Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 12, No: 2, 2015 (51-64) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 12, No: 2, 2015 (51-64) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) BİR KARA TAŞIT MODELİ ETRAFINDAKİ AKIŞ YAPISININ SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ Duygu İPCİ*, Emre YILMAZ*, Faruk Emre AYSAL**, Hamit SOLMAZ* *Gazi Üniversitesi Tek. Fak. Otomotiv Müh. Böl., 06501 Ankara/TÜRKİYE ** Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Fak. Otomotiv Müh. Böl., 03200 Afyonkarahisar/TÜRKİYE faysal@aku.edu.tr 1. GİRİŞ Özet Bu çalışmada bir kara taşıt modeli etrafındaki akışın yapısı sayısal akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Seçilen model literatürde Ahmed Model olarak yer alan basitleştirilmiş bir araç modelidir. Sayısal çözümleme işlemi su tüneli benzetmesi yapılarak 0,218m/s serbest akış hızında gerçekleştirilmiştir. Bu hızda kanal yüksekliği dikkate alınarak hesaplanan Reynolds sayısı 1,5x10 4 tür. Türbülans modellemesi için k ve RNGk olmak üzere iki ayrı model kullanılmıştır. Elde edilen sonuçların referans deneysel çalışma ile uyum içinde olduğu belirlenmiştir. Her iki türbülans modeli ile elde edilen akış yapısının deneysel çalışmaya yaklaştığı görülmüştür Anahtar Kelimeler: Aerodinamik, Akışkanlar, Su Tüneli Abstract Numerical Investigation on the Flow Pattern around a Land Vehicle In this study the flow pattern around a land vehicle were investigated via using numerical fluid dynamic method. The model is a simplified vehicle model which is named as Ahmed model in the literature. The numerical analysis of the model was carried out at free stream velocity for 0,218 m/s by simulating the water tunnel. Reynold number was estimated as 1,5x10 4 at the same stream velocity including the duct height. To model the turbulence two different flow models which are k and RNGk were used. The results of numerical analysis were determined consistency with experimental studies Keywords : Aerodynamic, Fluids, Water Tunnel Motorlu kara taşıtları için aerodinamik oldukça karmaşık bir konudur. Taşıt etrafındaki akışın incelenmesi, yol ve taşıt arasındaki ilişkiler, taşıta etki eden aerodinamik kuvvet ve bu kuvvetlerin sonucu oluşan momentler, sürüş kararlılığı, yakıt ekonomisi ve konfor taşıt aerodinamiğinin ilgilendiği temel unsurlardır. Bu makaleye atıf yapmak için İPCİ D.*, YILMAZ E.*, AYSAL F. E.**, SOLMAZ H.* Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının Sayısal Olarak İncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2015, 12(2) 51-64 How to cite this article İPCİ D.*, YILMAZ E.*, AYSAL F. E.**, SOLMAZ H.* Numerical Investigation On The Flow Pattern Around A Land Vehicle Electronic Journal of Machine Technologies, 2015, 12(2) 51-64
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının Günümüzde taşıt aerodinamiği araştırma ve geliştirme çalışmaları araca etkiyen aerodinamik direnç kuvvetlerinin azaltılarak yakıt ekonomisi ve sürüş kararlılığının korunması üzerine yoğunlaşmıştır. Rekabet ortamında birbirleri ile yarışan otomobil üreticileri bir yandan daha güçlü ve ekonomik motor geliştirme çalışmalarını sürdürürken, diğer taraftan yakıt ekonomisini önemli ölçüde etkileyen aerodinamik direnç kuvvetlerinin azaltılması yeni tasarımlar geliştirmek için çaba harcamaktadırlar. Yol ve rüzgâr tüneli testleri sayesinde taşıtların aerodinamik karakteristikleri belirlenmektedir. Bu testlerin daha ucuz ve kolay yapılabilmesi açsından prototiplerin küçük modelleri kullanarak rüzgar tüneli testi yapılabilmektedir. Fakat taşıtın tam ölçekli bir modeli test edilmek istendiğinde rüzgar tüneli testi yol testine göre daha maliyetli olabilmektedir. Yol testleri taşıtın kullanılacağı ortamın özelliklerini taşıması bakımından daha gerçekçi sonuçlar verebilir fakat çevre koşullarının değişimi hakkında bir genelleme yapılamadığından rüzgar tüneli testleri daha çok kullanılmaktadır. Son yıllarda sayısal akışkanlar dinamiği ve bilgisayarlı çözümleme sistemleri oldukça gelişmiştir. Günümüzde birçok değişik firma hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD/CFD) paket programları geliştirmektedir. Bilgisayarlı çözümleme metotları çok karmaşık sistemleri bile daha ucuz ve daha hızlı olarak çözümleyebilme yeteneğinden dolayı oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Tasarımcıya herhangi bir üretim maliyeti yaratmadan tasarım üzerindeki hata ve eksikliklerin önceden belirlenip giderilmesi için öneriler sunabilen bu metot ile akış çözümlemelerinin yapılması ve aerodinamik kuvvetlerin belirlenmesi ve görüntülenebilmesi mümkündür. Ağır ve arkadaşları yaptıkları çalışmada akış yapısı Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme Yöntemi (PIV) kullanılarak bir model kara taşıtı (Ahmed cismi) etrafındaki akış yapısını deneysel olarak incelenmiştir. Deney şartları olarak serbest yüzeyli bir su kanalında kapalı çevrim kullanmış olup, model yüksekliğine ve serbest akım hızına bağlı olarak Reynolds sayısı (Re H =1.5x10 4 ) hesaplamışlar ve buna göre deneyleri gerçekleştirmişlerdir. PIV yöntemiyle model boyunca çeşitli düzlemlerde zaman-anlık ve ortalama hız vektörlerini, girdap dağılımlarını ve akım çizgilerini elde etmişlerdir[1]. Ülkemizde kullanılan en yaygın taşımacılık yöntemi kara taşımacılığıdır. Kara yolu ile yolcu taşımacılığının %95 i, yük taşımacılığının ise %92 si yapılmaktadır [2]. Araç performansının, yolcu konforunun ve güvenliğinin artırılabilmesi ayrıca yakıt tüketiminin ve emisyonların azaltılması için kara taşıtlarının aerodinamik karakteristiklerin belirlenmesi önemlidir. Taşıt aerodinamik çalışmaları genellikle basitleştirilmiş araç modelleri üzerinde gerçekleştirilmektedir. 52
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Ahmed ve ark. (1984), Ahmed Body adı verilen basitleştirilmiş bir araç modeli geliştirmişler ve bu modelin arka kısmındaki değişik açılardaki eğimlerin sürükleme direnci katsayısına etkilerini incelemişlerdir. Çalışmalar sonucu arka kısımdaki 5 o, 12,5 o ve 30 o lik açılar için sürükleme direnç katsayısını sırasıyla 0,231, 0,23 ve 0,26 olarak bulmuşlardır. Test ettikleri açılar dışındaki durumlarda sürükleme direnç katsayılarını belirleyebilmek için buldukları değerleri ekstrapolasyon ile grafik haline dönüştürmüşlerdir. Bu çalışmada kullanılan model basitleştirilmiş bir model üzerinde gerçekleştirildiğinden dolayı bundan sonraki birçok araştırmaya yön vermiştir [3]. Brunn ve Nitsche (2006), Ahmed Model üzerinde sürükleme direnç katsayısını azaltma yönünde bir çalışma yapmışlardır. Modelin arka eğim bölümüne yerleştirdikleri döner bir valf sistemi ile periyodik olarak oluşan türbülansın emilimi ve aktarımı sayesinde arka cam bölmesinde oluşan akış ayrılmalarını azalmışlardır. Girdapların azalmasının bir sonucu olarak sürükleme direnç katsayısında % 27 oranında bir azalma kaydetmişlerdir [4]. Beaudoin ve Aider (2007), Ahmed Modeli üzerinde akış kontrolü sağlayarak sürükleme ve kaldırma kuvveti katsayılarını düşürmeyi hedeflemişlerdir. Akış kontrolü için her bir kenara hareketli kanatlar yerleştirmişlerdir. PIV metodu ile akışı gözlemleyerek değişik kanatlar geliştirmişlerdir. Sonuç olarak sürükleme direnci katsayısında % 25, kaldırma kuvveti katsayısında % 10,5 lik bir azalma kaydetmişlerdir [5]. Aider ve ark. (2009), Ahmed Model yaklaşımını kullanarak bir aracın arka bölgesinde oluşan girdap modelini incelmişlerdir. Araç üzerindeki kaldırma kuvveti ve sürükleme direnci katsayılarını azaltmak amacıyla girdap bölgesindeki akış çizgilerinin ayrılmalarını ve türbülansı kontrol etmişlerdir. İkiz kenar yamuk şeklinde bıçakları arka kısımda kullanarak kaldırma kuvveti katsayısında % 60 sürükleme direnci katsayısında ise % 12 oranında azalma saptamışlardır [6]. Henning ve King ( 2005), araç üzerinde meydana gelen türbülansı basınç kontrolü ile kontrol altında tutmayı hedeflemişlerdir. Bu amaçla türbülansın yarattığı dalgalanmalar sayesinde çalışan bir sensörden yararlanarak en uygun zamanda basıncı kontrol etmeyi denemişlerdir. Akış hatlarının takibi için LDA (Laser Drop Anemometry) metodunu kullanmışlardır. Ancak daha iyi bir sonuç alabilmek adına daha karmaşık ve gerçeğe uygun araç modellerinin kullanılmasının daha uygun olacağını belirtmişlerdir [7]. Brunn ve Nitsche (2006), eğimli yüzeylerde meydana gelen akış ayrılmasının önüne geçebilmek için araç içi ve dışına yayıcılar yerleştirmenin uygun olabileceğini belirtmişlerdir. Bu amaçla eğimin başladığı kenar kısımdan açılan bir kanalın içerisine ayrılan akış hattını uyarıcı bir aktüatör yerleştirerek aktif olarak ayrılmayı kontrol etmeye çalışmışlardır. Bu uyartımın sonucunda ayrılan akış hattı ile dış akış hattı 53
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının arasında hızlı bir momentum ve kütle transferi olduğunu ve bu transferin ayrılan akış hattını tekrar yüzeyle birleşmeye zorladığını belirtmişlerdir [8]. Roumeas ve ark. (2008), bir otomobil arka camı üzerinde meydana gelen boylamasına türbülans yapılarını Ahmed Model üzerinde incelemişlerdir. Deneysel ve nümerik çalışmaları karşılaştırarak akış yapısı üzerinde çalışmışlardır. Nümerik çalışma ile deneysel çalışma arasında sürükleme direnç katsayısında 0,04 büyüklüğünde bir fark gözlemlemişlerdir. Otomobil üzerindeki sürükleme direnç katsayısının azaltılması için arka cam üzerinde meydana gelen boylamasına türbülans hatlarının sınırlandırılması yada tamamen ortadan kaldırılması gerektiğini belirtmişlerdir [9]. Pujals ve ark. (2010) aerodinamik sürükleme direnci katsayısını azaltmayı hedefleyerek Ahmed Modeli üzerinde bir çalışma yapmışlardır. Tavan kısmına girdap yaratıcı yerleştirerek aracın arka kısmında meydana gelen akış ayrılmasını geciktirmeyi düşünmüşlerdir. Bu çalışmada diğerinden farklı olarak eşkenar yamuk, üçgen yada tamamen küt bir girdap yaratıcı kullanmak yerine, tavan boyunca enine birden çok silindirik ve pürüzsüz girdap yaratıcıları yerleştirmişlerdir. Sürükleme direnç katsayısında % 10 azalma kaydettikleri bu çalışmada yapışkan akış çizgileri olarak adlandırdıkları yöntemi kullanmışlardır [10]. Golkhe ve ark. (2007), yanal olarak gelen rüzgarın etkilerini basitleştirilmiş bir araç modeli üzerinde incelemişlerdir.. Aynı zamanda rüzgarın direkt geldiği ve gelmediği yan yüzeylerdeki akış yapısını basitleştirilmiş araç modeli üzerinde incelemişlerdir. Basitleştirilmiş araç modelini rüzgar tünelinde 0 o, 10 o, 20 o ve 30 o lik açı konumlarında test etmişlerdir Bu çalışma sonucunda taşıt kararlılığının korunabilmesi için rüzgarın gelmediği tarafta aracın alt kısımlarına doğru oluşan taşıt yüzeyinden ayrılmaması gerektiğini belirtmişlerdir. Büyük yanal açıların yanal momente karşı bir kuvvet oluşturacağını tespit etmişlerdir [11]. Gümüşlüol ve ark. (2006), geçiş durumundaki iki taşıtın aerodinamik yapıları arasındaki etkileşimleri incelemişlerdir. Bu amaçla içinde Ahmed Modelin de bulunduğu farklı taşıtları rüzgar tünelinde geçişe başlarken ve tam olarak yan yana konumda iken test etmişlerdir. Geçiş durumunda sürükleme kuvvetlerindeki değişimlerin araçların ön ve arka kısımlarında meydana gelen basınç değişimlerinden oluştuğunu belirtmişlerdir. Buna göre geçişin hemen başlangıcında öndeki aracın arkasındaki düşük basınçlı bölge arkadaki aracın önündeki yüksek basınçlı bölge ile etkileşime girer ve hem öndeki hem de arkadaki aracın üzerine etkiyen kuvvetler araçlar yalnız seyrederken üzerlerine etkiyen kuvvetlerden daha az olur. Araçlar aynı hizada yan yana iken ölçülen değer ise, yalnız başına seyir halindeki kuvvetlerden daha büyük bulunmuştur. Bunun araçlar arası mesafe azaltıldıkça daha da büyüdüğünü kaydetmişlerdir [12]. 54
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bu çalışmada basitleştirilmiş bir araç modeli olan Ahmed Model etrafındaki akışın yapısı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar Ağır ve arkadaşlarının [1] yaptığı deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA VE MATEMATİK MODEL Ağır ve arkadaşlarının [1] yapmış olduğu çalışmada kullandıkları Ahmed Model orijinal Ahmed modelin ¼ ölçeğindedir. Orijinal Ahmed Modelin ölçüleri şekil 1 de görülmektedir. Ölçekli modelin etrafındaki akış yapısının incelenmesi için rüzgar tüneli yerinde su tünelinden faydalanmışlardır. Bu sayede daha yüksek Reynolds değerlerine ulaşılabilmektedir. Su tünelinin türbülans yoğunluğu % 5 olarak belirtilmiştir. Serbest akış hızı 0,218 m/s ve bu hıza karşılık gelen Reynolds değeri 1,5x10 4 tür. Su tünelinin ölçümeri ve Ahmed Modelin su tüneli test odası içerisindeki konumu şekil 2 de görülmektedir. Şekil 1. Ahmed modeli [3] Şekil 2. Su tüneli ve modelin yerleşimi [1] Dikdörtgen kesitli bir kanalda akış yapısı gereği üç boyutludur. Bu nedenle fiziksel olayı tanımlayan akış denklemleri üç boyutlu olmak zorundadır. Aerodinamik çalışmalarında viskoz sürtünmelerin önemi 55
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının büyüktür. Özellikle su tünelleri kullanıldığında viskoz etkilerin daha büyük olması beklenebilir. Ayrıca aerodinamik çalışmalarında aerodinamik kuvvetler akışkan yoğunluğu ile doğrudan ilişkilidir. Ancak akışkan yoğunluğunun değişmesi için basıncın ya da sıcaklığın önemli ölçüde değişmesi gerekir. Deneysel çalışmalarda ise basınç ve sıcaklık çok önemli değişiklikler göstermediğinden yoğunluk sabit olarak alınır. Bu durumda akış sıkıştırılamaz akış olarak kabul edilebilir [13]. Sıcaklık değişimi olmadığından enerji denklemleri de göz ardı edilebilir. Tüm bu şartlar altında akışı yöneten genel denklemler süreklilik ve sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemleri olacaktır. Süreklilik denklemi; u v w 0 x y z (1) Momentum denklemleri: x boyutundaki momentum denklemi; u v w x y z x x y z 2 2 2 u u u 1 p u u u 2 2 2 (2) y boyutundaki momentum denklemi; u v w x y z y x y z 2 2 2 v v v 1 p v v v 2 2 2 (3) z boyutundaki momentum denklemi; u v w x y z z x y z 2 2 2 w w w 1 p w w w 2 2 2 (4) şeklindedir. Türbülans modeli Bilindiği üzere Laminar akışı tanımlamak için Süreklilik ve Navier-Stokes denklemleri kullanılırlar. Bu denklemler dört denklemden oluşup, denklemlerde dört bilinmeyen bulunmaktadır. Türbülanslı akışlarda ise bu denklemlerin yanı sıra Reynolds u tanımlayan denklemlerin oluşturulmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Reynolds u tanımlayan denklemlerin oluşturulabilmesi için ortalama işlemi yapılmaktadır bunun neticesinde altı bilinmeyene sahip Reynolds gerilmeleri ortaya çıkmaktadır. Bu durumda sadece 56
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Navier-Stokes ve süreklilik denklemleri yeterli olamamaktadır. Akışın fiziksel yapısına yaklaşabilmek için türbülans modelleri kullanmak gereklidir [14]. Bu çalışmada sayısal çalışma için standart k RNG k Standart k türbülans modelleri kullanılmıştır. Türbülans Modeli: ve İnce tabakalarda türbülans iki boyutlu olarak incelediğinde, akış yönündeki değişimleri bölgesel şartlara göre ayarlayabilecek kadar yavaş olmaktadır. Türbülanslı akışta meydana gelen difüzyon ve konveksiyon olayları göz ardı edilerek, türbülans karışma uzunluğunun ortalama akış üzerindeki etkisi tanımlanabilmektedir. Yalnız döngülü akışlarda difüzyon ve konveksiyonun önemli bir kıstas olduğundan karışma uzunluğu için elde edilen ifadeler geçersiz olmaktadır. Bu sebepten dolayı türbülans dinamiği ayrı bir konu olarak ele alınmalıdır. Türbülanslı akışta difüzyon ve konveksiyonun etkisini içeren standart k modeli kullanılmaktadır. Bu model akışın kinetik enerjisini etkileyen mekanizmalar üzerinde yoğunlaşmaktadır. Türbülanslı akışın kinetik enerjisini ve kinetik enerji yutulması tanımlayan denklemler Standart k-ε modeli için aşağıda verilmiştir. k div ku div grad k teijeij t 2 t k 2 t div U div grad C1 2tEijEij C2 t k k k (5) (6) Standart k-ε modelinde, yapılan birçok deney neticesinde denklemlerdeki sabitler C 0.09, 1.00, 1.3, C 1.44, C 1.92 olarak kullanılmaktadır [15]. k 1 2 RNG k Türbülans Modeli: RNG k eşitliği, tecrübe ile seçilmiş bir istatistik tekniğinin (Renormalization Group method) uygulanmasıyla Navier Stokes denklemlerinden türetilmiştir. Türetilen bu denklem normal k ε denklemine benzemektedir fakat türbülans yutulma ve ortalama kesme gerilmesinin birbirini etkilemesinden sebeple ε denkleminde türbülansta girdap etkisi ve Prandtl (türbülanslı durumda) sayısı için analitik denklemi ve efektif viskosite için diferansiyel denklemi ilave olarak içermektedir. Türbülans kinetik enerjisi; 57
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 k 2 k Ui ts keff xi xi xi Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının (7) yutulma oranı ise; 2 2 i 1 t k eff 2 xi k xi x i k U C S C R (8) denklemi ile ifade edilmektedir. 3. SAYISAL ANALİZ Bu çalışmada deneysel çalışmada gerçekleştirilen fiziksel olayı tanımlayan denklemler PHOENICS kodu ile çözülmüştür. PHOENICS sonlu hacimler metodunu kullanan, ısı ve kütle transferi, akışkanlar mekaniği ve kimyasal reaksiyonlar gibi fiziksel olayların sayısal olarak çözülebilmesine olanak sağlayan bir programdır. Kullanılan program, iteratif sayısal yaklaşımlar sağlayarak lineer olmayan kısmi diferansiyel denklem setlerinin çözülmesine olanak tanır. Yaygın olarak kullanılan SIMPLE algoritmasının gelişmiş bir biçimi sayısal çözüm metodu olarak kullanılmaktadır [16]. Sayısal çözümleme işlemi için kullanılacak ağ yapısı son derece önemlidir. Referans alınan çalışmanın sayısal çözümlemesi için öncelikle kaba ağ yapısı kullanılarak çözüm gerçekleştirilmiştir ve daha sonra mesh yapısı iyileştirilmeye çalışılmıştır. Çözümlemede kullanılan mesh yapısının üç düzlemdeki yapısı şekil 3-4 ve şekil 5 te görülmektedir. Sonuç olarak 110x30x45 lik bir ağ yapısı kullanılmış ve şekillerde görüldüğü gibi hız gradyanlerinin daha önemli olduğu model etrafında ağ yapısı sıklaştırılmıştır. Tünelin sağ ve sol üst kenarlarında ise çözümü hızlandırmak amacı ile daha kaba bir ağ yapısı kullanılmıştır. Şekil 3. X-Y Düzlemindeki ağ yapısı. 58
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Şekil 4. Z-X Düzlemindeki ağ yapısı. Şekil 5. Y-Z Düzlemindeki ağ yapısı. Aerodinamik çalışmalarında sıcaklık ve entalpi genellikle sabit olarak kabul edilmektedir. Ayrıca deneysel çalışmayı ifade eden matematik modelde de enerji ile ilgili bir terim bulunmamaktadır. Bu nedenle enerji denklemleri çözüme dahil edilmemiştir. Sayısal çözümleme için türbülans modeli olarak k ve RNG k modelleri kullanılmıştır. Çözüm işlemi yakınsamanın sürekli olduğundan emin olmak için 2500 sweep sayısında gerçekleştirilmiştir. Her bir çözüm süresi yaklaşık 80 dakika sürmüştür. Sonuç olarak yakınsamanın sürekli olduğu ve spot değerlerinin belirli bir iterasyondan sonra sabit kaldığı gözlemlenmiştir. 4. TARTIŞMA Sayısal çözümleme sonucunda model etrafındaki hız vektörlerinin dağılımları ve hız konturları elde edilmiştir. Çözümleme steady-stade durumu için gerçekleştirilmiş olup zamana bağlı bir değişken bulunmamaktadır. Şekil 6 ve şekil 7 de k türbülans modeli sonuçları şekil 8 ve 9 da ise RNG k modelinin sonuçları X-Y ve X-Z düzlemlerinde verilmiştir. Bütün şekillerden görüldüğü gibi modelin ön tarafında simetri ekseni bölgesinde akış oldukça yavaşlamış ve durma noktası meydana gelmiştir. Bu durum bu bölgede statik basıncın artmasıyla birlikte taşıt doğrultusuna zıt yönde bir kuvvetin oluşmasına neden olacaktır. Referans alınan deneysel çalışmada da benzer şekilde ön kısımda durma noktasının oluştuğu görülebilir. Akışın durma noktasının alt, üst, sağ ve sol taraflarına doğru ilerlediği görülmektedir. Ön kısma verilen radius sayesinde modelin ön kısmında keskin bir akış ayrılması meydana gelmemiştir. 59
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının Şekil 6. X-Y düzleminde simetri ekseni üzerinde model etrafındaki akış yapısı (Türbülans modeli k ) Şekil 7. X-Z düzleminde model etrafındaki akış yapısı (Türbülans modeli k Y=0,04m) Şekil 8. X-Y düzleminde simetri ekseni üzerinde model etrafındaki akış yapısı (Türbülans modeli RNG k ) Şekil 9. X-Z düzleminde model etrafındaki akış yapısı(türbülans modeli RNG k Şekil 6 ve şekil 8 de model arka kısmındaki akış yapısına bakıldığında, arka eğim bölgesinde akışın yavaşladığı görülmektedir. Eğim bölgesinin hemen bitiminde ise akış ayrılmasının gerçekleştiği ve geniş bir bölgede ayrılmanın devam ettiği görülmektedir. Ancak akış ayrılması deneysel çalışmada da olduğu gibi 25 0 eğimli bölgede gerçekleşmemiştir. Bu bakımdan her iki türbülans modeli de deneysel çalışma ile uyum içerisindedir. ) 60
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 a b Şekil 10. Y-Z düzleminde model arka kısmındaki akış yapısı x=1,08h (a RNG k b. k ) Araç arka kısmında meydana gelen akış ayrılması ve girdapları karayolu taşıtları için son derece önemlidir. Taşıta etki eden aerodinamik direnç kuvvetinin temel nedenlerinden birisi burada meydana gelen girdaplardır. Bu nedenle ayrılmış akış bölgesinin büyüklüğü önem arz etmektedir. Deneysel çalışmada model arkasındaki girdaplı bölgenin uzunluğu 0,6H olarak verilmiştir [1]. Bu çalışmada ise girdaplı bölgenin uzunluğu k olarak belirlenmiştir. Bu bakımdan RNG k yaklaşmıştır. türbülans modelinde 0,83H, RNG k türbülans modelinde ise 0,69H türbülans modeli deneysel çalışmaya daha çok Şekil 11. X-Y düzleminde simetri ekseni için hız profilleri (Türbülans modeli k ) Şekil 12. X-Y düzleminde simetri ekseni için hız profilleri (Türbülans modeli RNG k 61 )
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının Şekil 11 ve şekil 12 de her iki türbülans modeli için simetri ekseni üzerinde hız profilleri deneysel çalışma ile karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Her iki şekil incelendiğinde genel olarak her iki türbülans modelinin de deneysel verilere yaklaştığı ve benzer hız profillerinin elde edildiği görülmektedir. Model üzerinde x/h=3,25 bölgesi hariç diğer bölgelerde her iki türbülans modeli ile deneysel verilere çok yakın değerler elde edilmiştir. Ancak yinede RNG k görülebilir. 25 0 lik eğimli arka kısımda ise k verilerinin deneysel verilerle daha uyumlu olduğu türbülans modeli verileri ile deneysel veriler arasında farklılıklar olduğu ayrıca bazı bölgelerde hız profillerinin uyuşmadığı görülmektedir. Aynı bölgede RNG k türbülans modeli ve deneysel veriler karşılaştırıldığında ise RNG k modelinin k modeline göre daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada model bir kara taşıtı (Ahmed Model) etrafındaki akış yapısı sayısal olarak incelenmiştir. X- Y düzleminde modelin ön tarafında durma noktasının oluştuğu belirlenmiştir. Arka kısımda ise 25 0 lik eğimli kısımda akış ayrılmasının olmadığı ancak eğimli kısmın bitmesiyle beraber akış ayrılmasının gerçekleştiği ve girdaplı bölgenin oluştuğu gözlenmiştir. Akışın modellenmesinde k ve RNG k olmak üzere iki ayrı türbülans modeli denenmiştir. Arka kısımdaki girdap bölgesinin uzunluğu k modeli ile 0,83H, RNG k modeli ile ise 0,69H olarak belirlenmiştir. Referans alınan deneysel çalışmada bu uzunluk 0,6H olarak verilmiştir. Simetri eksenindeki hız profillerinin deneysel çalışma ile uyumlu olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, her iki türbülans modeli ile deneysel çalışma verilerine yakın veriler elde edilmiştir. Ancak RNG k deneysel verilere daha yakın sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. SEMBOLLER türbülans modelinin girdap bölgelerinde ve hız profillerinde C, C, C 1 2 Türbülans model sabitleri k R S U u v w Türbülans kinetik enerji üretimi (W/m3) Ana gerinim ve ilave terimler Kaynak terimi Ortalama hız vektörü (m/s) Anlık hız vektörünün x bileşeni Anlık hız vektörünün y bileşeni Anlık hız vektörünün z bileşeni Türbülans kinetik enerji yutulması (m2/s3) 62
İpci vd.. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 eff Yoğunluk (kg/m3) Laminar viskozite (Pa.s) Efektif viskozite (Pa.s) t Türbülans viskozite (Pa.s) Kinematik viskozite (m2/s2) k, Türbülans model sabitleri 6. KAYNAKLAR 1. Ağır, A., Temel, Ü. N., Gürlek, C. ve Pınarbaşı, A., Bir model kara taşıtı etrafındaki akış yapısının deneysel olarak incelenmesi, 10. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Nisan, (2011). 2. W.H. Hucho, Aerodynamics of road vehicles, SAE International Press, (1998). 3. Ahmed, S. R. And Ramm G., Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake, SAE Technical Paper, 840300: 1-32, (1984). 4. Brunn, A. And Nitsche, W., Drag reduction of an Ahmed car model by means of active separation control at the rear vehicle slant, New Results In Numerical And Experimental Fluid Mechanics V, Springer, Berlin, 249-256, (2006). 5. Beaudoin, J. F. And Aider, J. L., Drag and lift reduction of a 3D bluff body using flaps, Springer, 44: 491-501, (2007). 6. Aider, J. L., Beaudoin, J. F. And Wesfreid, J. E., Drag and lift reduction of a 3D bluff-body using active vortex generators, Springer, 48 (5): 771-789, (2010). 7. Henning, L. And King, R., Drag reduction by closed-loop of a seperated flow over a bluff body with a blunt trailing edge, Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference, Seville, 494-499, (2005). 8. Brunn, A. And Nitsche, W., Active control of turbulent seperated flows over slanted surfaces, International Journal Of Heat And Fluid Flow, 27: 748-755, (2006). 9. Roumeas, M., Gillieron, P. And Kourta, A., Seperated flows around the rear window of a simplified car geometry, Journal of Fluid Engineering, 130 (2): 1-10, (2008). 10. Pujals, G., Depardon, S. And Cossu, C., Drag reduction of a bluff body using coherent streamwise streaks, Springer, 49 (5): 1085-1094, (2010). 11. Golkhe, M., Beaudoin, J. F., Amielh, M. And Anselmet, F., Experimental analysis of flow structures and forces on a 3D-bluff body in constant cross-wind, Springer, 43 (4): 579-594, (2007). 63
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 51-64 Bir Kara Taşıt Modeli Etrafındaki Akış Yapısının 12. Gümüşlüol, Ü., Çetinkaya, T. A. Ve Albayrak, K., Geçiş durumundaki taşıtların aerodinamik etkileşimlerinin deneysel olarak incelenmesi, Mühendis ve Makine, 47 (561): 28-35, (2006). 13. Barnard, B. H., Road Vehicle Aerodynamic Design, Longman, London, 1-20, (1996). 14. İnce, T. İ., GTD model idari hizmet pikap aracının aerodinamik analizi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 50-80, (2007). 15. Versteeg, H. K., Malalasekera, W. An introduction to computational fluid dynamics- The finite volume method, Longman Scientific & Technical, London, 42-82, (1995). 16. Özsunar A., Başkaya Ş., Sivrioğlu M., Dikdörtgen Kesitli Bir Kanalda Laminer Karışık Konveksiyon Şartlarındaki Akışın Sayısal Olarak İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 15 (2), 71-86, (2000). 64