MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Aerodinamik Özellikler ve Direnç Katsayısının Ölçülmesi Abdullah DEMİR, Yrd. Doç. Dr.
Rüzgar tüneli testleri küçük ölçekli modeller ile başlamıştır. Küçük ölçekli modeller ile test işlemi tam ölçekli modellere göre daha ucuz ve basit olması bakımından avantajlıdır. Ancak ölçekli modeller ile elde edilen sonuçlar tam ölçekli modeller ile elde edilen sonuçların doğruluğunu verememektedir. Bunun temel nedeni geometrik benzerliğin tam olarak sağlanamaması ve Reynolds sayısının beklenmeyen etkileridir. Ayrıca küçük ölçekli test işleminde model ve prototip arasında Reynolds sayısı eşliğinin sağlanabilmesi oldukça güçtür. Rüzgar Tüneli
Rüzgar Tüneli Taşıtların direnç katsayıları hava (rüzgar) tüneli yardımıyla ölçülür. Direnç katsayısı bulunurken hava tünelinin büyüklüğüne göre orijinal veya model taşıt kullanılmaktadır. Direnç kuvvetini ölçmek için uzama telli kuvvet ölçer/ler/ kullanılmaktadır.
A new state-of-the-art wind tunnel beginning construction in Ohio in 2017 will add to Honda's growing R&D footprint in the U.S. and enable testing of production cars as well as racing cars (image: Honda). Honda will spend $124 million to build a state-of-the-art, multifunctional acoustic wind tunnel in East Liberty, OH, on the grounds of the Hondaowned Transportation Research Center and close to the company s U.S. manufacturing hub in nearby East Liberty. The company said it will break ground on the new wind tunnel in summer 2017 but did not state a completion date. The company said the new wind tunnel will feature an interchangeable belt system capable of testing both production vehicles and racecars; it will have a five-belt rolling-road system designed for the development of production vehicles and a second, single/wide belt system to test highperformance models and purpose-built race vehicles. http://articles.sae.org/15387/, Honda to build new wind tunnel in U.S. / 20-Apr-2017
The new tunnel can generate wind speeds of up to 192 mph and will feature four secure bays for confidential testing of vehicles by contracted customers. "This innovative and industry leading asset provides us with another distinct reason for our customers to take advantage of the world-class testing facilities we have in Ohio at TRC," said Mark-Tami Hotta, president and CEO of the Transportation Research Center. Honda said the new wind tunnel will be designed to Frank Paluch, president of Honda R&D Americas, Inc., added, "This new facility will further enhance our ability to efficiently create products of the highest quality for our customers. It will be integral to our aerodynamic and aeroacoustic R&D activity, which spans from advanced research and computer simulation, through scale-model and full vehicle development, to production vehicle performance assurance. And all of this is being done right here in the U.S." There should be plenty of room for the new facility at the Transportation Research Center, which encompasses 4500 acres that includes a 7.5-m (12-km) high-speed testing oval and R&D facilities for a variety of entities other than Honda. http://articles.sae.org/15387/, Honda to build new wind tunnel in U.S. / 20-Apr-2017
Araç Aerodinamiği Aerodynamic drag is calculated as FL = 0.5 ρ cd A (v + v 0 ) 2 A taşıt kesit alanını, V taşıtın rüzgâra göre bağıl hızını, ρ havanın yoğunluğunu (1,255 kg/m³) göstermektedir. ρ = 1.226 kg/m^3 hava yoğunluğu (1.0133 bar ve 15 oc da) Cd*: hava direnci katsayısı Otomobillerde : 0.3-0,4; kamyonlarda : 0.8 A : kesit alanı. Otomobillerde 1.85 m^2 ; kamyonlarda 8 m2 alınabilir. Not: Bazı kaynaklarda cd bazı kaynaklarda cw olarak kullanılmaktadır Aerodynamic effects on vehicle functions Bosch Automotive Handbook
Geometrik benzerlik: Boyutlar (uzunluklar) arasındaki oranı esas alır. Bir koordinat sisteminde bütün boyutlar (genişlik, uzunluk ve derinlik) aynı lineer ölçek oranına sahipse model ve prototip geometrik olarak benzer kabul edilir. Aerodinamik
Dinamik benzerlik Akışkanlar mekaniğinde Reynolds sayısı, bir akışkanın, atalet kuvvetlerinin (v s ρ) viskozite kuvvetlerine (μ/d) olan oranıdır. Dinamik benzerliği tanımlamak için kullanılır. Aerodinamik Dynamic Similarity exists between the model and the prototype when forces at corresponding points are similar Kinematik viskozite SI birimi v= m2 s 1 pascal-saniye (Pa s) olup 1 kg m 1 s 1
Kinematik benzerlik: Kinematik benzerlik şartının sağlanması için prototip ve model üzerindeki hız vektörleri paralel ve mutlak değerlerinin oranlarının sabit olması gerekir. Kinematik benzerlik şartının sağlanması, akış çizgilerinin aerodinamik deneylerde model ve prototip için aynı olduğu anlamına gelir. Kinematik benzerliğin sağlanması blokaj etkisine de bağlıdır. Gerçekte durağan halden hareketli hale geçen otomobil çevresinde oluşan hava hareketi, aracın dış yüzeyinde bir sınır tabaka oluşmasına neden olur. Akışkanın sınır tabaka içindeki hızı plaka yüzeyinden yukarı doğru parabolik bir oranla artar, plaka yüzeyinden itibaren belirli bir δ yüksekliğinde hız serbest akış hızına eşit olur. Bu δ yüksekliğine "sınır tabakası kalınlığı" denir Aerodinamik
Aerodinamik Professor Fred Stern Fall 2010, Chapter 7: Boundary Layer Theory
Araç Aerodinamiği Effect of cd A on fuel consumption (mid-sized vehicle) Bosch Automotive Handbook
Araç Aerodinamiği Bosch Automotive Handbook Aerodynamic effects on vehicle functions
Araç Aerodinamiği Influence of flow characteristics on the operation of vehicles Objectives of improvement of flow past vehicle bodies: reduction of fuel consumption more favourable comfort characteristics (mud deposition on body, noise, ventilating and cooling of passenger compartment) improvement of driving characteristics (stability, handling, traffic safety) Vehicle aerodynamics includes three interacting flow fields: flow past vehicle body flow past vehicle components (wheels, heat exchanger, brakes, windshield), flow in passenger compartment Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
Characteristics of flow past vehicle bodies Complex 3D turbulent flow in relative co-ordinate system. Classification of flow field: Flow past front, side walls and roof, in underbody gap, behind the rear wall (wake). Front: stagnation point, overpressure, accelerating flow Side walls, roof: boundary layer separation depending on the rounding up of leading edges around the front. Rear wall: in separation bubble nearly constant pressure below the ambient, strong turbulent mixing Underbody gap: surrounded by rough and moving surfaces, decreasing velocities downstream, sideward outflow Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
where C D is the aerodynamic drag coefficient that characterizes the shape of the vehicle body and Vw is component of the wind speed on the vehicle moving direction, which has a NEGATIVE sign when this component is in the same direction of the moving vehicle and a POSITIVE sign when it is opposite to the vehicle speed. The aerodynamic drag coefficients for typical vehicle body shapes are shown in Figure.
Composed of: 1. Turbulent air flow around vehicle body (85%) 2. Friction of air over vehicle body (12%) 3. Vehicle component resistance, from radiators and air vents (3%) Araç Aerodinamiği P M V Subbarao, Energy Consumption & Power Requirements of A Vehicle
1900-1920 Adaptation of shapes from other fields Torpedo Airship Boot Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
1920-1970 Adaptation of results of airplane and airship development: streamlining Járay experimental cars Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
1970-1990 Detail optimisation Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
1990 - Basic form optimisation Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
Change of drag coefficient of cars Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
Araçlarda 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. Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos 2007.
Relation between curvature of streamlines and pressure distribution If the streamlines are curved pressure increases perpendicular to them, outwards from the centre of curvature Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
Relation between curvature of streamlines and pressure distribution If the streamlines are curved pressure increases perpendicular to them, outwards from the centre of curvature Prof. Tamás Lajos, Basics of vehicle aerodynamics, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome La Sapienza 2002
Araç Aerodinamiği Figure (a) Typical static pressure coefficient distribution; (b) The force acting on a surface element An Introduction to Modern Vehicle Design Edited by Julian Happian-Smith
Araç Aerodinamiği Araçlarda 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. Kaynak: Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos 2007.
Araçlarda aerodinamik direncin en önemli kaynakları 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: a, b). Taşıtın yan kısımlarının tasarımı da gözönüne alındığı takdirde taşıtın arka yüzey alanı küçülür ve aerodinamik direnç düşer. Araç Aerodinamiği Şekil: (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil Kaynak: Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos 2007.
Automotive Handbook 1) No headwind (υ0 = 0).
Araç Aerodinamiği Table 1. cw values for various vehicles Vehicle (Examples) cd A / m2 Audi A8 0,29 2,25 Porsche 911 0,29 1,95 Mercedes C 200 D 0,30 2,05 Bosch Automotive Handbook
Araç Aerodinamiği Etkileri c d [%] Taşıtın Yüksekliğini 30 Mm Düşürme Yaklaşık 5 Düzgün Teker Jantları -1...-3 Geniş Lastikler +2...+4 Harici Cam Parlatmayla Yaklaşık 1 Contalı Gövde / Karoseri Boşlukları -2...-5 Düşük Gövde Panelleri -1...-7 Gizlenebilir Farlar +3...+10 Dışarıdaki Arkayı Gösteren Farlar +2...+5 Radyatör Ve Motor Kompartmanı Arasındaki Hava +4...+14 Akışı Fren Soğutma Tertibatları +2...+5 Harici Havalandırma Yaklaşık +1 Açık Camlar Yaklaşık +5 Açık Tavan Yaklaşık +2 Dikey Açılı Olan Tavan Yaklaşık +40 Bosch Automotive Handbook
Araç Aerodinamiği α cd Δcd in % 50 0.345 55 0.342 0.8 65 0.340 1.4 40 0.349 + 1.1 30 0.349 + 1.1 0 0.369 + 7.0 Effect of windshield slope α on the cd value see Table ( = better, + = worse) Bosch Automotive Handbook