Ajoneuvon virtaussimulointi

(1)

Onni Humalajoki

Ajoneuvon virtaussimulointi

Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK)

Ajoneuvotekniikka Insinöörityö 30.5.2019

(2)

ALKULAUSE

Tämän insinöörityön aiheena oli Metropolia ammattikorkeakoulussa suunnitteilla olevan sähköajoneuvon virtaussimulointi ja aerodynamiikan kehitys turvallisempaan ja urheilu- autolle paremmin soveltuvaan suuntaan. Sain aiheen ja mahdollisuuden työn suorittami- selle työpaikaltani Metropolia ammattikorkeakoulun ajoneuvo- ja konetekniikan Koske- lon toimipisteessä.

Erityiskiitoksen ansaitsevat työpaikan ohjaajana toimineet Juha Tuomola ja Pekka Hau- tala, jotka mahdollistivat opinnäytetyön tekemisen tästä aiheesta. Lisäksi kiitoksen an- saitsee Pasi Oikarinen, joka toimi työn ohjaajana koulun puolesta. Iso kiitos kuuluu myös Metropolia ammattikorkeakoululle ja työkavereilleni Koskelossa, jotka ovat mahdollista- neet opinnäytetyön tekemisen tästä aiheesta ja Metropolia Motorsportille, joka on mah- dollistanut aerodynamiikkaan perehtymisen jo opintojen alkuvaiheesta asti.

Työn valmistumisesta haluan kiittää vaimoani Saijaa ja kavereitani, jotka ovat kannusta- neet ja tukeneet monella tapaa tämän työn tekemisessä.

Espoossa 30. toukokuuta 2019

Onni Humalajoki

(3)

Tekijä Otsikko Sivumäärä Aika

Onni Humalajoki

Ajoneuvon virtaussimulointi 47 sivua + 10 liitettä

30.5.2019

Tutkinto Insinööri (AMK)

Tutkinto-ohjelma Ajoneuvotekniikka Ammatillinen pääaine Ajoneuvosuunnittelu

Ohjaajat Lehtori Pasi Oikarinen

Erityisasiantuntija Juha Tuomola Osaamisaluepäällikkö Pekka Hautala

Tässä insinöörityössä tutkittiin Metropolia Ammattikorkeakoulussa kehitteillä olevan sähkö- auton aerodynamiikkaa tietokoneavusteista virtauslaskentaa apuna käyttäen. Työn tavoitteena oli selvittää ajoneuvoon kohdistuvat aerodynaamiset voimat ja niiden jakautuminen.

Toisena tavoitteena oli löytää kehityskohteita, joilla auton aerodynaamisia ominaisuuksia voitaisiin parantaa, ja selvittää muutosten vaikutus. Työssä keskityttiin pääasiassa ajoneuvon pohjan virtauksiin.

Simuloinnit suoritettiin ajoneuvoteollisuudessa yleisesti käytetyllä ANSYS Fluent -ohjelmis- tolla. Mallissa käytettiin jäähdytinelementtejä ja pyörivää vannemallia niiden vaikutuksen huomioimiseksi.

Ensimmäisissä simuloinneissa todettiin ajoneuvomallissa olevat ongelmakohdat, jotka liit- tyivät ajoneuvon pohjan huonoon virtaukseen ja jäähdytyskanaviin. Toinen simulointikier- ros päivitetyllä mallilla määritteli kehityssuunnan. Työtä jatketaan ajoneuvon aerodynaami- sen tasapainon kehityksen parissa muuttamalla etujäähdyttimen ulostulokanavan sijaintia ja optimoimalla pohjan virtauksia.

Avainsanat ajoneuvosuunnittelu, virtauslaskenta, CFD, ANSYS, Fluent

(4)

Author Title

Number of Pages Date

Onni Humalajoki

Vehicle Flow Simulation 47 pages + 10 appendices 30 May 2019

Degree Bachelor of Engineering

Degree Programme Automotive Engineering Professional Major Vehicle Design Engineering Instructors Pasi Oikarinen, Lecturer

Juha Tuomola, Senior Advisor Pekka Hautala, Head of Department

This thesis deals with the aerodynamics of an electric car which is under development at Metropolia University of Applied Sciences using computer aided flow calculation. The pri- mary objective of the work was to find out aerodynamic forces on the vehicle and their dis- tribution. The secondary objective was to find development targets for improving the aerodynamic properties of the car and to determine the effect of the changes. The work fo- cused mainly on vehicle underbody flows.

The simulations were carried out with ANSYS Fluent software commonly used in the automotive industry. Radiator elements and rotating wheel models were used in the simulation.

The first simulations identified the problematic points in the vehicle model that were related to poor underbody flow and the cooling ducts. Another simulation round with the updated model defined the trend. The work on the development of the vehicle’s aerodynamic bal- ance will be continued by changing the position of the outlet of the front cooler and optimiz- ing the underbody flows.

Keywords vehicle design, fluid dynamics, CFD, ANSYS, Fluent

(5)

Sisällys

Lyhenteet ja käsitteet

1 Johdanto 1

1.1 Opinnäytetyön tausta 1

1.2 Tavoitteet ja työn rajaaminen 1

2 Aerodynamiikan teoriaa 3

2.1 Voimat ja voimatasapaino 3

2.1.1 Vastus 3

2.1.2 Noste 4

2.1.3 Aerobalanssi 5

2.2 Aerodynamiikan perusteet 8

2.2.1 Newtonin lait 8

2.2.2 Bernoullin yhtälö 9

2.2.3 Kineettinen energia 12

2.2.4 Reynoldsin luku 12

2.2.5 Coanda-ilmiö 13

2.2.6 Rajakerros (Boundary layer) 14

2.3 Computational Fluid Dynamics 16

3 Tutkimuskohde 19

3.1 Simulointimalli 19

3.2 Simulointikoodi 24

4 Tulokset 27

4.1 Lähtötilanne (versio 1) 27

4.1.1 Normaali ajotilanne 28

4.1.2 Matala ajotilanne 29

4.1.3 Korkea ajotilanne 31

4.1.4 Keula alhaalla ajotilanne 32

4.2 Kehitysversio (versio 2) 34

4.2.1 Normaali ajotilanne 34

(6)

4.2.2 Matala ajotilanne 35

4.2.3 Korkea ajotilanne 37

4.2.4 Keula alhaalla ajotilanne 38

5 Johtopäätökset ja jatkotoimenpiteet 41

5.1 Versio 1 41

5.2 Versio 2 41

5.3 Jatkotoimenpiteet 42

6 Yhteenveto ja pohdinta 44

Lähteet 46

Liitteet

Liite 1. Paineenpudotus virtausnopeuden suhteen Liite 2. Simulointikoodi

Liite 3. Normaali ajotilanne - Versio 1 Liite 4. Matala ajotilanne - Versio 1 Liite 5. Korkea ajotilanne - Versio 1

Liite 6. Keula alhaalla ajotilanne - Versio 1 Liite 7. Normaali ajotilanne - Versio 2 Liite 8. Matala ajotilanne - Versio 2 Liite 9. Korkea ajotilanne - Versio 2

Liite 10. Keula alhaalla ajotilanne - Versio 2

(7)

Lyhenteet ja käsitteet

Aerobalanssi Aerodynaamisten voimien jakauma auton renkaiden suhteen Aerodynamiikka Kaasun ja kiinteiden kappaleiden välinen virtausmekaniikka CAD Computer Aided Design. Tietokoneavusteinen suunnittelu CFD Computational Fluid Dynamics. Tietokoneavusteinen virtaus-

laskenta

CFD-Post Virtauslaskennan tulosten jälkikäsittelyohjelma

Coast down -testi Ajoneuvon ilmanvastuksen määrittämiseen käytetty rullaus- testi

Contact patch Renkaan ja tien välinen kosketuspinta mallinnettu yksinker- taisemmin

CoP Center of Pressure. Aerodynaamisten voimien vaikutuspiste Diffuusori Ajoneuvon pohjan nouseva takaosa

Elementti Yksittäinen hila, joista simuloitavan mallin verkko koostuu Fluid Porosity Materiaalin huokoisuus, käytetään esimerkiksi jäähdytinpa-

neelien ja suodattimien simuloinnissa

GUI Graphical User Interface. Graafinen käyttöliittymä, joka tarkoittaa esimerkiksi yleistä Windowsin käyttömenetelmää Inflation layer Rajakerrosvirtauksen alueelle tehtävä litteistä elementeistä

koostuva vyöhyke

Pitching Moment Ajoneuvon y-akselin ympäri vaikuttava momentti

(8)

Refinement Box Laatikko simulointimallissa, jota käytetään paikallisesti tar- kemman verkon määrittämiseen

Rolling Moment Ajoneuvon x-akselin ympäri vaikuttava momentti Sakkaus Virtauksen irtoaminen kappaleen pinnasta

TUI Text User Interface. Tekstikäyttöliittymä, jossa komennot syötetään tekstimuodossa

Yawing Moment Ajoneuvon z-akselin ympäri vaikuttava momentti

Venturi Kavennettu virtausalue, jossa virtaavan aineen nopeus kasvaa ja paine pienenee

(9)

1 Johdanto

Työssä käsitellään ajoneuvon tietokoneavusteista virtauslaskentaa. Simulointikohde on uusi, vielä suunnitteilla oleva ajoneuvo, johon tullaan tekemään muutoksia työstä saatu- jen tulosten perusteella. Muutosten vaikutukset analysoidaan ja sillä perusteella tehdään päätös kehityssuunnasta, johon työtä tullaan jatkamaan.

1.1 Opinnäytetyön tausta

Metropolia Ammattikorkeakoulussa on ollut 90-luvun alusta lukien kymmeniä erityyppisiä ajoneuvoprojekteja. Ajoneuvoprojektit ovat vaihdelleet laajasti pienistä kaupunkiautoista urheiluautoihin ja erityyppisillä voimansiirron ratkaisuilla varustettuihin polttomoottori-, hybridi- ja sähköautoihin. Koulun sisällä toimiva opiskelijavetoinen Metropolia Motorsport taas on tehnyt jo pitkään formula-tyyppisiä kilpa-autoja Formula Student -kilpailusarjaan, jossa olin myös itse mukana vuosina 2016–2018 suunnittelemassa, kehittämässä ja val- mistamassa formulan aerodynamiikkaa.

Metropoliassa valmistettujen autojen aerodynamiikan kehitystyö on ollut hyvin vähäistä.

Poikkeuksen tekevät Formula Student -projekti ja Electric Race About, jonka aerodynamiikan analysoinnista on vastannut ulkopuolinen yritys.

1.2 Tavoitteet ja työn rajaaminen

Työn kohteena on Metropoliassa tehdyn sähköauton suunnitellun jatkokehitysversion aerodynamiikan analysointi ja kehitys tietokoneella tehtävän tietokoneavusteisen virtauslaskennan avulla. Tavoitteena on selvittää auton ilmanvastus- ja nostekertoimet sekä aerodynaaminen balanssi. Tuloksien pohjalta pyritään löytämään mahdollisia kei-

(10)

noja muuttaa auton muotoilua, joilla auton tuottaman negatiivisen nosteen määrää voidaan lisätä siirtäen samalla aerodynaamista balanssia lähemmäksi auton aiottua paino- jakaumaa.

Muutokset rajataan ajoneuvon pohjan alueelle eikä korin muotoiluun haluta tehdä muutoksia työn laajuuden pitämiseksi maltillisena. Mikäli simuloinneissa paljastuu korin muo- toilusta johtuvia ongelmakohtia, niihin tehtävät muutokset jätetään työn ulkopuolelle.

(11)

2 Aerodynamiikan teoriaa

Liikkeessä olevaan kappaleeseen vaikuttavat aerodynaamiset voimat perustuvat fysiikan lakeihin. Niistä tämän työn kannalta oleellisimmat käydään läpi tässä luvussa.

2.1 Voimat ja voimatasapaino

Autoon vaikuttavat aerodynaamiset voimat voidaan jakaa ilmavirtauksen aiheuttamaan vastukseen (drag), joka on ajoneuvon kulkusuuntaan nähden vastakkainen voima, ja nostovoimaan (lift), joka on ajoneuvon liikerataan nähden kohtisuoraan ylöspäin vaikuttava voima. Työssä käytetään nostovoimasta puhekieleen paremmin vakiintunutta käsi- tettä noste, jolla ei kuitenkaan tässä yhteydessä tarkoiteta staattista, kappaleen tilavuuden ja väliaineen tiheyden aiheuttamaa nostetta, jota voidaan pitää merkityksettömänä ilman kanssa vuorovaikutuksessa olevaa ajoneuvoa tarkasteltaessa. [1, s. 56.]

2.1.1 Vastus

Ilmanvastus on paine- ja kitkavastuksista koostuva voima. Painevastuksesta käytetään myös nimitystä muotovastus, joka viittaa painevastuksen syntytapaan. Kitkavastus taas aiheutuu kappaleen ja sen pinnan suuntaisen virtauksen välisistä leikkausjännityksistä (kuva 1). [1, s. 60–61; 2, s. 84–85; 3, s. 567–568.]

Paine- ja kitkavoimat [2, s. 84].

(12)

Kuvasta nähdään, että painevoimat vaikuttavat kappaleen pintaa vastaan kohtisuorassa, ja kitkavoimat vaikuttavat pinnan tangentin suuntaisesti. Näistä hyvänä esimerkkinä voidaan käyttää kuvassa 2 olevaa suoraa levyä.

Suora levy virtauksen suuntaisesti ja sitä vastaan kohtisuorassa kulmassa [3, s. 567].

Kun virtauksen kanssa vuorovaikutuksessa oleva levy on virtaukseen nähden saman- suuntainen, siihen kohdistuu käytännössä ainoastaan kitkavastusta. Kun taas levy on käännetty virtausta vastaan kohtisuoraan, levyyn kohdistuva vastus on käytännössä ainoastaan painevastusta. [3, s. 567.]

2.1.2 Noste

Noste on ajoneuvon ja sitä ympäröivän ilmavirtauksen välisestä vuorovaikutuksesta ai- heutuvaa nostovoimaa, joka syntyy ajoneuvon muotojen aiheuttamista paineen muutok- sista ajoneuvon pinnoilla. Alla olevassa kuvassa 3 verrataan henkilöauton korin muotoa positiivista nostetta tuottavan siipiprofiilin muotoon. [4, s. 44]

(13)

Henkilöauton korimuoto verrattuna positiivista nostetta tuottavaan siipiprofiiliin [4, s. 44].

Kuvasta voidaan nähdä ajoneuvon korimuotoilun ja siipiprofiilin yhteneväisyydet. Auton pohja on yleensä tasainen ja korin yläpuoli kaareutuu useimmiten hyvinkin kaarevaksi muodoksi lukuun ottamatta tuulilasin ja takaikkunan alaosaa.

2.1.3 Aerobalanssi

Aerobalanssilla tarkoitetaan aerodynaamisten voimien jakautumista auton renkaiden kesken. SAE Road Vehicle Aerodynamics Committeen julkaisemassa dokumentissa

”Vehicle Aerodynamics Terminology” määritellään, että aerodynaamisten voimien käsit- telyä varten oleva koordinaatisto sijaitsee ajoneuvo keskilinjalla maatasossa akselilinjo- jen puolessa välissä [2, s. 109]. Tässä työssä käytettävä koordinaatisto eroaa edellä mainitusta kuvassa 4 näkyvästä koordinaatistosta (SAE Aerodynamic Axis System) si- ten, että positiivinen x on kohti auton tulosuuntaa ja positiivinen z ylöspäin.

(14)

SAE Aerodynamic Axis System [2, s. 109].

Aerodynaamisten voimien aiheuttamat momentit, jotka vaikuttavat autoon, ovat seuraa- vat:

Pitching moment

Pitching momentilla tarkoitetaan ajoneuvoon nähden poikittaisen y-akselin ympäri vaikuttavaa momenttia.

Yawing moment

Yawing momentilla tarkoitetaan momenttia, joka pyrkii kääntämään autoa pystyakselin ympäri.

Rolling moment

Rolling momentilla tarkoitetaan ajoneuvon pituusakselin ympäri vaikuttavaa autoa kallistavaa momenttia.

(15)

Pitching momentiin vaikuttaa vastuksen ja nosteen resultanttivoiman suuruus ja niiden momenttivarsi y-akseliin nähden. Yawing momentiin taas vaikuttaa tuulipainopisteen (CoP) x-akselin suuntainen sijainti. Takana oleva CoP vakauttaa ajoa, kun taas edessä oleva CoP tekee ajoneuvosta labiilimman kovassa vauhdissa [5, s. 32]. Myös ajoneuvon epäsymmetrinen muotoilu voi aiheuttaa yawing momentia suoraan ajettaessa. Rolling momenttiin vaikuttaa CoP:n korkeus sivutuulikomponentin kautta, joka aiheutuu ajoneuvon sortokulmasta tai tuulisista olosuhteista. Alla olevassa kuvassa 5 havainnollistettu tuulipainopisteen suhdetta painopisteeseen.

Ajoneuvon painopiste ja tuulipainopiste.

Kuvassa oleva mustavalkoinen ympyrä kuvaa painopisteen sijaintia, joka vaikuttaa staattisessa ajotilanteessa suoraan alaspäin. Staattisen ajotilanteen auton massasta aiheu- tuvat pyöräkuormat voidaan laskea painopisteen sijainnin perusteella. Sininen pallo havainnollistaa ajoneuvon CoP:n sijaintia. Aerobalanssi on siis siinä pisteessä, jossa aerodynaamisten voimien resultanttivektori lävistää maatason.

Simulaatioissa keskitytään ajotilanteisiin, joissa virtaus tulee suoraan edestä x-akselin suunnasta. On kuitenkin huomioitava, että sivutuulikomponentti vaikuttaa myös pitching momentiin, koska se vaikuttaa ajoneuvoa ympäröivän virtauksen käyttäytymiseen. Hyvin usein sivutuulikomponentin vaikutukset ovat negatiivisen nosteen ja ilmanvastuksen kannalta ei-toivottuja, koska esimerkiksi renkaiden aiheuttama turbulenttinen virtaus vaikuttaa laajemmin ajoneuvon pohjan virtauksiin ja ajoneuvon virtauksen suuntainen otsapinta-ala kasvaa, mikä kasvattaa vastusta.

(16)

Työssä laskettavat akselikohtaiset aerodynaamiset voimat ja nostekertoimet on laskettu Millikenin Race car vehicle dynamics -kirjasta löytyvillä alla esitetyillä kaavoilla 1–4 [2, s.

109]. Kaavalla 1 lasketaan etupään noste (Front Lift). 𝐿 on kokonaisnoste, 𝑃𝑀 on momentti y-akselin ympäri ja 𝑊𝐵 on akseliväli.

𝐿 = 0,5 ∗ 𝐿 + 𝑃𝑀/𝑊𝐵 (1)

Kaavalla 2 lasketaan etupään nostekerroin (Coefficient Front Lift). 𝐶 on kokonaisnoste- kerroin ja 𝐶 on momenttikerroin y-akselin ympäri (Coefficient Pitching Moment).

𝐶 = 0,5 ∗ 𝐶 + 𝐶 (2)

Kaavalla 3 lasketaan takapään noste (Rear Lift).

𝐿 = 0,5 ∗ 𝐿 − 𝑃𝑀/𝑊𝐵 (3)

Kaavalla 4 lasketaan takapään nostekerroin (Coefficient Rear Lift).

𝐶 = 0,5 ∗ 𝐶 − 𝐶 (4)

2.2 Aerodynamiikan perusteet

Aerodynaamisten voimien syntymekanismin ymmärtämiseksi on hyvä ymmärtää muuta- mia fysiikan perusteita, joista työn kannalta oleellisimpia käydään läpi seuraavissa ala- luvuissa.

2.2.1 Newtonin lait

Monet fysiikan ilmiöt perustuvat Newtonin kolmeen lakiin, joita kutsutaan myös mekanii- kan peruslaeiksi. Ne käsittelevät kappaleen liikettä, kun siihen kohdistetaan voimia.

(17)

Newtonin ensimmäinen laki

Newtonin ensimmäinen eli jatkuvuuden laki tarkoittaa sitä, että jokainen esine säilyttää tilansa eli pysyy paikallaan tai jatkaa tasaista ja yhdensuun- taista liikettään siihen asti, kunnes siihen kohdistetaan ulkopuolelta jokin voima. [6]

Newtonin toinen laki

Newtonin toisen eli dynamiikan lain mukaan kappaleen liikkeelle saami- seen, pysäyttämiseen tai liikesuunnan poikkeuttamiseen tarvittava voima on suoraan verrannollinen kappaleen massaan. Dynamiikan lain yhtälö esitetty alla olevassa kaavassa 5. [7]

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 (5)

Kaavassa 𝐹 on voima, joka tarvitaan tuottamaan 𝑚 massaiselle kappa- leelle kiihtyvyys 𝑎.

Newtonin kolmas laki

Newtonin kolmannen eli voiman ja vastavoiman lain mukaan jokaisella voi- malla on vastavoima. On kuitenkin huomattava, että voima ja sen vastavoima kohdistuvat eri kappaleisiin. Esimerkkinä voidaan käyttää siipeä, johon ilmavirtaus aiheuttaa nostetta ja vastusta, joilla on tietyn suuruinen ja suuntainen resultantti. Siiven ilmavirtaukseen kohdistamien vastavoimien resultantti on tällöin samansuuruinen, mutta vastakkaissuuntainen siipeen aiheutuneiden voimien resultanttiin nähden. [8]

2.2.2 Bernoullin yhtälö

Bernoullin yhtälön mukaan staattisen paineen ja virtausnopeuden välinen suhde kitkat- tomassa ja kokoon puristumattomassa, eli häviöttömässä virtauksessa, on vakio. Ilma-

(18)

virtausta voidaan pitää kokoon puristumattomana virtausnopeuden ollessa alle 0,3-ker- taisen äänennopeuden, joka on normaaliolosuhteissa noin 400 km/h tarkan arvon riip- puessa ilman lämpötilasta ja -paineesta. Ilman tiheyden muutokset ovat tällöin alle 5 %.

Käytännössä kaikkea ajoneuvoihin liittyvää aerodynamiikkaa voidaan siis käsitellä kokoon puristumattomana virtauksena. [3, s. 10, 185.]

Kappaleen kanssa vuorovaikutuksessa oleva virtaus ei ole missään tilanteessa täysin kitkaton, mutta useimmissa tapauksissa kitkan vaikutus kokonaisuuteen on kuitenkin niin pieni, että se voidaan jättää huomioimatta. Kitkan osuus on vain muutama prosentti korkean Reynoldsin luvun alaisissa eli turbulenttisissa virtauksissa, kun taas hitaan ja lami- naarisen virtauksen kohdistuessa litteään, virtauksen suuntaiseen levyyn muodostuu käytännössä ainoastaan kitkavoimia. [3, s. 569.]

Tässä työssä ei kuitenkaan käsitellä virtauksia, joissa kitkan osuus on pääosassa. Työ käsittelee hyvin turbulenttisen virtauksen vaikutuksessa olevaa kappaletta, eli ajoneuvoa ulkopuolisen virtauksen osalta.

Bernoullin yhtälön mukaan staattisen paineen ja virtausnopeuden välinen suhde kitkat- tomassa ja kokoon puristumattomassa, eli häviöttömässä virtauksessa on vakio (kaava 6).

𝑝 = 𝑝 + 𝜌𝑉 (6)

Tässä 𝑝 on kokonaispaine, joka koostuu staattisesta ja dynaamisesta paineesta. Yhtä- lön oikean puolen ensimmäinen termi, 𝑝 on staattinen paine tarkastelupisteessä ja yh- tälön oikean puolen jälkimmäistä osaa, 𝜌𝑉 sanotaan dynaamiseksi paineeksi, jossa 𝑉 on virtausnopeus tarkastelupisteessä ja 𝜌 on väliaineen tiheys [1, s. 15–16; 3, s. 185–

189; 4, s. 24–25]. Bernoullin yhtälöä voidaan käyttää myös kuvassa 6 esitetyn venturiputken virtausta tarkasteltaessa.

(19)

Venturiputki, jonka matemaattisen tarkastelun kannalta tärkeimmät kohdat numeroitu [4, s. 26].

Venturiputken virtausta tarkasteltaessa käytetään yleisesti massavirtauksen yhtälöä, jonka on oltava jokaisessa kohdassa venturiputkea sama. Massavirtauksen yhtälö esitetty alla kaavassa 7. [1, s. 11–12; 9, s. 106.]

𝑄 = 𝜌𝑉𝐴 (7)

Tässä 𝑄 on massavirtaus, 𝜌 on ilmantiheys, 𝑉 on nopeus ja 𝐴 on poikkileikkauksen pinta-ala tarkastelupisteessä. Tiheyden muutosten ollessa lähes merkityksettömiä, ne voidaan jättää tässä tapauksessa huomioimatta. Siksi venturiputken sisäinen virtaus voidaan käsitellä massavirtauksen sijaan tilavuusvirtauksena, jonka kaava on muuten sa- manlainen kuin massavirtauksella, mutta väliaineen tiheyden kerroin on jätetty pois. Alla olevassa kaavassa 8 on esitetty tilavuusvirtauksen yhtälö venturiputken jokaisessa tar- kastelupisteessä. [1, s. 11–12.]

𝑄 = 𝑉 𝐴 = 𝑉 𝐴 = 𝑉 𝐴 (8)

Tällä kaavalla voidaan osoittaa nopeuden muutosten suhde poikkipinta-alan muutoksiin verrattuna. Virtausnopeus kasvaa kääntäen verrannollisesti poikkileikkauksen pinta-alan pienentymiseen nähden putken keskiosassa ja vastaavasti virtausnopeus pienenee putken halkaisijan kasvaessa venturiputken loppuosaan tultaessa. [4, s. 25–27.]

(20)

Venturi-ilmiön aikaansaamat nopeuden muutokset johtavat staattisen paineen muutoksiin, jotka voidaan laskea aiemmin esitetyllä Bernoullin yhtälöllä (kaava 6). Kun tiede- tään, että kokonaispaine pysyy kappaleen ympärillä tapahtuvaa virtausta tarkasteltaessa samana ja tiheyden muutokset ovat merkityksettömän pieniä, voidaan kaavasta nähdä staattisen paineen muutosten olevan suhteessa nopeuden neliöön. Toisin sanoen jos nopeus esimerkiksi kolminkertaistuu, niin staattisen paineen muutos on ideaalitapauk- sessa yhdeksänkertainen. Tämä pätee siis häviöttömällä virtauksella, joka on käytän- nössä epärealistinen tilanne. Yhtälöstä voidaan kuitenkin nähdä virtauksen vaikutuksen luonne.

2.2.3 Kineettinen energia

Bernoullin yhtälön yhteydessä edellä mainittua dynaamisen paineen kaavaa voidaan käyttää ilmaisemaan virtauksen kineettistä energiaa, kun siihen vaihdetaan tiheyden ti- lalle massa. Kaava kuvaa kineettisen energian suhdetta virtaavan aineen massaan ja virtausnopeuteen (kaava 9). [4, s. 25.]

𝐸 = 𝑚𝑣 (9)

2.2.4 Reynoldsin luku

Reynoldsin luku on tärkeä peruste nestedynamiikan ymmärtämiselle. Se on nimetty Os- borne Reynoldsin mukaan, joka löysi 1880-luvulla putkivirtauksella tekemissään tutki- muksissa yhteyden Reynoldsin yhtälössä olevien tekijöiden välillä. [3, s. 11.]

Reynoldsin luvun avulla voidaan esimerkiksi vertailla eri mittakaavassa olevien mallien keskinäisiä eroja. Sen suuruus kertoo myös virtauksen turbulenttisuudesta. Virtausta voidaan pitää laminaarisena Reynoldsin luvun ollessa alle 1 x 10⁵, luvun ollessa yli 3 x 10⁶ virtausta pidetään turbulenttisena ja kun luku on näiden lukujen välissä, puhutaan transitiovirtauksesta. Luvut vaihtelevat hieman lähteestä riippuen. Alla kaavassa 10 esitetty Reynoldsin yhtälö. [3, s. 512–514.]

𝑅𝑒 = (10)

(21)

Tässä 𝜌 on ilman tiheys yksikössä , 𝑉 on ilmavirtauksen nopeus yksikössä , L on tutkittavan kappaleen karakteristinen pituus, esimerkiksi ajoneuvon virtauksen suuntainen pituus yksikössä 𝑚 ja 𝜇 on ilman dynaaminen viskositeetti yksikössä

∗ . Yhtälöstä saatava 𝑅𝑒 on Reynoldsin luku, joka on dimensioton parametri. Alla kaavassa 11 sijoitettu yhtälöön yksiköt.

𝑅𝑒 = ^{∗ ∗}

∗

(11)

Tästä voidaan havaita, että kaikki yksiköt voidaan supistaa ja jäljelle jää vain dimensioton lukuarvo. Tätä voidaan hyödyntää esimerkiksi tuulitunnelitestejä suorittaessa. Kun tutkimuskohteelle on laskettu Reynoldsin luku, voidaan yhtälöä käyttämällä selvittää tuulitunnelissa käytettävän pienoismallin vaatima virtausnopeus, kun tiedetään pienoismallin mittakaava ja ilman tiheys sekä viskositeetti.

2.2.5 Coanda-ilmiö

Coanda-ilmiöllä tarkoitetaan virtauksen ominaisuutta kääntyä kuperan pinnan suuntaan (kuva 7). Tätä voidaan havainnollistaa käytännönläheisellä esimerkillä lusikasta vesiha- nan alla. Kun vesisuihku kohdistetaan lusikan kuperaan pohjaan, virtaus pyrkii käänty- mään lusikan pinnan suuntaan aiheuttaen samalla Newtonin kolmannen lain mukaisesti lusikkaan vastavoiman. Vastavoiman suuruus määräytyy Newtonin toisen lain mukaan poikkeutetun virtauksen massan ja siihen aiheutetun kiihtyvyyden perusteella.

Bernoullin lain mukaan virtaus kiihtyy lusikan kuperan pinnan kohdalla aiheuttaen kuperaan pintaan pienemmän paineen, joka saa aikaan lusikkaan pintaa vastaan kohtisuoran voiman. Virtaus jatkaa kappaleen reunan saavutettuaan sen hetkiseen kulkusuuntaansa tai irtoaa aiemmin, mikäli pinta kaartuu liian jyrkästi virtauksen ominaisuuksiin nähden.

Virtauksen irtoamiskohta kuperasta pinnasta riippuu pinnan muodosta ja virtauksen omi- naisuuksista. Esimerkiksi verrattain vähän kineettistä energiaa sisältävä laminaari virtaus irtoaa kappaleen pinnasta helpommin kuin energisempi turbulentti virtaus. [1, s. 29–

30.]

(22)

Coanda-ilmiö [1, s. 30].

Kuva havainnollistaa virtauksen ominaisuutta kääntyä pinnan suuntaan Coanda-ilmiön seurauksena. Virtaus irtoaa pinnasta, jos pinta kääntyy virtauksen ominaisuuksiin näh- den liian jyrkästi.

2.2.6 Rajakerros (Boundary layer)

Ilmavirtaus kappaleen läheisyydessä on aina kitkallista virtausta. Tästä johtuen aivan pinnassa kiinni olevan kerroksen nopeus on nolla. Ilman sisäisen viskositeetin aiheuttamista kitkavoimista johtuen seuraava kerros liukuu alemman kerroksen päällä hieman suuremmalla nopeudella. Virtauksen nopeus lähenee kerros kerrokselta vapaan virtauksen nopeutta kappaleen pinnasta pois päin mentäessä. Rajakerros ulottuu pinnasta siihen korkeuteen asti, jossa virtausnopeus on 99 % vapaan virtauksen nopeudesta (kuva 8). [1, s. 26; 3, s. 511–513; 9.]

(23)

Rajakerroksen paksuus [3, s. 513].

Kitkavoimista johtuen rajakerroksen paksuus kasvaa kappaleen pinnassa virtauksen kulkusuuntaan mentäessä. Tämä johtuu siitä, että mitä pidemmälle virtaussuuntaan kulje- taan, sitä enemmän kitkavoimat ovat hidastaneet virtausta. [1, s. 26; 3, s. 511–513.]

Rajakerrosvirtaus alkaa usein laminaarisena virtauksena, jonka paksuus kasvaa kappaleen läheisyydessä virtauksen kulkusuuntaan mentäessä, koska kitkavoimat vievät vä- hitellen pinnan läheisyydessä olevasta virtauksesta kineettistä energiaa. Tästä johtuen hidastuneen virtauksen vaikutukset alkavat näkyä yhä kauempana kappaleen pinnasta.

Pintaan nähden erisuuntaiset virtauksen nopeuskomponentit kasvattavat nopeasti rajakerroksen paksuutta muuttaen sen lopulta turbulenttiseksi (kuva 9). [4, s. 23–24; 10.]

Rajakerroksen muutos [3, s. 514].

Kuvassa on esitetty virtauksen kehittyminen levyn pinnalla laminaarista turbulenttiseksi (pystyakselia on skaalattu paljon havainnollisuuden lisäämiseksi). Virtaus levyn alussa

(24)

on laminaarista, mutta muuttuu kitkavoimien kuluttaman kineettisen energian vuoksi transitiovirtaukseksi Reynoldsin luvun ollessa n. 1 x 10⁵ ja edelleen transitiovirtauksesta täysin turbulenttiseksi Reynoldsin luvun ollessa n. 3 x 10⁶. [3, s. 514.]

2.3 Computational Fluid Dynamics

Computational Fluid Dynamics (CFD) eli tietokoneavusteinen virtauslaskenta, jota käy- tetään kaasu- ja nestevirtausten, lämmönsiirtotapausten ja kemiallisten reaktioiden rat- kaisuun [4, s. 47]. Tässä työssä keskitytään ajoneuvon ulkopuolisen ilmavirtauksen käyt- täytymiseen ja sen vaikutuksiin huomioimatta lämmönvaihtoa.

CFD-laskentaa varten tarvitaan simuloitavan kohteen virtausalueesta 3D-malli. Tämän työn kohdalla se tarkoittaa tuulitunnelin kaasutilavuutta, josta on poistettu ajoneuvon viemä tilavuus. Simuloitava tilavuus verkotetaan jakamalla se hyvin pieniksi elemen- teiksi, joiden tyyppi ja koko määritetään ennalta kyseisessä kohdassa olevalle virtauk- selle sopivaksi, käyttäen kuitenkin mahdollisimman vähän elementtejä laskentatehon ja -ajan minimoimiseksi. Laminaarisella virtauksella voidaan käyttää harvempaa verkkoa, ja turbulenttisella virtauksella, jonka ominaisuudet muuttuvat nopeammin, joudutaan käyttämään tiheämpää verkkoa. Kolmiulotteisilla kappaleilla ulkopuolista virtausta las- kettaessa verkko koostuu usein sadoista tuhansista tai jopa sadoista miljoonista elemen- teistä.

Virtausta rajoittaville pinnoille annetaan reunaehdot: pintojen kitkaominaisuudet ja liike- nopeudet sekä esimerkiksi jäähdytinelementin virtausvastusominaisuudet. Lopuksi mää- ritetään turbulenssimalli ja muut laskentaa koskevat asetukset sekä väliaineen ominaisuudet.

Simulointivaiheessa tietokone ratkaisee tapauksen laskemalla jokaisen elementin virtauksen iteratiivisella menetelmällä muuttaen lähtöarvoja iteraatioiden välissä. Suurim- mat mallit koostuvat usein kymmenistä tai sadoista miljoonista elementeistä, joten laskenta vaatii hyvin tehokkaan tietokoneen. Laskenta voidaan suorittaa myös klusterilla, joka on usean tietokoneen kokonaisuus.

(25)

Simulointi on valmis, kun laskenta on konvergoinut eli seurattavat virhearvot ja esimerkiksi simulointikohteeseen vaikuttavien voimien muutokset edellisten iteraatioiden tulok- siin nähden ovat riittävän pienet. Virhe iteraatioiden välisissä arvoissa lasketaan kaavalla 12. [11, s. 324–325.]

𝑉𝑖𝑟ℎ𝑒 = (12)

Dmitattu on joko edellisen iteraation arvo tai keskiarvo useamman iteraation ajalta. Dlaskettu

on mitattujen arvojen perusteella laskettu uusi arvo. Mitä vähemmän uudet, lasketut tulokset eroavat aiemmista tuloksista, sitä pienempi virhe on. [11, s. 325.]

Laskennan jälkeen tuloksia voidaan vertailla jälkikäsittely- ja taulukkolaskentaohjelmilla.

Esimerkiksi aerodynaamisia paine- ja kitkavoimia sekä momentteja voidaan vertailla, kun siirretään jälkikäsittelyohjelmasta numeeriset arvot taulukkolaskentaohjelmaan. Vi- suaalinen tarkastelu on kuitenkin yksi CFD:n suurimpia etuja. Visuaalinen tarkastelu mahdollistaa esimerkiksi turbulenttisuuden, virtausnopeuksien ja -kulkusuuntien sekä paine- ja kitkavoimien tarkastelun mallin pinnalla tai käytännössä missä vaan kohtaa simuloitavaa tilavuutta. Kahden mallin välisiä eroja visuaalisesti tarkasteltaessa voidaan käyttää vaihtoehtoisesti vierekkäin asetettujen tulosten sijaan yhtä näkymää, jossa on tehty erotus kahden vertailtavan tapauksen halutuista suureista (kuva 10). [4, s. 51–55;

12.]

(26)

Paine-erot kahden variaation välillä [12].

Tässä tapauksessa verrataan kahden eri etusiipigeometrian aiheuttamia muutoksia ajoneuvon pintoihin kohdistuvissa painevoimissa. Kuvassa näkyy mustalla geometria, joka on muuttunut variaatioiden välillä. Paineen kasvu näkyy punakeltaisena ja lasku sinivih- reänä. Väriskaala on säädetty niin, että pienimmät muutokset näkyvät harmaana. Tällä voidaan korostaa muutosalueiden havaittavuutta. [12]

(27)

3 Tutkimuskohde

Tutkimuskohteena on seuraavan Metropoliassa tehtävän sähköauton alustavat suunni- telmat, joiden perusteella virtauslaskenta tehdään. Työn tarkoituksena on selvittää ajoneuvon aerodynaamiset voimat ja pyrkiä löytämään kehityskohteita ajoneuvon muotoi- lussa. Muutokset on tarkoitus rajata ajoneuvon pohjan muotoiluun muuttamatta ajoneuvon ulkonäköä.

Muutoksilla pyritään minimoimaan mahdollinen nosteen kehittyminen ja parhaassa tapauksessa ajoneuvon halutaan tuottavan jonkin verran negatiivista nostetta. Toisena tavoitteena työssä on saada muutosehdotuksilla siirrettyä ajoneuvon aerobalanssia lä- hemmäksi painojakauman aiottua sijaintia tai mieluiten hieman sen taakse.

3.1 Simulointimalli

Lähtötilanteena on Rhinoceros 5 mallinnusohjelmalla tehty ajoneuvon 3D-malli. Yleisesti ajoneuvosimulointimalleista poistetaan yksinkertaistuksen vuoksi jäähdytinkanavat ja rengas korvataan pyörähdyssymmetrisellä sylinterillä. Jäähdyttimien ja vanteiden läpi kulkevat ilmavirtaukset koettiin kuitenkin kokonaisuuden kannalta merkityksellisiksi sei- koiksi. Siksi mallissa on yksinkertainen 5-puolainen vanne ja jäähdytinkanavat, joihin on lisätty jäähdyttimiä kuvaavat elementit. Verkotuksen helpottamiseksi renkaiden koske- tuspinnan ympärille tehtiin contact patchit, joilla mahdollistetaan laadukkaan verkon luonti myös renkaan tyvialueelle. (Kuva 11.)

(28)

Havaintokuva ajoneuvon simulointimallista.

Kuvassa näkyy jäähdytinelementit vihreinä ja renkaille tehdyt contact patchit kapeana reunuksena renkaan juuressa. Ajoneuvon simulointivalmis 3D-malli jaettiin pitkittäisellä symmetriatasolla tarvittavien laskentaresurssien minimoimiseksi. Simuloitavasta tunne- limallista poistettiin tämän mallin viemä tilavuus, jolloin jäljelle jää simuloitava geometria, joka sisältää ainoastaan kaasun tilavuuden. Tunneligeometrian pinnat nimetään tässä vaiheessa myöhempää reunaehtojen määritystä ja tulosten analysointi varten.

3D-mallille tehtiin edellä esitetyt toimenpiteet neljässä erilaisessa ajotilanteessa:

Normaali ajotilanne

Normaalissa ajotilanteessa ajoneuvo on aiotussa staattisessa ajokorkeu- dessa.

Matala ajotilanne

Matalassa ajotilanteessa ajoneuvoa on laskettu 30 mm alemmaksi, jotta nähdään ajoneuvon takaosassa olevan viistosti nousevan lattiaosan eli dif- fuusorialueen ja muun pohjan aerodynamiikan toiminnan muuttuminen jou- situksen ollessa ala-asennossaan.

(29)

Korkea ajotilanne

Korkeassa ajotilanteessa ajoneuvoa on nostettu 30 mm ylemmäksi, jotta nähdään diffuusorin ja pohjan aerodynamiikan toiminnan muuttuminen jou- situksen ollessa yläasennossaan.

Keula alhaalla -ajotilanne

Keula alhaalla -ajotilanteessa ajoneuvon keulaa on laskettu 30 mm alemmaksi, joka vastaa tiukkaa jarrutustilannetta. Tämän oletetaan vaikuttavan diffuusorin ja pohjan aerodynamiikan toimintaan merkittävästi siirtäen balanssia eteenpäin ja tehden autosta epävakaamman.

Tunnelimallin otsapinta-ala on 10 x 10 metriä ja se on 50 metriä pitkä. Ajoneuvon otsapinta-ala on n. 1,81 m² ja kun käytetään symmetriatasolla puolitettua ajoneuvomallia, niin simuloitava kohde peittää hieman alle prosentin simuloitavan tunnelin otsapinta- alasta, mikä on varsin hyvä suhde. Tunneli jatkuu auton etupuolelle noin kolmen auton pituuden verran ja taaksepäin noin kahdeksan auton verran. Auton ympärille on tehty laatikoita verkon ominaisuuksien määrittämiseen (refinement box), joilla määritellään pienemmällä elementtikoolla verkotettavat alueet, joissa virtauksessa tapahtuu suurimpia nopeuden ja paineen muutoksia tai virtaus on turbulenttista. Alla tunnelista ja refinement boxeista havainnollistava kuva 12.

Simuloitava tunnelimalli ja refinement boxit.

(30)

Ajoneuvo näkyy simulointimallin toisessa reunassa, koska malli on jaettu keskeltä symmetriatasolla kahtia. Refinement boxit näkyvät kuvassa vihreällä.

Malliin luotiin verkotusvaiheessa pintaverkko kaikille pinnoille noudattaen refinement bo- xeille ja eri pinnoille määritettyjä elementtien kokorajoituksia. Pintaverkon perusteella tehtiin tilaverkko, jossa on maan ja ajoneuvon pinnoilla ennalta määritelty määrä inflation layereitä, eli litteitä pinnan suuntaisia elementtejä. Inflation layerit ovat tärkeitä alueilla, joissa halutaan ratkaista rajakerrosvirtaus. Kuvassa 13 ajoneuvon pintaverkko ja poikkileikkaus pituusakselin suuntaisesta tilavuusverkosta.

Ajoneuvon pintaverkko ja poikkileikkaus tilaverkosta.

Verkotukseen on käytetty ANSYS Fluentin uutta Poly-Hexcore-verkotusta, joka tekee pinnoille polygon-verkon ja tilavuuksille hexa-verkon. Inflation layerit pursotetaan pinnoilla olevasta polygon-verkosta litteinä levymäisinä elementteinä ja niiden ja hexa-verkon väliin jäävä tila verkotetaan polygon meshillä.

Jäähdytinelementit on tehty määrittämällä niihin kohtiin simuloitavaa mallia huokoiset eli Fluid Porosity -alueet, joissa jäähdytinelementit sijaitsevat. Jäähdytinelementtien virtaus- vastusarvojen kertoimet C2 (Pressure Jump Coefficient) ja (Viscous inertial resistance factor) on laskettu ANSYS Helpistä löytyvien ohjeiden perusteella käyttämällä lähtötie- toina ajoneuvojäähdyttimiltä mitattua virtausvastusdataa. [13]

(31)

Mitattuun virtausvastusdataan sovitetaan toista astetta oleva funktio (kaava 13), joka noudattelee paineen nousua virtausnopeuden funktiona. Tämän toisen asteen yhtälön ensimmäisen termin arvo 𝐾 lasketaan kaavalla 14 ja toisen termin arvo 𝐾 lasketaan kaavalla 15. [14]

∆𝑝 = 𝐾 𝑣 + 𝐾 𝑣 (13)

𝐾 = 𝐶 𝜌∆𝑛 (14)

𝐾 = ∆𝑛 (15)

Edellä olevissa kaavoissa 𝑣 on virtausnopeus ja ∆𝑝 paineenpudotus huokoisen materiaalin yli, 𝜌 on virtaavan aineen tiheys, ∆𝑛 on huokoisen materiaalin paksuus ja 𝜇 on virtaavan aineen dynaaminen viskositeetti. Simulointia varten porous median määrittä- miseksi tarvitaan Fluid porosity -kertoimet 𝐶 (Inertial resistance) ja (Viscous resistance), jotka lasketaan kaavoista 14 ja 15 johdetuilla alla esitetyillä kaavoilla 16 ja 17.

[14]

𝐶 = ∆ (16)

= ∆ (17)

Jäähdytinvalmistajilta ei ole helposti saatavilla jäähdytinelementtien virtausvastusarvoja, joten työssä turvauduttiin jo tehtyihin tutkimuksiin jäähdyttimien virtausvastuksista. Vaih- toehtoinen mahdollisuus olisi ollut tehdä mittaukset itse halutulle jäähdyttimelle, mutta tässä työssä jäähdyttimien aiheuttaman virtausvastuksen arvon tarkkuus ei ole kovin tär- keässä roolissa ja mittauksien työmäärä on sen datan arvoon nähden suhteettoman suuri.

Lähtöarvoiksi löydettiin kaksi opinnäytetyötä, joissa virtausvastus oli mitattu, ja Research Gaten julkaisema esimerkkitapaus simuloinnista ANSYS Fluentilla, jossa otetaan huo- mioon jäähdyttimet kokonaista ajoneuvoa simuloitaessa. Oikeaan ajoneuvoon liittynyt

(32)

opinnäytetyö oli tehty Texasissa 1995 Fordin jäähdytinkokoonpanolle, jossa oli ilmastoinnin jäähdytin ja ilmastoinnin lauhdutin kennot peräkkäin [15]. Tämän työn tuloksille annettiin niiden luotettavuuden ja vertailukelpoisuuden perusteella painokertoimeksi 3.

Formula SAE -kilpa-auton jäähdytystä tutkivassa opinnäytetyössä käsiteltiin hieman pie- nempää yksittäistä jäähdytinelementtiä, jonka paksuuden ja pienemmän otsapinta-alan laskentakaavat kuitenkin huomioivat [16]. Tämän työn tuloksille annettiin niiden luotettavuuden perusteella painokertoimeksi myös 3. Research Gaten julkaisemassa esimerk- kitapauksessa oli laskettu jo tarvittavat kertoimet 𝐶 ja , mutta jäähdytinelementtiä, jolle kertoimet oli laskettu, ei työssä käsitelty tarkemmin [17]. Tämän työn kertoimille annettiin siksi painokertoimeksi vain 1. Edellä esitetyt laskentakaavat jättävät jäähdyttimien väli- sistä eroista huomioimatta vain nestekanavien ja jäähdytinrivoituksen tiheyden, jotka molemmat vaikuttavat virtausvastukseen. Laskemalla työssä käytettävät vastuskertoi- met näistä kolmesta lähteestä löytyneiden tietojen perusteella päästään karkeaan mutta riittävän tarkkaan arvoon. Laskentaan käytetty Excel-taulukko liitteessä 1.

3.2 Simulointikoodi

ANSYS Fluent -ohjelmistoa on helpointa käyttää Graphical User Interfacen (GUI) avulla, mutta työssä päätettiin kuitenkin suuren työtaakan vuoksi kehittää koodi, jolla suurin osa simuloinnista ennen jälkikäsittely vaihetta voitiin automatisoida. Fluenttia voidaan käyt- tää myös manuaalisesti Text User Interfacen (TUI) kautta. Koodi kehitettiin käyttämällä Fluenttia TUI:n kautta manuaalisesti tallentaen samalla kaikki TUI-komennot tekstitie- dostoihin, joiden pohjalta muodostettiin käytettävä koodi keräämällä halutut komennot yhteen tekstitiedostoon. Koodin sisältöä muokkaamalla voidaan tehdä helposti muutoksia simulointiasetuksiin. Alla esitetyssä esimerkkikoodissa 1 määritetään simulointiver- kon elementtien koko.

;---Mesh size controls--- /size-functions/set-global-controls 0.25 600 1.2

;---Body of Influences (max size, growth rate)--- /scoped-sizing/create boi-far boi object-faces-and-edges yes no boi4* 112 1.2

/scoped-sizing/create boi-middle boi object-faces-and-edges yes no boi3*

56 1.2

/scoped-sizing/create boi-near boi object-faces-and-edges yes no boi2* 28 1.15

/scoped-sizing/create boi-close boi object-faces-and-edges yes no boi1*

14 1.1

(33)

/scoped-sizing/create boi-problem-areas boi object-faces-and-edges yes no boi0* 7 1.1

/scoped-sizing/create soft-ground soft face-zone-labels yes no tunnel-enclosure:tunnel-enclosure-enclosure ground 56 1.1

;---Curvature control (minimum size, maximum size, growth rate, curvature normal angle)--- /scoped-sizing/create curvature-car curvature face-zone yes no carl* 4 10 1.1 15

/scoped-sizing/create curvature-medium curvature face-zone yes no carm* 2 5 1.1 15

/scoped-sizing/create curvature-high curvature face-zone yes no carh* 0.8 4 1.15 12

;---Proximity control (minimum size, maximum size, growth rate, cells per gap)--- /scoped-sizing/create proximity-car proximity edge-zone yes no *edge*

0.25 5 1.2 4

/scoped-sizing/compute

;---Mesh size controls--- /size-functions/set-global-controls 0.25 600 1.2

Esimerkkikoodi 1. Ote simulointikoodista, jossa määritetään elementtien koko.

Koodissa annetaan halutut määritykset verkkoa varten, joissa viitataan simulointimallin aiemmin nimettyihin pintoihin. Kommentointiriveille on myös tarvittaessa lisätty sulkuihin vaihdettaville parametreille selitteet. Verkkoa joutuu yleensä korjaamaan ohjelman auto- maattisesti luoman verkon jäljiltä, jonka korjaamiseen käytetty osa koodia esitetty alla esimerkkikoodissa 2.

;---Get rid of bad quality surface mesh--- /diagnostics/quality/general-improve face-zones car* *edge symmet* () skewness 0.5 30 5 yes

/diagnostics/quality/general-improve face-zones car* *edge symmet* () skewness 0.5 40 5 yes

/diagnostics/quality/collapse face-zones car* *edge ground symmet* () skewness 0.5 30 10 yes

.

(34)

. .

;---Get rid of bad quality volumetric cells---

;---(skewness quality limit, max iter/node, dihedral angle, restrict boundary nodes along surface [yes], iterations)--- /mesh/modify/auto-node-move * () * () 0.9 50 120 yes 10

Esimerkkikoodi 2. Ote simulointikoodista, jossa korjataan verkon laatua.

Ylläolevassa esimerkkikoodissa korjataan aluksi verkon pintaelementtien laatua ja lop- puosassa korjataan tilavuusverkon laatu. Seuraavana esitetyllä esimerkkikoodi 3:lla määritetään laskentamenetelmä, tässä työssä käytettiin alussa ja lopussa konservatiivi- sempia laskenta-asetuksia ja laskennan keskivaiheilla aggressiivisempia asetuksia.

;---Define solving strategy--- (define n-it-conservative-start 120)

(define n-it-aggressive-mid 30) (define n-it-conservative-end 300) /solve/set/p-v-coupling 24

;---Solving phase---

;---Conservative--- /solve/set/p-v-controls 0.25 0.25

/solve/set/pseudo-relaxation-factor/k 0.8 /solve/set/pseudo-relaxation-factor/omega 0.8 it n-it-conservative-start

;---Aggressive--- /solve/set/p-v-controls 0.4 0.4

/solve/set/pseudo-relaxation-factor/k 0.95 /solve/set/pseudo-relaxation-factor/omega 0.95 it n-it-aggressive-mid

;---Conservative--- /solve/set/p-v-controls 0.2 0.2

/solve/set/pseudo-relaxation-factor/k 0.95 /solve/set/pseudo-relaxation-factor/omega 0.95 it n-it-conservative-end

Esimerkkikoodi 3. Konservatiivis - aggressiivis - konservatiivinen laskentamenetelmä.

Edellä esitetyt koodin osat ovat poimintoja liitteessä 2 olevasta simulointikoodista, jolla suoritetaan simulointi ANSYS Fluentin avauksesta solution vaiheen loppuun. Solution- vaiheen jälkeen jäljelle jää enää manuaalisesti tehtävä tulosten jälkikäsittely.

(35)

4 Tulokset

Tässä luvussa tarkastellaan ajoneuvoon vaikuttavia aerodynaamisia voimia edellä esi- teltyjen neljän eri ajotilanteen osalta. Tuloksissa lähtötilanteesta käytetään nimitystä versio 1 ja kehitysversiosta versio 2.

Ajoneuvon ja erityisesti sen pohjan aerodynamiikan toiminnasta saa paremman ymmär- ryksen tekemällä simulointeja eri ajotilanteista, joka mahdollistaa esimerkiksi tulosten esittämisen ajokorkeuksien suhteen aerokarttana. Tästä syystä tehtiin simulaatiot erilai- sista ääritilanteista. Jäähdytinelementtien voimat on yhdistetty käytetyissä Excel-tiedos- toissa jälkikäteen Fluentin antamiin voimiin, koska Fluent ei anna jäähdyttimien virtausvastuksista aiheutuvia voimia samaan tapaan kuin esimerkiksi auton koriin vaikuttavat voimat, vaan ne on laskettu erikseen CFD-Post-ohjelmassa, joka on virtauslaskennan tulosten jälkikäsittelyyn tarkoitettu ohjelma.

Simulointitapausten vertailuun käytettävien staattisen paineen alueiden rajat ovat -400 ja +400 Pa:n paine-ero vallitsevaan paineeseen verrattuna. Virtaviivoituksen väriskaalan alue on 0–40 m/s simulointinopeuden ollessa 33,3 m/s eli 120 km/h. Eri tapausten välistä vertailua ajatellen oleellisinta kuvissa ovat ajoneuvon pohjan staattisen paineen alueet ja virtauksen kulkusuunta ja nopeus. Vertailun tueksi on kuvien yhteyteen otettu myös numeerisia tuloksia taulukoihin, joista nähdään tärkeimmät aerodynamiikan kertoimet ja akselikohtaiset voimat.

4.1 Lähtötilanne (versio 1)

Tässä luvussa tarkastellaan lähtötilanteena olleen mallin simulointituloksia visuaalisina ja numeerisina. Tulosten perusteella tehtiin kehitysversio (versio 2).

(36)

4.1.1 Normaali ajotilanne

Seuraava tilanne on kyseessä silloin, kun jousitus on suunnitellussa keskiasennossaan ajoneuvon ollessa normaalissa ajotilassaan 88 millimetrin korkeudella. Alla olevassa kuvassa 14 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympä- röivä ilmavirtaviivoitus.

Normaali ajotilanne - V1, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympä- rillä.

Virtaus kiihtyy ajoneuvon alla, joka nähdään virtaviivoituksen punaisesta väristä ja pysyy kiinnittyneenä ajoneuvon pohjaan diffuusorin loppuun asti lähellä auton keskilinjaa, mutta sakkaa eli irtoaa seuraamastaan pinnasta kuitenkin lähempänä diffuusorin ulkoreunaa. Alipainealueet näkyvät sinisinä ja keskittyvät pohjan etummaiselle puolikkaalle pienipaineisimman alueen ollessa puskurin alla kohdassa, jossa virtaus irtoaa hetkeksi.

Alla oleva taulukko 1 on liitteessä 3 olevasta Excelistä, jossa on tämän tapauksen tulokset numeerisina.

(37)

Taulukko 1. Normaalin ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Merkittävintä tässä on hyvin etupainoinen aerobalanssi. Etupainoisuutta aiheuttaa auton yli kulkeva nopea virtaus, joka muodostaa katolle pienipaineisen alueen, ja pohjan aerodynamiikan huono toiminta tällä ajokorkeudella.

4.1.2 Matala ajotilanne

Seuraavassa tapauksessa ajoneuvoa laskettiin simulointimallissa 30 mm vastaamaan ajotilannetta, jossa ajoneuvon jousitus on sisään joustaneena. Tällainen ajotilanne on mahdollinen esimerkiksi suurella kuormalla tiessä olevaan jouhevaan kuoppaan ajettaessa. Alla olevassa kuvassa 15 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Normaali ajotilanne - Versio 1 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Frontal area [m^2] 1,809 C_L -0,045

Air density [kg/m^3] 1,205 C_D 0,291

Wheelbase [m] 2,6 L/D ratio -0,153

Radiators Force [N] Torq. arm [m]

Front-Radiator (Z-dir) 18,21 1,82 CPM -0,107

Rear-Radiator (X-dir) 1,44 0,32 CLF -0,129

Moment around y-axis [Nm] 33,59 C_LR 0,084

no radiator with radiator

Z (Lift) -72,2 -54,0

X (Drag) 351,0 352,4 Front -156

Moment around Y-axis [Nm] -369,2 -335,6 Rear 102

% Front 289 %

Front / rear lift coefficients Lift and drag coefficients

Looking from left, positive moment is clockwise

Aerodynamic lift [N]

(38)

Matala ajotilanne - V1, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympärillä.

Virtaus kiihtyy hieman ajoneuvon alla ja pysyy lähes koko pohjan matkan kiinnittyneenä ajoneuvon pohjaan lähellä auton keskilinjaa, mutta sakkaa jo huomattavan aikaisin lä- hempänä diffuusorin ulkoreunaa. Kineettistä energiaa ei ole auton alla tarpeeksi diffuusorin hyvää toimintaa ajatellen. Ajoneuvon keulan alla alipaine kasvaa hieman.

Alla oleva taulukko 2 on liitteessä 4 olevasta Excelistä, jossa on tämän tapauksen tulokset numeerisina.

Taulukko 2. Matalan ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Voidaan huomata, että aerobalanssi on suunnilleen samalla kohdalla negatiivisen nosteen hieman lisääntyessä. Keulan alle muodostuu hieman suurempi alipaine maavaran

Matala ajotilanne - Versio 1 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Frontal area [m^2] 1,791 CL -0,055

Air density [kg/m^3] 1,205 CD 0,265

Moment around y-axis [Nm] 33,50 CLR 0,100

Z (Lift) -84,4 -66,3

X (Drag) 316,1 317,5 Front -186

% Front 281 %

Lift and drag coefficients

Front / rear lift coefficients

(39)

ollessa pienempi, mutta toisaalta auton alle ei pääse silloin diffuusorin toimintaa ajatellen tarpeeksi kineettistä energiaa ja diffuusorin toiminta heikkenee.

4.1.3 Korkea ajotilanne

Seuraavassa tapauksessa ajoneuvoa nostettiin simulointimallissa 30 mm vastaamaan ajotilannetta, jossa ajoneuvon jousitus on ylös joustaneena. Tämän kaltainen ajotilanne on erittäin epätodennäköinen. Alla olevassa kuvassa 16 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Korkea ajotilanne - V1, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympärillä.

Virtaus kiihtyy ajoneuvon alla suunnilleen yhtä paljon kuin aiemmissa tapauksissa, mutta suuremman maavaran vuoksi kineettistä energiaa on enemmän ajoneuvon alla. Tästä syystä virtaus pysyy hyvin koko pohjan matkan kiinnittyneenä ajoneuvon pohjaan lähellä auton keskilinjaa ja sakkaa diffuusorin ulkoreunan läheisyydessä vasta aivan lopussa.

Ajoneuvon keulan alla alipaine kasvaa aiempia tapauksia enemmän, ja auton takaosan pohja tuottaa tällä ajokorkeudella hieman enemmän negatiivista nostetta, koska diffuusori ei sakkaa.

Alla oleva taulukko 3 on liitteessä 5 olevasta Excelistä, jossa on simuloinnin tulokset numeerisina.

(40)

Taulukko 3. Korkean ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Taulukosta nähdään aerobalanssin siirtyneen lähemmäksi ollen kuitenkin hyvin kaukana toivotulta alueelta ajoneuvon painopisteen läheisyydestä, jolloin balanssin pitäisi olla noin 40 % etuakselilla. Negatiivinen noste on suurempi kuin edellisissä tapauksissa pe- rään kohdistuvan nosteen ollessa pienimmillään. Tämä selittyy sillä, että ajoneuvon alle pääsee eniten kineettistä energiaa diffuusorin toimintaa ajatellen, jolloin se toimii kohta- laisesti ja kiihdyttää ajoneuvon alla olevaa virtausta.

4.1.4 Keula alhaalla ajotilanne

Seuraavassa tapauksessa ajoneuvon keulaa laskettiin simulointimallissa 30 mm vastaamaan ajotilannetta, jolloin ajoneuvon etupään jousitus on sisään joustaneena. Tämän kaltainen ajotilanne on mahdollinen tiukassa jarrutuksessa. Alla olevassa kuvassa 17 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Korkea ajotilanne - Versio 1 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Z (Lift) -107,7 -89,5

X (Drag) 372,0 376,6 Front -184

% Front 206 %

(41)

Keula alhaalla ajotilanne - V1, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympärillä.

Keulan matalasta asennosta johtuen ajoneuvon alle pääsee hyvin vähän kineettistä energiaa suhteessa verrattain korkealla olevaan perään. Pohjan aerodynamiikka toimii kohtalaisen hyvin diffuusorille asti, mutta se on aivan liian aggressiivinen auton alla olevaan kineettiseen energiaan nähden. Ajoneuvon pohja muodostaa jo itsessään tässä tilanteessa loivan diffuusorin kehittäen auton keski- ja etuosan alle suurimman alipai- nealueen. Varsinainen diffuusori ei toimi käytännössä ollenkaan ja auton alla esiintyy myös takaisinvirtausta.

Taulukko 4. Keula alhaalla ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Keula alhaalla ajotilanne - Versio 1 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Z (Lift) -149,0 -130,8

X (Drag) 321,8 324,3 Front -235

% Front 179 %

(42)

Tuloksista nähdään, että negatiivisen nosteen määrä on suurimmillaan ja aerobalanssi myös paras näiden ajotilanteiden kesken. Tämä johtunee siitä, kun ajoneuvon pohja it- sessään tuottaa kaltevuuskulmastaan johtuen hyvin negatiivista nostetta diffuusorin toi- miessa kaikissa tilanteissa enemmän tai vähemmän huonosti.

4.2 Kehitysversio (versio 2)

Tässä luvussa tarkastellaan kehitysversion tuloksia samoissa neljässä eri ajotilassa. Ajo- neuvomallin pohjan muotoilua muokattiin versio 1:ssä havaittujen ongelmien perusteella.

Muutoksiin kuuluivat etupuskurin alareunan 80 mm:n nosto keskeltä, jotta saadaan enemmän kineettistä energiaa ajoneuvon alapuoliseen virtaukseen diffuusorin toiminnan parantamiseksi, diffuusorin jakaminen raja-aidoilla kapeampiin sektoreihin virtauksen ja- kamiseksi laajemmalle alueelle ja raja-aidat renkaiden eteen pienentämään pyöränkote- loihin päätyvää haitallista virtausta.

4.2.1 Normaali ajotilanne

Seuraava simulointi on muuten vastaava kuin versio 1:n normaali ajotilanne, mutta päi- vitetyllä geometrialla. Alla olevassa kuvassa 18 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Normaali ajotilanne - V2, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympä- rillä.

(43)

Kuvasta nähdään, että ajoneuvon alapuolinen virtaus kiihtyy vasta etuakseliston kohdalla huippunopeuteensa, mutta suuremmasta kineettisestä energiasta johtuen virtaus pysyy paremmin kiinni ajoneuvon pohjassa diffuusorille asti. Versio 1:n vastaavaan ajo- tilanteeseen verrattaessa tässä on saatu ajoneuvon alle enemmän kineettistä energiaa, puskurin alla ollut alipaine alue on hävinnyt ja ajoneuvon pohjassa eturenkaiden jälkei- sen alueen alipaine on kasvanut

Taulukko 5. Normaalin ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Tuloksista nähdään, että kokonaisnoste on muuttunut negatiivisesta positiiviseksi. Muu- tos johtuu pääasiassa keulan 80 mm:n nostosta. Ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien alustavoimiin aiheuttamat muutokset ovat pienentyneet versio 1:een verrattuna prosentuaalisen eron etu-, ja takapään välillä ollessa kuitenkin suuri.

4.2.2 Matala ajotilanne

Seuraava simulointi on muuten vastaava kuin versio 1:n matala ajotilanne, mutta päivi- tetyllä geometrialla. Alla olevassa kuvassa 19 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Normaali ajotilanne - Versio 2 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Frontal area [m^2] 1,814 CL 0,036

Wheelbase [m] 2,6 L/D ratio 0,133

Z (Lift) 27,1 43,8

X (Drag) 323,4 328,7 Front -19

% Front -43 %

(44)

Matala ajotilanne - V2, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympärillä.

Kuvasta nähdään, että ajoneuvon alapuolinen virtaus on suurimmillaan etuakseliston kohdalla, jossa on myös pohjan pienipaineisin alue. Versio 1:ssä esiintynyttä etupuskurin alaista pienipaineisinta aluetta ei enää esiinny, koska etupuskuria nostettiin siitä koh- dasta kineettisen energian lisäämiseksi ajoneuvon alla. Siitä johtuen virtaus pysyy versio 1:een verrattuna hieman paremmin kiinni diffuusorissa.

Taulukko 6. Matalan ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Matala ajotilanne - Versio 2 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Frontal area [m^2] 1,797 CL 0,069

Wheelbase [m] 2,6 L/D ratio 0,277

Z (Lift) 66,1 83,2

X (Drag) 296,9 300,5 Front -17

% Front -20 %

(45)

Tuloksista nähdään, että kokonaisnoste on muuttunut versio 1:n matalaan ajotilantee- seen verrattuna negatiivisesta positiiviseksi. Etupään negatiivinen noste on pienentynyt hyvin paljon ja takapään positiivinen noste on myös pienentynyt muutoksen ollessa hieman pienempi takapäässä. Muutos johtuu pääasiassa keulan nostosta. Ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien alustavoimiin aiheuttamat muutokset ovat pienentyneet versio 1:een verrattuna prosentuaalisen eron etuja takapään välillä ollessa kuitenkin suuri.

4.2.3 Korkea ajotilanne

Seuraava simulointi on muuten vastaava kuin versio 1:n korkea ajotilanne, mutta päivi- tetyllä geometrialla. Alla olevassa kuvassa 20 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Korkea ajotilanne - V2, staattinen paine auton pinnalla ja nopeusalueet auton ympärillä.

Kuvasta nähdään, että ajoneuvon alapuolinen virtaus kiihtyy huippunopeuteensa vasta etuakseliston kohdalla, mutta suuremmasta kineettisestä energiasta johtuen virtaus pysyy hyvin kiinni ajoneuvon pohjassa diffuusorille asti. Versio 1:n vastaavaan ajotilantee- seen verrattaessa tässä on saatu ajoneuvon alle hieman enemmän kineettistä energiaa, etupuskurin alapuolinen hyvin pienipaineinen alue on hävinnyt ja ajoneuvon pohjassa eturenkaiden takana olevan alueen alipaine on kasvanut.

(46)

Taulukko 7. Korkean ajotilanteen aerodynaamiset voimat ja kertoimet.

Tuloksista nähdään, että kokonaisnoste on pienentynyt versio 1:n korkeaan ajotilantee- seen verrattuna noin neljännekseen aerobalanssin pysyessä käytännössä samana.

Muutos johtuu pääasiassa keulan nostosta. Ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien alustavoimiin aiheuttamat muutokset ovat pienentyneet versio 1:een verrattuna.

Tulosten perusteella voidaan todeta, että pohjan aerodynamiikka toimii myös tässä versio 2:ssa parhaalla tavalla tässä korkeimmassa ajotilanteessa.

4.2.4 Keula alhaalla ajotilanne

Seuraava simulointi on muuten vastaava kuin versio 1:n keula alhaalla ajotilanne, mutta päivitetyllä geometrialla. Alla olevassa kuvassa 21 esitettynä staattisen paineen jakauma ajoneuvon pinnalla ja ajoneuvoa ympäröivä ilmavirtaviivoitus.

Korkea ajotilanne - Versio 2 From tables CFD-Post Input data Calculated

Speed [m/s] 33,333

Z (Lift) -39,1 -22,9

X (Drag) 348,3 352,3 Front -47

% Front 205 %