MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

Aerodinamik Özellikler

ve

Direnç Katsayısının

Ölçülmesi

Abdullah DEMİR, Yrd. Doç. Dr.

Rüzgar Tüneli

Rüzgar tüneli testleri küçük ölçekli modeller ile başlamıştır. Küçük ölçekli modeller ile test işlemi tam ölçekli modellere göre daha ucuz ve basit olması bakımından avantajlıdır. Ancak ölçekli modeller ile elde edilen sonuçlar tam ölçekli modeller ile elde edilen sonuçların doğruluğunu verememektedir. Bunun temel nedeni geometrik benzerliğin tam olarak sağlanamaması ve Reynolds sayısının beklenmeyen etkileridir. Ayrıca küçük ölçekli test işleminde model ve prototip arasında Reynolds sayısı eşliğinin sağlanabilmesi oldukça güçtür.

Rüzgar Tüneli

Taşıtların direnç katsayıları hava (rüzgar) tüneli yardımıyla ölçülür. Direnç katsayısı bulunurken hava tünelinin büyüklüğüne göre orijinal veya model taşıt kullanılmaktadır. Direnç kuvvetini ölçmek için uzama telli kuvvet ölçer/ler/ kullanılmaktadır.

Honda will spend $124 million to build a state-of-the-art, multifunctional acoustic wind tunnel in East Liberty, OH, on the grounds of the Honda-owned Transportation Research Center and close to the company’s U.S. manufacturing hub in nearby East Liberty. The company said it will break ground on the new wind tunnel in summer 2017 but did not state a completion date. The company said the new wind tunnel will feature an interchangeable belt system “capable of testing both production vehicles and racecars;” it will have a five-belt rolling-road system designed for the development of production vehicles and a second, single/wide belt system to test high-performance models and purpose-built race vehicles.

http://articles.sae.org/15387/, Honda to build new wind tunnel in U.S. / 20-Apr-2017

A new state-of-the-art wind tunnel beginning construction in Ohio in 2017 will add to Honda's growing R&D footprint in the U.S. and enable testing of production cars as well as racing cars (image: Honda).

The new tunnel can generate wind speeds of up to 192 mph—and will feature four secure bays for confidential testing of vehicles by contracted customers. "This innovative and industry leading asset provides us with another distinct reason for our customers to take advantage of the world-class testing facilities we have in Ohio at TRC," said Mark-Tami Hotta, president and CEO of the Transportation Research Center. Honda said the new wind tunnel will be designed to Frank Paluch, president of Honda R&D Americas, Inc., added, "This new facility will further enhance our ability to efficiently create products of the highest quality for our customers. It will be integral to our aerodynamic and aeroacoustic R&D activity, which spans from advanced research and computer simulation, through scale-model and full vehicle development, to production vehicle performance assurance. And all of this is being done right here in the U.S." There should be plenty of room for the new facility at the Transportation Research Center, which encompasses 4500 acres that includes a 7.5-m (12-km) high-speed testing oval and R&D facilities for a variety of entities other than Honda.

http://articles.sae.org/15387/, Honda to build new wind tunnel in U.S. / 20-Apr-2017

Bosch Automotive Handbook Aerodynamic effects on vehicle functions

Araç Aerodinamiği

Aerodynamic drag is calculated as

FL = 0.5 · ρ · cd · A (v + v0)2

ρ = 1.226 kg/m^3 hava yoğunluğu (1.0133 bar ve 15 oC da) Cd*: hava direnci katsayısı Otomobillerde : 0.3 - 0,4; kamyonlarda : 0.8 A : kesit alanı. Otomobillerde 1.85 m^2 ; kamyonlarda 8 m2 alınabilir.

Not: Bazı kaynaklarda cd bazı kaynaklarda cw olarak kullanılmaktadır

A taşıt kesit alanını, V taşıtın rüzgâra göre bağıl hızını, ρ havanın yoğunluğunu (1,255 kg/m³) göstermektedir.

Aerodinamik

Geometrik benzerlik: Boyutlar (uzunluklar) arasındaki oranı esas alır. Bir koordinat sisteminde bütün boyutlar (genişlik, uzunluk ve derinlik) aynı lineer ölçek oranına sahipse model ve prototip geometrik olarak benzer kabul edilir.

Aerodinamik Dinamik benzerlik Akışkanlar mekaniğinde

Reynolds sayısı, bir akışkanın, atalet kuvvetlerinin (vsρ) viskozite kuvvetlerine (μ/d) olan oranıdır. Dinamik benzerliği tanımlamak için kullanılır.

Dynamic Similarity exists between the model and the prototype when forces at corresponding points are similar

Kinematik viskozite SI birimi v= m2·s−1

pascal-saniye (Pa·s) olup 1 kg·m−1·s−1

Aerodinamik Kinematik benzerlik: Kinematik benzerlik şartının sağlanması için prototip ve model üzerindeki hız vektörleri paralel ve mutlak değerlerinin oranlarının sabit olması gerekir. Kinematik benzerlik şartının sağlanması, akış çizgilerinin aerodinamik deneylerde model ve prototip için aynı olduğu anlamına gelir. Kinematik benzerliğin sağlanması blokaj etkisine de bağlıdır. Gerçekte durağan halden hareketli hale geçen otomobil çevresinde oluşan hava hareketi, aracın dış yüzeyinde bir sınır tabaka oluşmasına neden olur. Akışkanın sınır tabaka içindeki hızı plaka yüzeyinden yukarı doğru parabolik bir oranla artar, plaka yüzeyinden itibaren belirli bir δ yüksekliğinde hız serbest akış hızına eşit olur. Bu δ yüksekliğine "sınır tabakası kalınlığı" denir

Aerodinamik

Professor Fred Stern Fall 2010, Chapter 7: Boundary Layer Theory

Bosch Automotive Handbook

Effect of cd · A on fuel consumption (mid-sized vehicle)

Araç Aerodinamiği

Bosch Automotive Handbook Aerodynamic effects on vehicle functions

Araç Aerodinamiği

Araç Aerodinamiği

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

Influence of flow characteristics on the operation of vehicles Objectives of improvement of flow past vehicle bodies: • reduction of fuel consumption • more favourable comfort characteristics (mud deposition on

body, noise, ventilating and cooling of passenger compartment)

• improvement of driving characteristics (stability, handling, traffic safety)

Vehicle aerodynamics includes three interacting flow fields: • flow past vehicle body • flow past vehicle components (wheels, heat exchanger,

brakes, windshield), • flow in passenger compartment

Characteristics of flow past vehicle bodies Complex 3D turbulent flow in relative co-ordinate system. Classification of flow field: Flow past • front, • side walls and roof, • in underbody gap, • behind the rear wall (wake). Front: stagnation point, overpressure, accelerating flow Side walls, roof: boundary layer separation depending on the rounding up of leading edges around the front. Rear wall: in separation bubble nearly constant pressure below the ambient, strong turbulent mixing Underbody gap: surrounded by „rough” and moving surfaces, decreasing velocities downstream, sideward outflow

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

where CD is the aerodynamic drag coefficient that characterizes the shape of the vehicle body and Vw is component of the wind speed on the vehicle moving direction, which has a NEGATIVE sign when this component is in the same direction of the moving vehicle and a POSITIVE sign when it is opposite to the vehicle speed. The aerodynamic drag coefficients for typical vehicle body shapes are shown in Figure.

Araç Aerodinamiği

Composed of: 1. Turbulent air flow around

vehicle body (85%) 2. Friction of air over vehicle body

(12%) 3. Vehicle component resistance,

from radiators and air vents (3%)

P M V Subbarao, Energy Consumption & Power Requirements of A Vehicle

1900-1920 Adaptation of shapes from other fields

Torpedo Airship

Boot

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

1920-1970 Adaptation of results of airplane and airship development: streamlining

Járay experimental cars

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

1970-1990 Detail optimisation

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

1990 - Basic form optimisation

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

Change of drag coefficient of cars

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

Araçlarda aerodinamik direncin en önemli kaynakları Gövde direnci: Basınç dağılımının yatay bileşeninden dolayı oluşur. Akışkan direnci: Türbülansların oluşmasından ve aerodinamik kaldırma kuvvetinden dolayı oluşur. Sürtünme direnci: Taşıt dış yüzeyinin hava ile temasından dolayı oluşur İç hava akımı: Taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı oluşur.

Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, “Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu”, Balıkesir

Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos–2007.

Relation between curvature of streamlines and pressure distribution

If the streamlines are curved pressure increases perpendicular to them, outwards from the centre of curvature

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

Relation between curvature of streamlines and pressure distribution

If the streamlines are curved pressure increases perpendicular to them, outwards from the centre of curvature

Prof. Tamás Lajos, “Basics of vehicle aerodynamics”, Budapest University of Technology and Economics Department of Fluid Mechanics University of Rome „La Sapienza” 2002

Figure (a) Typical static pressure coefficient distribution; (b) The force acting on a surface element

An Introduction to Modern Vehicle Design Edited by Julian Happian-Smith

Araç Aerodinamiği

Araç Aerodinamiği

Araçlarda aerodinamik direncin en önemli kaynakları Gövde direnci: Basınç dağılımının yatay bileşeninden dolayı oluşur. Akışkan direnci: Türbülansların oluşmasından ve aerodinamik kaldırma kuvvetinden dolayı oluşur. Sürtünme direnci: Taşıt dış yüzeyinin hava ile temasından dolayı oluşur İç hava akımı: Taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı oluşur. Tekerleklerin dönmesinden dolayı ve taşıtın altından geçen hava aerodinamik direnci arttırır. Akışın bölgesel olarak hızlanmasına ve yavaşlamasına sebep olan veya akışın yönünü değiştiren taşıt yüzeyindeki her şekil gövde direncine eklenir. Yolcu bölümünde hava ön cama geldiği zaman ivmelenir ve yön değiştirir bu yüzden taşıtın kesit alanındaki ani değişiklikler mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır. Hava akışının kanallardan iletilmesi işleminden kaçınılmalıdır. Bölgesel hava akışlarını taşıt üzerinden kolaylıkla ileten şekiller bölgesel hız artışlarına sebep olurlar. Bunun gibi bölgesel hava jetleri taşıtın üzerindeki ana hava akış şeklini keserler ve çevresindeki havadan daha hızlı hareket etmesinden dolayı türbülansa sebep olurlar, bu da gövde direncine eklenir.

Kaynak: Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, “Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu”, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos–2007.

Araç Aerodinamiği

Araçlarda aerodinamik direncin en önemli kaynakları Taşıtın arka tarafında, kesit alanındaki ani değişiklikten dolayı hava akışının yavaşladığı bir viskoz sınır tabaka vardır. Bu basıncın artmasına ve ayrılma noktasına kadar ya da hava akışı dış ortamın hava şartlarına uyana kadar akışın basınca karşı iş yapmasına yol açar. Ayrılma çizgisi (separation line) yüzey üzerindeki oldukça küçük objeler sebebiyle veya tasarımdaki ufak detaylardan dolayı aniden meydana gelebilir, bunun için bu bölgenin tasarımına oldukça dikkat edilmelidir. Taşıtın arka tarafının tasarımının aerodinamik direncinin düşürülmesi; deneysel ölçümlerden taşıtın arka kısmının bölgesel hava akışına göre negatif eğimli olması gerektiği görülür. Gelen hava akımındaki türbülans oranı veya yüzeyin pürüzlülüğü gibi durumlar kritik açının değerini belirler, taşıtın arka tarafında yüzeyin bölgesel hava akımına göre eğimi 3° ila 5°’yi geçmemelidir, geçilirse hava akışı ayrılışı tetiklenir. Bu fast-back olarak bilinen taşıt tasarımlarının ortaya çıkmasına sebep olmuştur (Şekil: a, b). Taşıtın yan kısımlarının tasarımı da gözönüne alındığı takdirde taşıtın arka yüzey alanı küçülür ve aerodinamik direnç düşer.

Şekil: (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil

Kaynak: Mak. Müh. Tayfur Kerem Demircioğlu, “Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu”, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Ağustos–2007.

Automotive Handbook

1) No headwind (υ0 = 0).

Bosch Automotive Handbook

Vehicle (Examples) cd A / m2

Audi A8 0,29 2,25

Porsche 911 0,29 1,95

Mercedes C 200 D 0,30 2,05

Table 1. cw values for various vehicles

Araç Aerodinamiği

Bosch Automotive Handbook

Etkileri

cd [%]

Taşıtın Yüksekliğini 30 Mm Düşürme

Yaklaşık –5

Düzgün Teker Jantları

-1...-3

Geniş Lastikler

+2...+4

Harici Cam Parlatmayla

Yaklaşık –1

Contalı Gövde / Karoseri Boşlukları

-2....-5

Düşük Gövde Panelleri

-1...-7

Gizlenebilir Farlar

+3...+10

Dışarıdaki Arkayı Gösteren Farlar

+2...+5

Radyatör Ve Motor Kompartmanı Arasındaki Hava Akışı

+4...+14

Fren Soğutma Tertibatları

+2...+5

Harici Havalandırma

Yaklaşık +1

Açık Camlar

Yaklaşık +5

Açık Tavan

Yaklaşık +2

Dikey Açılı Olan Tavan

Yaklaşık +40

Araç Aerodinamiği

Bosch Automotive Handbook

α cd Δcd in %

50° 0.345 –

55° 0.342 – 0.8

65° 0.340 – 1.4

40° 0.349 + 1.1

30° 0.349 + 1.1

0° 0.369 + 7.0

Effect of windshield slope α on the cd value see Table (– = better, + = worse)

Araç Aerodinamiği