Eindverslag juli, 2015
leiding
Inleiding Als eerst willen wij graag wat mensen bedanken, te beginnen met onze begeleider, Rob Kluivers. We willen je bedanken voor de tijd en moeite die je in ons project hebt gestoken. Daarnaast willen we ook de DAF bedanken, voor het beschikbaar stellen van hun windtunnel. Zonder hen was het onderzoek doen niet mogelijk geweest. Speciaal willen we ook nog Ger Bennenbroek bedanken voor de ontvangst bij DAF en de materialen die hij ons ter beschikking heeft gesteld om ons op weg te helpen. Ten slotte willen we ook onze docent, meneer Roelse, nog bedanken voor de goede begeleiding vanuit school. Wij gaan u in dit verslag vertellen waar we de afgelopen tijd mee bezig zijn geweest. We hebben ons tijdens dit project bezig gehouden met aerodynamica, op het gebied van aerodynamica zijn de laatste jaren veel innovaties gedaan. Men wil bijvoorbeeld, door gebruik te maken van aerodynamische aanpassingen, het brandstofverbruik optimaliseren. Deze verbeteringen hebben vooral veel bij personen-en raceauto’s (denk bijvoorbeeld aan de Stella, gemaakt door het Solar team uit Eindhoven; World’s first solar powered family car) plaatsgevonden. De aerodynamica van andere soorten voertuigen zoals bijvoorbeeld vrachtwagens, kan nog erg verbeterd worden. Maar hoe optimaliseren we dit maximaal? In dit project hebben we daar onder andere onderzoek naar gedaan. Vrachtwagens komen traag op gang en het kost veel brandstof om tot een bepaalde maximale snelheid te komen. Er zijn al enkele innovaties gedaan op aerodynamisch gebied (denk aan bijvoorbeeld de kap op de voorkant van de vrachtwagen), maar er kan nog steeds veel verbeterd worden. Bovendien worden sommige innovaties nog niet doorgevoerd omdat ze nog niet rendabel genoeg zijn. Wij gaan in dit project op zoek naar de best toepasbare aerodynamische vormgeving van de vrachtwagen. Wij testen daarbij een aantal reeds bestaande oplossingen. Bij dit onderzoek en dit verslag hebben we telkens rekening proberen te houden met de vijf kenmerken van een academisch onderzoek, dit zijn: betrouwbaarheid, validiteit, repliceerbaarheid, objectiviteit en ethische verantwoordelijkheid. Rob Kluivers heeft ons tijdens dit project geholpen. Met zijn kennis , hulp, enthousiasme en aangeleverde bronnen hebben wij het project gedraaid. Dit project was een keuzeproject voor het vak O&O. In dit verslag lichten wij onze keuzes toe en laten we onze resultaten zien.
2
Inhoudsopgave Inleiding ............................................................................................................................................................. 2 Inhoudsopgave .................................................................................................................................................. 3 Samenvatting ..................................................................................................................................................... 4 Hoofdstuk 1: De probleemstelling ..................................................................................................................... 5 Wat houdt de opdracht precies in? ............................................................................................................... 5 Wat is de aanleiding van de opdracht? ......................................................................................................... 5 Wie is de opdrachtgever? .............................................................................................................................. 5 Wat is de relevantie van deze opdracht? ...................................................................................................... 5 Hoofdstuk 2: Hoofdvraag en deelvragen........................................................................................................... 6 Hoofdvraag .................................................................................................................................................... 6 Deelvragen..................................................................................................................................................... 6 Hoofdstuk 3: Hypothesen .................................................................................................................................. 7 Hoofdstuk 4: Theoretisch kader ........................................................................................................................ 9 Stromingsleer ................................................................................................................................................ 9 Theorie achter aerodynamica ....................................................................................................................... 9 Theorie windtunnel ..................................................................................................................................... 11 Geteste aerodynamische ontwerpen .......................................................................................................... 11 Effectieve oplossingen worden niet toegepast ........................................................................................... 12 Hoofdstuk 5: Methode van onderzoek............................................................................................................ 13 Vooronderzoek ............................................................................................................................................ 13 Ontwerpen uitwerken en testen bij DAF..................................................................................................... 13 Hoofdstuk 6: Resultaten .................................................................................................................................. 14 Hoofdstuk 7: Conclusies .................................................................................................................................. 16 Deelvragen................................................................................................................................................... 16 Hoofdvraag .................................................................................................................................................. 18 Hoofdstuk 8: Discussie en aanbevelingen ....................................................................................................... 19 Hoe kunnen de resultaten verklaard worden?............................................................................................ 19 Kloppen de hypothesen? ............................................................................................................................. 19 In hoeverre is het gelukt om een goed resultaat te krijgen voor de verschillende deelopdrachten? ........ 20 Zijn er fouten gemaakt tijdens de uitvoering van de opdracht en hoe hadden deze eventuele fouten voorkomen kunnen worden? ...................................................................................................................... 20 Welke aanbeveling wil je de opdrachtgever doen? .................................................................................... 20 Hoofdstuk 9: Literatuur ................................................................................................................................... 21 Kort logboek .................................................................................................................................................... 22 Bijlage .............................................................................................................................................................. 23 3
Samenvatting Dit verslag beschrijft een onderzoek betreffende het aerodynamisch optimaliseren van de vormgeving van vrachtwagens. In dit onderzoek staan de bestaande aanpassingen centraal die door reeds uitgevoerde onderzoeken of praktijkervaring succesvol zijn gebleken. Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van een opdracht voor school waarbij Rob Kluivers als onze opdrachtgever fungeerde. Wegens Rob hebben wij de mogelijkheid gekregen om onze hypothesen daadwerkelijk uit te testen in een daarvoor bestemde windtunnel, dit betrof de windtunnel bij de DAF in Eindhoven. Voor het meten van aerodynamische eigenschappen is kennis van de aerodynamica en meetmethoden essentieel, dit is dan ook de reden dat wij ons hier in hebben verdiept. Uit de metingen bij de windtunnel is gebleken dat een standaardtruck met 1 trailer, side-skirts en een voorkants-aanpassing het efficiëntst is in het kader van aerodynamische optimalisatie bij toevoegingen aan een vrachtwagen. Het ontbreken van deze extra aanpassingen gaf het minst gunstige resultaat als men deze aerodynamisch aspect beschouwd.
4
Hoofdstuk 1: De probleemstelling Wat houdt de opdracht precies in? Verdiep je in de aerodynamica en ga na welke manieren er al worden gebruikt om het brandstofverbruik van vrachtwagens te verminderen. Je zet deze toepassingen op een rijtje, waarna je er minstens twee uitkiest. twee (of meerdere) aanpassingen ga je verwerken in een model. Je stelt hypotheses op waaruit moet blijken welke aanpassing je denkt dat die het beste resultaat geeft, namelijk een zo laag mogelijke weerstand. Deze modellen worden gemaakt van mdf en van styroporschuim. Met deze modellen kun je testen doen in de windtunnel van DAF. Ga met de resultaten en je manier van werken na of hetgeen je gemeten hebt betrouwbaar is en of je conclusies kunt trekken. Ga na of je resultaten overeen komen met de theorie. Stuur je onderzoek naar een expert en laat hem het materiaal en je manier van werken beoordelen.
Wat is de aanleiding van de opdracht? Zoals ook al in de inleiding is vermeld, wordt er veel onderzoek gedaan naar aerodynamica. Zeker in deze tijden, waarin bijvoorbeeld milieubewust rijden steeds belangrijker wordt. Dit project was anders dan normaal, gezien wij zelf met een probleemstelling moesten komen. Na een tijdje hebben we samen met Rob besloten dat we ons tijdens dit project zouden gaan richten op de aerodynamica van vrachtwagens. We hebben onderzoek gedaan naar aerodynamische aanpassingen die ervoor zorgen dat het brandstofverbruik van vrachtwagens wordt verminderd. In de vrachtwagenbranche draait alles om efficiëntie. Vrachtwagens worden veel gebruikt bij transport en als je deze vrachtwagens zo zuinig en goedkoop mogelijk kan laten rijden, scheelt je dat geld en geeft het een goede concurrentiepositie, de kosten worden immers lager. Het is aan ons om uit te zoeken op welke manieren een vrachtwagen aerodynamisch kan worden aangepast.
Wie is de opdrachtgever? Zoals hierboven ook al vermeld is, zijn we tijdens dit project onze eigen opdrachtgever geweest. Hierbij hebben we hulp van Rob Kluivers gekregen. Rob heeft ons tijdens het project begeleid en er bijvoorbeeld voor gezorgd dat we metingen bij DAF konden doen. Rob is nu nog werkzaam bij ACE (Automotive Center of Expertise)*. ACE is het kenniscentrum voor toegepast Automotive onderzoek en onderwijs waarin de Automotive instituten van de Hogeschool Rotterdam, Fontys Hogescholen, de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN) en het bedrijfsleven samenwerken. ACE staat voor synergie op het gebied van kwaliteit van onderwijs, praktijkgericht onderzoek, structurele samenwerking met het bedrijfsleven, integratie van bedrijfsopdrachten in regulier onderwijs, instroombevordering, expertise- en talentbevordering, en talentenscouting. Rob is hier werkzaam als instroom/marketing manager. *Voor meer informatie zie; http://www.automotivehbo.nl/
Wat is de relevantie van deze opdracht? We hadden verschillende doelen deze opdracht. Ons eerste doel was om meer te leren en te begrijpen over aerodynamica in het algemeen, maar ook specifiek voor vrachtwagens. We willen helder hebben welke factoren van invloed zijn op de aerodynamica en waarom dit onderwerp zo belangrijk is. Daarnaast hebben we leren werken met de verschillende onderdelen (zoals bijvoorbeeld de pitotbuis) van de windtunnel bij DAF. We hebben tijdens dit project kennis gemaakt met het onderzoek doen. We hebben gemerkt dat het heel lastig is om zo goed mogelijk metingen te doen die ook nog iets betekenen. Tot slot was dit project ook een handige manier om te kijken of je deze sector interessant vindt of niet om er later misschien wel in te gaan werken.
5
Hoofdstuk 2: Hoofdvraag en deelvragen Hoofdvraag Welke aerodynamische ontwerpen kunnen voor een grote vermindering van het brandstofgebruik van een vrachtwagen zorgen?
Deelvragen We hebben ons een aantal deelvragen gesteld dit project. Dit zijn er niet veel, maar hebben veel tijd ingenomen om ze te beantwoorden; Ze zijn niet gemakkelijk te beantwoorden, daarvoor hebben we veel research gedaan, geschikte bronnen gezocht en analyses gemaakt. Wat is aerodynamica? Door deze vraag te beantwoorden, weten we wat het centrale begrip van dit project betekent. Welke aerodynamische ontwerpen voor vrachtwagens zijn al getest? Door deze deelvraag te beantwoorden, kunnen we zien welke ontwerpen wij het best kunnen testen. Waarom worden de reeds werkende aerodynamische van de vrachtwagen van de vrachtwagen aanpassingen nog niet toegepast in de vrachtwagenbranche? Het antwoord hierop zal ons duidelijk maken waarom goede oplossingen toch niet worden toegepast in de praktijk. Daardoor zullen wij een ontwerp kunnen vinden die wél toegepast zou kunnen worden. Welke factoren zijn van invloed op het brandstofverbruik van een vrachtwagen? Met behulp van deze vraag weten we waar we de meeste aandacht aan moeten besteden tijdens ons onderzoek. Welke factoren zijn kunnen de aerodynamica van de vrachtwagen beïnvloeden? We weten dat de lucht weerstand geeft, maar hoe zouden we dit kunnen beïnvloeden? Door deze vraag te beantwoorden, weten we welke factoren we kunnen aanpassen om te zorgen dat de luchtweerstand vermindert. Hoe doe je metingen in een windtunnel? Pas als we hier het antwoord op vinden, zullen wij in staat zijn zelf metingen te doen in een windtunnel. Hoe zorg je voor betrouwbare meetgegevens? Onderzoek doen is in ons project het hoofddoel. We moeten goed weten hoe we de metingen in de windtunnel willen doen. Als we ons goed voorbereiden, hebben we betrouwbaardere meetgegevens. Hoe doe je onderzoek? Bij deze vraag gaan we opzoek naar de beste manier van onderzoek doen. Hoe doen wetenschappers onderzoek? Welke stappen doorlopen ze daarbij? Door deze vraag te beantwoorden, kunnen we werken als een onderzoeker en daardoor onze opdracht beter uitvoeren.
6
Hoofdstuk 3: Hypothesen Voor ons onderzoek zullen we de volgende ontwerpen testen: Omschrijving S1 S2 S11 S12 S13 S21 S22 S23 S24 S112 S113
S123 S1123 S212
S213
S214
S223 S224 S234
S21234
Betekenis Standaardtruck met 1 trailer Standaardtruck met 2 trailers Standaardtruck met 1 trailer en de achterkantaanpassing Standaardtruck met 1 trailer en side-skirts Standaardtruck met 1 trailer en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers en de achterkant aanpassing Standaardtruck met 2 trailers en side-skirts Standaardtruck met 2 trailers en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 1 trailer, achterkantaanpassing en side-skirts. Standaardtruck met 1 trailer, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 1 trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 1 trailer, side-skirts, de voorkantaanpassing en de achterkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, de voorkantaanpassing en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers, side-skirts en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, side-skirts en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers, de voorkantaanpassing en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers en alle aanpassingen.
We verwachten dat de standaardtruck met 1 trailer (S1) voor de meeste luchtweerstand zal zorgen en dus het minst zuinig is. Dit standaardmodel heeft meerdere gaten: tussen de oplegger en de trekker en onder de oplegger tussen de wielen. Deze gaten tussen de wielen zullen waarschijnlijk voor veel onderdruk zorgen en de luchtweerstand verhogen. Er zal ook sprake zijn van een minder vloeiende luchtstroom door bijvoorbeeld het hoogteverschil tussen de oplegger en de truck, dit zorgt ook voor meer luchtweerstand.
7
Het beste ontwerp zal aerodynamisch gezien volgens ons de truck met twee trailers en alle opzetstukken (S21234). Omdat hier alle opzetstukken opzitten zullen er weinig gaten zijn, en dus veel minder onderdruk. Ook zal de luchtstroom veel vloeiender lopen door de boat-tail en dakwindgeleider. We verwachten dat de dakwindgeleider de beste aanpassing zal zijn. Deze aanpassing wordt namelijk op bijna alle vrachtwagens toegepast en zal dus voor de meeste brandstofvermindering zorgen.
8
Hoofdstuk 4: Theoretisch kader We hebben bijna het hele project gewerkt met theorie. Meestal hebben we hiermee ook onze deelopdrachten gemaakt. We zullen in dit hoofdstuk dus niet de diepgaande theorie beschrijven, gezien dit later in dit verslag wordt gebruikt.
Stromingsleer Stromingsleer is de wetenschap die de beweging van vloeistoffen en gassen beschrijft. Het kan worden opgesplitst in aerodynamica (de studie van bewegende gassen) en hydrodynamica (de studie van bewegende vloeistof). Stromingsleer heeft vele toepassingen, zoals het berekenen van krachten op vliegtuigen, bepalen hoeveel olie er door een pijpleiding stroomt of het voorspellen van het weer. Ook het verkeer kan soms als vloeistof gemodelleerd worden. Stromingsleer levert de wiskundige structuur achter deze toepassingen. Daarbij draait het er om eigenschappen van de vloeistof, zoals snelheid, dichtheid en temperatuur, te beschrijven als functie van de tijd en plaats. Ook andere "stromen" worden bestudeerd, zoals verkeersstromen (zie verkeersstroomtheorie), waaronder ook loopstromen (zie ook crowd control en crowd management). Vergelijkingen in de stromingsleer De basis van de stromingsleer wordt gevormd door behoudswetten, specifiek het behoud van massa, behoud van impuls en behoud van energie. Deze behoudswetten zijn gebaseerd op de klassieke mechanica. Daarnaast wordt ook aangenomen dat de vloeistof zich als een continuüm gedraagt. Vloeistoffen bestaan uit moleculen die met elkaar en andere objecten kunnen botsen. We gaan er echter van uit dat de vloeistof continu is. Daardoor zijn eigenschappen als dichtheid, druk, temperatuur en snelheid goed gedefinieerd op oneindig kleine punten, en nemen we aan dat deze eigenschappen zich als een continue functie gedragen. Dat de vloeistof eigenlijk uit moleculen bestaat, wordt dus genegeerd. Voor vloeistoffen waarvoor bovenstaande aannames gelden en waarvan de snelheden klein zijn ten opzichte van de geluidssnelheid, geldt de Navier-Stokes-vergelijking. Dit is een niet-lineaire partiële differentiaalvergelijking, gebaseerd op de wet van behoud van impuls. Een algemeen geldige analytische oplossing is er (nog) niet, maar er is een prijs voor uitgeloofd door het Clay Mathematics Institute. In theorie zou men door de vergelijkingen van Navier-Stokes numeriek op te lossen met zeer krachtige computers het weer op een willekeurig tijdstip in de toekomst kunnen voorspellen, indien de toestand van de dampkring op een bepaald ogenblik bekend is. In de praktijk is dat echter nooit het geval en zullen de miniemste meetfouten en onvolledigheden tot grote afwijkingen in de voorspelling leiden (zie de chaostheorie). Voor praktisch gebruik past men vereenvoudigingen toe, die uiteraard ook geen exacte weersvoorspellingen geven, maar wel aanzienlijke besparingen op de hoeveelheid rekenwerk opleveren en voor een aantal technische toepassingen volkomen verantwoord zijn. Zo is de wet van Bernoulli een vereenvoudiging voor laminaire stroming. De Destromingsvergelijkingen van Euler zijn vereenvoudigingen, waarbij men de samendrukbaarheid en de viscositeit verwaarloost. Er zijn ook vereenvoudigde formules die het drukverlies in een bocht of na een vernauwing aangeven zonder de formules van Navier-Stokes te hoeven gebruiken. Naast de behoudsvergelijkingen voor massa, impuls en energie is er, als er temperatuurverschillen in de stroming voorkomen, ook een thermodynamische toestandsvergelijkingnodig die de druk geeft als functie van andere thermodynamische variabelen.
Theorie achter aerodynamica Bij de eerste deelopdrachten hebben we de volgende werken doorgenomen en geanalyseerd. De analyse leest u in een later hoofdstuk. De volgende werken hebben wij geanalyseerd; - Commercial Vehicle Aerodynamic Drag Reduction: Historical Perspective as a Guide door Kevin R. Cooper - Reducing Aerodynamic Drag and Fuel Consumption door Fred Browand + review - Technical Report: Review of Aerodynamic Drag Reduction Devices for Heavy Trucks and Buses door Jeff Patten, Brian McAuliffe, William Mayda en Bernard Tanguay. - A Guide to Vehicle Aerodynamics door SEI (Sustainable Energy Ireland). - Experimental Aerodynamics, Lecture 7: Wind Tunnel Tests on Road Vehicles door G. Dimitriadis. 9
-
Race Car Aerodynamics door Gregor Seljak Theoretical Aerodynamics door L.M. Milne-Thomson Basics of vehicle aerodynamics by Prof. Tamás Lajos
Om erachter te komen welke factoren van belang zijn bij de aerodynamica, hebben we onderzocht welke factoren er een rol hebben bij het laten rijden van een vrachtwagen. Het brandstofverbruik van een vrachtwagen wordt door de volgende vier factoren bepaald: - de luchtweerstand (=de weerstand die de vrachtwagen ondervindt bij het doorklieven (verplaatsen) van de lucht.), - de rolweerstand, - de stijgingsweerstand op hellingen, - de wrijvings- en warmteverliezen in motor en de aandrijving. De luchtweerstand is een van de belangrijkste weerstanden, zeker bij hogere snelheden. De luchtweerstand oefent druk uit op het voertuig in tegengestelde richting aan de rijrichting. Deze druk op het frontale oppervalk wordt omgezet in een kracht die probeert de vrachtwagen tegen te houden. Deze kracht die voortkomt uit de luchtweerstand moet tijdens het rijden worden overwonnen. Als we het brandstofverbruik willen verminderen zullen we ook het effect van de luchtweerstand moeten verminderen Door het oppervlak van de doorsnede van het voertuig te verkleinen en door de vorm te verbeteren kan de lucht met minder weerstand langs de truck stromen. Bepalende factoren luchtweerstand: - dichtheid van de lucht waarin de vrachtwagen zich voortbeweegt, - snelheid van de vrachtwagen, - de oppervlakte van het front van de vrachtwagen, - de vorm van de vrachtwagen. Vermindering van het frontaal oppervlak leidt bijna altijd tot verkleining van het laadvolume.
Deze theorie is samen te vatten in een formule die de basis van de aerodynamica weergeeft:
Wat hierbij opvalt is dat de dichtheid van de lucht, de snelheid en het frontale oppervlakte constant zijn. Het enige dat hierbij dus kan veranderen door vormgeving zonder het frontale oppervlakte aan te tasten, is het veranderen van de coëfficiënt. Hieronder staan de coëfficiënten van een aantal voorwerpen:
10
Theorie windtunnel In de windtunnel bootst men de rijwind na met een krachtige ventilator. Omdat de vrachtauto groot is werkt men in de windtunnel meestal met schaalmodellen (1:16). Deze modellen staan op een beweegbaar plateau (groen) die verbonden is met een weegschaal die de druktoename door de rijwind nauwkeurig kan meten. Door nu de vorm van het schaalmodel te veranderen kan men het effect meten door vast te stellen of de druk op het frontaal oppervlak toe- of afneemt. Met behulp van rooktoortsen kan men de luchtstroom zichtbaar maken om vormen van luchtwervelingen (turbulentie) vast te stellen. Windtunnels zijn zeer kostbaar en men is al ver gevorderd om de luchtstroom en de weerstand met computermodellen zichtbaar te maken en te meten.
Geteste aerodynamische ontwerpen Vrachtwagen met twee trailers Een vrachtwagen met twee trailers heeft minder last van luchtweerstand dan twee aparte vrachtwagens. Een vrachtwagen met twee trailers heeft 20% minder CO2-uitstoot dan een normale truck.
-
Boat tail Een boat tail is een aerodynamische uitbouw van een vrachtwagen. Deze kan verschillende maten hebben. Er zijn al volop tests gedaan met dit ontwerp. Afhankelijk van de lengte van de boat tail zorgt het voor een vermindering van het brandstoverbruik. Een boat tail van ongeveer 2 meter lang is optimaal en zorgt voor een brandstofvermindering van 7,5%.
-
Zijpanelen De grote open ruimte tussen de voor- en achteras bij een vrachtwagen veroorzaakt veel onderdruk. Door deze ruimte op te vullen met zijpanelen voorkom je dit probleem. Je bespaart hier ongeveer 0,7% brandstof mee. Deze toepassing heeft niet alleen voordelen op aerodynamisch gebied, maar ook op het gebied van veiligheid. De zijpanelen zorgen voor minder opspattend water en voorkomen dat fietsers en voetgangers onder de vrachtwagen komen.
-
Dakwindgeleider Er is veel winst te behalen op aerodynamisch gebied door een dakwindgeleider op het dak van de 11
cabine te monteren. Deze zorgen voor een vloeiende overgang tussen de cabine en oplegger. Er moet wel genoeg ruimte zijn hiertussen, om daadwerkelijk effect te hebben. Dakwindgeleiders zijn meestal verstelbaar, dit is belangrijk, omdat de geleider niet te hoog moet zitten. Dit zal juist voor nóg meer luchtweerstandzorgen. Een goed afgestelde dakwindgeleider kan een brandstofbesparing van 4,4% opleveren bij een vrachtwagen. -
Zij-fenders Je ziet vaak dat er gapend gat zit tussen de cabine en de oplegger zit, zodat de vrachtwagen kan draaien. Dit gat zorgt voor veel drukweerstand. Om deze weerstand te verkleinen kunnen zij-fenders gemonteerd worden. Deze zorgen voor een vloeiende stroom van lucht langs het gat en dus niet tussen de cabine en de oplegger door gaat. *bronnen: http://www.part20.eu/nl/toepassingen/cabine/ http://www.truckvandetoekomst.nl/thema/luchtweerstand/ http://www.part20.eu/nl/achtergrond/aerodynamica/ http://www.groen7.nl/verbeterde-aerodynamica-op-trucks-verlaagt-brandstofverbruik/ http://gemiddelden.nl/verbruik/gemiddeld-verbruik-van-een-vrachtauto/ DOT/SAE Truck and Bus Fuel Economy Measurement Study Report P59A. Report No. DOT/TSC – 1007, October, 1976.
Effectieve oplossingen worden niet toegepast Er is al veel onderzoek gedaan naar de mogelijke aerodynamische verbeteringen aan vrachtwagens. Ondertussen zijn er maar een paar van deze aanpassingen in gebruik genomen door de vrachtwagenindustrie. Een voorbeeld hiervan is de dakwindgeleider, die vandaag de dag op alle vrachtwagens geïnstalleerd wordt. Er zijn een aantal redenen voor het kleine aantal aanpassingen dat tot nu toe is uitgevoerd, terwijl er veel meer gevonden zijn. Ten eerste zijn een groot aantal aerodynamische maatregelen nog niet toegestaan door de huidige Europese richtlijn van maten en gewichten. Dit maakt ‘boat tail’ en ‘tear drop’ ontwerpen niet toepasbaar in de praktijk. Daarnaast zijn de geteste ontwerpen niet altijd economisch uitvoerbaar. Het aerodynamisch maken van vrachtwagens is vooral een investering die pas op lange termijn rendabel is. Investeerders kijken vooral naar oplossingen waar snel veel geld mee te verdienen valt. Een investering in een ontwerp dat aerodynamisch rijden mogelijk maakt zal dus niet meteen alle aandacht krijgen als het niet genoeg winst genereert op korte termijn. Ook heb je te maken met oplossingen die schijnen te werken in windtunnels, maar toch niet goed uitpakken in de praktijk. Dit komt doordat hier veel meer factoren een rol spelen die nog niet voorzien waren in een windtunnel.
12
Hoofdstuk 5: Methode van onderzoek Vooronderzoek De eerste paar deelopdrachten hebben we gemaakt aan de hand van bronnen. We hebben zoveel mogelijk bronnen geraadpleegd om een betrouwbaar beeld te krijgen van de huidige situatie in de aerodynamica – en vrachtwagenbranche. Hierbij hebben we ook Engelstalige bronnen gebruikt om zoveel mogelijk kennis op te doen. Om de theorie goed toe te passen, hebben we deze geanalyseerd en de hoofdpunten samengevat. Zo kregen we een korte samenvatting van de toch tamelijk lange bronnen. Deze kunt u teruglezen in de bijlage.
Ontwerpen uitwerken en testen bij DAF Ons onderzoek hebben we uitgevoerd met behulp van een model van een vrachtwagen, waarvoor we aanpassingen hebben gemaakt, die er apart aan vastgemaakt konden worden. Ons model hebben we gemaakt van MDF (Medium-Density Fibreboard). We hebben onze modellen getekend in solid edge en sketch-up en vervolgens hebben we de onderdelen uitgesneden met een lasersnijder. De onderdelen hebben we samengevoegd door ze aan elkaar vast te nieten en versterkt met houtlijm. De opzetstukken zijn van styroporschuim gemaakt, omdat dit materiaal het best te bewerken was en de gewenste vormen met dit materiaal dus het best te maken waren. Ons model hebben we in de windtunnel van het DAF museum mogen testen, hierbij hebben we alle mogelijke combinaties uitgeprobeerd. De vrachtwagen zat met met een paar touwtjes vast, zodat deze niet zou verschuiven tijdens de metingen. Bij elke meting zat de windsnelheid rond de 60 km/h. De aanpassingen hebben we met tape vastgemaakt aan ons model, omdat ze er op deze manier weer makkelijk vanaf gehaald konden worden. De druktoename werd door de weegschaal gemeten en weergeven in kilogram, deze was vastgemaakt aan het plateau onder de vrachtwagen. Als de luchtweerstand groot was, was deze waarde groot, was de luchtweerstand klein, dan was deze waarde ook klein. Onderstaand een foto-impressie van ons proces
13
Hoofdstuk 6: Resultaten Omschrijving S1 S2 S11 S12 S13 S21 S22 S23 S24 S112 S113
S123 S212
S213
S214
S223 S224 S234
S21234
Betekenis Standaardtruck met 1 trailer Standaardtruck met 2 trailers Standaardtruck met 1 trailer en de achterkantaanpassing Standaardtruck met 1 trailer en side-skirts Standaardtruck met 1 trailer en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers en de achterkant aanpassing Standaardtruck met 2 trailers en side-skirts Standaardtruck met 2 trailers en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 1 trailer, achterkantaanpassing en side-skirts. Standaardtruck met 1 trailer, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 1 trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing Standaardtruck met 2 trailers, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, de achterkantaanpassing en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, de voorkantaanpassing en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers, side-skirts en de voorkantaanpassing. Standaardtruck met 2 trailers, side-skirts en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers, de voorkantaanpassing en de aanpassing in het midden. Standaardtruck met 2 trailers en alle aanpassingen.
14
Standaardtruck met 1 trailer S1 S11 S12 S13 S112 S113 S123 S1123
Gemeten gewicht in kg 0,54 0,50 0,48 0,40 0,48 0,40 0,36 0,40
Windsnelheid in km/u 60,0 59,9 59,3 58,8 60,4 59,7 60,3 60,2
Correctie
Standaardtruck met 2 trailers S2 S21 S22 S23 S24 S212 S213 S214 S223 S224 S234 S21234
Gemeten gewicht in kg 0,54 0,54 0,52 0,46 0,50 0,52 0,40 0,50 0,54 0,32 0,40 0,40
Windsnelheid in km/u 59,7 60,3 58,9 60,3 59,7 58,9 59,0 59,3 60,2 60,3 59,8 59,8
Correctie
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00
Uiteindelijke waarde in kg 0,54 0,50 0,48 0,40 0,48 0,40 0,36 0,40
Uiteindelijke waarde in kg 0,54 0,54 0,52 0,46 0,50 0,52 0,40 0,50 0,54 0,38 0,40 0,40
15
Hoofdstuk 7: Conclusies Deelvragen Wat is aerodynamica? Aerodynamica is de wetenschap die de beweging van gassen beschrijft. Het maakt deel uit van het vakgebied stromingsleer. Het beschrijven van het stromingsgedrag van een gas kan betrekking hebben op stroming in een vrije ruimte of om een lichaam zoals een vleugel van een vliegtuig. Welke aerodynamische ontwerpen zijn veelal getest en toegepast? Boat-tail
Zijpanelen
Dakwindgeleider
Zij-fenders
Afvlakken van achterkant vrachtwagen
16
Waarom worden de reeds werkende aerodynamische van de vrachtwagen van de vrachtwagen aanpassingen nog niet toegepast in de vrachtwagenbranche? Ze worden niet goedgekeurd wegens de wet van de huidige Europese richtlijn van maten gewichten. De aanpassingen zijn grote investeringen en daardoor niet altijd economisch uitvoerbaar. Deze investering verdien je terug op de lange termijn, maar wie zegt dat je over 25 jaar nog in die vrachtwagen rijdt? Men is vaak meer gericht op de korte termijn. Sommige oplossingen werken goed in de theorie maar niet in de praktijk. Na het vele testen in windtunnels wordt het model uitgewerkt in het groot. Vaak blijkt dat er veel meer factoren belangrijk zijn en daardoor is het vaak niet haalbaar. Welke factoren zijn van invloed op het brandstofverbruik van een vrachtwagen? - de rolweerstand, - snelheid, - de luchtweerstand, - de stijgingsweerstand op hellingen, - de wrijvings- en warmteverliezen in motor en de aandrijving.
Welke factoren kunnen de aerodynamica van de vrachtwagen beïnvloeden? - dichtheid van de lucht waarin de vrachtwagen zich voortbeweegt, - snelheid van de vrachtwagen, - de oppervlakte van het front van de vrachtwagen, - de vorm van de vrachtwagen. Hoe doe je metingen in een windtunnel? 1. Doe de kast open. 2. Zet je model op de in de tekening groen gekleurde plaat en maak het vast aan de haakjes met twee touwtjes. 3. Zorg dat het model recht op de plaat staat en schuif de kast dicht. 4. Zet de windsnelheidsmeter en de weegschaal aan. 5. Zet de weegschaal op 0,00 kg en stel de windsnelheidsmeter op km/u in. 6. Vervolgens kun je de windtunnel aanzetten en noteer je de windsnelheid en de waarde die de weegschaal aangeeft. Draai vervolgens de knop rustig terug zodat de windsnelheid afneemt. 7. Voor een volgende meting moet je zorgen dat je de weegschaal weer op 0,00 kg instelt, je kunt stap 1 t/m 6 herhalen. 8. Na het meten haal je de modellen uit de kast en sluit je alles weer af. Hoe zorg je voor betrouwbare meetgegevens? Door de validiteit van een onderzoek in te controleren, controleer je de echtheid en het waarheidsgehalte. Je wilt er zeker van zijn dat je meet wat je wilt weten en dat er geen systematische fouten zijn gemaakt bij het onderzoek. Een voorbeeld van een systematische fout is een sociaal wenselijk antwoord. Respondenten kunnen expres een antwoord geven dat onwaar maar wel sociaal wenselijk is bij bijvoorbeeld een gevoelig onderwerp. Als dit gebeurt krijg je een systematische vertekening van je onderzoek. Je moet bekijken in hoeverre het onderzoek vrij is van systematische fouten. Maar voordat je dit kunt doen is het een voorwaarde dat je onderzoek betrouwbaar is. Een betrouwbaar onderzoek is vrij van toevallige fouten. Zodra je hebt aangetoond dat je onderzoek betrouwbaar is ga je de validiteit van je onderzoek onderzoeken. 17
De resultaten van een onderzoek zijn intern valide, als de resultaten die je meet ook daadwerkelijk het gevolg zijn van jouw opzettelijke verandering (manipulatie). Alleen dan kun je de juiste conclusies trekken. Interne validiteit is vaak van toepassing op experimenten waarin oorzaak-gevolg relaties worden onderzocht. Als de resultaten gegeneraliseerd kunnen worden, zijn ze extern valide. Generaliseren betekent dat je mag zeggen dat de resultaten van jouw onderzoek die je gevonden hebt in een experimentele omgeving, ook gelden in een reële omgeving. Externe validiteit is vooral van toepassing bij kwantitatief onderzoek. Begripsvaliditeit, ook wel constructvaliditeit genoemd, gaat over hoe je in je onderzoek een bepaald begrip meet. Soms kun je een begrip eenvoudig meten met een algemeen bekend meetinstrument. Inhoud meet je bijvoorbeeld in liters, gewicht in kilogrammen en lengte in centimeters. Daarnaast heb je maar één vraag nodig om deze dingen te meten, bijvoorbeeld: “Wat is het gewicht?” Hoe doe je onderzoek? Een onderzoek zoals wij hebben gedaan, doe je aan de hand van het volgende stappenplan; 1. Verdiepen in theorie; 2. Beschrijven van huidige situatie; 3. Formuleren van onderzoeksvragen; 4. Formuleren van hypothesen; 5. Verdiepen in testopstelling en meetmethode; 6. Maken van testmodellen; 7. Uitvoeren van onderzoek; 8. Conclusies trekken en testen of hypothese juist was; 9. Afronden van project.
Hoofdvraag Welke aerodynamische ontwerpen kunnen voor een grote vermindering van het brandstofgebruik van een vrachtwagen zorgen? Een grote vermindering van het brandstofgebruik van een vrachtwagen is te bereiken door het toevoegen van verschillende aanpassingen waaronder: achterkantaanpassing, side-skirts een tussenstuk en een windgeleider. Waarbij de windgeleider het meest effectief is en de achterkantaanpassing het minst. (voor verdere info, zie tabellen)
18
Hoofdstuk 8: Discussie en aanbevelingen Hoe kunnen de resultaten verklaard worden? Standaard truck met 1 trailer: De aerodynamisch beste oplossing is volgens onze meetresultaten bij dit onderdeel de standaardtruck met 1 trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing. Het valt op dat de achterkantaanpassing niet erg effectief lijkt te zijn, dit kan komen door het feit dat van al onze aanpassingen, de achterkant het minst symmetrisch en goed uitgevoerd was. Ook zie je zelden vrachtwagens over straat rijden met een achterkantaanpassing wat doet vermoeden dat deze aanpassing inderdaad aerodynamisch minder rendabel is. Bij dezelfde aanpassingen bij de 1 of 2 trailers, is die van de 2 trailers steeds iets hoger, dit gaat tegen de theorie in die stelt dat een langwerpig voorwerp een lagere drag-coefficient heeft dan een meer vierkant voorwerp. Dit kan misschien verklaard worden door de wrijvingsweerstand van de lucht met de oppervlakte van de vrachtwagen of het niet helemaal goed aansluiten van het middenstuk maar vanaf dit punt zal verder onderzoek nodig zijn. Verder is de laagste meting waarschijnlijk een meetfout omdat de twee aanpassingen afzonderlijk ook niet de sterkste twee zouden zijn. Wat mooi met de verwachtingen overeenkomt is dat de trailers zonder aanpassingen de hoogste waardes hebben, en dat het optimaliseren van de stroomlijning dus wel degelijk de aerodynamische drag positief beïnvloed.
Kloppen de hypothesen? We hadden verwacht dat de standaardtruck met 1 trailer (S1) voor de meeste luchtweerstand zou zorgen en dus het minst zuinig zou zijn. Als je deze vergelijkt met de standaardtruck met twee trailers (S2) dan blijkt daar dezelfde waarde uit te komen (0,54 kg). Deze hypothese is dus niet helemaal waar. De S1 heeft de hoogste weerstand, maar niet als enige; ook S2 heeft diezelfde waarde. Het beste ontwerp zal aerodynamisch gezien volgens ons de truck met twee trailers en alle opzetstukken (S21234) zijn. Dit betekent dat bij de meting van het ontwerp S21234 er de laagste weerstand uit zou moeten komen. Dit blijkt helemaal niet waar te zijn. De laagste meting is namelijk S123 en heeft een waarde van 0,36 kg. We verwachten dat de dakwindgeleider de beste aanpassing zou zijn. Deze aanpassing wordt namelijk op bijna alle vrachtwagens toegepast en zal dus voor de meeste brandstofvermindering zorgen. Uit onze resultaten blijkt dat deze aanpassing inderdaad de beste aanpassing is. S1 heeft een waarde van 0,54 kg en S13 heeft een waarde van 0,40. Dit is een mindering van 0,14 kg wat gelijk staat aan een afname van 25,92%. Ten opzichte van de andere aanpassingen is de dakwindgeleider als individuele aanpassing het beste. Naam meting S1 S12 S13
Gemeten waarde 0,54 kg 0,48 kg 0,40 kg
afname t.o.v. standaardmodel n.v.t. 0,06 kg 0,14 kg
S2 S21 S22 S23 S24
0,54 kg 0,54 kg 0,52 kg 0,46 kg 0,50 kg
n.v.t. 0,00 kg 0,02 kg 0,08 kg 0,04 kg
19
In hoeverre is het gelukt om een goed resultaat te krijgen voor de verschillende deelopdrachten? Onze eerste paar deelopdrachten waren puur theoretisch. Deze waren eigenlijk de grondslag voor de rest van het project. We hebben veel informatie gevonden en we denken dat we daarom de deelopdrachten ook wel goed hebben gedaan. Het meten in de windtunnel is natuurlijk lastiger, omdat dit heel nauwkeurig moet gebeuren. De metingen hadden we vaker moeten uitvoeren om een betrouwbaarder resultaat te krijgen. Dit zal in een vervolgproject waarbij onderzoek een belangrijke rol speelt, een aandachtspunt zijn. We zien in dat als men vaker meet, je conclusie mag trekken. Door de metingen maar één keer uit te voeren, kan het zijn dat er waarden worden gemeten die theoretisch gezien helemaal niet kunnen. Daarnaast moet het model, om goede meetresultaten te krijgen, eigenlijk ook perfect zijn afgewerkt. Helaas beschikten wij niet over de ideale middelen om de opzetstukken er perfect uit te laten zien. Het standaardmodel (van hout) is daarentegen wel beter gelukt. Door deze met de lasercutter uit te snijden, is het resultaat beter en nauwkeuriger dan dat je dit met de hand moet uitzagen. De opzetstukken waren wat moeilijker te maken en waarschijnlijk geeft dit mindere resultaten dan wanneer deze onderdelen perfect waren afgewerkt. Deze aandachtspunten zullen wij in volgende projecten verwerken. Welke vragen blijven open staan of tot welke nieuwe vragen/problemen leidt de opdracht? De vraag blijft natuurlijk wat de beste aerodynamische vormgeving van een vrachtwagen is. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan om deze te vinden.
Zijn er fouten gemaakt tijdens de uitvoering van de opdracht en hoe hadden deze eventuele fouten voorkomen kunnen worden? Het probleem met de metingen in de windtunnel is eigenlijk dat het moeilijk is om deze foutloos te doen. Er zijn verschillende dingen waar we op moeten letten: - Om een goed beeld te krijgen zou je de metingen steeds moeten herhalen om abnormale waarden uit te sluiten, zo krijg je een betrouwbaardere uitslag; - De weegschaal moet steeds opnieuw op nul worden gezet, staat er een andere waarde, dan moet dit getal verrekend worden in het eindantwoord; - Alle opzetstukken moeten goed worden vastgemaakt, ook moeten ze steeds op dezelfde plek zitten omdat als hij iets verschuift, er al hele andere waarden uit kunnen komen; - Het model moet goed vast worden gemaakt met touwtjes aan de plaat, hij mag niet losschieten; - Het model moet recht en niet scheef op de plaat staan; - De glazen deur moet gesloten zijn tijdens het meten; - De windsnelheden moeten tijdens het meten ongeveer gelijk zijn.
Welke aanbeveling wil je de opdrachtgever doen? Aangezien onze opdracht geen probleemstelling van de opdrachtgever is maar van ons, kunnen we geen echte aanbeveling doen. We hebben tijdens dit project eigenlijk gekeken of de theorie rondom de reeds bekende aerodynamische verbeteringen overeenkomt met de resultaten van de metingen van onze modellen. Uit onze resultaten kwam dat meting nummer S123 (standaardtruck met 1 trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing) de laagste waarde had (0,36 kg). Uit onze gegevens blijkt dat als je een vrachtwagen met één trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing rijdt, hij het meeste voordeel heeft t.o.v. dezelfde vrachtwagen zonder side-skirts en de voorkantaanpassing (S1; 0,54 kg). Als onze opdrachtgever dus zou kunnen kiezen uit een vrachtwagen met één of twee trailers met de gegeven verschillende aanpassingen, dan zou hij een vrachtwagen moeten maken met één trailer, side-skirts en de voorkantaanpassing.
20
Hoofdstuk 9: Literatuur Bennenbroek, G. (sd). Contactpersoon DAF - mogelijikheid testen windtunnel en aanleveren verscheidende documenten. (sd). Commercial Vehicle Aerodynamic Drag Reduction: Historical Perspective as a Guide. In K. R. Cooper. Dimitriadis, G. (sd). Experimental Aerodynamics, Lecture 7: Wind Tunnel Tests on Road Vehicles . http://www.daf.nl/nl-nl. (sd). Opgehaald van DAF. http://www.kennisplatform.nl/Files/Kennisberichten/2014-002%202010001%20herzien%20Kennisbericht%20Wetenschappelijke%20onderzoeksmethoden.pdf. (sd). Opgehaald van Kennisplatform. http://www.part20.eu/nl/achtergrond/aerodynamica/. (sd). Opgehaald van Part20. https://mondial.magister.net/#/inloggen. (sd). Opgehaald van Mondial College. https://nl.wikipedia.org/wiki/DAF_(fabrikant). (sd). Opgehaald van Wikipedia - DAF. https://nl.wikipedia.org/wiki/Stromingsleer . (sd). Opgehaald van Wikipedia - stromingsleer. https://www.google.nl/search?q=aerodynamica&rlz=1C1CHMO_enGBNL558NL558&es_sm=93&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=rCuYVaP8DoLY7AbE_5PgAg&ved=0 CAcQ_AUoAQ&biw=1360&bih=667. (sd). Opgehaald van Google Afbeeldingen - Aerodynamica. https://www.google.nl/search?q=daf+trucks&rlz=1C1CHMO_enGBNL558NL558&es_sm=93&biw=1360&bih=667&tbm=isch&source=lnms&sa=X&ei=YCYVdPsPIGv7AaZtJmoAw&sqi=2&pjf=1&ved=0CAYQ_AUoAQ. (sd). Opgehaald van Daf trucks. https://www.google.nl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CB8QtwIw AA&url=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DE9ZSAX56m0E&ei=FiYVb7OMcmr7AbanIW4AQ&usg=AFQjCNF_jaBKzmYahXNZHgPJ_7KV1Je_DQ. (sd). Opgehaald van Youtube - aerodynamics. https://www.google.nl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CB8QtwIw AA&url=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3Digd8iUkXQgg&ei=Py-YVZzMAKv7Abii4SAAw&usg=AFQjCNF3Eec0Ka5eqNRzjNHGj8Z0G2V5_Q. (sd). Opgehaald van Youtube lorry aerodynamics. https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/what-is-aerodynamics-k4.html#.VZgu-Pntmko. (sd). Opgehaald van NASA - vliegtuig. https://www.tc.gc.ca/eng/programs/environment-etv-menu-eng-2939.html. (sd). Opgehaald van Transport Canada. Ireland), S. (. (sd). A Guide to Vehicle Aerodynamics. Jeff Patten, B. M. (sd). Technical Report: Review of Aerodynamic Drag Reduction Devices for Heavy Trucks and Buses. Kluivers, R. (sd). Opdrachtgever - aanleveren van bronnen, zoals een profielwerkstuk. 21
Lajos, P. T. (sd). Basics of vehicle aerodynamics . Milne-Thomson, L. (sd). Theoretical Aerodynamics. (sd). Reducing Aerodynamic Drag and Fuel Consumption. In F. Browand. (sd). Reducing Aerodynamic Drag and Fuel Consumption Review. In unkown. Seljak, G. (sd). Race Car Aerodynamics.
Kort logboek Wie: Daniek, Koen & Aref
Wat: Het verdiepen in de algemene theorie van de aerodynamica en het samenvatten en produceren van korte naslagwerken over dit onderwerp.
Koen & Aref
Het beschrijven van bestaande ideeën/onderzoeken over aerodynamische aanpassingen aan vrachtauto’s. Het formuleren van onderzoeksvragen. Het formuleren van hypothesen. Het verdiepen in de testopstelling en meetmethode. Het maken van een model. Het maken van het eindverslag. Het maken van de eindpresentatie.
Daniek Daniek Daniek, Koen & Aref Daniek, Koen & Aref Aref & Daniek Koen
22
Bijlage Onze bijlagen hebben we i.v.m. de grootte van het bestand met u via Google Drive gedeeld.
23
