OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ UYGULAMALARI Ahmet AÇIKGÖZ, Mustafa Ö. GELİŞLİ, Emre ÖZTÜRK ANOVA Mühendislik Limited Şirketi www.anova.com.tr 1 - GİRİŞ Bir çok endüstri dalında bir ürünün performansının daha ürün tasarım sürecindeyken bilinmesi oldukça önemlidir. Böylece ürünün artan performans isteklerini karşılayıp karşılamadığı daha tasarı aşamasında görülebilir, probleme sebep olan etkenler bu aşamada ortadan kaldırılabilir ve optimize edilmiş ürün piyasaya sürülerek ürünün rekabet gücünü ve müşteri memnuniyetini artırma imkanına sahip olunabilir. Otomotiv endüstrisi de diğer endüstri dalları gibi bir çok konuda geçmişe nazaran çok daha talepkar performans istekleri ve tasarım hedefleriyle karşı karşıya kalmaktadır. Bu alanlardan bazıları Sanal tasarım yöntemleriyle tasarım süresinin kısaltılması, Klasik içten yanmalı motorlarda silindir içindeki akışın ve yanmanın anlaşılarak yakıt tüketiminin düşürülmesi, Kaput altı sıcaklık dağılımının detaylı bir şekilde incelenerek arzu edilen şekle getirilmesi, İyi bir aerodinamik karakteristiğe sahip yeni ve alımlı tasarımlar yapılması,
Daha düşük sürükleme katsayılarına erişirken düşük bileşen sıcaklıklarının, kabin görüş açıklığının ve buna benzer kritik diğer özelliklerin korunması, Akış kaynaklı gürültünün azaltılması, iç iklimlendirme sistemlerinin optimizasyonu ve solar etkilerin kontrolü vasıtasıyla sürüş konforunun artırılması, Çevre dostu ve kompakt araçlar tasarlamak, Klasik içten yanmalı motorlara yakıt pili gibi alternatifler geliştirmek, olarak belirtilebilir. Firmalar ve mühendisler bu amaçla değişik araçların yardımına başvurmuş ve bu araçları hem tasarım sürecini kısaltmak hem de problemin fiziğini daha iyi anlamak amacıyla kullanmışlardır. Akış ve ısı transferi problemlerinin sanal ortamda çözülmesine olanak sağlayan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri bu araçların başında gelmektedir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve diğer CAD/CAM tasarım teknikleri 1980 li yıllarda doğdu ve hızlı bir şekilde otomotiv firmaları tarafında kullanılmaya başlandı. Bahsedilen zaman dilimindeki yavaş bilgisayarlar, gerçeği tam olarak yansıtamayan geometriler ve fiziksel altyapısı yetersiz kodlar, otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin kullanım alanını nispeten kısıtlı tutarken günümüzde bu durumun tamamen değiştiği rahatlıkla söylenebilir. Günümüzde dünya çağındaki bir çok otomotiv firmasında ve bu firmaların yan sanayinde HAD yöntemleri tasarım sürecinin bütünleşik bir parçası olan bir tasarım aracı olarak kullanılmaktadır. Uzun yıllar boyunca yapılan testler ve edinilen tecrübeler firmaları HAD yöntemlerini daha aktif bir şekilde kullanılarak tasarım sürecini kısaltılma, simülasyonlar vasıtasıyla herhangi bir ürünü
tasarım aşamasındayken optimize etme ve oldukça pahalı ve zaman alıcı olan deneylerin ve prototip üretme işlemlerinin minimize etme yoluna yönlendirmiş ve bunun sonucu olarak bir çok alanda akış modellenmesi ve ısı transferi konusunda yapılan çalışmaların sayısında büyük bir artış gözlenmiştir. Ayrıca bilgisayar konusundaki gelişmeler ve yüksek performanslı donanıma düşük maliyetlerle sahip olma imkanı milyonlarca elemana sahip modellerle yapılan analizleri günlük bir iş haline getirmiştir. Makalede amacımız bu konuda yapılan çalışmalara bazı örnekler göstermek ve otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin ne şekilde ve hangi problemler için kullanılabileceği konusunda bir miktar bilgi vermektir. 2 - OTOMOTİV SEKTÖRÜNDEKİ HAD ÇALIŞMALARI Yukarıda da belirtildiği gibi HAD yöntemleri ile silindir içi akış problemlerinden araç dış aerodinamiği veya kaput altı ısı transferine kadar çok çeşitli problemlere çözüm bulmak olasıdır. Aşağıda değişik problemlerin hepsi için FLUENT isimli Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı kullanılmıştır. Dış Aerodinamik ve Aeroakustik: Dış aerodinamik araç üreticileri için her zaman önemini korumuştur. Sürükleme katsayısının düşürülmesi yakıt tüketimine ve aracın performansına doğrudan etki ederken akış kaynaklı gürültü seviyesinin azaltılması da özellikle yüksek süratlerde sürüş konforunu artırmaktadır. Bu nedenle bu konularda yapılmış bir çok çalışma bulunabilir. Şekil 1. de Opel firması tarafından Astra modeli için yapılan bir akış analizinden alınmış bir resmi görebilirsiniz.
Şekil 1. Opel Astra etrafındaki yapılmış akış analizi. Araç üzerindeki statik basınç dağılımı ve akım çizgileri görülebilir. Bu tip bir analizle araç etrafındaki ve/veya/altındaki basınç dağılımı, hız dağılımı detaylı olarak hesaplanıp sürükleme katsayısı gibi önemli değerler yüksek bir hassasiyetle saptanabilir. Böylece gerekli optimizasyonlar sanal ortamda rahatlıkla yapılabilir. Bu tip analizlerde izlenen yöntemi ise Şekil 2 de görebilirsiniz. Burada Opel firmasının bu tip bir analiz için ne tip işlemler yaptığı ve ne kadar süre harcadığı görülebilir. Şekil 2. Opel Astra analizi için yapılan işlemler ve süreleri.
Şekil 3 te ise DaimlerChrysler firması tarafında yapılmış bir akustik analizi ve bu analizin deney ile karşılaştırılmasını görebilirsiniz. Bu analiz ile şoför tarafından duyulan ses miktarı tahmin edilebilmiş ve konfor seviyesini artırıcı önlemler almak mümkün olabilmiştir. Şekil 4 te ise ülkemizde faaliyet gösteren ASKAM firmasına ait HI-EX model kamyon için ANOVA Mühendislik tarafından yapılmış bir çalışmayı görebilirsiniz. Şekil 3. Yan ayna etrafındaki zamana bağlı basınç dağılımı ve şoför tarafından duyulan sesin spektrumu. Bahsedilen örnekler gibi karmaşık fizik modellemesini gerekli kılan bir çok problem bugün HAD yöntemleri ile çözülmekte ve hem gündelik hayatımızda kullandığımız otomobil, kamyon, otobüs ve traktör gibi araçların hem de F1, NASCAR, LeMans yarışlarında izlediğimiz yüksek performanslı özel araçların performansı artırılmaktadır.
Şekil 4. ASKAM HI-EX etrafındaki akım çizgileri. Araç Altı Aerodinamiği ve Isı Transferi: Aerodinamik değişiklikler ve estetik gereksinimler araçların gittikçe daha ufak kaput altı boşluğa sahip olmalarına ve buna bağlı olarak ön ızgara girişlerinin gittikçe ufalmasına sebep olmaktadır. Ayrıca kaput altına eklenmesi gereken her parça genel olarak sıkışık olan bu bölümdeki soğuma için gerekli olan havanın geçebileceği boşluktan bir miktarını daha ortadan kaldırır ve ortamın sıcaklığının hassas bileşenler için çok sayılabilecek değerlere çıkmasına neden olabilir. HAD yöntemleriyle bu bölgelerdeki akış ve ısı transferi incelenebilir ve olası problemler önceden fark edilebilir. Şekil 5 te binek bir araç için yapılmış analizden elde edilmiş sıcaklık dağılımlarını görebilirsiniz. Karmaşık geometrinin karmaşıklığının yanında fiziksel zorluklar (türbülans modellemesi, radyasyonla ısı transferi) da içeren bu tip akışlar çözümlenerek uygun modifikasyonları yapmak ve ısıl güvenilirliği üst seviyeye çıkarmak mümkün olmaktadır.
Şekil 5. Bir binek aracın kaput altı ve araç altı sıcaklık dağılımları. Şekil 6 da Case New Holland firması tarafından yapılan bir traktör üzerindeki sıcaklık dağılımı görülebilir. Isı transferi ve soğutma, yüksek güç üreten ancak düşük hızlarda hareket eden traktör gibi araçlar için ayrıca problemlidir. Düşük hızlarda soğuma için gerekli olan hava elde edilemediği için aşırı ısınmalar söz konusu olabilir. Şekil 6. Bir traktör üzerindeki sıcaklık dağılımı. Ayrıca havayı içerideki bileşenlerin üzerine gönderen fanın da performansının incelenmesi ve güç tüketiminin düşürülmesi burada oldukça önem kazanmaktadır. Şekil 7 de ANOVA Mühendislik
tarafından tasarlanan bir radyatör fanının analizinden elde edilmiş basınç dağılımını görebilirsiniz. Şekil 7. Bir radyatör fanı üzerindeki basınç dağılımı. İçten Yanmalı Motorlar: İçten yanmalı motorlarda silindir içi akış ve motorun diğer bileşenleri içindeki veya etrafındaki akış ta yine HAD yöntemleri ile çözülebilecek problemler arasındadır. Şekil 8 de bir valf etrafındaki değişik basınç oranlarındaki (PR) akış ve sonuçların deney ile karşılaştırılması görülebilir. Şekil 9 da ise bir DaimlerChrysler motorunda ateşlemeden sonraki alev gelişimi görülebilir. Yukarıdaki örneklerin dışında emme ve eksoz manifoldları ve katalizör gibi bileşenler de yine bu yöntemlerle hesaplanabilecek parçalar arasındadır.
Şekil 8. Valf etrafındaki akış. Şekil 9. Alev gelişimi. Renk dağılımı sıcaklığı göstermektedir. Kırmızı yüksek mavi düşük sıcaklığı belirtmektedir.
İç İklimlendirme: Araç dışında olduğu gibi araç içinde de sıcaklık ve hız dağılımları hesaplanıp konfor şartlarının sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilebilir. Böylece hava çıkışlarının konu ve büyüklükleri doğru bir şekilde belirlenebilir. Şekil 10 da Ford-Werke AG tarafından yapılmış simülasyondan iki resim görebilirsiniz. Şekil 10. İç iklimlendirme simülasyonu. Üstteki resim bir kesit üzerindeki hız dağılımını alttaki resim ise bir kesit üzerindeki sıcaklık dağılımını göstermektedir. Yukarıda anlatılan örneklerin yanı sıra bileşen bazında fani pompa, eşanjör problemleri, eksozt sistemi analizleri farlarda ısı transferi ve radyasyon analizleri, defroster çözümlemeleri de HAD yöntemlerinin kullanılabileceği uygulamalara örnek olarak verilebilir. Şüphesiz ki hem sayıca hem de çeşit olarak örnekleri artırmak mümkündür.
SONUÇ Otomotiv sektöründeki bir çok firma akış ve ısı transferi problemlerini çözmek amacıyla HAD yöntemlerine başvurmakta ve böylece daha tasarım aşamasındayken problemleri sebepleriyle beraber görerek deneme yanılma sürecine girmeden çözümler geliştirip tasarım sürecini kısaltmakta ve optimize edilmiş ürünleri piyasaya sürerek rekabet şanslarını ve müşteri memnuniyetini artırmaktadırlar. KAYNAKLAR 1) www.fluent.com 2) Proceedings of Fluent Users Group Meeting, 2001 3) Proceedings of the 1. Europan Automotive CFD Conference, 2003 4) www.anova.com.tr 5) Fluent News, Summer 2005