Elektrikli Otomobillerde Kompozit Jant Kapağı Kullanımının Aerodinamik Etkisi-2

30.05.2019

2. Bölüm

1. Aerodinamik Yapı

Yenilenebilir enerji kaynaklarının ulaşım alanına uygulanması ile elektrikli araçların kullanımının artması depolama verimliliği ve menzil gibi problemleri de beraberinde getirmiştir. Bu sebeple elektrikli taşıtların daha aerodinamik ve daha hafif geliştirilmesi tasarım sürecinde öncelikli hale gelmiştir. Bu bölümde, lastiklerin dönüşünü simüle etmek için kullanılan sayısal yaklaşım açıklanmaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kodları, rotasyonel parçalara sahip modelleri tanımlamak için farklı sayısal yaklaşımlar sunar. Bunlar: Dönen Duvar (RW), Hareketli Referans Çerçevesi (MRF) ve Kayar Kafes (SM). Bu yaklaşımlar, MRFg (Hareketli Referans Çerçeve- Oluklar) yaklaşımını tanıtmak için bu bölümde iki taraflı olarak açıklanmıştır. MRFg performansının analizi iki adımda yapılır. Birincisi, yalıtılmış bir tekerlek üzerindeki kayar örgü simülasyonları ile karşılaştırılır ve daha sonra, sürükleme katsayısı üzerindeki aerodinamik etkiler, tamamen detaylı bir şekilde araç üzerinde analiz edilmiştir.

1.1. Model, Domain ve Boundary Condition

Şekil 4. Demobil 09 elektrikli otomobili jant tasarımı

Şekil 5. Jant kapağı tasarımları

Çalışma öncesinde tasarımı ve üretimi planlanan jant kapaklarının, aerodinamik yapıya katkısının yanında jant dizaynı üzerinde de görsellik açısından katkısı olması hedeflenerek Şekil 5’te görülen jant kapakları tasarlanılarak kullanımı uygun görülmüştür.

Şekil 6. Test alanı

CFD analiz hazırlığının ilk aşamasında sınır hacimin boyutları ve sınır koşulları belirlenilir. Hacim 15[m] uzunluk, 4[m] genişlik ve 3[m] yükseklikte belirlendi. Demobil 09 simetrik bir araç olmasından dolayı, analiz süresini kısaltmak ve deneysel çalışmalara daha yakın sonuçlar elde etmek amacıyla hacim orta bölümünden simetrik olarak tasarlanmıştır.

Tablo 4. Sınır koşulları

1.2. Çözüm Ağı Oluşturma (Meshing)

Sahip olunan CFD problemi statik (araç gövdesi) ve dinamik (tekerlek) durumda gövdelerden oluşmaktadır. Bu sebeple problem zamanlama açısından geçici (transient) durum davranışı ile çözdürülmüş ve çözüm ağı yapısı olarak dinamik ağ yapısı uygulanmıştır. Sağlıklı bir çözüm ağı (mesh) yapısı oluşturmanın üstesinden gelmek için en gerçekçi modelleme yöntemi, ağı tamamen hareket ettirmektir. Bu sebeple, geçici (transient) ve her zaman basamağında fiziksel olarak dönen bir ağ yapısı gereklidir. Bu genellikle kayan ağ yapısı Sliding Mesh (SM) yöntemi olarak bilinir ve rijit bir gövde hareketi olarak uygulanır. Bu nedenle, jantlara kolayca uygulanır. Ancak, kafesin her zaman adımında hareket etmesi ve onu komşu sabit hücrelere bağlamak, yüksek bir hesaplama süresi ile karşımıza çıkar ve çalışma süresinde önemli bir artışa yol açar. Analiz yakınsama süresinin, çözüm ağı transformasyon sürecinin ve hücre sayısının paralelleşmesinin boyutuna büyük ölçüde bağlı olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada elektrikli bir taşıt üzerinde kullanılan jant için tasarlanmış olan jant kapakları kullanımı sonucunda elektrikli taşıtın sürükleme katsayısı değişimi incelenmesi planlanmıştır. Analizler sırasında elektrikli taşıtın hızı 120 [km/h] ve tekerleklerin devir sayısı ise 1140 [RPM] olarak belirlenmiştir.

Tablo 5. Ağ yapısı ayarları

Bu analizde, tekerlek döner ve bu nedenle kayan ağ yapısı (KAY) kullanılarak modellenebilir. KAY her zaman adımında mesh yapısını fiziksel olarak kaydırarak gerçek tekerlek rotasyonunun benzetimini gerçekleştirdiğinden CFD uygulamaları için doğru bir rotasyon modelleme yöntemi olarak düşünülür. Bu çalışmada da her bir tekerlek için, tüm dönüş modelleme usullerinin gerçekleştirilebileceği şekilde bir tek tetrahedral mesh yapısı oluşturulmuş, böylece çözüm ağ yapısından kaynaklı herhangi bir tekrarlanabilirliğin olmaması sağlanmaya çalışılmıştır. Belirtilen çözüm ağı ayarları, ağ yapısı büyüklüğünü ve hesaplama maliyetlerini düşük tutmak amacıyla en yakın sonuç elde edilecek şekilde oluşturulmuştur. En büyük hücre boyutu, alan sınırlarında 256 [mm]’dir ve genel ağ boyutu yaklaşık 3,2 milyon hücre olmuştur.

1.3. Taşıta Etkiyen Aerodinamik Direnç Kuvveti

Yapılan analizler sonucunda hareket halindeki bir taşıta etki eden aerodinamik sürükleme kuvvetinin hesabı (1) denkleminde belirtilmiştir. Denklemde bulunan ρ havanın yoğunluğunu, A otomobilin ön kesit alanını, V hızını ve CD otomobilin sürükleme katsayısını temsil etmektedir. Denklem incelendiğinde otomobile etki eden aerodinamik sürükleme kuvveti hızın karesi ile arttığı gözlemlenmiştir. Aerodinamik sürükleme kuvvetinin otomobil tarafından yenilmesi için harcanan güç hesabı ise (2) denkleminde belirtilmiştir.

Tablo 6. İnterpolasyon ayarları

Tablo 7. Kriterler

2. Sonuçlar ve Tartışma

Tablo 8. Analiz sonuçları

İzole tekerlek ve tam araç çalışmalarından elde edilen sonuçlar bu bölümde sunulmuş ve tartışılmıştır. Yapılan analizler sonucunda 120 [km/h] hız ile seyahat eden Demobil 09 üzerinde jant kapakları kullanıldığında saatte 430 [W] daha az enerji tüketimi gerçekleşeceği yapılan teorik çalışmalar ile tespit edilmiştir.

Şekil 8. Demobil 09 EV jant kapaksız analizi sonucu gövde üzerindeki basınç dağılımı, Vortex Core Region ve hız vektörleri incelemesi

Şekil 9. Yeşil çizgi üzerindeki basınç değişimi

Demobil 09’un jant kapakları olmadan yapılan CFD analizlerinde şekil 8, 9 ve 10’da bulunan görseller incelenmiştir. Şekil 9’da belirtilen çizgi üzerindeki basınç değişimi grafiğinde jant kapağı yokken özellikle aracın tekerlek bölümünde ciddi anlamda basınç farkı oluşmuştur. Jant kapağı varken bu basınç farkı 100 [Pa] civarında azalmıştır. Basınç düşüşünün etkileri Şekil 10’da belirtilen girdap oluşum bölgeleri ve hız vektörleri üzerinde de açık bir şekilde görülmektedir.

Şekil 10. Demobil 09 EV jant kapakları ile birlikte yapılan analizi sonucu gövde üzerindeki basınç dağılımı, girdap oluşum bölgeleri ve hız vektörleri incelemesi

Şekil 11. Jant kapağı ve jant üzerinde montajlı hali

Yapılan çalışmalar sonucunda şekil 2’de belirtilen tasarımın dişi kalıplarından elde edilen ürün ve ilgili jant üzerindeki montajlı hali şekil 11’de gösterilmiştir.

3. Teşekkür

Yazarlar tasarım, üretim ve performans testlerinin gerçekleştirilmesinde yardımcı oldukları için Cevher Jant Sanayi A.Ş., Solaris Solar Car Team üyelerinden çalışma arkadaşlarına ve Burak Kurttay’a teşekkür ederiz.