Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Tudományos DiákKör
Formula Student versenyautó körüli áramlások numerikus vizsgálata és validálása szélcsatorna mérésekkel
Szerzők: Csippa Benjamin, Henczi Tamás, Lénárt Tamás, Szabó Árpád, Makai Zoltán
Konzulens: Szente Viktor
2013.
Köszönetnyilvánítás Szeretnénk köszönetet mondani elsősorban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékének, kiemelten Dr. Suda Jenőnek, Balczó Mártonnak, Dr. Szente Viktornak, Várhegyi Zsoltnak és Gulyás Andrásnak.
Továbbá szeretnénk köszönetet mondani a BME Formula Racing Team tagjainak, akik segítettek az FREC-003 megvalósításában.
Segítségük nélkül ez a dolgozat nem készülhetett volna el…
2
KIVONAT A Formula Student egyetemi versenysorozatban egyre fontosabb a versenyautók áramlástani vizsgálata, illetve aerodinamikai berendezésekkel történő ellátása, mivel ezek mind a statikus, mind a dinamikus versenyszámokban kedvezően befolyásolják a csapatok által tervezett versenyautók szereplését. A dolgozat célja a BME Formula Racing Team FREC-003 „Michaela” nevű autójának vizsgálata és ellenállás-tényezőjének meghatározása numerikus áramlástani szimulációkkal ANSYS FLUENT környezetben, továbbá a numerikus szimulációk során kapott eredmények validálása szélcsatorna mérésekkel. A dolgozatban részletesen bemutatásra kerül a Formula Student versenysorozat, illetve a versenyszámok, amelyekben az elérhető eredményt jelentősen befolyásolják a jármű menettulajdonságai és tervezése. Továbbá részletezésre kerülnek a numerikus szimulációk, amelyekkel a versenyautó körüli áramlásokat vizsgáljuk és a teljes jármű ellenállástényezőjét meghatározzuk. A dolgozatban bemutatjuk továbbá a fentebb említett szimulációk validálására szolgáló szélcsatorna mérést, és a mérés során kapott eredményeket. A dolgozatban még összehasonlításra kerülnek a szimulációs illetve a mérési eredmények, és az esetleges eltérésekből levonható következtetések és a fejlesztési lehetőségek is bemutatásra kerülnek.
ABSTRACT Nowadays it’s getting more and more important in the Formula Student series to investigate and understand the flow dynamics around the race cars. The next step is to put aerodynamic parts on the cars because these affect the car’s performance on track during the dynamic events, and as well worth a lot in the static events . The object of this paper is to investigate the BUTE Formula Racing team FREC-003 „Michaela” race car and to determine the car’s drag coefficient with numerical calculations in ANSYS FLUENT environment which we validate by wind-tunnel measurements. The study describes the whole Formula Student competition part by part, and shows how important is the aerodynamic aspect of the design on the vehicle’s performance. The paper presents the settings and results of our numerical model and the test results of the wind tunnel measurement. For later design approaches we compare the results of the numerical calculations and the wind-tunnel measurement to make some consequences to build a better race car and to improve our simulation methods.
3
Tartalom 1. BEVEZETÉS ........................................................................................................................................... 6 1.1
Kitekintés: A Formula Student versenysorozat .............................................................................. 6
1.2 Kitekintés: BME Formula Racing Team - motiváció ........................................................................... 8 1.3 A dolgozat célkitűzései ...................................................................................................................... 9 2. FEJLESZTÉSI ESZKÖZÖK A JÁRMŰVEK ÁRAMLÁS-TANÁBAN ..................................................10 2.1 Közúti és tesztpályás vizsgálat ...........................................................................................................10 2.2 Szélcsatornás mérések .......................................................................................................................11 2.3 Számítógépes numerikus szimulációk ................................................................................................17 3. MODELLEZÉS ÉS SZIMLÁCIÓ ...........................................................................................................18 3.1 A kiinduló modell egyszerűsítése ......................................................................................................18 3.2 Áramlási tér létrehozása, optimalizálása ............................................................................................20 3.3 Hálógenerálás ...................................................................................................................................23 3.4 A Fluent-ben végzett beállítások ........................................................................................................27 3.5 A szimulációs eredmények kiértékelése .............................................................................................28 4. MÉRÉS, VALIDÁCIÓ ...........................................................................................................................45 4.1 A szélcsatorna adatai .........................................................................................................................45 4.2 A méréshez használt eszközök ...........................................................................................................45 4.2.1 A mérőplatform ..........................................................................................................................45 4.2.2 Erőmérő cella .............................................................................................................................46 4.2.3 Prandtl-cső .................................................................................................................................46 4.2.4 A nyomás mérése .......................................................................................................................46 4.2.5 Hőmérséklet- és légnyomásmérés ...............................................................................................47 4.3 A mérés menete.................................................................................................................................47 4.3 A mérés kiértékelése .........................................................................................................................49 4.3.1 Első mérés ..................................................................................................................................49 4.3.2 Második mérés ...........................................................................................................................52 4.4 A szimulációs és mérési eredmények összehasonlítása ......................................................................53 IRODALOMJEGYZÉK ..............................................................................................................................55 4
5
1. BEVEZETÉS
1.1 Kitekintés: A Formula Student versenysorozat
Valójában mit is takar ez a fogalom? Ha nagyon tömören szeretnénk megfogalmazni, akkor a Formula Student versenysorozat egy nemzetközi projekt és mérnök verseny, amelyen elsősorban műszaki tanulmányokat folytató hallgatók vesznek részt a világ minden tájáról. A széria ötlete az 1970-es évek végén született meg az Amerikai Egyesült Államokban. Megalapításának oka az volt, hogy a frissen diplomázott hallgatókról az alkalmazó vállalatok sok negatív visszajelzést adtak az egyetemeknek, legfőképp azok igen hiányos gyakorlati tudásukat és hozzá nem értésüket kritizálták. Ekkor született egy megállapodás az USA-beli egyetemek és a SAE (Society of Automotive Engineers) nevű mérnökszervezet között, hogy létre kell hozni egy olyan programot, amelynek köszönhetően a hallgatók már az egyetemi éveik alatt elsajátíthatják a megfelelő gyakorlati tudást, így már az iparra felkészülten szerezhetik meg diplomájukat. Az első versenyt ennek megfelelően 1978-ban rendezték, amely ekkor még SAE Mini Indy néven futott. [1] Az alapötlet szerint a hallgatóknak egy félprofi versenyzőknek szánt, formula stílusú ˗ tehát nyitott pilótafülkével (cockpit) rendelkező – versenyautót kell megtervezniük és megépíteniük. Természetesen a feladatok ennél jóval komplexebbek, a hallgatóknak és autójuknak különböző versenyszámokban kell részt venniük, amelyek két nagy csoportra oszlanak, konkrétan statikus illetve dinamikus versenyszámokra. · Statikus versenyszámok: o Technical projecting / Design event: Ezen versenyszám során a szakszerű tudással rendelkező bírók vizsgálják meg a csapat által megépített autót. Áttekintik a terveket, a kivitelezést, különös figyelmet fordítva arra, hogy a hallgatók mennyire voltak innovatívak és szakszerűek az autó építése során. A tervezési folyamat legelső lépéseit is kikérdezve győződnek meg arról, hogy a hallgatók valóban megfontoltan, mindenre odafigyelve dolgoztak-e a projekt megvalósítása során. o Cost event: Ebben a versenyszámban a bírók pénzügyi szempontból elemzik a munkát. Készíteni kell egy minden alkatrészt illetve munkafolyamatot tartalmazó dokumentumot, amelyben a vásárolt és a gyártott alkatrészeket külön kell feltüntetni, az egyedi építőelemek költségét
egy megadott adatbázis segítségével kell 6
megbecsülni.
A bírók megvizsgálják, hogy az autó elemei valóban tételesen is fel vannak-e jegyezve, majd értékelik, hogy a hallgatók mennyire próbálták alacsonyan tartani a költségeket. o Business plan: A hallgatók egy gazdasági beszámoló keretében prezentálnak a bíróknak, mint potenciális befektetőknek egy gazdasági tervet, amelyben részletezni kell, hogyan oldanák meg a jármű sorozatgyártását, hogyan gondolták a terjeszkedést és a termék népszerűsítését, illetve hogyan építenének fel egy céget a termék köré. · Dinamikus versenyszámok: o Gyorsulás: Egy elzárt szakaszon tesztelik az autó egyenes vonalú gyorsulási képességét. Álló állapotból startolva mérik a 75 [m]-es távolság megtételének idejét. o Skidpad: A versenyautónak egy a széria szabályzatában megadott méretekkel rendelkező „nyolcas” alakú pályán kell mindkét irányban két-két hurkot megtennie, amelynél a második és harmadik kör idejét mérik. Ezzel az autó statikus, ívmenetbeli tulajdonságait vizsgálják. o Autocross: Egy bójákkal felépített pályán kell két pilótának fejenként két kört mennie a lehető leggyorsabban. A csapat az időeredmények alapján kap pontot és egyben rangsorolják a következő versenyszámra, az endurance-re. o Endurance: Jelen esetben is két pilótának kell megtennie egy fejenként 11 [km]-es távolságot egy bójákból kirakott pályán, mialatt mérik az időt és az összesen 22 [km]-es versenytáv során elfogyasztott üzemanyag mennyiségét. A mért adatok alapján a fogyasztás nem érheti el a 26[l]/100 [km] -es értéket.
1. ábra: A skidpad versenyszám pályájának sémája [2] 7
A fent említett versenyszámok pontos leírását és a technikai megkötéseket a versenyszabályzat tartalmazza. [2] A szabályzatban megfogalmazott szigorú biztonsági előírásokon kívül néhány technikai korlátozás: maximum 610 [cm 3]-es, négyütemű motor használható, amelynél az összes henger csak egy darab 20 [mm] átmérőjű szűkítőn keresztül szívhat levegőt. Minimum 8 hüvelyk (203,2 [mm]) átmérőjű kereket kell használni és az autónak 1,7 [g]-s oldalgyorsulásnál sem szabad felborulnia. A kormányműnek folyamatos mechanikai összeköttetést kell biztosítani, tehát a „steerby-wire” (más néven elektromos vezérlésű kormánymű) rendszerek tiltottak. A „by-wire” vezérlés tilalma kiterjed a fékrendszerre és a pillangószelepre is. A pilóták nem lehetnek professzionális versenyzők, minimum egy éve csapattagnak kell lenniük és egy csapatnak legalább annyi pilótával kell rendelkeznie, ahány dinamikus versenyszám van. A szabályzatot és a versenyszámokat úgy alakították ki, hogy a verseny mérnöki oldalát hangsúlyozza ki. A versenysorozat presztízsét mutatja, hogy a fentebb említett 1978-as első versenyen még csak 4 csapat vett részt, mára viszont világméretűvé nőtte ki magát, 481 regisztrált csapatot jegyzenek jelenleg. Versenyeket rendeznek Európában, Ázsiában és Amerikában is. A hallgatók komoly munkájának köszönhetően a Formula Student egyre elismertebbé válik mind az iparban, mind az autósport berkein belül. Ennek jele például, hogy a Formula 1-es Mercedes GP csapat vezetője, Ross Brawn is elkötelezett támogatója a versenysorozatnak. Megjegyzendő, hogy a hallgatók munkájukért semmilyen anyagi juttatást nem kapnak, teljesen önkéntes alapon végzik azt egyetemi tanulmányaik mellett.
1.2 Kitekintés: BME Formula Racing Team - motiváció
A BME FRT (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Formula Racing Team) 2007 első hónapjaiban alakult meg azzal a céllal, hogy részt vegyen a Formula Student versenysorozatban, és sikeresen megteremtse ennek a hagyományát a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen és Magyarországon is ( 2011 óta a Kecskeméti Főiskola is rendelkezik Formula Student csapattal). Csapatunk első autója 2008-ban készült el FRC001 kódnévvel (Formula Race Car 001), amellyel Németországban, Hockenheimben és Olaszországban, Fioranoban versenyeztünk. Idén, 2013-ben az FREC-003 kódjelű autóval igyekeztünk helyt állni a nemzetközi mezőnyben. Terveink megvalósításához az anyagi és egyéb hátteret saját magunk teremtjük meg támogatóink és szponzoraink segítségével.
8
Habár a csapat azóta egy generációváltáson esett át, az eredményesség töretlen maradt, köszönhetően a csapat által a csatlakozó újoncok számára rendezett folyamatos felzárkóztató foglalkozásoknak, képzéseknek. Egyéb oktatásokat és bemutatókat is tartunk, amerre járunk, mindenhol igyekszünk népszerűsíteni a műszaki felsőoktatást.
Csapatunk eddigi eredményei: Hockenheim
2008
2009
2010 2011
2012
"2. legjobb újonc csapat"
Fiorano
összetett 16. hely
Hockenheim
összetett 58. hely
Silverstone (2009/2010-es idény tervek)
összetett 3. hely "legjobb műszaki tervek"
Silverstone
összetett 20. hely
Győr
összetett 3. hely
Silverstone
összetett 29. hely
Győr
összetett 6. hely
Hockenheim
összetett 17. hely összetett 7. hely, Acceleration és Autocross 1. hely összetett elektromos 5.hely összetett elektromos 2. hely, Design Event 1. hely, Fuel Efficiency 1. hely
Győr Hradec Králové
2013
összetett 49. hely
Győr
"legígéretesebb csapat"
1. táblázat: A BME Formula Racing Team eredményei
1.3 A dolgozat célkitűzései
Amint azt már korábban említettük, a Formula Student versenyek nagyon sok olyan versenyszámmal rendelkeznek, amelyeken fontosak a járművek aerodinamikai tulajdonságai, mint például a leszorító erő, amely nagyobb kanyarodási sebességet, jobb kigyorsítást és fékezést biztosít, illetve a légellenállás, amely főként a jármű fogyasztásával áll kapcsolatban. Dolgozatunkban az utóbbira próbálunk fókuszálni, az autón végzett numerikus szimulációk és szélcsatornás mérések eredményét összehasonlítva megpróbáljuk a szimulációs modellünket 9
validálni, továbbá az esetleges fejlesztési lehetőségeket feltárni, amellyel javíthatók a közeljövőben elvégzett szimulációk pontossága és a versenyautó áramlástani tulajdonságai a különböző aerodinamikai eszközök felhelyezése után.
2.
FEJLESZTÉSI
ESZKÖZÖK
A
JÁRMŰVEK
ÁRAMLÁS-
TANÁBAN
2.1 Közúti és tesztpályás vizsgálat
A legnagyobb előnye az ilyen teszteknek, hogy egy valós járművet egy valós pályán vizsgálhatunk, a hátránya viszont, hogy limitált a járműre szerelhető mérő berendezések mennyisége, illetve a kontrolálatlan áramlási környezet, amelyben a jármű koordinátarendszeréhez viszonyított hossz- és oldalirányú széllökések is jelentkezhetnek. A közúti vizsgálatoknál a leszorító (vagy épp felhajtó) erőt általában a futómű elmozdulásának vagy a rugóstag megnyúlásának mérésével állapíthatjuk meg, azonban e módszer pontosságát nagyban befolyásolja a futómű elemek gyártási pontossága és a tesztpálya egyenletessége. A módszer további hátránya, hogy a kerekek felhajtó erejét nem tudjuk mérni ezzel a módszerrel, amely főleg formaautók nyílt kerekeinél okoz problémát, ilyen esetben ez a módszer csak különböző aerodinamikai konfigurációk összehasonlítására alkalmas. [3] A légellenállás mérése ennél sokkal bonyolultabb módon történik, mivel a jármű hosszirányú mozgással szembeni teljes ellenállása a légellenállásból, illetve az abroncsok gördülési ellenállásának és az erőátviteli lánc súrlódásának összegéből adódik. A legtöbb versenygumi gyártó rendelkezésre bocsátja a termékeik sebesség-gördülési ellenállás görbéit, azonban ezen adatok birtokában még továbbra sem tudjuk a mechanikai súrlódásból származó ellenállás komponenst kiszűrni. Ezért fejlesztettek ki egy olyan mérőrendszert, amelyben a vizsgált járművet egy áramlástól teljesen elzárt dobozban helyezik el, és egy erőmérő cellával mérik az ellenállás erőt, amely így már nem tartalmazza a légellenállás komponenst, csak a gördülési ellenállást és a mechanikai súrlódást, amelyek ismeretében már korrigálhatók a későbbi mérések. [3]
10
2. ábra: Mérési elrendezés a légellenállás kiszűrésére [3] Bizonyos esetekben a féltengelyekre ható nyomatékot mérik különleges nyúlásmérő bélyegekkel, amelyből a gördülési ellenállást kivonva megkapjuk a légellenállás erőt (a féltengelyen már a hajtás súrlódása utáni nyomaték mérhető). Egy sokkal egyszerűbb változat is létezik, ahol a vizsgált járművet vontatják, és a vontatókötélben ébredő erőből számítják a légellenállást, bár ilyenkor a vontató jármű bizonyos mértékben befolyásolja a kapott eredményeket. [3] Egy további gyakran alkalmazott módszer, az úgynevezett coast-down teszt, amely során bizonyos sebességre gyorsítva, majd az onnan szabadon futó jármű lassulásából és a megtett útból kiszámítva határozzák meg a légellenállást. A nyomás eloszlás mérésének, és az áramvonalak megjelenítésének lehetőségeiről a szélcsatornás méréseknél fogunk részletesebb leírást adni.
2.2 Szélcsatornás mérések
A szélcsatornák épp a közúti teszteknél említett hátrányok kiküszöbölésére épültek, mivel itt nem kell egy repülőt vagy egy mozgó autót követni a mérőeszközökkel, illetve a külső atmoszférikus körülmények nem befolyásolják a mérési eredményeket. A szélcsatornákat alapvetően két típusba sorolhatjuk, az egyik típus esetén a légmozgást ventillátorral állítják elő, a másik típus esetén pedig magas nyomású tartállyal vagy sugárhajtóművel. Az autóiparban leginkább az előbbit használják, ezért csak erre a típusra szeretnénk részletesebben kitérni. [3] A ventillátoros szélcsatornák esetében a tesztelésre használt rész rendelkezik a legkisebb keresztmetszettel, mivel itt a legnagyobb a levegő sebessége, ez a mérőtér (test section angolul) lehet téglalap, kör, ovális vagy ehhez hasonló keresztmetszetű. A mérőtér előtt található egy 11
konfúzor zóna (contraction section angolul), amely feladata, hogy egyenletes sebességű áramlást, más néven szabad áramlást biztosítson a mérőtérben. A belépő felület (inlet angolul) és a mérőtér keresztmetszete közötti arány (inlet contraction ratio angolul) határozza meg az áramlás egyenletességét a tesztelésre használt részben, minél nagyobb ez az arány, annál egyenletesebb áramlás érhető el. Még egy fontos elem található az ilyen típusú szélcsatornákban, amelyet párhuzamosítónak neveznek (anti-turbulence screen angolul) és feladata a turbulens áramlások kisimítása, erre leggyakrabban méhsejtet vagy speciális hálót alkalmaznak. Az összes ventillátoros szélcsatornában megtalálhatók ezek az alapvető elemek, a különböző szélcsatorna típusokat az alapján osztályozhatjuk, hogy a teszt szekció nyílt vagy zárt, illetve hogy a levegő nyílt vagy zár körben áramlik a szélcsatornában. [3]
3. ábra: Ventillátoros szélcsatornák alapvető felépítése [3] A fentebb említett típusok közül kettőt szeretnénk kiemelni. Az úgynevezett Eiffel-típusú szélcsatorna nyílt áramlási körrel és nyílt mérőtérrel rendelkezik. Legnagyobb előnye, hogy olcsó a megépítése, és akkor alkalmazzák legtöbbször, ha füst vagy kipufogó gázok keletkeznek az áramlási térben, így ezek nem maradnak az áramló közegben a nyílt körnek köszönhetően. Hátrányai közt meg kell említeni, hogy a külső körülmények (pl. hőmérséklet) befolyásolják a használatát, igen zajos, és több energia kell a működtetéséhez, mint egy hasonló méretű zártkörű szélcsatorna esetében. [3]
12
4. ábra: Eiffel-típusú szélcsatorna [3] A másik típust Göttingen-típusúnak nevezik a németországi Göttingen városa után (itt készültek az első ilyen típusú szélcsatornák). Ezek a szélcsatornák zárt áramlási körrel és nyílt mérőtérrel rendelkeznek. Előnyük, hogy kevesebb energia kell a működésükhöz, és nem érzékenyek a környezeti behatásokra, hátrányuk viszont a magas telepítési költség, a füst felgyülemlése és a hőmérséklet emelkedése a levegő súrlódásának köszönhetően. Ezért általában légcserélőkkel (air exchanger angolul) együtt építik az ilyen típusú szélcsatornákat. [3] A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékén található Kármán Tódor Szélcsatorna is Göttingen-típusú.
5. ábra: Göttingen-típusú szélcsatorna légcserélőkkel [3]
13
Ha a szélcsatorna mérések realisztikusságát szeretnénk javítani, mindenféleképp foglalkoznunk kell a föld közelében található határrétegek problémájával. A 6. ábrán jól látható, hogy a haladó jármű és szélcsatornában rögzített modell határrétegei között igen nagy eltérés mutatkozik. Ez egy 60 [cm] hasmagasságú teherautó mérésénél nem okozna problémát, viszont egy 5 [cm] vagy annál kisebb hasmagasságú versenyautó esetén jelentős eltérések adódhatnak a két mérési módszer között.
6. ábra: Határréteg az autó alatt közúti haladás és szélcsatorna mérés esetén [3] A legegyszerűbb megoldásnál az autót megemelik (A), hogy a szélcsatorna aljánál található határréteg ne befolyásolja az autó körüli áramlásokat. A második legegyszerűbb megoldás esetén a vizsgált modell előtt leszívják a határréteget (B), amely helyére egy új, vékonyabb határréteg alakul ki, így kisebb hatással lesz a mérés pontosságára. Ennek létezik egy továbbfejlesztett változata, amelynél a teljes vizsgált modell mentén elszívják a határréteget (C), illetve lehetséges ugyanez az elrendezés levegő befúvással is (D). Még egy lehetséges megoldás a szimmetria kihasználása (E) a mozgó talaj szimulálására, ám ilyenkor a költségek megduplázódnak és nehézkes nagyobb modellek esetén. A legkomplexebb, ám a versenyautó tervezők által leginkább kedvelt megoldás a futószalagos tesztelés (F). [3]
7. ábra: A mozgó föld szimulációs lehetőségei szélcsatornában [3]
14
A járművek felfogatása a szélcsatornában nem csak rögzítést, de általában a mérőrendszerhez történő csatlakozást is megvalósítja. Erre jó példa az egyik leggyakrabban alkalmazott módszer, amelynél a kerekek forgótányérokon (tire contact plate angolul) helyezkednek el, amelyek 4 darab alátámasztó rúd (strut angolul) segítségével csatlakoznak a 6 komponensű (3 erő és 3 nyomaték) mérőrendszerhez (6 component balance angolul), amely jól el van különítve a szélcsatorna padlójától, hogy csak a légáramlásból adódó erőket mérjük vele. Ezt egy két excentrikus forgóasztalból álló rendszerrel valósítják meg, amelyek a modellek megfelelő beállítását is szolgálják. [3]
8. ábra: 6 komponensű mérőrendszer forgóasztalokkal [3] Ha a forgó kerekeket is szeretnénk szimulálni, akkor szabadon futó vagy motorokkal hajtott görgőkkel ellátott alátámasztó rudakat is alkalmazhatunk. Ilyenkor természetesen szinkronizálni kell a motorok fordulatszámát és a levegő áramlási sebességét.
9. ábra: Forgó kerekek szimulálása görgőkkel [3] A forgó kerekek szimulációjára még szoktak úgynevezett futószalagos megoldást is alkalmazni, ebben az esetben a felfogatást egy rúddal végzik, amely csatlakozhat a jármű hátsó illetve felső részéhez. Aerodinamikai szempontból kedveltebb a hátsó felfogatás, mivel az kisebb 15
befolyással van a mérésre. Az erő- és nyomatékmérés a rúd fejében található 6 komponensű mérőrendszerrel történik, amely sematikus rajza látható a 10. ábrán is. Ezt a módszert nagyon kedvelik homológ modellek mérésénél is. [3]
10. ábra: Futószalagos mérés rúd felfogatással [3] Fontos a felületi nyomáseloszlást is mérni, ha pontos képet szeretnénk kapni a jármű aerodinamikai tulajdonságairól. Ezt régebben úgy tudták megoldani, hogy apró furatokat fúrtak a vizsgált területre, a furatok pedig nyomásmérő szenzorokhoz csatlakoztak. Így pontos képet kaphattak a lokális statikus nyomásról egy pontban. Manapság már felületre ragasztható nyomás mérő szenzorokat alkalmaznak, így szükségtelen a felület fúrkálása.
11. ábra: Felületi furat és felületre ragasztható nyomás szenzor [3] [4] Szintén nagyon hasznos információk (mint például áramlás leválások, lamináris vagy turbulens áramlás adott helyeken) szerezhetők, ha megjelenítjük a jármű körüli áramvonalakat. Ennek egyik módja füst vagy olajköd befúvása a mérőtérbe (közúti tesztelés esetén a jármű elé), amelyben a füstés olajrészecskék az áramvonalak mentén mozognak, így kirajzolva azokat. Másik lehetséges módszer a jármű felületére ragasztott fonalak (tuft angolul) alkalmazása, amelyek könnyen beállnak az áramlás irányába, és stabilan viselkednek lamináris áramlás esetén, míg levált áramlásoknál gyors fluktuáló mozgást végeznek. Ennek a módszernek létezik egy alesete is, amelynél viszkózus folyadékot (pl. festett olaj) visznek fel a vizsgált jármű felszínére, és ez a folyadékfilm segít az áramvonalak megjelenítésében. [3] 16
12. ábra: Füst befúvás a mérőtérbe és felületre ragasztott fonalak az áramvonalak megjelenítésére [5] [6]
2.3 Számítógépes numerikus szimulációk
A számítógépes szimulációk legnagyobb előnye az előző két módszerhez képest, hogy viszonylag gyorsan, gyártás és tesztelés nélkül meg tudjuk állapítani a vizsgált módosítás hatását a teljes jármű aerodinamikai tulajdonságaira. Hátránya, hogy a bonyolultabb szimulációk igen sok számítógépes erőforrást igényelnek, ezért legtöbbször csak egyszerűsített geometriákat vizsgálnak, amelyek nem alkalmasak pontos eredmények meghatározására, csak a módosítások trendjét tudjuk meghatározni velük.
13. ábra: A geometriák bonyolultságának és az alkalmazott módszerek összefüggése [3] 17
A legegyszerűbb numerikus módszerek nem veszik figyelembe a viszkozitást, ezért nem tudjuk velük a leválásokat és felületi súrlódásból származó légellenállást kiszámítani. A fejlettebb módszerek, amelyek a Navier-Strokes egyenleteken alapulnak, már kezelik a viszkozitást, és elméletben képesek kiszámítani az említett jellemzőket. Manapság ezeket alkalmazzák a legtöbb CFD (Computational Fluid Dynamics – számítógépes áramlástani szimulációk magyarul) kód alapjaként. [3] A tanulság, hogy a szimulációk nem használhatók az előző két módszertől függetlenül, szükség van a számított eredmények validálására szélcsatornás méréssel vagy közúti teszteléssel. A CFD szimulációk segítik a tervezést, de nem váltják ki a valóságos modelleken elvégzett tesztelést.
3. MODELLEZÉS ÉS SZIMLÁCIÓ Az FREC-003 versenyautónk több aerodinamikai konfigurációval („szivarautó”, csak diffúzor, oldaldoboz és diffúzor, illetve a teljes aerodinamikai csomag, amely az előző konfiguráció szárnyakkal kiegészítve) rendelkezik. Jelen dolgozatban azonban csak az oldaldoboz plusz diffúzoros konfigurációt vizsgáljuk numerikus analízisekkel, mivel az összes konfiguráció teljes körű vizsgálata bőven túlmutat ezen dolgozat keretein.
3.1 A kiinduló modell egyszerűsítése A versenyautó egy bonyolult áramlástani eset, mert egyszerre van jelen áramvonalas karosszéria, áramlástanilag nem optimalizált lengőkarok és különböző futómű elemek, forgó kerekek a szabad térben, a pilóta és a ruházata, valamint a burkolatlan hajtáslánc elemek. Mivel mind más jellemzőkkel bír, ezért szükség van egy egységes áramlástani modell elkészítésére, vagyis a geometria egyszerűsítésére. Először is megfelezzük a számítási kapacitást, ha csak feleakkora modellel kell dolgozni, mint a valóságban, így az autót a szimmetriasíknál fogva két részre osztottuk. Ezután a bonyolult geometriák egyszerűsítését, vagy éppen elhagyását végeztük el. A kerekek összetett szerkezetét egy lekerekített élű, teljesen zárt hengerrel helyettesítettük. A pilótafülkében történő áramlást is elhanyagolhatónak tekintjük, ezért a külső perem mentén lezártuk egy - a geometriát követő -
18
felülettel. Mivel a pilótán a ruha egy bonyolult, gyűrött felület, ami ráadásul folyamatosan változik is, ezért ezt egy közelítő térfogattal modelleztük. A hátsó váz és az autó végében található alkatrészek sokasága egy áramlástanilag optimalizálatlan összeállítás, amit szimulálni a mi erőforrásainkkal lehetetlen leszimulálni - és felesleges is -, ezét így a versenyautó hátsó részét is egy egyszerűsített burkológeometriával helyettesítettük. A végleges CAD modelleken további felületegyszerűsítéseket és javításokat hajtottunk végre az Ansys Design Modeler-ében, hogy a hálógenerálásban kevesebb hibalehetőség lehessen. Bizonyos elemeket komplikáltságuk miatt nem lehet pusztán lebutítani, mivel például a lengőkarok mind kör keresztmetszetűek, mégis szimpla rudakkal történő leváltása az elemszám drasztikus emelkedését okozná. Ezért a lengőkarok, rugóstagok, felfüggesztési pontok mind elhagyásra kerültek, mivel rendkívüli módon megnövelnék a szimulációk iterációs és erőforrásigényét. További egyszerűsítési lehetőség volt a kormány és a pilóta kezei, mivel ezek a műszerfal által keltett leválási zónában helyezkednek el, így az autó légellenállásában nem számottevőek.
14. ábra: Az eredeti és az egyszerűsített geometria izometrikus nézete
15. ábra: Az eredeti geometria oldalnézete 19
16. ábra: Az egyszerűsített geometria oldalnézete
17. ábra: Az eredeti és az egyszerűsített geometria elöl- illetve hátulnézete
3.2 Áramlási tér létrehozása, optimalizálása
A mechanikai véges elemes szimulációkkal ellentétben az áramlástani szimulációnk a geometria negatívjára van szükségünk, hogy megkapjuk az áramlási teret. Ezt a Design Modeler Boolean műveletével hajtottuk végre pár egyszerű kattintással. Az áramlási tér - és így közvetetten a háló - javítása érdekében megszüntettük az éles sarkokat, betüremkedéseket, éleket, amelyek például a sisak és fejtámla, illetve a kerekek és a talaj érintkezését jellemezték. A feljavított áramlási tér modell az alábbi ábrákon látható. 20
18. ábra: A feljavított áramlási tér modell izometrikus nézetben
19. ábra: A feljavított áramlási tér modell az autó közelében izometrikus nézetben A 18. és 20. ábrán jól láthatók az áramlási tér modelljének méretei, illetve hogy az autó előtt legalább egy autónyi hosszúságú szabad áramlási tér található. Erre azért van szükség, mert a versenyautó jelentős mértékű előrehatást okoz az előtte található közegben, így ezt nekünk is feltétlenül figyelembe kell vennünk a szimulációk során.
21
20. ábra: A feljavított áramlási tér modell oldalnézetben 22
3.3 Hálógenerálás
Ahhoz, hogy a szimulációhoz megfelelő minőségű hálót kapjunk, megfelelő beállításokat kell alkalmaznunk, amiknek megtalálásához sok kísérletezésre volt szükség. A végeredmény két különböző sűrűségű háló lett, amelyekkel a szimulációk hálófüggetlenségi vizsgálatát is el tudtuk végezni. A végleges beállítások az alábbiak: A megfelelő falkezeléshez a szakirodalomnak megfelelően választottuk a „Growth Rate” paramétert, hogy ne legyenek túl nagy méretnövekedések és jó formális pontosság legyen elérhető.
21. ábra: Sizing beállítások „Patch Conforming Method” alkalmazásával előírtuk
a
hálógenerálónak,
hogy
tetra
elemeket hozzon létre. Ez a metódus által jól követi a háló a felületeket, és a későbbiekhez is fontos lépés volt, mivel a Tetra háló Polihedra hálóvá alakításához szükséges. 22. ábra: Method beállítások Ahhoz, hogy az élek mentén megfelelő sűrűségű hálót érjünk el, szükséges volt az élek menti elemméretek beállítására, amit az „Edge Sizing” paraméterezéssel értünk el.
23. ábra: Edge Sizing beállítások 23
24. ábra: A beállításoknak megfelelően generált, két különböző sűrűségű tetrahedron háló
25. ábra: A távoltéri háló a megadott átmenettel és maximális elemmérettel
24
26. ábra: A generált hálót jellemző tulajdonságok hálóminőségi szempontból 25
A Fluent-ben a fent leírt indokokból kifolyólag Polihedra hálót generáltunk a Mesher által elkészített Tetra hálóból. Ezzel a módszerrel az elemszámot kb. a 25%-ára csökkentettük, így minimalizáltuk a szükséges számítások erőforrásigényét. Az alacsonyabb és a nagyobb sűrűségű hálóból generált Polihedra háló struktúrája az alábbi képeken egymás alatt figyelhető meg:
27. ábra: A durvább háló struktúrája a szimmetriasíkon
28. ábra: A finomabb háló struktúrája a szimmetriasíkon
26
29. ábra: A durvább háló struktúrája az autón és a talajon
30. ábra: A finomabb háló struktúrája az autón és a talajon
3.4 A Fluent-ben végzett beállítások Turbulencia modellnek Realisable k-epsilon modellt választottuk, mivel a távoltérben jobban kezeli a turbulenciát a k-omega modellnél, és ugyanolyan pontosság érhető el vele falközelben, 27
amennyiben „Enhanced Wall Treatment” falkezelést állítunk be hozzá. Anyagmodellnek az állandó sűrűségű levegőt választottuk.
A peremfeltételeket az alábbi módon szabtuk meg: ·
· · · ·
A talajra „wall” (fal) peremfeltételi zónát állítottunk be, amelynek nem írtunk elő semmilyen irányú mozgást sem, hogy a szélcsatornai állapotot szimulálja a stacionárius platformmal. A szimmetriasíkra „symmetry” peremfeltételt írtunk elő, aminek segítségével szimuláljuk az áramlási tér két részre osztását. Az áramlási tér tetejére és oldalára szintén „symmetry” peremfeltételi zónát határoztunk meg, hogy az áramvonalak párhuzamossága a távoltérben továbbra is fennálljon. Mivel az autó egy adott sebességgel halad, bemeneti zónának „velocity-inlet”-et állítottunk be, amivel előírhatuk az autó haladási sebességét bemeneti paraméternek. Kimenet gyanánt „outflow” peremfeltételi zónát állítottunk be, ami egyfelől nem „húzza be” a felületre merőlegesre az áramvonalakat - mint ahogy a pressure-outlet például -, és visszaverődési előrehatása sincs az áramlási térre.
A „Solution Methods” paraméterei között „Second Order Upwind”-et adtunk meg, hogy ezzel is minimalizáljuk a numerikus diffúzióból adódó lehetséges hibákat és növeljük a szimuláció pontosságát.
3.5 A szimulációs eredmények kiértékelése
A számítógépes numerikus szimulációk során kapott adatok a megfelelő kiértékelés során alakulnak eredményekké, igen hasznos következtetések vonhatók le belőlük, amelyek később mind a szimulációs modellek fejlesztésénél, mind a versenyautó áramlástani továbbfejlesztésénél, aerodinamikai csomag fejlesztésénél már fontos tapasztalatnak számít majd. A következő képeken a sebességeloszlás és a dinamikus nyomás (a dinamikus nyomás összefüggésben áll a sebességgel,
=
∙
∙
, ahol ρ a sűrűség, v a lokális sebesség) kontúrjai
láthatók a szimmetria síkon, az autó felületén és a talajon.
28
31. ábra: A sebességeloszlás kontúrja a szimmetria síkon (durvább háló)
32. ábra: A sebességeloszlás kontúrja a szimmetria síkon (finomabb háló) A fenti ábrákon jól látható, hogy az autó mögött jelentősen kisebb az áramlási sebesség, mint az autó előtt. Ezt a „szélárnyék” hatást gyakran használják ki a légellenállás csökkentésére olyan autóversenyek során, ahol megengedett az autó-autó elleni versengés, mint például a Forma 1-ben.
29
33. ábra: A dinamikus nyomás eloszlása az autó felületén és a talajon (durvább háló)
34. ábra: A dinamikus nyomás eloszlása az autó felületén és a talajon (finomabb háló) A fenti ábrákon jól láthatók az alacsony sebességű (és ezért alacsony dinamikus nyomású) területek a teljes versenyautó és a talaj felületén, ilyenek például a torlópontok, a pilótafülke belseje, az autó hátsó része, illetve az autó és a kerekek mögött található területek.
30
35. ábra: A statikus nyomás eloszlása a szimmetria síkon (durvább háló)
36. ábra: A statikus nyomás eloszlása a szimmetria síkon (finomabb háló) A fenti ábrákon jól láthatók a torlópontok (piros kontúros zónák), ahol nagy a statikus nyomás (alacsony a sebesség). Ilyen az autó orra, a pilóta sisakja és az autó alján a futóműnek kialakított zóna. Ezek közül csak az autó hasánál található torlópont szüntethető meg, amellyel viszont jelentős csökkenés érhető el az autó légellenállásában. Ezt a versenyautó fenéklemezének módosításával, egy előrenyúló takaró lemez hozzáadásával tehetjük meg. Ez az előrenyúló lemez az első futómű 31
nagy részét is eltakarná, amely szimulációs szempontból is nagyon egyszerűsítené a valós geometriát.
37. ábra: A statikus nyomás eloszlása az autó felületén és a talajon (durvább háló)
37. ábra: A statikus nyomás eloszlása az autó felületén és a talajon (finomabb háló) A 36. és 37. ábrán jól láthatók az első kerekeken található torlópontok is, amelyek jelentős mennyiségű ellenállást okoznak. Ezért fontos az első kerekek kitakarása valamilyen alacsony légellenállással rendelkező elemekkel, ilyen például egy első szárny, amellyel leszorító erőt is termelhetünk továbbá. 32
38. ábra: A turbulens intenzitás kontúrja a szimmetria síkon (durvább háló)
39. ábra: A turbulens intenzitás kontúrja a szimmetria síkon (finomabb háló) A fenti ábrákon jól láthatók a turbulensebb áramlással rendelkező zónák (zöld kontúros területek), amelyek szintén hozzájárulnak a teljes versenyautó légellenállásának növekedéséhez, ezért célszerű megszüntetni vagy megelőzni a turbulens, levált áramlásokat. A sisak és a fejtámla mögötti turbulens zónát például egy versenybiciklis sisakokhoz hasonló alakú légterelő elemmel tudnánk megszüntetni. 33
40. ábra: A turbulens intenzitás kontúrja az autó felületén és a talajon (durvább háló)
41. ábra: A turbulens intenzitás kontúrja az autó felületén és a talajon (finomabb háló) A 40. és 41. ábrán is jól látható a pilóta teste és a kerekek által keltett turbulens áramlatok, ezek megszüntetése is fontos feladat az autó körüli áramlások optimalizálása során.
34
42. ábra: Y+ az autó falán (durvább háló)
43. ábra: Y+ az autó falán (finomabb háló) A 42. ábrán jól látható, hogy az autó falának y+-ja pár helyen kilép a 30 és 300 közötti ideális tartományból. Ha 30 alatt van az y+, az nem okozhat problémát, viszont 300 felett már torzíthatja a számítások pontosságát, ezért sűrítettük be lokálisan a hálót a problémás helyeken, mint például a kerekek oldalán, az oldaldoboz felületén és a pilóta testén.
35
Az áramvonalak megjelenítésével további hasznos információkat szerezhetünk az autó aerodinamikai tulajdonságairól, ezért a továbbiakban ezt szeretnénk bemutatni különböző síkokból indítva az áramvonalakat.
44. ábra: Áramvonalak az autó körül (1)
45. ábra: Áramvonalak az autó körül (2) A fenti ábrákon jól láthatók a kerekek által keltett örvények, továbbá a 44. ábrán az is látható, hogy a sidebox oldalán elhelyezett terelő elem segít a hátsó kerék felett elterelni az áramló levegőt.
36
46. ábra: Áramvonalak az autó körül (3)
47. ábra: Áramvonalak az autó körül (4)
37
48. ábra: Áramvonalak az autó körül (5)
49. ábra: Áramvonalak az autó körül (6)
38
50. ábra: Áramvonalak az autó körül (7)
51. ábra: Áramvonalak az autó körül (8) A fenti hátsó izometrikus nézeteken szintén jól láthatók a kerekek által keltett örvények, illetve az autó mögött található turbulens áramlás is jól kivehető.
39
52. ábra: Áramvonalak az autó körül (9)
53. ábra: Áramvonalak az autó körül (10)
40
54. ábra: Áramvonalak az autó körül (11)
55. ábra: Áramvonalak az autó körül (12) Az 56-58. ábrákon a több megjelenített áramvonalnak köszönhetően láthatók a pilótafülkénél és a pilóta testénél illetve fejénél kialakuló örvények is.
41
56. ábra: Áramvonalak az autó körül (13)
57. ábra: Áramvonalak az autó körül (14)
58. ábra: Áramvonalak az autó körül (15) 42
A szimuláció körülbelül 580 iteráció után konvergált a megadott célértékekhez, eközben monitoroztuk az erő együtthatókat az az autó falára.
59. ábra: A reziduumok monitorozása
60. ábra: A konvergencia história a bekonvergáláskor Látható, hogy a konvergenciát az 577. iterációs lépésben értük el pontosan, és ekkor az ellenállás tényező (C D) 0,51 volt, bár ehhez szükséges az ellenállás tényező konvergenciáját is megvizsgálni, hogy valóban elértük-e az állandósult értéket.
61. ábra: Az ellenállás tényező értéke 43
Amint azt a 61. ábrán láthatjuk, az ellenállás tényező viszonylag állandónak tekinthető a konvergencia elérésekor. Az Ansys Fluent
egyébként
magában csak nyomás- illetve
sebességeloszlást számít, a megfelelő ellenállás tényező értékét a referencia értékek megfelelő beállításával tudjuk elérni. Ezért a „Reference values” menüpontban az autó illetve a későbbi szélcsatornás mérés adatainak leginkább megfelelő értéket próbáltuk megadni.
62. ábra: Referencia értékek
44
4. MÉRÉS, VALIDÁCIÓ
4.1 A szélcsatorna adatai
A numerikus vizsgálatok eredményeit mérésekkel validáltuk. Ezeket a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan tanszéke nyújtott nekünk segítséget. A mérést a Kármán Tódor szélcsatorna laboratórium nagy vízszintes szélcsatornájában végeztük el. A szélcsatorna nyitott mérőterű, Göttingen-típusú, recirkulációs. Az áramlás iránya vízszintes, maximális sebessége 60 m/s, a maximális turbulencia intenzitás 0,3%. A mérőtér egy 2,6 m átmérőjű, 5,7 m hosszú henger, melyben egy mérőasztalt helyeztek el.
63. ábra: A Kármán Tódor Szélcsatorna tervrajza
4.2 A méréshez használt eszközök
4.2.1 A mérőplatform A méréshez az autót egy mérőplatformon helyeztük el és rögzítettük. A mérés során a jármű légellenállását a platformra ható vízszintes irányú erőből számítottuk ki. A platform egy szabványos 40x80 zártszelvényekből készült keret, melyet egy 8 és egy 16 mm-es MDF lap és egy 1 mm-es 45
alumínium lemez borít. Teljes vastagság: 65 mm. A platform előtt egy íves rámpát helyeztünk el, hogy csökkentsük a légellenállását, ezáltal növeljük a mérés pontosságát.
64. ábra: A mérőplatform 4.2.2 Erőmérő cella A mérőplatformra ható vízszintes irányú erőt egy PAB-01 típusú, 30 kg méréshatárú erőmérő cellával mértük. A cella egy EMALOG gyártású mérőhíd és digitalizáló egységhez van kötve, amely soros porton keresztül kommunikál a számítógépen futó LabVIEW mérőprogrammal 2 Hz-es adatsebességgel. A programot Balczó Márton készítette. 4.2.3 Prandtl-cső Az áramlás sebességének meghatározására egy Prandtl-csövet használtunk, mely a belépő keresztmetszetben, a függőleges középtengelyben, a szélcsatorna asztal lapja felett kb. 140 cm magasságban helyezkedett el. 4.2.4 A nyomás mérése A dinamikus nyomás mérésére miniatűr, elektronikus, Sensortechnics gyártmányú, HCLA típusú erősített, hőmérséklet-kompenzált, pozícióérzéketlen nyomásszenzort alkalmaztunk, 01250Pa méréshatárral, digitális I2C busz kimenettel, 0.5%-os méréshatárra vonatkoztatott kombinált linearitási és hiszterézis hibával. A szenzort Codemercenaries IOW56 típusú I2C-USB interface-en keresztül kérdezte le kb. 500 Hz frekvenciával a számítógépen futó LabVIEW mérőprogram. A mérőprogram változtatható, 3-4 másodperces mozgóátlagként jelenítette meg a dinamikus nyomást, illetve az abból számított szélsebességet. 46
65. ábra: A többlyukú szonda kalibrátor felépítése és az alkalmazott nyomásszenzorok
4.2.5 Hőmérséklet- és légnyomásmérés Az áramló levegő sűrűségének meghatározásához szükséges a helyi légnyomás és hőmérséklet mérése. Ehhez egy Setra 470 típusú digitális barometrikus nyomástávadó, illetve Gresinger GMH 3710 típusú, szélcsatornába épített PT100 digitális hőmérő volt segítségünkre.
4.3 A mérés menete
Kétféle mérést végeztünk el. A mérések során mindig bent ült egy „pilóta” az autóban. Az egyik mérésnél ugyanazzal a pilótával több konfiguráció (nem csak a szimulációs fejezetben vizsgált konfiguráció) légellenállását mértük le, míg a másik mérésnél több pilóta esetén is vizsgáltuk a légellenállási tényezőt „nyitott” és „zárt” szárnyállás esetén. Az autó megjelenését a hibrid vázszerkezet határozza meg, ami a karbon kompozit monocoqueból és hozzá kapcsolódó acél csővázból áll. Ehhez a vázszerkezethez kapcsolódnak a futómű rudakon keresztül a kerekek. Ezen konfiguráció esetén az autó az 50-es és 60-as évek versenyautóinak jellegzetes megjelenését idézi. Ezért nevezzük ezt a konfigurációt „szivarnak”. Az autó padlólemezén egy kétcsatornás diffúzort alakítottunk ki, amely az autó légellenállását csökkenti és emellett leszorító erő létrehozására is képes. Ezen felül terveztünk még az autóhoz oldaldobozokat is, melyek azon felül, hogy védik az autó oldalán elhelyezkedő egységeket, irányítják az autó körüli áramlásokat, így csökkentve például a hátsó kerék légellenállását. Az
47
autóhoz tesztelés céljából terveztünk első és hátsó szárnyakat is. Ezek a padlólemeztől és az oldaldoboztól függetlenül is elhelyezhetőek az autón. Az első mérés során a következő konfigurációkat mértük le: · · · · ·
„Szivar”: A legalapvetőbb konfiguráció. „Szivar szárnyakkal”: Ekkor felszereltük a szárnyakat. „Oldaldoboz és diffúzor”: Ekkor felszereltük a padlólemezt és a diffúzort. Így szerepelt az autó az idei FS Czech Republic és FS Hungary versenyeken is. „Szivar diffúzorral”: Ekkor csak a padlólemez volt felszerelve az autóra. „Teljes aero csomag”: Ekkor felszereltük az autóra a padlólemezt, az oldaldobozt és a szárnyakat is.
66. ábra: Oldaldobozos és diffúzoros illetve teljes aero csomagos konfiguráció A hátsó szárny két elemből áll. A második mérés során a felső, kisebb elem állásszögét változtattuk. „Zárt” állás esetén az az állásszög -45°-os volt, míg „nyitott” szárnyállás esetén az állásszög 0° volt, az elem vízszintesen állt. Ezt a mérést a „Kutatók éjszakája” programsorozat keretében végeztük el nagyközönség előtt. Azért választottuk ezt a mérést, mert ezzel akartuk demonstrálni, hogy egy ilyen „relatív kis elem” milyen nagymértékben képes befolyásolni a teljes jármű légellenállását.
67. ábra: Zárt illetve nyitott állású hátsó szárny 48
A Formula 1-ből közismert és jelenleg a Formula Student köreiben is egyre nagyobb népszerűségnek örvendő DRS (Drag Reduction System) is ugyanezt a jelenséget használja ki. A gyors kanyarokban az autó sebességének a gumik tapadása szab határt. Ezt pedig úgy tudjuk növelni, ha növeljük a kerekre ható függőleges normálerőt. Erre a legjobb megoldás a nagy leszorító erőt termelő szárnyak használata. Ekkor használják a zárt szárnyállást. Az egyenesekben viszont az autó motorereje jelenti a korlátozó tényezőt. Ha csökkenteni tudjuk a jármű légellenállását, úgy a motor teljesítményének nagyobb része fordítódik a jármű gyorsítására. Ekkor használják a nyitott szárnyállást.
68. ábra: További képek a mérésről
4.3 A mérés kiértékelése
4.3.1 Első mérés Az ellenállás erőt az alábbi módon számoltuk a mért értékekből: ∗
é
1,3 49
= 9,81
;
ö
á = = 1.111
é
é í
∗ (szárnyak nélkül)
ő
é
á
A szélsebességet a dinamikus nyomásból és a levegő sűrűségéből számítjuk: =
2∗
= 1,18
mmért [kg]
FD [N]
Pdin [Pa]
v [m/s]
CD [-]
3,85
25,0155
39,4
8,170064 0,57148
6
46,107
70,5
10,92879 0,58866
8,5
70,632
104,5
13,30563 0,60837
12,3
107,91
153
16,0999
0,63483
17,4
157,941
231
19,7826
0,61542
12,35 6,4
108,401 50,031
154 71
16,15242 0,63357 10,96747 0,63426
2. táblázat: Szivar konfiguráció mérések FD [N]
Pdin [Pa]
V[km/h]
v [m/s]
CD [-]
116 173 122
161 233 161
59 71 60
16,388889 19,722222 16,666667
0,66 0,67 0,68
3. táblázat: Diffúzoros konfiguráció mérések FD [N]
Pdin [Pa]
V[km/h]
v [m/s]
CD [-]
120
164
60
16,666667
0,63
157
229
70
19,444444
0,62
107
154
59
16,388889
0,63
113
163
59
16,388889
0,63
173 143
241 167
73 61
20,277778 16,944444
0,64 0,67
4. táblázat: Oldaldobozos és diffúzoros konfiguráció mérések
50
Konfiguráció
Cd [-] (átlag)
Szivar
0,612
Szivar szárnyakkal
1,293
Oldaldoboz és diffúzor
0,636
Szivar diffúzorral
0,670
Teljes aero csomag
1,155
5. táblázat: A mért ellenállás tényezők átlagai
Ellenállástényező több konfiguráció esetén 1,40 1,30 1,20
Cd[-]
1,10
Szivar
1,00
Szivar szárnyakkal
0,90
Oldaldoboz és diffúzor
0,80
Szivar diffúzorral
0,70
Teljes aero csomag
0,60 0,50 5
10
15
20
25
v[m/s]
69. ábra: A mért ellenállás tényezők A mérési eredményekből látszik, hogy az autó légellenállása csak a szárnyas és a szárny nélküli konfigurációk között tért el nagyobb mértékben. Az első szárny szerepe kettős. A leszorító erő biztosítása mellett kitakarja az áramlásból a forgó elülső kereket is. Ugyanez a kitakarás az egyik legfőbb szerepe az oldaldoboznak is a hátsó kerekeknél. De mivel a mérés során nem szimuláltuk a kerekek forgását ezért valós helyzetben jelentősebb lenne az első szárny és az oldaldoboz hatása a légellenállásra. Nem szimuláltuk továbbá talaj mozgását az autóhoz képest sem. Emiatt a diffúzor jelentősége sem látszik tökéletesen a mérésből.
51
4.3.2 Második mérés Cd [-]
Mérés
Eltérés
sorszáma
zárt
nyitott
1
1,174
0,82
30%
2
1,135
0,835
26%
3
1,045
0,88
16%
4
1,179
0,85
28%
5
1,15
0,85
26%
6
1,15
0,8
30%
átlag
1,139
0,839
26%
6. táblázat: A mért ellenállás tényezők a hátsó szárny szögének állításával
Ellenállástényező kétféle szárnyállás esetén 1,4 1,174
1,2
1,135
1,179
1,15
0,85
0,85
1,15
1,045
1 0,82
0,835
0,88
0,8
Cd[-]
0,8 Zárt
0,6
Nyitott
0,4 0,2 0 0
1
2
3 4 Mérés sorszáma [-]
5
6
7
70. ábra: A mért ellenállás tényezők a hátsó szárny szögének állításával A mérési eredményekből látszik, hogy a hátsó szárny második elemének állásszögét változtatva jelentősen változik az autó légellenállási együtthatója, amely átlagosan 26%-al kisebb nyitott szárnyállás esetén. Az indokolja ezt a nagy változást, hogy az elforgatott szárnyelemnek köszönhetően a leszorító erő csökkent, és így a leszorító erő által indukált ellenállás is, amely a teljes ellenállás tényező jelentős hányadát adja.
52
4.4 A szimulációs és mérési eredmények összehasonlítása
A szimuláció során számított ellenállás tényező értéke 0,51 az oldaldobozzal és diffúzorral szerelt konfiguráció esetén, míg a szélcsatornás mérés során az ellenállás tényező átlagos értékére 0,636-ot mértünk. Ez 19,8%-os eltérést jelent. Az eltérést több hatás összessége adja. Jelentős hibát okoz például a futómű rudak, a mozgó futómű elemek (himbák, rugóstagok, stb.), a féltengelyek, illetve a hűtő és annak felfogatásának teljes elhanyagolása, mivel ezen elemek bonyolult geometriai felépítésüknek köszönhetően jelentős áramlásleválásokat okoznak, így növelve a légellenállás tényező értékét. Még egy jelentős hibaforrás, hogy a szélcsatorna mérőtér keresztmetszetének nagysága körülbelül 20%-kal kisebb volt, mint amekkora egy ilyen méretű modell esetén szükséges, a fal menti áramlások kihatottak a mért modellre. Emellett a mérőeszközök feltételezhető pontatlansága is vihet csekélyebb hibát a mérési eredményekbe, bár itt csak hitelesítés után tudnánk megmondani a hiba trendjét és nagyságát. Az autó körüli áramlásokat azonban viszonylag jól meg tudtuk határozni a CFD szimulációk során, az áramvonalak a szélcsatornás mérés során hasonló képet mutattak a szimulációk során kapott áramvonalakhoz, mint például a pilóta fejtámlája mögötti, és a kerekek mögötti turbulens áramlások, így hasznos információkat nyerhettünk az aerodinamikai csomag újratervezéséhez.
5. KONKLÚZIÓ
A fejezet mottója: „Nincs jó háló...” – Dr. Kristóf Gergely
Amint
azt
a mérés kiértékelésénél már
említettük,
a modellezés során nagyon
leegyszerűsítettük a versenyautó geometriáját, mivel így tudtunk csak megfelelő minőségű hálót generálni, amelyet még számítógépeinken futtatni tudtunk. Azonban így jelentős eltérést kapunk a valóságtól, amely az eredmények összehasonlításakor is jól láthattunk, és ennél pontosabb eredményt jelen körülmények között nem tudnánk elérni.
53
Ezen hiba kiküszöbölésére az elhagyott geometriák hozzáadására lenne szükségünk, ami által viszont annyira megnőne a számítási igény, amelyet csak ipari méretű számítógépekkel tudnak fedezni, lásd például a Forma 1-es áramlástani szimulációkat. A mottónkkal azt szeretnénk prezentálni, hogy a valóságot jelenleg csak nagyon nagy elemszámú hálókkal tudnánk leírni, amelyet lehetetlen elérni jelen körülmények között. Látható továbbá, hogy igaznak bizonyultak az irodalomkutatásunk során tett kijelentések, miszerint a numerikus szimulációkkal nem tudunk pontos eredményt elérni, csak a módosítások trendjét tudjuk meghatározni, a pontos eredmények meghatározásához mindenképp szélcsatornás mérések szükségesek. Ez az elv még a Forma 1-ben is érvényes, az aerodinamikai elemek tervezése és CFD szimulációja után gyors prototípus gyártás következik, végül szélcsatorna teszteléssel és információ visszacsatolással zárul az első iteráció, melyet több ilyen lépés is követhet.
54
IRODALOMJEGYZÉK [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Formula_SAE [2] http://students.sae.org/cds/formulaseries/rules/2014_fsae_rules.pdf [3] Race Car Dynamics – William & Douglas Milliken, 1995. Oldalszámok: 55-96. [4] http://www.robot-italy.com/it/flexiforce-pressure-sensor-25lbs-1-area.html [5] http://ecomodder.com/forum/showthread.php/random-wind-tunnel-smoke-pictures-thread26678.html [6] http://www.autospeed.com/cms/article.html?&A=108674
A forrásként megjelölt honlapok 2013.10.23-án még éltek.
55
