ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK www.ara.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar
2012-2013-II.
Áramlástan BMEGEÁTAT01 Ipari termék- és formatervező alapszak (BSc) GPK
BEVEZETŐ ELŐADÁS Dr. Suda Jenő Miklós egyetemi adjunktus
[email protected] Tantárgyhoz tartozó anyagok: www.ara.bme.hu / oktatas / tantargy / NEPTUN / BMEGEATAT01 / 2012-2013-II Áramlástan Tanszék H-1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 4-6. „AE” épület
ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK www.ara.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar
2012-2013-II.
Áramlástan I. BMEGEÁTAM21 Mechatronikai mérnök alapszak (BSc) GPK BMEGEÁTAM11 Mechatronikai mérnök alapszak (BSc) GPK BMEGEÁTAM01 Mechatronikai mérnök alapszak (BSc) GPK
2012-2013-II.
Az áramlástan alapjai BMEGEÁTAKM1 Környezetmérnök alapszak (BSc) VBK
BEVEZETŐ ELŐADÁS Dr. Suda Jenő Miklós egyetemi adjunktus
[email protected] Tantárgyhoz tartozó anyagok: www.ara.bme.hu / oktatas / tantargy / NEPTUN / BMEGEAT???? / 2012-2013-II Áramlástan Tanszék H-1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 4-6. „AE” épület
Tanszéki bemutatkozás §
1934. József Nádor Műegyetem: Aerodinamikai Intézet (ma „AE” épület)
§
1938-1941 szélcsatornák építése (német mintára)
§
Tanszékvezetés:
§
1945-1972 Dr. Gruber József, 1972-1991 Dr. Szentmártony Tibor
§
1991-2008 Dr. Lajos Tamás,
§
2008-tól jelenleg Dr. Vad János
§
1 egyetemi tanár, 3 docens, 1 adjunktus, 3 tanársegéd, 2 tud. munkatárs, 2 tud. segédmunkatárs, 3 tanszéki mérnök, 5 Ph.D. hallgató
§
Oktatás: BSc / MSc, PhD, és szakképzés
§
Áramlástan /BSc,MSc/ (17), Áramlástan /egyéb/ (20), évenként ~1600 hallgató, 22 féle tantárgyban hallgatói mérések,
§
Korszerű méréstechnika (szélcsatorna labor, Lézer Doppler Anemométer, hődrótszondák, nyomás és sebesség mérése, számítógépes mérés-jelfeldolgozás)
§
www.karman-wtl.com Kármán Tódor Szélcsatorna Laboratórium (6 szélcsatorna)
§
YOUTUBE channel, FACEBOOK profilok
§
Numerikus áramlástani szimuláció = CFD Computational Fluid Dynamics szoftverek: ANSYS-FLUENT, Miskam, AmeSim, + SoundPlan
§
Nemzetközi kapcsolatok: B, D, A, UK, USA, I, F, Von Kármán Institute for Fluid Dynamics (B), egyetemekkel: La Sapienza Roma (I), Karlsruhe (D), Drezda (D), Magdeburg(D), Graz(A), Siegen(D), stb.
§
kutatás & fejlesztési nyertes pályázatok…. 2013 = 130 MFt
§
Ipari kapcsolatok: MOL, GE, AUDI, FORD, SUZUKI, Cascade Eng., Dunaferr, Knorr-Bremse, Transelektro, IFT Hungaria, Bouygues Hungária, Visteon, Siemens, EGI, ERBE, ARCADOM, SMG-SISU, KORAX, stb.
www.ara.bme.hu
Kármán Tódor
Gruber József
ÁRAMLÁSTAN Kísérleti vizsgálatok
(elmélet)
Numerikus szimuláció
§
ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK BME „Ae” épület H-1111 Budapest Bertalan L. u. 4-6.
§
Göttingen típusú , recirkulácós, nyitott mérőterű vízszintes áram szélcsatorna
§
Göttingen típusú , recirkulácós, nyitott mérőterű vízszintes áram szélcsatorna
§ 1934 Aerodinamikai Intézet („AE” épület) § 1938-1941 szélcsatornák építése § Vízszintes, recirkulációs légáramú, nyitott mérőterű Göttingen-típusú szélcsatorna
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA „nyitott labor” § www.kutatokejszakaja.hu § minden évben egy szeptember végi péntek (18h-éjfélig) § 2007: Csáji Attila fényművész bemutatója „Játék a fénnyel a szélcsatornában” + Baditz Gyula (szobrász) „Paracelsus rózsái”
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2008 § GPK hallgató saját motorján § „onlány” ellenálláserő és teljesítmény mérése
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2009 § műlesikló, síugró
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2010 § Magyar Bobcsapat: bob és szánkó szélcsatorna bemutató
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2010 § Magyar Bobcsapat: bob és szánkó szélcsatorna bemutató Gyulai Márton konferál
Concorde modell az NPL szélcsatornában
Vizualizáció különböző testhelyzetekben
Szabadsugár vizualizáció lézersíkkal
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2011 § Főműsorszám: versenykerékpáros (dr. Harsányi Zsuzsanna triatlon, Ironman, Big Man világbajnok 2010, 2011) szélcsatorna bemutatója
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2011 § Egyebek (minden évben)
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2012 § Főműsorszám idén: gyorskorcsolyázó olimpikonok tesztelése § MAGYAR ORSZÁGOS KORCSOLYA SZÖVETSÉG www.moksz.hu § edző: Tarcali Attila DARÁZS Péter (1985) -
kétszeres olimpikon Torino/ Vancouver,
-
-Európa-bajnoki ezüstérmes
-
-magyar bajnok
LÓTH Dávid Manó (1986) – magyar bajnok
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA (gyorskorcsolya) § TELJESÍTMÉNY [W] (statikus vizsgálat): P=Ps+Pe Ps = kb. 5-15% KORCSOLYA ÉLSÚRLÓDÁS veszteségteljesítmény § „az acél és a jég közötti vízzel nedvesített kapcsolatban a súrlódási erő a test súlyának csak 1,5%-a” (v.ö. Autókerék aszfalton szárazon: 30%) m[%] kanyar
Súrl.erő Fs[N]
V[km/h]
600N 0.46
0.59
2.8-3.5
70kg
700N 0.46
0.59
80kg
800N 0.46
0.59
Tömeg
Súly
60kg
m[%] egyenes
Telj. Ps[W]
Telj. Pe[W]
Össz: P[W]
50km/h 38-49
700
~ 740 W
3.2-4.2
50km/h 45-57
700
~ 750 W
3.8-4.8
50km/h 51-66
700
~ 760 W
Pe = kb. 85-95% TEST LÉGELLENÁLLÁSA § Fe [N] ellenálláserő = ce · r/2 · v2 · Avet § ce [N] ellenállástényező (~ 0.3 – 0.4) § Avet [m2] test vetület keresztmetszet (poz. függő). (0.4-0.6m2) § v [m/s] mozgási sebesség (világcsúcstartó átlagsebessége kb. 50km/h § r [kg/m3] levegő sűrűsége (1.2kg/m3) § P [W] teljesítmény (P=F · v)
§ KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2013 § Főműsorszám idén: ??????? § BME Formula Racing Team versenyautója?
§
Szélcsatornák máshol….
§
google kép: …..
§
„wind tunnel” : Nagyjából 13 200 000 találat (0,38 másodperc) 13 200 000 találat (0,38 másodperc)
§
„szélcsatorna”: Nagyjából
9 740 találat (0,47 másodperc)
§ 1938-1941 szélcsatornák építése……
§ Függőleges légáramú, recirkulációs, nyitott mérőterű Göttingen típusú szélcsatorna
§
NYITOTT MÉRŐTÉR
anno…1938-44
anno…1931-44 §
ZÁRT MÉRŐTÉR
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1941-44
WM 23 „EZÜST NYÍL” 1941-1944
WM 23 „EZÜST NYÍL” 1941-1944
Német hadiipari megrendelések… ….a Luftwaffe személyes felügyeletével 2. világháborús rakétafejlesztések (V1-V2) (fotók nincsenek)
A háború végén viszont bombatalálatot is kapott a szélcsatorna külső épületszárnya
anno…<1945
A háború után szovjet hadiipari megrendelések …
anno…1945 után
... lettek volna, de a tanszékvezető letagadta, hogy értenének bármiféle ilyen bonyolult áramlástani kérdéshez….(mai tankönyv 12. fejezete) Így átálltak ventilátor fejlesztésre (bányaipar, erőművi ventilátorok, nehézipar, stb.) Minden hallgatói mérés során valamilyen ventilátorral áramoltatunk levegőt. DE HALLGATÓ NEM LÉPHET BE A LABORBA, HA NEM VETTE TUDOMÁSUL A MUNKA- ÉS TŰZVÉDELMI ÚTMUTATÓBAN ELHANGZOTTAKAT!* *Különben a Tanszék nem vállalhat felelősséget egy esetleges balesetért!
Járműáramlástan (aerodinamikai vizsgálatok, 1960-as évek) Dr. Preszler László
Járműáramlástan (aerodinamikai vizsgálatok, 1980-as évek)
Járműáramlástan (megrendelő: PORSCHE A.G., 1990-es évek) Akkor még egyedülálló volt a járműhöz képest mozgó úttestet szimuláló futószalag-rendszerünk. (ld. relatív koordinátarendszer!) NINCS SAJÁT KÉP,mert ezek „TITKOS” projektek J
Járműáramlástan (Tasi János formatervező, 1990-es évek)
Járműáramlástan modellépítés, szélcsatorna tesztek
Járműáramlástan szélcsatorna tesztek – nyomáseloszlás mérés
Szakmai gyakorlatból TDK első helyezés (2012), a végleges formatervből nemzetközi siker a modern Jaguar E-Type koncepció. Varga László, a Gépészmérnöki Karon frissen diplomázott Ipari termék- és formatervező mérnök sosem tanult járműtervezést, de az 1961-ben elkészült, azóta is az egyik legszebb autónak tartott Jaguar E-type tervezőjének, Malcolm Sayernek unokája szerint ez az eddigi legszebb E-Type újragondolás. Az alkotó a Gépés Terméktervezés Tanszék modellkészítő műhelyében kezdte el építeni az autó 1:5 méretarányú agyagmodelljét, melynek létrejöttét a Varinex Zrt. és a Formula University Közhasznú Egyesület is támogatja.
Járműáramlástan szélcsatorna tesztek – formatervezés itt és ott…..
Vízszintes, nyitott mérőterű szélcsatorna Behind the scenes…
HAMU ÉS GYÉMÁNT (2003) „Ember és levegő” fotósorozat Gádorfalvi Luca szörfbajnok mint „modell”
Forgóasztal modell terepasztalhoz (szélirány beállítása)
Raiffeisen tornyok szélterhelésének mérése
Papp László SportAréna szélterhelésének mérése
Papp László Sportaréna szélterhelésének szélcsatorna vizsgálata
TOP
42 43
37 38
47 48
52 53
Budapest Arena - WIND DIRECTIONS 10429 93
Z c
95
58 57
91
92
63 62 b
Y 200
94
300
32 33
400
Front: OPEN
Measurement Points
d
LEFT
20 21 TOP
87
88
89
68 67
e Y
0 -30
-200
l de mo
20
h, ngt 0 el le m od
0 10
m] 0 [m ,x th wid
13 12
Y
-1 00
0 20
-20
30
-30
0
X
9 8
330 -300
86
300 -200
-100
210
72 a 71
82
83
h
0
0
Z
300
0
10 0 ] m y [m
81
g
000
40 0
84 RIGHT 85
99 98
5 4
80 103 79 102
0
270
100
-200
0 -10
1617 X f
-100
origin
FRONT
76 75
240 -300
030
180
REAR
060
X 100
150
0
90
120
090
model length, y [mm]
Z
24 25
200
300
model width, x [mm]
Position of the ORIGIN of the coordinate system is in the centerline, at the distance of 302 mm from the model FRONT edge. ORIGIN (x, y, z) = (0, 0, 0)
a, b, c, d, e, f: Internal Measurement Points g, h: Internal Measurement Points / FRONT OPEN /
MÉRÉS
SZÁMÍTÁS
Measurement Points
Numerikus szimuláció /CFD/ Papp László Sportaréna - belső klíma
Numerikus szimuláció /CFD/ Papp László Sportaréna – színpadtűz havária
Ganz Ipartelep - Millenáris Park Moszkva tér, Széna tér, MAMMUT I-II, „előtte”
„utána”
Millenniumi Városközpont
Szabadtéri sátorszerkezetek szélterhelésének szélcsatorna vizsgálata Jégstadion (Németország)
Üzletközpont
Bild 6. Druckbeiwerte an äusserer Oberfläche ( Cpa [-] ) Windrichtung 0° 1:300
0°
SPANDOME Center (USA) szabadtéri színpad sátorszerkezetére ható szélerő
Steetley Building (UK) üzemcsarnokra ható szélterhelés (2008)
Numerikus szimuláció: autóbusz hátfalsárosodás, nyomáseloszlás
Nyom áseloszlás a hátfal szim m etriasíkjában
Nyom aseloszlas a buszhom lokfal a szim m etriasíkjában 2
0.2
Mért értékek
1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0
-0.2 -0.4
buszhatfal1
-0.6
Mért értékek
-0.8
-0.15 Cp
Cp
Buszhomlokfal1
0.6
-1
0.05
0.25
-2 -3
-1
-4
-1.2
-5 ív koordináták
Ívkoordináták
0.45
0.65
IKARUS buszok hátfal sárosodás-vizsgálata
1980-as évek….. …és 2005
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen)
Addition of wheelhouses and rotating wheels to a car body
Increase in drag and lift coefficient
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen)
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen)
Ellenállástényező (+/-) változások:
Numerikus szimuláció: áramlás egyedülálló forgó kerék körül
álló kerék
forgó kerék
Járműáramlástan …nem csak szélcsatorna létezik!
ha már járműáramlástan….
aerodinamika / design / marketing Aerodinamikai tervező mérnököt megkéri a főnök ’86-ban: -Tervezz egy minél kisebb áramlási ellenállástényezőjű, de utcai használatra is alkalmas versenyautó karosszériát! A mérnök és a designer összeül, és áramlástani megfontolások, márka- és stílusjegyek figyelembevételével megtervezik az autó minden paraméterét. Elkészült az új BMW E30 M3.
aerodinamika / design / marketing Akkor jön a marketinges és megkéri a fotóst, hogy szélcsatorna mérés ide vagy oda, de a prospektusba azért ennél még áramvonalasabbnak tűnő képet szeretne!
A prospektusba ez kerül…..
Vízszint!
Na a jobb felső kép ugye kis „csalás”, mert a fotóst arra kérték, hogy tegye ő is áramvonalasabbá az autót „ültetés” nélkül! (lásd alsó kép)
aerodinamika / design / marketing Vagy jobb esetben a marketinges egy megfelelő áramlástani képzettségű művészt kér meg erre…….J
aerodinamika + design + Newton-féle viszkozitási törvény (t) … áramlás láthatóvá tétele: a test felületére ecsettel felvitt titánoxid por pertóleumos oldata … áramlás láthatóvá tétele: otthon = koszos autóval sztráda után esőben…) Valójában a felületi nyírófeszültség eloszlás bemutatására szolgál. (ld. jobb oldali képek)
aerodinamika / design / marketing ….vagy rosszabb esetben egy másikat, akit valószínűleg annyira azért nem a streamlining érdekelt…….J
Kell egy bizonyos kitartás ehhez … (!? m2)
aerodinamika / design / marketing ….viszont talán van olyan Önök közül, akit érdekelnek majd a részletek is ….
v 2 1 ¶p = R r ¶n
„vízszint!”
a részletek…… v 2 1 ¶p = R r ¶n
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata az áramlás láthatóvá tételével Fénysíkos láthatóvátétel
Lézersíkos láthatóvátétel
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata az áramlás láthatóvá tételével
Lézersíkos láthatóvátétel
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata áramlás láthatóvátételével
Lézersíkos láthatóvátétel
Forgógépek kutatás & fejlesztése (axiális ventilátorok) 0.1 uc 1.00
lézer LDA optika
0.95
ablakok fotomultiplier
fojtólap szögjeladó ventilátor x - y mozgatószerkezet x
Lézer Doppler mérés
0.85 0.80
cseppgenerátor beszívó tölcsér légbeszívás
W
CF
P
P
S
0.75
R
ST H PV
O
0.70 5
10
15 20 q [deg]
25
0.1 u c
30
35
40
T
C
A
0.95
Numerikus szimuláció CFD számítás
V
0.90
1.00
y
T
C U
A
U
0.90 0.85 0.80
CF
P
0.75
O H
0.70 R
5
10
15 20 q [deg]
S
W
P
PV ST 25
30
35
40
Belsőégésű motor kipufogó-rendszerének numerikus vizsgálata: katalizátor áramlástani optimalizációja
Numerikus szimuláció (CFD) egy radiális szivattyúban: nyomáseloszlás
Gépjármű üzemanyag-szivattyújának numerikus szimulációja
Gőzturbina-lapát körüli áramlás numerikus számítása (SIEMENS)
rögzített koordináta rendszer
forgó koordináta rendszer
Szélforgók mérése szélcsatornában pontonhíd a Dunán (SuperGroup akció 2003.03.15.)
Magyar Állami Operaház szellőzéstechnikai vizsgálata /áramvonalak és hőmérséklet-eloszlás a nézőtéren/
Áramlástan Tanszék
ÁRAMLÁSTAN tantárgy Miről lesz szó? Øáramlástan = „folyadékok mechanikája” (Fluid Mechanics / Dynamics, Fluidmechanik) Øközeg = folyadék (folyékony v. gáz halmazállapotú közegek, legtöbbször víz v. levegő) Øvalós és ideális közegek tulajdonságai Øálló és mozgó folyadékok leírása Ø1, 2, 3 dimenzió kezelése Økoordináta rendszer megválasztása: (x,y,z) ill. (r,j); Øabszolút vagy relatív rendszerből való megfigyelés Øt [s] időben változó (instacioner) folyamatok Øműveletek fizikai mennyiségekkel, egyenletek kezelése: általános (matematikai) alapok Øskalár (p, T, r) és vektor (v, g) mennyiségek megváltozása pl. (Dp, DT, Dr, Dv, ) Øfolyadékmozgást leíró mozgásegyenletek (Euler-, Bernoulli-, Navier-Stokes-egyenlet) Øcél: jellemzők meghatározása 2D-3D, térben és időben állandó (stac.) ill. változó (instac.) jellemzők Ønyomás p (x,y,z,t), nyomáskülönbség Dp
(pl. jármű homlokfal, toronyház homlokzatok)
Øsebességmegoszlás v (x,y,z, t), gyorsulás, impulzus (pl. alagútszellőzés, hófogórács) Øközegről a testre ható erő (szélturbina, szárny), testről a közegre ható erő (ventilátor) Ømérnöki mennyiségek: qv [m3/s] térfogatáram, qm [kg/s] tömegáram, Fe ellenálláserő, Ff felhajtóerő [N], M nyomaték [Nm], P teljesítmény [W] stb.
Lajos Tamás: AZ ÁRAMLÁSTAN ALAPJAI ISBN 978 963 066 382 3 legújabb, javított, bővített kiadás (2008) ingyenes DVD melléklettel
Korábbi kiadások
Egyetemi Könyvesbolt (E épület földszint) 4500.- Ft Universitatis könyvesbolt (Irinyi József utca 23.) 4500Ft / 4275Ft (Cégeknek ÁFA-s számlára a könyv ára 9000 Ft + ÁFA). Forgalmazza még az ELTE Eötvös Kiadó hálózata is. (5060Ft / 4503Ft)
Lajos Tamás: AZ ÁRAMLÁSTAN ALAPJAI legújabb, javított, bővített kiadás (2008), ingyenes DVD melléklettel Tartalomjegyzék: Ø 1. Folyadékok sajátosságai, fizikai mennyiségek és leírásuk Ø 2. Kinematika és a folytonosság tétele Ø 3. Az Euler-egyenlet és a Bernoulli-egyenlet Ø 4. Alkalmazások Ø 5. Örvénytételek Ø 6. Áramlástani mérések Ø 7. Az impulzustétel és alkalmazásai Ø 8. A súrlódásos közegek áramlása Ø 9. Határrétegek Ø10. Hidraulika Ø11. Az áramlásba helyezett testekre ható erő Ø12. Összenyomható közegek áramlása (Önöknek nem tananyag) ELŐADÁSOK Csüt. 14:15-15:45h MGFEA Környezetmérnök BSc (VBK), Mechatronikai mérnök BSc (GPK), Ipari termék- és formatervező mérnök BSc (GPK)
2013. február
2013 nyár
Köszönöm a figyelmet!
www.ara.bme.hu http://www.facebook.com/#!/pages/BME-ÁramlástanTanszékBME-Department-of-FluidMechanics/339722440975
www.karman-wtl.com
http://www.facebook.com/#!/aramlastanszakosztaly
http://markmyprofessor.com/tanar/adatlap/3758.html
