Giriş

Kara taşıtları etrafındaki üç boyutlu türbülanslı akış yapısının  incelenmesi otomotiv endüstrisinin önemli uğraş alanlarından birisidir. Taşıtların hareketleri sırasında karşılaştıkları direnç kuvvetinin  azaltılması gerek yakıt ekonomisi açısından gerekse  de titreşimin  azaltılması ile stabilitenin sağlanması gibi birtakım avantajlar sağlamaktadır. Taşıtın sürüklenme kuvvetinin oluşumunda en büyük  katkıyı taşıt arkasındaki türbülanslı girdap bölgesi sağlamaktadır.  Akışın  ayrılma  yeri, ayrılma  bölgesinin  büyüklüğünü doğrudan  etkilemektedir. Bu  nedenle  taşıtların  aerodinamik performanslarının geliştirilmesi için taşıt arka bölgesindeki akışın mekanizmasının ayrıntılı olarak araştırılması gerekmektedir.

Gerçek yol koşullarında taşıtlar etrafındaki akış yapılarının ve aerodinamik özelliklerin belirlenmesi zordur. Bununla birlikte gerçek taşıtlar etrafındaki akış yapılarının, karmaşık geometrileri yüzünden, deneysel ve sayısal olarak incelenmesi de zordur. Bu durum araştırmacıları referans taşıt modelleri üzerinden çalışmalar yapmaya yöneltmektedir. Aerodinamik çalışmalarda yaygın olarak kullanılan referans  taşıt  modellerinden  en  önemlisi  Ahmed  modelidir .  Ahmed  modeli  basitleştirilmiş geometrisine karşın bir taşıt etrafındaki temel akış yapılarını ortaya çıkarmaları açısından oldukça başarılıdır. [1]

ŞEKİL 1 Ahmed Cismi Teknik Resmi

Ahmed cismini CATİA V5 R18 ile modelleyerek step dosya formatında kaydettim. Bu formatta özellikle kullanmamız gerekir çünkü; ANSYS WORKBENCH CATİA programından direkt olarak dosya okumamaktadır. Ayrıca step dosya formatında parça daha basit ve kayıpsız olarak WORKBENc’e okutulabilir. Aşağıda şekil 2’de Ahmed Cismi CATİA ile modellenmiştir.

ŞEKİL 2 Ahmed Cismini CATİA ile Modellenmesi

Yöntem

Bu çalışmada esasen Ahmed cismi üzerinde sürüklenme ve kaldırma kuvvetleri katsayıları hesaplanacak ve Ahmet cismi arka açısının (slant angle) 25° ve 30° olması durumunda bu değerlerin değişimi incelenecektir. Ayrıca ahmed cismi etrafında basınç dağılımı, hız dağılımı vb. akış özelliklerinin davranışı incelenecek ve yorumlanacaktır. Bu amaçla 25° ve 30° arka eğimli Ahmed cismi modellenmiştir. Serbest akım hızı 40m/s alınmış ve Ahmed cismi boyu referans alınarak Reynolds sayısı ’dir .

Sayısal Detaylar

Ahmet cismi etrafında akış yapısı incelenecegine göre öncelikle model etrafında hesaplama hacminin tanımlanması gerekmektedir. Ahmed modeli, 1044x389x338 mm (LxWxH) boyutlarındadır. Ahmed modeli ve etrafındaki hesaplama hacmi CATİA V5/R18 katı modelleme programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.  Hesaplama hacmi modelin arkasından itibaren 7500 mm uzunluğunda belirlenmiş olup, böylelikle buraya uygulanan dışakış sınır koşulunun  taşıt  arkası girdap bölgesini etkilememesi sağlanmıştır. Giriş yüzeyi modelin ön yüzeyinden itibaren  5000 mm alınmış yan yüzeylerden uzaklık ise 3000 mm olarak alınmış  olup, sabit hız giriş koşulu uygulanmıştır. Kapalı hacim şekli, aşağıda şekil 3’de gösterilmiştir.

ŞEKİL 3 Ahmed Cismi ve Tünel Boyutları

Tünel oluşturulmadan önce Ahmed cismi simetrik olarak çözdürülmüştür. Bunun nedeni ise problemi basitleştirmek ve daha az sayıda mesh yapısı oluşturarak çözüm süresini kısaltmaktır.

ŞEKİL 4 Simetrik Görünüm

Sayısal Metod

Sayısal çözümlemeler sonlu hacimler esasına dayalı FLUENT programı ile gerçekleştirilmiştir. Akış alanındaki her bir dikdörtgen eleman için yukarıdaki denklemlerin integrasyonu alınarak elde edilen cebirsel  denklemler,  iteratif  çözücü ile çözülmektedir. İlk önce, akış alanı için momentum denklemler (mevcut basınç ve kütlesel debi kullanarak) çözülerek hız alanı elde edilir. Daha sonra, elde edilen hızların süreklilik denklemini sağlamaması durumunda süreklilik ve momentum denklemlerinden Poisson tipi bir basınç düzeltme denklemi elde edilerek çözüm yapılır. Böylelikle basınç alanı ve süreklilik denklemini sağlayacak şekilde hız alanı güncellenmiş olur. Güncellenen hız alanı ile bir önceki  iterasyonda elde edilen değerlere olan yakınsama kontrol edilir. Eğer yakınsama  belirlenen değerinden daha küçükse iterasyon sona erer aksi takdirde iterasyona devam edilir.[2]

Burada tercih edilen yöntem k-Ɛ türbülans modeli olup bu modelin 3 alt başlığı mevcuttur. Bunlar Standart, RNG ve Realizable olup bu çalışmada Realizable tercih edilmiştir. Near-Wall Treatment olarakta Non-Equibilirium Wall Functions tercih edilmiştir.

Ağ Yapısı

Akışkana ait özelliklerin hızlı değişim gösterdiği bölgelerde sık mesh yapısı uygulanmış olup diğer bölgelerde ise daha az sıklıkta mesh tercih edilmiştir. Bu amaçla ahmed cismi etrafına dikdörtgenler prizması eklenerek bu bölgede daha sık mesh yapısı oluşturulmuştur. Özelliklede Ahmed cisminin arka bölgesinde meydana gelen türbülanslar nedeniyle daha hızlı akış özelliklerinin değişmesinden dolayı bu bölgeye de bir dikdörgenler prizması çizilmiştir. Yine aynı mantıkla yer düzlemine ve Ahmed cismi arasınada dikdörtgenler prizması çizilmiştir. Ayrıca Ahmed cismi ve yer düzlemine 5 tabakalı mesh yapsı tercih edilmiş olup Ahmed cismi etrafında daha hassas sonuçlar elde edilmesi sağlanmıştır.

Buradaki amaç akışkan özelliklerinin hızlı değişim gösterdiği bölgelerde daha hasssas, diğer bölgelerde ise daha kaba sonuçlar elde edilmiştir. Her yere sık mesh yapısıda uygulanabilirdi ancak mesh sayısının arttırılması çözüm süresini uzatması nedeniyle bu yola başvurulmuştur.

Mesh yapısı olarak yapılan işlemler şekil 6‘te verilmiştir. Burada Sizing kısmından Use Advanced Size Function kısmından Proximity and Curvature, Relevance Center kısmından Fine, Minimum Size 1 mm, Maksimum Face Size 250 mm, Maksimum size 250 mm, Growth Rate (katmanların büyüme oranını) 1,2 alınarak daha düzgün ağ yapsıı elde edilmiştir. Tüm bu işlemler sonucunda 25° slant sngle shmed cismi için toplam mesh sayısı 1840193, düğüm sayısı 390749, 30° slant sngle shmed cismi için ise toplam mesh sayısı 1745939, düğüm sayısı 372836’dir.

ŞEKİL 5 Ahmed Cismi Yoğunlaştırılmış Mesh için Dikdörtgensel Bölgeler

ŞEKİL 6 Sık Mesh Bölgesinin Ağ Görünümü

ŞEKİL 6 Ağ Yapısının Son Halinden Kesit Alınmış Görünüm

Sonuçlar

Sonuçlar incelendiğinde araç arka bölgesinde iki adet vortex bölgesinin geliştiği görülemektedir. Gerçek araçlarda da akışın fiziği bu şekilde meydana gelmektedir. Bir taşıtta dört ayrı akış bölgesi meydana gelmekle birlikte bunlar; durgunluk bölgesi, araç üst kısmına ayrılan akış bölgesi, araç alt kısmına ayrılan akış bölgesi ve arka tarafta meydana gelen vortex bölgesidir.Bunu basitleştirilmiş olan bu model üzerinden de görmek mümkündür. Bu açıdan Ahmed cismi gerçeğe çok yakın bir şekilde ceryan eden bu olayların fiziğini görmemizi sağlamıştır. 25° slant angle Ahmed cismi için; sürüklenme katsayısı () son iterasyonda 0.329 değerini almış olup burada iterasyon sonlanmıştır. Kaldırma katsayısı (Cl) ise 0.374 değerini almıştır.

30° slant angle Ahmed cismi için; sürükleme katsayısı (Cd) son iterasyonda 0.401 değerini almış olup burada iterasyon sonlanmıştır. Kaldırma katsayısı () ise 0.288 değerini almıştır.

Sonuçlara bakılarak arka eğim açısı arttıkça  değeri artmış,  değeri ise azalmıştır.

ŞEKİL 7 25° Slant Angle Ahmed Cismi için Residuals Değişimleri

ŞEKİL 8 25° Slant Angle Ahmed Cismi için  Değerinin Değişimi

Şekil 9’dan anlaşılacaağı üzere basınç vortex bölgelerinde oldukça düşük olmakla birlikte negatif değerler almıştır. Bu beklenen bir durumdur çünkü; Bernoulli prensibi gereği toplam enerji korunacağından hızın yüksek olduğu bölgelerde basıınç düşüktür. Vortex akış bölgesinde oluşan türbülanstan dolayı (vortexler) bu bölgelerde hız oldukça yüksektir. Ayrıca basıncın negatif olduğu bölgelerde vakum etkisi oluşur ki aerodinamik dirençlerin büyük bir kısmı bu bölgeden oluşur. Oluşan basınç farkı nedeniyle akış(hava) yüksek basınçtan düşük basınca ilerlemek ister buradada taşıt engel teşkil ettiğinden taşıta zıt yönde bir kuvvet oluşur.

ŞEKİL 9 25° Slant Angle Ahmed Cismi içinToplam Basınç Dağılımı

ŞEKİL 10 Ahmed Cismi için Meydana Gelen Vortex Bölgeleri [2]

 

Şekil 10’da görüldüğü üzere gerçek bir ahmed cismi üzerinde yapılan çalışmada vortex’ler net olarak görülmektedir. Fluent ile gerçekleştirilen akış analizinde bu bölgeler net şekilde gözlenmektedir.

ŞEKİL 11 25° Slant Angle Ahmed Cismi için Vortex Kısımlarının Akım Çizgisi Görünümü

Şelik 11 de anlaşılacağı üzere model üzerinde kızrmı dikdörtgen bölgede ön tekerlekleri tasvir eden ayaklarda türbülans yogunluğunda belli bir artış görülmekte ve oluşan bu türbülans modelin arka kısmına doğu ilerlemektedir. Buda beklenen bir sonuçtur. Bilindiği üzere tekerleklerde çamurluk bölgelerinde yüksek oranda türbülans meydana gelmektedir.

ŞEKİL 12 25° Slant Angle Ahmed Cismi için Türbülans Yoğunluğu

ŞEKİL 13 30° Slant Angle Ahmed Cismi için Residuals Değişimleri

ŞEKİL 14 30° Slant Angle Ahmed Cismi için  Değerinin Değişimi

Şekil 14’e dikkatlice bakılırsa vortex bölgesinde negatif basınç alanları oluşmuştur bu açıdan fiziksel olarak aynı şekilde olaylar cerayan etmekle birlikte değişen durum dağılım ve bu dağılımın değerleridir.

ŞEKİL 15  30° Slant Angle Ahmed Cismi içinToplam Basınç Dağılım

ŞEKİL 16 Ahmed Cismi için Türbülans Yoğunluğu [3]

Şekil 16’da kızmızı dikdörtgen içerisinde belirtilen kısımda üçüncü türbülans bölgesi meydana gelmiş olup yukardaki şekildede belirlenen modelde burada 30° kritik arka eğim açısı FLUENT’te oluşturulan model üzerinde de net şekilde görülmektedir.

ŞEKİL 17  30° Slant Angle Ahmed Cismi için Türbülans Yoğunluğu

KAYNAKLAR

[1] PINARBAŞI, A. GÜLEREN, MELİH K. GÜRLEK, C. TEMEL NAZLI, Ü.  AĞIR, A. AHMED MODELİ ÜZERİNDEKİ AKIŞ YAPISININ İNCELENMESİ, III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI, 16-18 Eylül 2010, Anadolu Üniv, Eskişehir 

-AĞIR, A. TEMEL NAZLI, Ü. GÜRLEK, C. , PINARBAŞI, A. BİR MODEL KARATAŞITI ETRAFINDAKİ AKIŞ YAPISININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ, X. ULUSAL TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ – 13-16 NİSAN 2011/İZMİR

[2] Rajamani Krishnan, G. CFD Analysis of Air Flow Interactions in Vehicle Platoons, Sayfa 9 , August 2006

[3] Rajamani Krishnan, G. CFD Analysis of Air Flow Interactions in Vehicle Platoons, Sayfa 12 , August 2006