Sayısal modelleme ve analiz

Birçok 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,

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 (H.A.D.) yöntemleri bu araçların başında gelmektedir [92].

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (H.A.D.) 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 H.A.D. yöntemlerinin kullanım alanını nispeten kısıtlı tutarken günümüzde bu durumun tamamen değiştiği rahatlıkla söylenebilir. Günümüzde dünya çapındaki birçok otomotiv firmasında ve bu firmaların yan sanayinde H.A.D. yöntemleri tasarım sürecinin bütünleşik bir parçası olan bir tasarım aracı olarak kullanılmaktadır. Uzun yıllar boyunca yapılan testler ve edinilen tecrübeler firmaları H.A.D. yöntemlerini daha aktif bir şekilde kullanılarak tasarım sürecini kısaltma, 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 [92].

Bu çalışmada ilk olarak incelenecek olan modelin geometrisi bir bilgisayar ortamında katı model olarak oluşturulmuştur. Hesaplamaların yapılabilmesi için bu model sonlu elemanlara bölünerek bir ağ yapısı (mesh) oluşturulmuştur. Gerekli sınır şartları tanımlanarak çözümlenmiştir. Çözümleme aşamasına kadar kullanılan program GAMBİT, çözümlemede ise ANSYS FLUENT 12.0 programı kullanılmıştır.

Araç etrafındaki akışın viskoz etkilerinin en aza indirgenmesi için şekil 6.40’da görüldüğü gibi bir modelleme yapılmıştır. Buna göre otomobilin bulunduğu tünelin

uzunluğu 40 m, yüksekliği 8 m’dir. Sedan tipi otomobilin uzunluğu 4.14 m, hatchback tipi otomobilin uzunluğu ise 3.76 m ve otomobillerin yüksekliği 1.18 m’dir.

Şekil 6.40: Modelin tünel içerisindeki görünümü

Ağ yapısında hassas çözüm elde etmek için akım alanı içerisinde basınç alanının hızlı değiştiği bölgelerde şekil 6.41 ve 6.42’de görüldüğü gibi yoğunlaştırılmış mesh kullanılmıştır.

Şekil 6.41: Sedan tipi otomobilin mesh yapısı

Şekil 6.42: Hatchback tipi otomobilin mesh yapısı

Modellerimizin ön işlemi Gambit’te tamamlandıktan sonra ANSYS FLUENT 12.0’ a aktarılarak çözümlemeye başlanılmıştır. Çözümleme aşağıdaki kabullere göre yapılmıştır.

• Analizlerde FLUENT’in iki kat sayısal hassaslık (double precision) durumu kullanılmıştır.

• Çözümde basınca bağlı çözüm yöntemi kullanılmıştır. • Analizlerde realizable k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. • Yoğunluk sabit kabul edilmiştir.

• Sınır koşulları için giriş kısmı velocity inlet olarak seçilmiş ve hız değeri 30.56 m/s (110 km/sa) olarak girilmiştir. Çıkış kısmı pressure outlet olarak seçilmiş ve çıkış basıncı da sıfır girilmiştir.

• Analizde, serbest ortamda "second order upwind discretization" çözümlemesi seçilmiştir.

• Yakınsama, her parametredeki kalıntıların 1x10-6 olması durumuna kadar çözüme devam edilmiştir

Taşıtın aerodinamiği incelenirken havanın hareketsiz olduğu ve taşıtın yere göre sabit bir rölatif hızla hareket ettiği düşünülür. Taşıt sıkıştırılamaz akım koşullarında düz bir yolda ilerlediği kabul edilmiş olup analiz sonucu tablo 6.3’deki veriler elde edilmiştir.

Tablo 6.3: Modeller üzerinde oluşan direnç katsayıları ve kuvvetleri

L

C C _D F_Dsürtünme FDbasınç FDtoplam

SEDAN 1.668 0.385 18.674 N 201.303 N 219.977 N

HATCHBACK 1.168 0.435 18.377 N 230.588 N 248.965 N

Basınç dağılımı ile hız vektörleri dağılımı ters orantılıdır. Yapılan çalışmada şekil 6.43-6.44’ de görüldüğü gibi hızın büyük olduğu yerlerde basıncın düştüğü görülmektedir. Otomobil geometrisi göz önüne alındığında hızın en yüksek ve basıncın en düşük olduğu bölge beklenildiği gibi tavan bölgesidir. Tavan bölgesindeki basınç ne kadar düşük olursa otomobil üzerindeki vakum etkisi o kadar büyük olur. Bunun sonucu olarak tutunmada azalma meydana getirir ve bu ise istenmeyen bir durumdur. Otomobilin ön tampon bölgesinde basıncın en yüksek olduğu görülmektedir.

Şekil 6.43: Hatchback tipi otomobil üzerinde basınç dağılımı

Şekil 6.44: Sedan tipi otomobil üzerinde basınç dağılımı

Model etrafındaki basınç dağılımının dış ortamdaki atmosfer basıncıyla kıyasladığımızda şekil 6.45 ve 6.46’da görüldüğü gibi ön tampon bölgesi ve kaput-ön cam geçişi bölgesinde basıncın çok yükseldiği ve bu bölgelerde durma noktası oluştuğu görülmektedir. Ayrıca analizlerini yaptığımız modellerde hatchback tipi

otomobilin sedan tipi otomobile göre arka kısımda düşük basınç bölgesi, ayrılmış bölge daha büyüktür. Bu ise hatchback tipi otomobilin sedan tipi otomobile göre daha fazla geri sürükleme kuvveti oluşturduğu söylenebilir.

Modelin etrafındaki hız dağılımı serbest akım hızıyla kıyaslandığında şekil 6.47 ve 6.48’de de görüldüğü gibi otomobilin ön tampon kısmı, ön cam alt kısmı ve arka bölgesindeki hızın serbest akım hızından düşük, diğer bölgelerde serbest akım hızından yüksek olduğu görülmektedir. Her iki otomobil de de tavan bölgesindeki hızın serbest akım hızının iki katına yaklaştığı ve hatchback tipi otomobilin arkasında oluşan düşük hız dağılımı bölgesinin sedanınkinden daha büyük olduğu görülmektedir.

Şekil 6.48: Sedan tipi otomobil üzerinde hız dağılımı

Otomobil modelleri etrafındaki sürükleme kuvveti artışına neden olan kritik bölgelerdeki hız dağılımının vektörel gösterimi şekil 6.49-6.52’de görülmektedir. Otomobilin arka kısmında hız vektörleri, akış yönüne ters yönde hareket etmekte ve bunun sonucu olarak türbülanslı akış oluşmaktadır. Otomobilin üzerinden gelen hava ile altından gelen havanın otomobilin arkasına farklı hızlarda ulaşmasından dolayı çift bölgeli vorteksin oluşumu görülmektedir. Bu ise akımın laminer olması için daha geniş bir alana ihtiyaç olduğu şekil 6.53 ve 6.54’de görülmektedir. Daha geniş bir alan ise daha büyük bir sürükleme kuvveti oluşturmaktadır.

Şekil 6.49: Modellerin ön cam bölgesindeki hava akışı

Şekil 6.51: Hatchback tipi otomobilde vektörel hız dağılımı

Şekil 6.53: Hatchback tipi otomobilde türbülans şiddeti