesini yanlardan rijit duvarlar sınırlar. Bu halde blokaj etkisi çok önemlidir. Blokaj düzeltmesi yapmamak için blokaj oranı % 5'i geçmemelidir. Deney odası kesiti, daire gibi farklı şekillerde olabileceği gibi, çoğunlukla kare veya dikdörtgen şeklindedir. Deney odası duvarları boyunca akım yönünden sınır tabaka kalınlaşması deney odasının efektif dik kesit alanında akım yönünde azalma meydana getirir. Bu nedenle, deney odasına akım yönünde uygun genişleme verilerek deney odası boyunca efektif dik kesit alanının sabit kalması sağlanır. Böylece, deney odası boyunca, statik basıncın ve dolayısıyla akım hızının sabit kalması sağlanarak, deney odası boyunca akımın düzgünlüğü temin edilmiş olur.
-Açık Deney Odası = Deney bölgesi geniş bir oda içine alınır. Yani, kolektörü terk eden akım, deney bölgesinde serbest jet halinde genişleyerek ilerler. Bu tip deney odası halinde blokaj etkisi daha azdır. Blokaj düzeltmesi yapmamak için blokaj oranı % 10'dan büyük olmamalıdır. Açık deney odası halinde, serbest jet genişlemesi nedeniyle, deney odası boyunca kapalı deney odasındakinin aksine, statik basınçta artma ve buna karşılık akım hızında azalma meydana gelir. Bunu önlemek için, yani deney odası boyunca akımın düzgünlüğünü sağlamak için, kolektörün girişi ve difüzörün çıkışı deney bölgesi içine doğru bir miktar uzatılır ve difüzörün girişine çan eğrisi şeklinde eğrilik verilir. Bu durumda, difüzörün giriş kesiti, kolektör çıkış kesitinden geniş olmalıdır. Difüzöre ait giriş kesitinin dizayn parametreleri, deney odasının uzunluğuna bağlıdır.
Kollektör : Rüzgar tünelinin kolektör veya nozul denen kısmı, deney odasından önce yer alır. Görevi, akımı hızlandırmak, düzgünleştirmek ve türbülansı azaltmaktır. Bu maksatla, uygun bir eğrilikle akım yönünde daralır. Kolektörün daralma oranı ile yüzey eğriliği,y deney odasına gelen akımın düzgünlüğüne ve türbülanslığına direk olarak etki eder. Tünelin fazla yer kaplamaması için kolektör boyunun küçük olması istenir.Ancak, kolektör boyunun kısa olması yüzey eğriliğine de bağlı olarak akımın düzgünlüğünü ve sürekliliğini bozan, akım ayrılmasına neden olabilir. Ayrıca, kolektör daralma oranının büyümesi, deney odasındaki akımın türbülansını azaltır. Bu nedenlerle, kolektörün şekline ait optimum çözüm, belirli bir daralma oranı için, yüzeyde akım ayrılması meydana gelmeyecek şekilde uygun bir eğriliğe sahip olması ve boyunun mümkün olduğunca küçük olmasıdır.
Difüzör : Rüzgar tünelinde difüzör kısmı, deney odasının çıkış kesitinden itibaren düzgün olarak genişleyerek hava akımının kinetik enerjisini basınç enerjisine çeviren bir kısımdır. Difüzörün performansı, yani kinetik enerjinin potansiyel enerjiye çevrilebilmesi, difüzörün genişleme açısı ve difüzörün genişleme oranı (difüzörün çıkış ve giriş kesitlerine ait alanların oranı) ile artar. Ayrıca, daha az yer kaplaması ve imalat masrafının artmaması için difüzör boyunun kısa tutulması istenir.
Ancak, difüzör genişleme açısının 7° den büyük olması halinde, difüzör yüzeyi üzerinde akım ayrılması meydana gelebilir. Bu olay, deney odasındaki akımın sürekliliğini ve düzgünlüğünü büyük ölçüde bozabilir. [2]
5.HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ
Endüstride, otomobil aerodinamiğini gelistirmede kullanılan geleneksel kestirimci yöntemler, rüzgar tünelleri ve yol testleridir. Gerçek boyutlara sahip araçlar için yapılan rüzgar tünellerini inşa etmek ve işletmek oldukça pahalı bir yöntemdir. Yol testleri araç sürüş şartları içinde son derece gerçekçi sonuçlar vermektedir. Bununla birlikte gözlemlenen deneysel çalısmalarda değisen rüzgar koşulları sağlıklı ve kesin sonuçlar almayı zorlaştırmaktadır.
Tüketici talepleri doğrultusunda rekabet içersinde olan üreticiler, bugün hızla büyüyerek daha ekonomik, daha güvenli ve daha konforlu araçlar geliştirmek zorundadır. Yalnızca rüzgar tüneli ve yol test tekniklerini kullanmak uzun geliştirme periyotlarına yol açar buda araştırma gelistirmede zaman kaybına yol açar. Bundan dolayı araştırma geliştirmede bilgisayarlar ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kullanımına ağırlık verilmiştir. Bu metotla rüzgar tüneli testleri, simule edilmiştir. Sonuç olarak CFD yavasça aerodinamik dizaynın temel aracı haline gelmektedir. Rüzgar tünelleri ve CFD simülatörlerini karşılaştırırsak rüzgar tüneli analog, CFD ise dijitaldir. Karekteristikleri ve farklılıkları birbirleri ile rekabet etmekten çok birbirlerini tamamlayıcı roldedirler. Birbiriyle ilişkili bu simülasyon teknikleri ihtiyaçlar doğrultusunda zaman içersinde değişecektir.
CFD yakın zaman içersinde otomobil aerodinamiğinin problemlerinin çözümünde önemli roller oynamıştır. Bu etkileyici performansından sonra havacılık endüstrisinde kullanılan yöntemlerden rüzgar tüneli ve uçuş testleri arasına girerek vazgeçilmezler arasına girmiştir.
Özetlenecek olursa CFD bilgisayar ortamında yapılan bir simulasyon ve tasarım programıdır. CFD akışkanları (gazlar,sıvılar), ısı iletimini ve bunlara bağlı olarak kimyasal tepkileri, bilgisayar ortamında analiz eder. CFD tekniği çok güçlü bir çalışma programıdır ve geniş bir kullanım alanını kapsar. Sisteme dışarıdan dahil edilen bir CAD paketinde bulunan veya yeni tasarlanan bir geometri programı CFD prosesinin başlangıcıdır. 3 boyutlu CAD çalışılacak çerçeveyi oluşturur ve bu çerçeve içine bir ağ tasarlanır. Bir yarış aracı tasarımında küçük hücrelerden milyonlarca bulunabilir. Daha sonra bir CFD kodu akışkanın belirleyici Navier-Stokes denklemlerini (Navier –Stokes Denklemleri, akışkanların tanımını yapan temel üçüncü derece denklemlerdir) ağın içindeki tüm hücrelere uyarlar.
Bu denklemler :
Lineer metotlar (vortex kafes ve panel metotları)
Nonlineer Metotlar (1.Euler Metotları, Kararlı Akış, Kararsız akış metotları)
Bilgisayar prosesi, tüm hücreler arasında çaprazlama haberleşip, bilgi iletir ve sorunları çözene kadar, bunu tekrarlayıcı olarak yapar. Bu işlemlerden sonra tüm akışkan etki alanının ve her bir hücre yapısının içinde güçler ve kütle akışkanlığı dengelenir. Hesaplama tamamlandığında, CFD çözümü, incelenen parçanın yüzeyinde ve yüzeye yakın alanlarda oluşan tüm basınçları ve hızları içerir ve bu genelde milyonlarca sayıdan oluşur. Bu sayıların oluşturduğu data büyüklüğü anlamsız gelebilir ama bilgisayar görselliği (canlandırma) bu devasa alanla başa çıkmak için geliştirilmektedir.
CFD kodları tarafından oluşturulan data zenginliği etkileşimini, araştırmak için mühendisler bilgisayar ortamında modern canlandırma programlarına gereksinim duyarlar. Canlandırma CFD potansiyelini, tam ortaya çıkarmakta, anahtar rol üstlenir. Maksimum aerodinamik verimlilik araştırmalarında, CFD nin hızlı tasarım analizi, hava akımlarının daha iyi anlaşılmasıyla birlikte performans artışı ve rekabet ortamı, verimi yüksek ürünlerin oluşmasına yol açmaktadır. [4]
6.ANSYS
ANSYS yazılımı mühendislerin mukavemet, titreşim, akışkanlar mekaniği ve ısı transferi ile elektromanyetik alanlarında fiziğin tüm disiplinlerinin birbiri ile olan interaksiyonunu simule etmekte kullanılabilen genel amaçlı bir sonlu elemanlar yazılımıdır.
Bu sayede gerçekleştirilen testlerin ya da çalışma şartlarının simule edilmesine olanak sağlayan ANSYS, ürünlerin henüz prototipleri üretilmeden sanal ortamda test edilmelerine olanak sağlar. Ayrıca sanal ortamdaki 3 boyutlu simulasyonlar neticesinde yapıların zayıf noktalarının tespiti ve iyileştirilmesi ile ömür hesaplarının gerçekleştirilmesi ve muhtemel problemlerin öngörülmesi mümkün olmaktadır.
ANSYS yazılımı hem dışarıdan CAD datalarını alabilmekte hem de içindeki "preprocessing" imkanları ile geometri oluşturulmasına izin vermektedir. Gene aynı preprocessor içinde hesaplama için gerekli olan sonlu elemanlar modeli yani mesh de oluşturulmaktadır. Yüklerin tanımlanmasından sonra ve gerçekleştirilen analiz neticesinde sonuçlar sayısal ve grafiksel olarak elde edilebilir.
ANSYS yazılımı ile özellikle "contact" algoritmalarının çeşitliliği, zamana bağımlı yükleme özellikleri ve nonlinear malzeme modelleri sayesinde yüksek mühendislik seviyedeki analizleri hızlı, güvenilir ve pratik bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. [8]
ANSYS Workbench parametrik CAD sistemlerini eşsiz bir otomasyon ve performans ile simulasyon teknolojilerini entegre eden bir platformdur. ANSYS Workbench'in gücü yılların bilgi birikimi ile arkasında duran ANSYS çözücü algoritmalarından gelir. Ayrıca ANSYS Workbench'in amacı sanal ortamda ürünün verifikasyonunu ve iyileştirmesini sağlamaktır.
ANSYS Workbench ile yapılabilecek işler:
Simulasyon (DesignSimulation)
3 boyutlu CAD mantığı ile geoetri modelleme ve değiştirme (DesignModeler)
Sonlu elemanlar modeli oluşturma ve değiştirme (DesignSimulation, ParaMesh, AI*Environment, FEModeler)
Variasyonel Teknolojiler ile Optimizasyon (DesignExplorer, DesignExplorer VT) Proses integrasyonu (CAD sistemleri ile entegrasyon, yol gösteren simulasyon wizard'ları) [9]
7.HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ (HAD) ANALİZİ
7.1 Temsili Araç Modelinin Bilgisayar Destekli Tasarımı
Temsili araç modeli Solidworks programı ile Şekil 7.1'deki aracın blueprints çiziminden yaralanarak çizilmiş ve ekstrüzyon ile katı oluşturularak modellenmiştir.
Şekil 7.1 Blueprints çizimi
Şekil 7.2a Temsili araç modeli (Araç-1)
Şekil 7.2b Temsili araç modeli (Araç-1)
Şekil 7.2c Temsili araç modeli (Araç-2)
Şekil 7.2d Temsili araç modeli (Araç-2 spoiler)
7.2 "Ansys Workbench CFD Analiz" İşleminin Adımları
Analiz ilk önce arka rüzgarlığa sahip olmayan araç (Araç-1) için yapılmış ve bu kısımda analiz adımları tek tek anlatılmıştır. Daha sonra arka rüzgarlık eklentili araç (Araç-2) için, tekrar analiz yapılmıştır. İşlem adımları aynı olduğu için adımlar tekrar anlatılmamıştır. Daha sonra "sonuç ve değerlendirme" bölümünde sonuçlar gösterilmiş, yorumlanmış ve karşılaştırılmıştır.
7.2.1 Rüzgar tüneli mantığının oluşturulması
Ansys Workbench programı açılır ve Fluent modülü seçilir.
Geometry > New Geometry adımları takip edilir. (Şekil 7.3)
Şekil 7.3 Analiz modülünün seçilmesi
File > Import External Geometry > Generate adımları takip edilerek model yüklenir.
(Şekil 7.4a – 7.4b) Solidworkste çizilen model, Ansyste okunabilmesi için IGES (*.igs) olarak kaydedilmiştir.
Şekil 7.4a Modelin Ansyse yüklenmesi
Şekil 7.4b Modelin Ansyse yüklenmesi
Tools > Enclosure adımları takip edilir ve sol alt kısımda çıkan ekranda;
Shape = Box, Cushion = Non-Uniform
+X value = 1m, +Y value = 0,5m, +Z value = 0,5m
- X value = 1m, - Y value = 0,5m, - Z value = 0,5m değerleri girilerek "Generate" tuşuna basılır ve model etrafında dikdörtgen prizması şeklinde rüzgar tüneli modeli oluşturulur. (Şekil 7.5)
Şekil 7.5 Rüzgar tüneli modelinin oluşturulması
Create > Boolean adımları takip edilir ve sol alt kısımda çıkan ekranda;
Operation = Subtract
Target Bodies = Rüzgar tüneli modeli
Tool Bodies = Araç modeli seçilerek "Generate" tuşuna basılır.
Böylece, rüzgar tüneli modelinden araç modelinin alanı çıkarılmış olur. Hava akışı geri kalan alan üzerinden olacaktır ve boş kalan alan araç modelinin alanı olduğu için, o hacim içinden herhangi bir akış gerçekleşmeyerek rüzgar tüneli mantığı oluşturulmuş olacaktır.
7.2.2 Mesh İşlemi
Akış gerçekleşecek hacmin sonlu küçük elamanlara ayrılması olayıdır. Bu elemanlar tek tek çözülerek ve aralarındaki korelasyon kullanılarak problemin tamamı çözülür. Sonlu elemanlar metodu aslında problemin kesin çözümünün değil, çözüme olabildiğince yaklaşarak sonuçların irdelenmesidir. Mesh için seçilen elemanlar modele ne kadar uygun ve küçük seçilirse çözüme yakınsama o kadar mümkün olur. Ancak mesh modellerinin sıklığı bilgisayar performansıyla doğrudan etkilidir ve kullanıcıyı kısıtlar.
Ansys Workbench ana ekranında Mesh > Edit adımları takip edilir.
Açılan CFD-mesh ekranında Mesh > Generate Mesh adımları takip edilir ve model meshlenir. (Şekil 7.6)
Şekil 7.6 Modelin meshlenmiş hali
Modelin mesh istatikleri aşağıdaki gibidir :
Nokta sayısı : 37791
Eleman sayısı : 210314
Daha sonra modelin sınır şartlarının belirleneceği kısımlar; Rüzgar tünelinin hava giriş kısmı inlet, çıkış kısmı outlet, yan duvarlar için sidewalls ve araç kısmı için car olarak isimlendirilir.
Giriş seçilir > Create Named Selection > inlet (Şekil 7.7)
Çıkış seçilir > Create Named Selection > outlet
Yan duvarlar seçilir > Create Named Selection > sidewalls
Araç seçilir > Create Named Selection > car
"Update" tuşuna basılır.
Şekil 7.7 Rüzgar tüneli giriş kısmının isimlendirilmesi
Şekil 7.8 inlet, outlet, sidewalls, car
Modelin car olarak isimlendirilen kısmına refine işlemi uygulanacaktır. Refine işlemi, modelin belli bölgelerine daha sık ağ yapısı oluşturma (meshleme) işlemidir ve refine yapılan bölgelerde daha hassas sonuçlara ulaşılmasını sağlar.
Modelin tümüne birden daha sık ağ yapısı oluşturmak yerine önemli kısımlara yoğunlaştırılmış mesh atılması zaman ve bilgisayar performansı açısından kazanç sağlar.
Mesh > Insert > Refinement adımları takip edilir (Şekil 7.9a) ve çıkan ekranda;
Scoping Method = Named Selection
Named Selection = car
Refinement = 2 seçilir ve "Update" tuşuna basılır. (Şekil 7.9b)
Refinement kısmının "2" seçilmesi mesh sıklığının derecesini belirler.
Şekil 7.9a Refine işleminin yapılması
Şekil 7.9b Refine işleminin yapılması
Şekil 7.10 Refine işleminden sonra "car" görünümü
Nokta sayısı : 221813, Eleman sayısı : 1198782
Şekil 7.11 Refine işleminden önce "car" görünümü
Nokta sayısı : 37791, Eleman sayısı : 210314
7.2.3 Çözüm ve Sınır Şartlarının Belirlenmesi
Ansys Workbench ana ekranında Setup > Edit adımları takip edilirerek açılan pencerede "Double Precision" kısmı işaretlenir. (Şekil 7.12) Çift hassasiyetli çözücüde her kayan nokta sayısında tek hassasiyetli çözücüde 32-bit kullanımının aksine 64-bit kullanarak ekstra hassasiyet sağlar. Fakat bellek kullanımını arttırır.
Şekil 7.12 Double Precision
7.2.3.1 Türbülans modelinin belirlenmesi
Models > Viscous-Laminer > Edit > k-epsilon (2 eqn) > Standart > Standart Wall Functions adımları takip edilerek "OK" tuşuna basılır. (Şekil 7.13)
k-ε türbülans modeli CFD analizlerinde sıkça tercih edilen bir modeldir ve kullanılan Standart k-ε modeli analiz için tutarlı sonuçlar vermiştir.
"k" olarak belirtilen kısmı türbülans kinetik enerji değerini ifade eder (m2/s2).
"ε" olarak belirtilen kısım türbülans dağılım oranını ifade eder (m2/s3)
Şekil 7.13 Türbülans modelinin seçilmesi
7.2.3.2 Akışkan ve özelliklerinin belirlenmesi
Akışkan olarak 15°C'de hava kullanılmıştır.
Havanın bu sıcaklıktaki özellikleri ;
Yoğunluk = 1.225 kg/m3
Vizkozite = 1,78×10-5 Ns/m2 'dir ve fluent modülü içinde bu değerler tanımlıdır.
Material > Fluid > air adımları takip edilir ve "Change/Create" tuşuna basılır. (Şekil 7.14)
Şekil 7.14 Akışkanın tanımlanması
7.2.3.3 Sınır koşullarının girilmesi
Rüzgar tüneli girişinde sadece hız, çıkışında sadece basınç değerleri programa girilmiştir. Hareket denklemlerinde hız ve basınç bağlı olduğundan, hız girişinde basınç belirtilemez. Çünkü bu durum aşırı matematiksel tanımlamaya yol açar. Üstelik bir hız girişindeki basınç, akış alanının geri kalanına uymak için kendisini ayarlar. Benzer şekilde, bir basınç girişinde veya çıkışında hız belirtilmez, çünkü bu da matematiksel olarak aşırı belirtime yol açar. Basıncın belirtildiği bir sınır şartında hız, akış alanının geri kalanına uymak için kendisini ayarlar.
Bir basınç çıkışında (pressure outlet), akışkan hesaplama bölgesinden dışarı akar. Statik basıncı çıkış yüzü boyunca belirtiriz. Çoğu durumda bu basınç atmosferik basınçtır (sıfır etkin basıncı). Örneğin, çevredeki havaya açık olan egzoz borusunun çıkındaki basınç atmosferiktir.
Giriş = Akışkanın girdiği yüzeydir.
Daha öncede belirtildiği gibi (Bölüm 4) "Cisim (model) etrafındaki akış, tamamıyla görecelidir ve cismin, durgun akışkan içerisinde hareketli olması ile, sonsuzda üniform hıza sahip bir akışkan içerisinde sabit durması arasında bir fark yoktur." Bu yüzden rüzgar tünelinde giriş hızı akışkana verilir.
Analizdeki aracın 100 km/h (28 m/s) hızla yol aldığı kabul edilmiştir.
Boundary Conditions > inlet > Edit adımları takip edilir. Giriş kısmının isimlendirilmesi "inlet" olarak yapıldığı için Type kısmındaki "velocity-inlet" otomatik tanımlanmıştır. Açılan pencerede Velocity Specification Method "Magnitude and Direction" (Büyüklük ve Yön) olarak seçilir. Hız 28 m/s, yön X yönünde +1 değeri girilir. (Şekil 7.15)
Şekil 7.15 Giriş koşulunun girilmesi
Çıkış = Akışkanın çıktığı yüzeydir.
Boundary Conditions > outlet > Edit adımları takip edilerek açılan pencerede Gauge Pressure kısmına 0 değeri girilir. (Şekil 7.16) Çıkış kısmının isimlendirilmesi "outlet" olarak yapıldığı için Type kısmındaki "pressure-outlet" otomatik olarak tanımlanmıştır.
Şekil 7.16 Çıkış koşulunun girilmesi
Wall = Akışkanın akışına karşı katı sızdırmaz elemanlardır. Akışkanın geçemeyeceği sınır olarak da adlandırılabilir. "sidewalls" ve "car" olarak isimlendirilen kısımlar Type kısmında otomatik olarak wall olarak işaretlenmiştir. Akışkanın duvar yüzeyinde hızı ve kayma gerilmeleri sıfırdır.
Referance Values > Compute from (inlet) > Referance Zone (fluid)
Değerler program tarafından, daha önce yapılan işlemler doğrultusunda tanımlanmıştır.
Şekil 7.17 Reference Values
Şekil 7.18'deki değerler program tarafından otomatik tanımlanmış değerlerdir ve değiştirilmemiştir.
Şekil 7.18 Solution Methods
7.2.3.4 Sürtünme (CD) ve kaldırma (CL) katsayılarının girilmesi
CD ve CL katsayılarının bulunması için programa bu katsayıların varlığı girilmelidir.
Monitors > Create > Drag adımları takip edilir ve çıkan Drag Monitor penceresinde Print to Console ve Plot kutucukları işaretlenir. Wall Zones kısmında "car" seçilerek araç üzerindeki CD katsayısının hesaplanacağı belirlenmiş olur. (Şekil 7.19)
Şekil 7.19 Sürtünme katsayısının girilmesi
Aynı adımlar takip edilerek CL katsayısının varlığı programa tanıtılır. (Create'den sonra Lift seçilmelidir.)
Solution Initialization > Standard Initialization > Compute from (inlet) adımları takip edilerek "Inıtialization" tuşuna basılarak hesaplama için son adım tanımlanır. Turbulent Kinetic Energy ve Turbulent Dissipation Rate kısımları daha önce seçilen türbülans modeli ve programda yapılan işlemler doğrultusunda program tarafından tanımlanmıştır. (Şekil 7.20)
Şekil 7.20 Solution Initialization
Hesaplama için iterasyon sayısı 50 olarak belirlenmiştir. Run Calculation > Number of Iterations (50) adımları takip edilir ve "Calculate" tuşuna basılır.
Şekil 7.21 Run Calculation
8.SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME
Şekil 8.1a Araç-1 için CD (sürükleme katsayısı) değişimi
Şekil 8.1b Araç-1 için CL (kaldırma katsayısı) değişimi
Tablo 8.1 Araç-1 için CL ve CD'nin iterasyon sayısına göre bulunması
50 iterasyon sonunda CD katsayısı 0,0896 0,09 bulunmuştur. Bulunan CD katsayısı gerçek araçlara göre düşük çıkmıştır. (CD binek araçlarda 0,25 kadar düşürülebilmiştir-Bölüm 3.5) Bunun nedeni temsili araç modelinde, gerçek araçlardaki gibi; tekerlekler boşluklarından, cam çerçevelerinden, dış aynalardan vb. durumlardan kaynaklanan dirençlerin olmaması, radyatör sistemi ile ısıtma,soğutma ve havalandırma amacıyla taşıtın içinde dolaşan hava akışının meydana getirdiği dirençin olmaması olmamasıdır. Ayrıca en önemli direnç kaynağından biri olan "araç alt hava akımı dirençleri" yoktur. Çünkü gerçek araç modelinde taşıtın altında motor, vites kutusu, şaft, diferansiyel, ve egzoz boruları gibi bir çok parça vardır ve bunlar açıkta bulunmaktadır.
50 iterasyon sonunda CL katsayısı 0,0484 0,05 bulunmuştur.
Şekil 8.2a Araç-2 için CD (sürükleme katsayısı) değişimi
Şekil 8.2b Araç-2 için CL (kaldırma katsayısı) değişimi
Tablo 8.2 Araç-2 için CL ve CD'nin iterasyon sayısına göre bulunması
50 iterasyon sonunda CD katsayısı 0,123 0,12 olarak ve CL katsayısı -0,18 olarak bulunmuştur. Araçtaki arka rüzgarlık etkisi, Bölüm 3.8'de de belirtildiği gibi sürükleme katsayısının bir miktar artması, kaldırma katsayısının ise azalması hatta ters yönde bir kuvvet oluşturarak aracın yere basması yönündedir.
Aracın arka rüzgarlık kullanılarak sürükleme katsayısının artması benzin kullanımını önemsenmeyecek şekilde arttırır (doğru malzeme ve doğru uygulama şekli ile). Fakat araca etkiyen kaldırma kuvvetini azalttığı ve aracın yüksek hızlarda, virajlarda savrulmasına engel olarak stabilitesini arttırdığı için Bölüm 3.2.2'de de belirtildiği gibi arka rüzgarlık (spoiler) kullanımı teknik açıdan akıllıca bir çözümdür.
Şekil 8.3a Araç-1 üzerindeki hız vektörleri
Şekil 8.3b Araç-2 üzerindeki hız vektörleri
Araç üzerindeki hız vektörleri aracın tasarım, üzerindeki sürtünme ve türbülansın şekli, şiddeti gibi etkenlere bağlı olarak aracın hızından daha az ya da daha fazla olabilir.
Aracın ön kaputunda havalandırma delikleri olmadığı için, o kısıma çarpan hava iplikçikleri hızını büyük ölçüde kaybederek yollarına devam ederler. Araçların tasarımlarına bağlı olarak havanın kat etmesi gereken yol üst kısımda daha çok olduğu için oradaki hava hızı daha yüksektir. Üst kısımda açık yeşil vektör tonları ve alt kısımda mavi ve daha koyu yeşil tonları hakimdir.
Bernoulli prensibinden hareketle üst kısımdaki hava hızı arttıkça basıncı azalmıştır ve araca kaldırma kuvveti etkimiştir. Araç-2 de arka rüzgarlık kullanımı sayesinde üstten geçen hızlı havanın bir kısmı çarparak hızı azalmış ve basıncı artarak aracın kaldırma kuvveti azaltılmıştır.
Şekil 8.4a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı
Şekil 8.4b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı
Şekil 8.5a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı
Şekil 8.5b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı
Şekil 8.6a Araç-1 üzerindeki basınç dağılımı
Şekil 8.6b Araç-2 üzerindeki basınç dağılımı
Tablo 8.3 Araç-1 ve Araç-2 üzerindeki minimum ve maksimum basınçlar
Minimum Basınç (pascal)
Maksimum Basınç (pascal)
Araç-1
-2500,599
513,1044
Araç-2
-2463,738
530,0616
Bölüm 3.2'de açıklandığı gibi araç üzerindeki basınçlar ortam basıncına göre + veya – olabilir. Şekil 3.6'da gösterildiği üzere analiz sonucunda araçlarda da ön uçta – basınç, cam kısmında daha yüksek ve + pozitif basınç, tavan yüzeyi boyunca da negatif basınç oluşmuştur.
Araçların alt kısımlarındaki basınçlar üst kısımlarındaki basınçlardan daha yüksektir ve bu kaldırma etkisi oluşturur. Şekil 8.6a ve 8.6b incelendiğinde Araç-1'in arka kısmını terk eden basınç iyice düşmüştür ve bu araca kaldırma etkisi oluşturur, fakat Araç-2'de araca arka rüzgarlık takılarak o kısımda pozitif basınç oluşturulmuş ve kaldırma etkisi analiz sonuçlarından da görüldüğü üzere yok edilmiştir.
KAYNAKLAR
[1] http://www.metrolojiokulu.com/tez/tez.htm
[2] İnce, İ., GTD Model İdari Hizmet Pikap Aracının Aerodinamik Analizi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilimdalı, Ankara, (2007).
[3] http://tr.wikipedia.org/wiki/Aerodinamik_%28otomobil%29
[4] Sarı, M., Hafif Ticari Taşıtlarda Taşıt Ön Formuna Etkiyen Hava Direncinin Aerodinamik Analizi ve Yakıt Sarfiyatına Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilimdalı, Eskişehir, (2007).
[5] http://tr.wikipedia.org/wiki/Aerodinamik_%28otomobil%29#Otomobillerdeki_kay.C4.
B1plar
[6] http://www.tkscientist.8m.com/5art.htm
[7] http://tr.wikipedia.org/wiki/R%C3%BCzg%C3%A2r_t%C3%BCneli
[8] http://www.figes.com.tr/ansys/ansys-nedir.php
[9] http://www.ikiteknik.com/makale/ansys_workbench_hakkinda.aspx
[10] Demircioğlu, T., Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Simülasyonu, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Balıkesir, (2007).
Bektaş, Y., Bir Sesaltı Rüzgar Tüneli İçerisine Yerleştirilmiş NACA0012 Kanadının Sayısal Analizi, Bitirme Projesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Makine Mühendisliği Anabilimdalı, İzmir (2012).
www.youtube.com / Aerodinamik Analizler
https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules
ANSYS Fluent Tutorial Guide.pdf
