Σχεδίαση αυτοκινήτου και μελέτη αεροδυναμικών φορτίων

Transcript

1 Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων Αιγαίου Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών: Σχεδίαση Διαδραστικών και Βιομηχανικών Προϊόντων και Συστημάτων Σχεδίαση αυτοκινήτου και μελέτη αεροδυναμικών φορτίων Αρζόγλου Θεόδωρος Dpsdm 15001

2 Περιεχόμενα Περίληψη Εισαγωγή στην μηχανική των ρευστών... 5 Εισαγωγή... 5 Δυνάμεις και όροι αεροδυναμίας... 5 Streamlines... 5 Στρωτή και τυρβώδης ροή... 6 Κατανομή ταχύτητας... 7 Οριακό στρώμα... 7 Συμπέρασμα Αεροδυναμική οχήματος Εισαγωγή Δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα Πίεση Στροβιλισμοί (Wakes) Οπισθέλκουσα, άνωση και πλευρική δύναμη Οπισθέλκουσα (drag) Άνωση (lift) Τυπικές τιμές για οπισθέλκουσα (drag) και άνωση (lift) Συμπεράσματα Μελέτη ροής αέρα γύρω από γενικές φόρμες οχημάτων και παραδείγματα ολοκληρωμένων οχημάτων Εισαγωγή Ροή πάνω από γενικές φόρμες οχημάτων Αεροδυναμικά σχήματα για αγωνιστικά αυτοκίνητα Κανάλια ροής στο κάτω μέρος του αμαξώματος Πρόσθετα αεροδυναμικά βοηθήματα Αεροτομή Sharkfin Ροή αέρα γύρω από ολοκληρωμένα σχέδια οχημάτων Παραδείγματα αληθινών αυτοκινήτων Σχεδίαση και 3D μοντελοποίηση τελικού οχήματος Εισαγωγή Παρουσίαση σκίτσων Διαδικασία 3Dμοντελοποίησης Alias P a g e

3 Solidworks Renders Περιγραφή cdf ανάλυσης στο Ansys Εισαγωγή Σχεδίαση μοντέλου υπό κλίμακα 1/ Εισαγωγή μοντέλου και δημιουργία αεροσήραγγα στο Ansys Meshing Sizing Inflation Solution Δοκιμές με γνώστες γεωμετρίες για έλεγχο της διαδικασίας επίλυσης Κύβος Ahmed Παρουσίαση αποτελεσμάτων ανάλυσης δοκιμίου Βιβλιογραφία P a g e

4 Είμαι συγγραφέας αυτής της μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας και ότι κάθε βοήθεια την οποία είχα για την προετοιμασία της είναι πλήρως αναγνωρισμένη και αναφέρεται στην εργασία. Επίσης έχω αναφέρει τις όποιες πηγές από τις οποίες έκανα χρήση δεδομένων, ιδεών ή λέξεων, είτε αυτές αναφέρονται ακριβώς είτε παραφρασμένες. Επίσης βεβαιώνω ότι αυτή η εργασία προετοιμάστηκε από εμένα προσωπικά ειδικά για τη συγκεκριμένη μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία. 3 P a g e

5 Περίληψη H παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την εξωτερική σχεδίαση ενός αυτοκινήτου και με την μελέτη της ροής του αέρα γύρω από αυτό, όπως και των δυνάμεων που ασκούνται πάνω σε αυτό. Ο σχεδιασμός του οχήματος αξιολογείται βάσει των τιμών των συντελεστών των αεροδυναμικών φορτίων C d και C L όπως και με τι ροή του αέρα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη μηχανική των ρευστών και ορίζονται όροι όπως η ροή, η ταχύτητα και το οριακό στρώμα. Οι αεροδυναμικοί αυτοί όροι είναι αναγκαίοι για να γίνουν κατανοητά, στο δεύτερο κεφάλαιο, οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα καθώς και το πως η ροή του αέρα διαμορφώνεται γύρω από αυτό. Στο κεφάλαιο τρία μελετιούνται γενικές γεωμετρικές φόρμες και προσεγγιστικά σχήματα αυτοκινήτων έτσι ώστε να γίνει μια αρχική εφαρμογή των θεωρητικών όρων των δύο πρώτων κεφαλαίων. Επίσης γίνεται αναφορά σε κάποια αεροδυναμικά βοηθήματα και πως αυτά χρησιμοποιούνται για την μείωση του C d ή την αύξηση του C L. Τέλος, παρουσιάζονται παραδείγματα με ολοκληρωμένα μοντέλα αυτοκινήτων. Στο κεφάλαιο τέσσερα παρουσιάζεται όλη η διαδικασία σχεδίασης, από τα αρχικά σκίτσα σε χαρτί μέχρι την ολοκλήρωση του σχεδιασμού στο SOLIDWORKS. Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν και τα τελικά renders. Τέλος στο κεφάλαιο πέντε θα παρουσιαστεί όλη η διαδικασία προσομοίωσης και ανάλυσης στο ANSYS και στο κεφάλαιο έξι τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. 4 P a g e

6 1. Εισαγωγή στην μηχανική των ρευστών Εισαγωγή Η αεροδυναμική είναι ένας κλάδος της μηχανικής των ρευστών και μελετά τη δυναμική των αερίων, ιδίως του αέρα, και την αλληλεπίδρασή τους με στερεά σώματα. Η επίλυση ενός αεροδυναμικού προβλήματος περιλαμβάνει την ανάλυση των εξισώσεων για τον υπολογισμό των διαφόρων ιδιοτήτων του αέρα, όπως η ταχύτητα, η πίεση, η πυκνότητα και η θερμοκρασία, ως συνάρτηση του χώρου και του χρόνου. Δυνάμεις και όροι αεροδυναμίας Πριν ασχοληθούμε με την αεροδυναμική και τον σχεδιασμό αγωνιστικών οχημάτων, θα πρέπει να γίνει μια περιγραφή των βασικών όρων πάνω στη ρευστομηχανική και στις ιδιότητες των ρευστών. Εκτός αυτού θα κάνουμε μια μικρή ανάλυση της ροή του αέρα γύρω από ένα όχημα και πως η ροή επηρεάζει την αεροδυναμική συμπεριφορά του οχήματος. Streamlines Ροϊκές γραμμές (streamlines) είναι οι καμπύλες που σχηματίζονται κατά την γραφική απεικόνιση της κίνησης του ρευστού. Εάν το δοκίμιο κινείται προς τα εμπρός με σταθερή ταχύτητα, η ροή του αέρα γύρω από αυτό χαρακτηρίζεται ως σταθερή ροή (steady-stateflow). Στην περίπτωση αυτή τα σωματίδια του αέρα κινούνται κατά μήκος των γραμμών ροής. Εικόνα 1. Σταθερή κατάσταση ροής γύρο από αεροτομή Στην εικόνα (1) βλέπουμε το σχήμα των εν λόγω ροϊκών γραμμών όπως αυτές σχηματίζονται κοντά και γύρω από μια αεροτομή. Όταν οι ροϊκές γραμμές κοντά σε μια στερεή επιφάνεια ακολουθούν ακριβώς το σχήμα του σώματος η ροή θεωρείται ότι είναι ομαλή (attached flow). Όταν η ροή δεν ακολουθεί το σχήμα της επιφάνειας τότε ο ροής δεν θεωρείται ομαλή και παρουσιάζει διαχωρισμούς (separated flow). Συνήθως χρειαζόμαστε ομαλή ροή για την αύξηση της κάθετης δύναμης και τη μείωση της αεροδυναμικής 5 P a g e

7 αντίστασης σε ένα όχημα. Σε αντίθεση με την μη ομαλή ροή η οποία προκαλεί ασταθή ροή και αυξάνει την αντίσταση στο πίσω μέρος του οχήματος. Εικόνα 2. Η διαφορά ανάμεσα σε ομαλή και μια ομαλή ροή γύρω από ένα όχημα. Στρωτή και τυρβώδης ροή Όταν οι ελεύθερες ροϊκές γραμμές ενός ρευστού, στην προκειμένη περίπτωση του αέρα, είναι παράλληλες και ακολουθούν την κατεύθυνση της μέσης ταχύτητας του ρευστού όπως και την κίνηση του ρευστού ενώ ταυτόχρονα είναι καλά οργανωμένες η ροή ονομάζεται στρωτή. Από την άλλη όμως είναι δυνατόν για να έχουν την ίδια μέση ταχύτητα της ροής σε όλη την επιφάνεια, αλλά σε κάποια σημεία τα σωματίδια του ρευστού να κινούνται στιγμιαία προς την άλλη κατεύθυνση. Σε αυτή την περίπτωση η ροή ονομάζεται τυρβώδης. Εικόνα 3. Στρωτή και τυρβώδης ροή 6 P a g e

8 Κατανομή ταχύτητας Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα σε ένα ρευστό, το σχήμα του αντικειμένου διαταράσσει τα σωματίδια του ρευστού. Έτσι όταν ένα όχημα κινείται μέσα στον αέρα, διαταράσσει τα σωματίδια του, με αποτέλεσμα η ταχύτητα τους να μην είναι ίση σε όλα τα σημεία της ροής. Η παρακάτω εικόνα (4) απεικονίζει μια πλακά τοποθετημένη παράλληλα μέσα στη ροή του αέρα και περιγράφει την κατανομή της ταχύτητας στην άνω επιφάνεια της. Εικόνα 4. Μεταβολή ταχύτητας κοντά σε επιφάνεια H ταχύτητα του αέρα κοντά στην επιφάνεια όπως παρατηρούμε είναι σχεδόν μηδενική. Αυτό είναι γνωστό ως ''no-slip condition ''. Τα σωματίδια του αέρα που έρχονται σε επαφή με το στερεό σώμα κολλάνε στην επιφάνεια και δεν έχουν καμία σχετική ταχύτητα. Όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια του στερεού σώματος, η ταχύτητας αυξάνεται μέχρι να γίνει ίση με την ταχύτητα της ροής του αέρα. Αυτό το λεπτό όριο που δημιουργείται ονομάζεται το οριακό στρώμα. Οριακό στρώμα Όπως είδαμε παραπάνω η ταχύτητα στην επιφάνεια της σταθερής πλάκας γίνεται σχεδόν μηδενική. Υπάρχει όμως ένα λεπτό στρώμα στο οποίο η ταχύτητα της ροής, που είναι παράλληλη προς την πλάκα, αυξάνεται σταδιακά έως ότου να φτάσει την εξωτερική μέγιστη ταχύτητα της ροής του ρευστού(αέρα). Αυτό το στρώμα της ταχείας μεταβολής της εφαπτόμενης ταχύτητα ονομάζεται οριακό στρώμα, και το πάχος του αυξάνεται κατά μήκος της πλάκας. Στο παρακάτω σχέδιο (εικόνα 5) απεικονίζεται το οριακό στρώμα γύρω από ένα τυπικό σχήμα οχήματος και η σταδιακή αύξηση της ταχύτητας μέσα σε αυτό. 7 P a g e

9 Εικόνα 5. Οριακό στρώμα γύρο από όχημα. Στην πραγματικότητα το οριακό στρώμα μπορεί να έχει στρωτή ή τυρβώδης ροή. Συνήθως η ροή μέσα σε ένα οριακό στρώμα ξεκινάει στρωτή και σταδιακά γίνεται τυρβώδης. Η εναλλαγή αυτή παρουσιάζεται σχηματικά στην εικόνα (6). Σε μια αδιατάραχτη ροή του οριακού στρώματος η ροή αρχικά είναι στρωτή, αλλά καθώς το μήκος Χ μεγαλώνει η ροή γίνεται τυρβώδης. Η περιοχή όπου η ροή αλλάζει από στρωτή σε τυρβώδης ονομάζεται μεταβατική. Αυτή η περιοχή απεικονίζεται στο παρακάτω γράφημα (εικόνα 6). Εικόνα 6. Απεικόνιση μεταβατικής περιοχής. 8 P a g e

10 Συντελεστής επιφανειακής τριβής Για την επίτευξη όσο το δυνατόν μεγαλύτερης στρωτής ροής εντός του οριακού στρώματος πρέπει να γνωρίζουμε το συντελεστή επιφανειακής τριβής. Ο συντελεστής επιφανειακής τριβής είναι ένας αδιάστατος αριθμός που δείχνει το μέγεθος της τριβής μεταξύ της επιφάνειας και του αέρα. Όπου: τ = Επιφανειακή δύναμη διάτμησης 1 / 2ρV 2 = Dynamicpressure [ρ: πυκνότητα, V: ταχύτητα] Ωστόσο βλέπουμε ότι το C f θα μειωθεί εάν αυξήσουμε την ταχύτητα του αέρα. Η αύξηση της ταχύτητας του αέρα έχει λοιπόν επίδραση πάνω στον συντελεστή τριβής. Το αποτέλεσμα της επίδρασης αυτής είναι η μείωση του πάχους του οριακού στρώματος. Reynolds Σε αυτό το σημείο καλό είναι να γίνει μια αναφορά στον αριθμό Reynolds (Re). Ο αριθμός Reynolds (Re) είναι ένα αδιάστατο νούμερο στην μηχανική των ρευστών. Έχει ευρείες εφαρμογές, από τη ροή υγρού μέσα σε ένα σωλήνα ή τη κίνηση του αέρα πάνω από μια πτέρυγα ενός αεροσκάφους έως τον υπολογισμό μετεωρολογικών και κλιματολογικών προβλέψεων. Ο αριθμός Reynolds χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της μετάβασης από στρωτή σε τυρβώδη ροή. Όπου: ρ = Πυκνότητα V = Ταχύτητα L = Χαρακτηριστικό μήκος μ = Συντελεστή ιξώδους 9 P a g e

11 Εικόνα 7. Διάγραμμά σχέσεις Cf και Re πάνω σε μια πλακά τοποθετημένη παράλληλά στη ροή αέρα. Στο διάγραμμα της εικόνας (7) βλέπουμε ότι υπάρχουν δύο διαφορετικές καμπύλες μια για στρωτή ροή και μια για τυρβώδη ροή, και οι δύο παρατηρούμε ότι μειώνονται καθώς αυξάνεται ο αριθμός Re. Για ένα μεγάλο εύρος τιμών του αριθμού Re έχουμε και στρωτή αλλά και τυρβώδης ροή. Όταν η τριβή είναι μειωμένη σε μια στρωτή ροή έχει ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση του στρωτού οριακού στρώματος με αποτέλεσμα τη μείωση της οπισθέλκουσας, άρα η στρωτή ροή είναι προτιμότερή από την τυρβώδης ροή. Πριν μιλήσουμε για την αεροδυναμική των οχημάτων πρέπει να γίνει κατανοητό ότι : Το πάχος του οριακού στρώματος είναι μεγαλύτερο όταν η ροή σε αυτό είναι τυρβώδης από ότι στρωτή. Ο συντελεστής Cf είναι μικρότερος όταν αυξάνεται ο αριθμός Re Ο συντελεστής Cf είναι μεγαλύτερος για τυρβώδη οριακά στρώματα Στη τυρβώδους ροής έχουμε κάθετη μεταφοράς ορμής προς την κατεύθυνση της μέσης ταχύτητας. Στην περίπτωση του διαχωρισμού της ροής θα υπάρχει καθυστέρηση στην ένωση των δυο ροών σε ένα στρωτό οριακό στρώμα. Αυτό είναι ένα σημαντικό και έμμεσο συμπέρασμα που μας αναγκάζει να προτιμούν τυρβώδη οριακά στρώματα προκειμένου να μειώσουμε τους διαχωρισμούς της ροής. 10 P a g e

12 Συμπέρασμα Για τη σχεδίαση αγωνιστικών οχημάτων θα πρέπει να κρατήσουμε ως συμπέρασμα όλων των παραπάνω ότι για έχουμε μικρή αντίσταση οπισθέλκουσας πρέπει να διατηρηθεί η περιοχή των στρωτών οριακών στρωμάτων μεγάλη. Ωστόσο στη περίπτωση που ο διαχωρισμός της ροής είναι πιθανός, όπως στο πίσω τμήμα του αυτοκινήτου ή σε πολύ καμπύλα φτερά, είναι προτιμότερο να έχουμε μια ταραχώδη ροή με αύξηση την αντίστασης (οπισθέλκουσας) έτσι ώστε να αποφευχθούν οι διαχωρισμοί της ροής που έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση της κάθετης δύναμης. Κοντά στο σώμα του οχήματος υπάρχει ένα λεπτό οριακό στρώμα όπου η ταχύτητα του αέρα μειώνεται στο μηδέν (κοντά στην επιφάνεια). Εάν η κατάσταση του οριακού στρώματος παραμένει ομαλή (attached) στο όχημα (ιδιαίτερα στο πίσω μέρος), τότε μπορούν να ληφθούν πολύ χαμηλότεροι συντελεστές οπισθέλκουσας, αλλά αν το οριακό στρώμα διαχωρίζεται, τότε ο συντελεστής οπισθέλκουσας είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερο. Το οριακό στρώμα μπορεί να είναι στρωτό ή τυρβώδης, το τυρβώδης στρώμα είναι παχύτερο, και δημιουργεί περισσότερες αντίστασεις τριβής, αλλά σε κάποιες επιπτώσεις είναι προτιμότερο διότι με αυτόν τον τρόπο καθυστερεί ο διαχωρισμός της ροής ο οποίος δημιουργεί ακόμα μεγαλύτερή οπισθέλκουσα. 11 P a g e

13 2. Αεροδυναμική οχήματος Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα εστιάσουμε στις δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα. Θα καθοριστεί η σχέση μεταξύ της ταχύτητας του αέρα και της πίεση. Θα πρέπει να γίνει πλήρως κατανοητή η κατανομή της πίεσης επάνω σε ένα όχημα. Και πως οι μικρές διαφορές της πίεσης και η διατάραξη της ροής γύρω από το όχημα επηρεάζουν τα αεροδυναμικά φορτία της οπισθέλκουσας (drag) και άνωσης (lift). Όπως είδαμε στο προηγούμενα κεφάλαιο εάν επιθυμούμε να μειώσουμε την επιφανειακή αντίσταση σε μια επιφάνεια πρέπει να πετύχουμε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο στρωτό οριακό στρώμα. Κάτι τέτοιο σε καμπύλες επιφάνειες όπως σε ένα αυτοκίνητο είναι δύσκολο να επιτευχθεί έτσι η ροή μπορεί να διαχωριστεί σε κάποια σημεία με αποτέλεσμα να έχουμε αύξηση της οπισθέλκουσας. Έτσι λόγω της μεγάλης καμπυλότητας που μπορεί να υπάρχει σε ένα αυτοκίνητο το οριακό στρώμα με στρωτή ροή μπορεί αρχικά να διαχωριστεί αλλά στη συνέχεια να επανενωθεί. Αυτός ο πρώιμος διαχωρισμός στη ροή ονομάζεται στρωτός διαχωρισμός (laminar separation) και αποτελεί μέρος της ροής, στα σημεία που δημιουργούνται οι διαχωρισμοί δημιουργούνται δίνες (laminar bubble), τυρβώδης ροή. H επανασύνδεση που πραγματοποιείται στη συνέχεια είναι συνήθως αποτέλεσμα της τυρβώδης ροής που δημιουργείτε στο οριακού στρώματος. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να καθυστερήσει ή να αποφευχθεί ο διαχωρισμός της ροής. Αυτό απεικονίζεται στο παρακάτω σχέδιο (εικόνα 8). Εικόνα 8.Δίνες στην επιφάνεια ενός οχήματος. Υπάρχουν τρεις βασικοί λόγοι που κάνουμε αναφορά σε αυτό το φαινόμενο: Η περιοχή που δημιουργούνται οι δίνες είναι πολύ ευαίσθητη, η ροή μπορεί να διαχωριστεί εντελώς χωρίς να επανασυνδεθεί, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της οπισθέλκουσας (drag). Οι δύνες εμφανίζονται όταν ο αριθμός Re είναι μικρός ενώ όταν αυξάνεται η ταχύτητα του οχήματος οι δύνες μειώνονται. 12 P a g e

14 Είναι δυνατόν να θέλουμε να δημιουργήσουμε μεταβατική περιοχή μέσα στο οριακό στρώμα. Οι μηχανικοί αποκαλούν αυτή την διαδικασία tripping of the boundarylayer και αυτό μπορεί να γίνει με τη χρήση μικρών σημείων παραγωγής δυνών. Δεδομένου ότι η τυρβώδης ροή μπορεί να μείνετε περισσότερο προσκολλημένη σε μια επιφάνεια από ότι η στρωτή προτού υπάρξει διαχωρισμός το εκμεταλλευόμαστε για να έχουμε όσο το δυνατόν μικρότερη αύξηση στην οπισθέλκουσα. Δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα. Εικόνα 9.Βασικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα. Στην εικόνα (9) απεικονίζονται οι τρεις βασικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα καθώς αυτό κινείτε. Η δύναμη η οποία ασκείτε αντίθετα με τη κίνηση του οχήματος ονομάζεται οπισθέλκουσα (drag). Η δύναμη που έχει τη τάση να ανασηκώνει το όχημα από το έδαφος ονομάζεται άνωση (lift). Η δύναμη που ασκείται από τους πλευρικούς ανέμους ονομάζεται πλευρική δύναμη (side force) και η συνιστώσα της στο αεροδυναμικό φορτίο είναι συνήθως χαμηλή. 13 P a g e

15 Πίεση Για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε και να αξιολογήσουμε τα φορτία των δυνάμεων της οπισθέλκουσας, της άνωσης και της πλευρικής δύναμης πρέπει να γνωρίζουμε την κατανομή της πίεσης επάνω στην επιφάνεια του οχήματος. Σε αυτή την κατανομή μας βοηθάει ο συντελεστής πίεση Cp. Αυτό που πρέπει να ξέρουμε για την πίεση που ασκείται σε ένα όχημα, είναι ότι όταν η ροή του αέρα προσπίπτει σε μια επιφάνεια με μεγάλη κυρτότητα με αντίθετη διεύθυνση προς της ροής η ταχύτητα της ροής επιβραδύνεται και πίεση αυξάνεται τοπικά. Στην αντίθετη περίπτωση η ταχύτητα αυξάνεται και η πίεση μειώνεται. Αυτό απεικονίζεται στη παρακάτω εικόνα (10). Εικόνα 10.Κατανομή του συντελεστή πίεσης πάνω από ένα αυτοκίνητο Στη παραπάνω εικόνα βλέπουμε πως σε ένα τυπικό σχήμα αυτοκινήτου γίνεται η κατανομή της πίεσης (κατά μήκος της κεντρικής γραμμής). Στο μπροστινό μέρος υπάρχει ένα σημείο στασιμότητας με Cρ=1. Η ροή στη συνέχεια επιταχύνεται. Πάνω από το καπό έχουμε μια νέα επιτάχυνση της ταχύτητας με αποτέλεσμα το Cρ να μειωθεί και να γίνει αρνητικό. Στη αρχή του παρμπρίζ η ροή επιβραδύνεται και έχουμε αυξήσεις της πίεσης. Η ροή στη συνέχεια επιταχύνεται πάνω από την κορυφή του οχήματος, όπου και εκεί παρατηρείται η χαμηλότερη πίεση. Αντίθετα στην πίσω πλευρά του οχήματος η συνθήκες αντιστρέφονται και παρατηρούμε αύξηση τις πίεσης. Ωστόσο, η πίεση στο πίσω μέρος του οχήματος δεν φθάνει τη τιμή Cρ = 1. Αυτό συμβαίνει επειδή η ροή διαχωρίζεται πίσω από το όχημα. Σύμφωνα με την κατανομή της πίεσης μπορούμε να εντοπίσουμε περιοχές επάνω στο όχημα, όπου έχουμε πτώση πίεσης κατά μήκος της ροής (streamline). Τα μέρη στα οποία εμφανίζονται έντονα τέτοιες πιέσεις είναι στην περιοχή του παρμπρίζ όπως είδαμε και στην εικόνα 10, η περιοχές αυτές ονομάζονται περιοχές ευνοϊκή κατανομή της πίεσης (favorable 14 P a g e

16 pressure distribution). Η αντίθετη κατανομή πίεσης στο πίσω παρμπρίζ ονομάζεται δυσμενή κατανομή της πίεσης (unfavorable pressure distribution), όπου εκεί έχουμε αυξήσεις της πίεσης κατά μήκος της ροής (Streamline). Στόχος μας είναι η δημιουργία αρνητικής πίεσης (ευνοϊκή κατανομή της πίεσης) έτσι ώστε να δημιουργείται κάθετη δύναμη με αποτέλεσμα το όχημα να έχει όσο το δυνατόν καλύτερη πρόσφυση. Στροβιλισμοί (Wakes) Στην εικόνα 10 είδαμε το διάγραμμά κατανομής πίεσης γύρω από ένα τυπικό σχήμα αυτοκινήτου. Παρατηρήσαμε ότι στο πίσω μέρος του οχήματος είχαμε διαχωρισμό της ροής που είχε ως αποτέλεσμα η πίεση να μην επανέρχεται στα ίδια επίπεδα με την αρχική Cp=1. Αυτός ο διαχωρισμός της ροής και η δημιουργία τυρβώδης ροής στο πίσω μέρος του οχήματος είναι αποτέλεσμα της κίνησης του οχήματος μέσα σε μια αδιατάραχτη κατάσταση του αέρα. Η κίνηση του οχήματος και η διαταραχή του αέρα έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία στροβίλων (wakes) στο πίσω μέρος του οχήματος. Η τοπική διαταραχή προκαλεί απώλεια ορμής και αυξάνει την αντίσταση (οπισθέλκουσα). Οι στροβιλισμοί αυτοί εκτείνονται σε μεγάλη απόσταση πίσω από το όχημα, αυτό απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα (11). Εικόνα 11. Διαχωρισμός ροής πίσω από όχημα Οπισθέλκουσα, άνωση και πλευρική δύναμη. Στη προηγούμενη ενότητα είδαμε ότι η πίεση, η οποία δρα κάθετα προς την επιφάνεια, είναι υπεύθυνη για τη δύναμη της ανύψωσης (lift) και ενός μέρους της οπισθέλκουσας σε ένα όχημα. Η δεύτερη δύναμη, η οποία δρα παράλληλα με την επιφάνεια του σώματος και συμβάλλει μόνο στην οπισθέλκουσα (drag), είναι δύναμη διάτμησης (π.χ. τριβή). Με βάση το σύστημα συντεταγμένων όπως αυτό φαίνεται στην εικόνα (9) μπορούμε να ορίσουμε τρεις δυνάμεις και τρεις συντελεστές, αλλά για λόγους απλότητας θα επικεντρωθούμε στις δύο πιο κοινές δυνάμεις, την άνωση (lift) και οπισθέλκουσας (drag). Η πλευρική δύναμη είναι σημαντική σε περιπτώσεις ισχυρών πλευρικών ανέμων και κατά τη διέλευση του οχήματος από αυτούς. Η κατεύθυνση της οπισθέλκουσας είναι παράλληλη στην κίνηση του οχήματος αλλά έχει αντίθετη φορά (στην κατεύθυνση των Χ). Η πλευρική δύναμη είναι θετική ως προς την κατεύθυνση Υ. Η άνωση ενεργεί προς τα πάνω, κάθετα προς το έδαφος (στην κατεύθυνση z). Φυσικά, η κάθετη δύναμη είναι ίση με αρνητική δύναμη της άνωσης και έχει κατεύθυνση στο z. 15 P a g e

17 Οπισθέλκουσα (drag) Ο συντελεστής οπισθέλκουσας είναι ένας αδιάστατος αριθμός που χρησιμοποιείται για να συγκριθεί η αεροδυναμική αντίσταση ανάμεσα σε διάφορα σχήματα. Συντομεύεται σε C D και λαμβάνεται μετρώντας τη δύναμη οπισθέλκουσας και διαιρώντας την με τη δυναμική πίεση και την περιοχή αναφοράς [Carroll Smith Tune to win OCR]. Ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης (ή συντελεστής οπισθέλκουσας) C D (drag coefficient) εξαρτάται από τη μορφή που έχει το σώμα, επινοήθηκε από τους μηχανικούς για να δικαιολογηθεί η διαφορά που παρουσιάζεται στις τιμές της αεροδυναμικής αντίστασης μεταξύ σωμάτων με ίδια μετωπική επιφάνεια. Στη παρακάτω εικόνα (12) φαίνεται καθαρά πώς επηρεάζει η μορφή των σχημάτων ίδιας μετωπικής επιφάνειας την τιμή της αεροδυναμικής αντίστασης. Εικόνα 12. Συντελεστής οπισθέλκουσας γνωστών γεωμετριών. 16 P a g e

18 Ο συντελεστής οπισθέλκουσας C D ορίζεται ως: Όπου: D = Δύναμη οπισθέλκουσας 1 / 2ρV 2 = Dynamic pressure [ρ: πυκνότητα, V: ταχύτητα] Α = Εμβαδόν αναφοράς Άνωση (lift) Ο συντελεστής άνωσης είναι ένας άλλος αδιάστατος αριθμός που χρησιμοποιείται για να συγκρίνει την άνωση που παράγεται από διαφορετικά σχήματα. Συνήθως συντομεύεται το C L και λαμβάνεται μετρώντας τη δύναμη ανύψωσης και διαιρώντας την με δυναμική πίεση και περιοχή αναφοράς [Carroll Smith Tune to win OCR]. Συντελεστής άντωσης η άνωσης C L είναι ο συντελεστής ο οποίος χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά κάθε σώματος σχετικά με το φαινόμενο της άνωσης και εξαρτάται από τη μορφή του σώματος. Ο συντελεστής άνωσης C L ορίζεται ως: Όπου: L = Δύναμη ανύψωσης 1 / 2ρV 2 = Dynamic pressure [ρ: πυκνότητα, V: ταχύτητα] Α = Εμβαδόν αναφοράς Τυπικές τιμές για οπισθέλκουσα (drag) και άνωση (lift) Ο πίνακας στην εικόνα (13) δείχνει το γενικό εύρος των αεροδυναμικών συντελεστών για ορισμένα γενικά σχήματα (ας υποθέσουμε ότι όλα έχουν την ίδια μετωπική περιοχή Α). Από την άποψη του συντελεστή οπισθέλκουσας, μία από τις χειρότερες περιπτώσεις είναι να έχουμε μια πλάκα κάθετα προς τη ροή έτσι ξεκινάμε με μια κυκλική πλάκα η οποία έχει ένα C D περίπου 1,17 και μηδενική άνωση. Ο λόγος για τη μεγάλη οπισθέλκουσα είναι ότι το πάχος της πλάκας είναι μηδενικό και προκαλεί διαχωρισμό της ροής. Με την αύξηση του πάχους της πλάκας η ροή θα έχει περισσότερο μήκος για να ομαλοποιηθεί και να επιστρέψει πίσω από το σώμα, έτσι η οπισθέλκουσα θα μειωθεί, όπως φαίνεται από τα δύο ακόλουθα παραδείγματα. Με την ομαλοποίηση του εμπρόσθιου και ιδιαίτερα του πρυμναίου τμήμα του κυλίνδρου, οι διαχωρισμοί της ροής μπορούν να εξαλειφθεί εντελώς, και ο συντελεστής οπισθέλκουσας να πέσει πολύ χαμηλά κοντά στο C D = Όταν αναπτύχθηκε ένα όχημα με αεροδυναμικό σχήμα, όπως φαίνεται στη πέμπτη θέση, παρατηρούμε ότι χάνετε η συμμετρία και έχουμε μπλοκάρει μεγάλο μέρος της ροής κοντά στο έδαφος και για το εν λόγω σχήματα 17 P a g e

19 έχουμε C D περίπου 0,15. Λόγω της μικρής απόστασης του εδάφους από το όχημα η ροή θα έχει μεγαλύτερη ταχύτητα και χαμηλότερη πίεση, κάτω από το όχημα, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα θετική άνωσηc L=0.18. Στο νούμερο 6 βλέπουμε μια τυπική σχεδίαση box αυτοκινήτου τις δεκαετίας η οποία προκαλούσε τοπικούς διαχωρισμούς ροής και αύξηση της αντίστασης του οχήματος η τιμή του C D= 0.43 είναι αντιπροσωπευτική των τότε οχημάτων. Επίσης, η κάτω επιφάνεια, το πάτωμα, των εν λόγω οχημάτων απέχει πολύ από τα σημερινά σχεδόν λεία πατώματα με αποτέλεσμα τη δημιουργία στροβιλισμών και θετικής άνωσης με C L =0.32. Όπως θα εξηγηθεί αργότερα, η κάθετη δύναμη μπορεί να βελτιώσει τις επιδόσεις ενός αγωνιστικού οχήματος, και ως εκ τούτου, οι σχεδιαστές προσθέτουν αεροτομές (φτερά) για να δημιουργήσουν αεροδυναμική κάθετη δύναμη. Το τελευταίο παράδειγμα στη εικόνα (13) δείχνει ένα γενικό πρωτότυπο αγωνιστικού αυτοκίνητου. Με συντελεστή άνωσης της τάξης του C L = -3. Η αυξημένη οπισθέλκουσα C D=0.75 αυτών των οχημάτων είναι εν μέρει αποτέλεσμα της επαγόμενης οπισθέλκουσας λόγο των πρόσθετων φτερών. Εικόνα 13. Τυπικές τιμές για οπισθέλκουσα Υπάρχουν τρία πολύ σημαντικά συμπεράσματα που μπορούν να εξαχθούν από αυτό τα παραπάνω παραδείγματα: 18 P a g e

20 Για τη δημιουργία ενός σώματος που βοηθάει στο μη διαχωρισμό της ροή θα πρέπει να ελαχιστοποιείτε η πίεση στον άξονα Χ. Ωστόσο η αντίσταση να είναι αποτέλεσμα της επιφανειακής τριβής. Μακρύτερα σώματα αυτοκινήτων μπορεί να έχουν χαμηλότερο συντελεστή οπισθέλκουσας (εντός του εύρους της πρακτικής γεωμετρίας του αυτοκινήτου). Η απόσταση από το έδαφος, μπορεί να δημιουργήσει αεροδυναμική άνωση (θετική όταν η ροή περιορίζεται κάτω από το όχημα) Αυτή η τελευταία παρατήρηση μας οδηγεί στο να διερευνήσουμε περαιτέρω την επίδραση του πατώματος ενός οχήματος και τη ροή πάνω από το όχημα. Για το σκοπό αυτό, ας εξετάσουμε τις δύο γενικές μορφές σώματος που φαίνονται στην εικόνα (14), τα σχήματα βασίζονται σε ελλειπτικά τμήματα (και τα δύο έχουν την ίδια μετωπική περιοχή και όγκο). Στο διάγραμμα φαίνονται οι μετρήσεις της άνωση και οπισθέλκουσας καθώς πλησιάζουν το έδαφος. Αυτές οι γεωμετρίες αντιπροσωπεύουν δύο βασικές τάσεις στο σχεδιασμό των αυτοκινήτων που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια. Στην πρώτη περίπτωση της συμμετρικής έλλειψη, μειώνοντας την απόσταση h από το έδαφος θα δούμε τη ροή να επιταχύνετε κάτω από το σώμα, δημιουργώντας περισσότερη κάθετη δύναμη (σύμφωνα με την εξίσωση Bernoulli, προκειμένου να δημιουργηθεί αεροδυναμική πίεση σε ένα όχημα, πρέπει να δημιουργήσουμε ταχύτερη ροή στο κάτω μέρος του από ό, τι στο επάνω. Αυτό, με τη σειρά του, θα δημιουργήσει χαμηλότερη πίεση στην κάτω επιφάνεια, με αποτέλεσμα περισσότερη κάθετη δύναμη) [Race Car Aerodynamics- Joseph Katz 1 st Edition]. Φυσικά, η αντίσταση θα αυξήσει, λόγω του διαχωρισμού της ροής στο πίσω μέρος της έλλειψης. Αυτό αντιστρέφεται στη ροή του ημι-ελλειψοειδούς σχήματος, η μείωση στην απόσταση από το έδαφος έχει την τάση να μπλοκάρει τη ροή κάτω από το σώμα (λόγω των ακμών που περιβάλλουν την κάτω επιφάνεια). Η οπισθέλκουσα δύναμη ακολουθεί μια τάση παρόμοια με εκείνη του συμμετρικού σχήματος, αλλά παρατηρούνται κάπως χαμηλότερες τιμές οπισθέλκουσας στο ημι-ελλειψοειδές σχήμα. 19 P a g e

21 Εικονα 14.Μετρήσεις άνωσης και οπισθέλκουσας γεωμετριών καθώς πλησιάζουν το έδαφος Συμπεράσματα Τα σημαντικότερα αεροδυναμικά φορτία που ασκούνται σε ένα όχημα το οποίο κινείται μέσα στον αέρα, μειώνονται καθώς η ταχύτητα αυξάνεται εκθετικά. Τα πιο συχνά φορτία που παρατηρούνται είναι η αντίσταση (drag), η οποία μπορεί να σχετίζεται με την οικονομία καυσίμου, και η άνωση (lift) η οποία επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του χειρισμού ενός οχήματος. Η άνωση στο σώματος είναι συνήθως θετική εάν η ροή κάτω από το σώμα είναι αργή και περιορισμένη. Αρνητική άνωση πετυχαίνετε όταν η ταχύτητα της ροής κάτω από το σώμα αυξάνεται και δεν περιορίζεται. 20 P a g e

22 3. Μελέτη ροής αέρα γύρω από γενικές φόρμες οχημάτων και παραδείγματα ολοκληρωμένων οχημάτων. Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια εστιάσαμε την προσοχή μας στις βασικές έννοιες και δυνάμεις που επηρεάζουν το σχεδιασμό και την αεροδυναμική ενός οχήματος. Σε αυτό το κεφάλαιο αυτές οι πληροφορίες θα χρησιμοποιηθούν για να μελετήσουμε το σχεδιασμό των οχημάτων υψηλής ταχύτητας, καθώς και μερικά από τα σημαντικά στοιχεία που βοηθούν στη βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης των διαφόρων αγωνιστικά αυτοκίνητα. Με τελικό στόχο τη σχεδίαση του τελικού μας οχήματος. Προκειμένου να γίνει απλούστερη η συζήτηση, θα ταξινομήσουμε σε τρεις γενικές κατηγορίες τις πολυάριθμες μορφές των αγωνιστικών αυτοκίνητων που υπάρχουν: Αγωνιστικά αυτοκίνητα τύπου Sedan: με κατηγορίες όπως IMSA GTU, GTO, NASCAR, European Touring, κλπ. Αυτά τα αυτοκίνητα παρουσιάζουν ομοιότητες στην εξωτερική γραμμή σχεδίασης τους με τα επιβατικών αυτοκινήτων παραγωγής τους, το μόνο που αλλάζει είναι κάποιες αεροδυναμικές τροποποιήσεις που γίνονται. Η εικόνα (15) δείχνει ένα τέτοιο όχημα (nissan 300zx 1994, IMSA GTS Class). Αγωνιστικά αυτοκίνητα τύπου enclosed-wheel: με κατηγορίες όπως IMSA GTP FISA group C. Τα οχήματα αυτά είναι βασικά το όνειρο του σχεδιαστή αφού το σχήμα του σώματος είναι ως επί το πλείστων χωρίς περιορισμούς. Τα περισσότερα πρωταθλήματα επιτρέπουν κάτω από το αμάξωμα σήραγγες και πολύπλοκα σχήματα πτέρυγα. Η εικόνα (16) απεικονίζει ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα. Αγωνιστικά αυτοκίνητα τύπου Open-wheel: με κατηγορίες όπως Indy, Formula 1, Formula 2. Τα οχήματα αυτά έχουν τέσσερις εκτεθειμένους τροχούς, ένα στενό σώμα που μπορεί να έχει κάτω από το αμάξωμα αεροδυναμικές σήραγγες (Indy αυτοκίνητα), και δύο μεγάλα φτερά (αεροτομές) τοποθετημένα εμπρόσθια και πίσω του οχήματος για την δημιουργία αεροδυναμικής κάθετη δύναμη. Αυτά τα αγωνιστικά οχήματα είναι μονοθέσια, σε αντίθεση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Η εικόνα (17) απεικονίζει ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα. Εικόνα 15. Νissan 300zx 1994, IMSA GTS Class 21 P a g e

23 Εικόνα 16. Jaguar XJR V8 Εικόνα 17. Ferrari F2004 Σύμφωνα με όσο είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο για την αεροδυναμία ενός αγωνιστικού οχήματος είναι σαφές ότι οι στόχοι για μια καλή αεροδυναμική σχεδίαση είναι: 1. να μειωθεί όσο το δυνατόν η αεροδυναμική αντίσταση (οπισθέλκουσα) 2. να αυξηθεί η κάθετη αεροδυναμική δύναμη Με αυτούς τους στόχους κατά νου, θα μελετήσουμε το πώς μερικές πολύ γενικές αλλαγές στη γεωμετρία ενός σώματος μπορεί να επηρεάσυν την αεροδυναμική άνωσης και οπισθέλκουσας ενός οχήματος. Υπάρχουν δυο γενικές κατηγορίες με τις οποίες θα ασχοληθούμε. Η πρώτη κατηγορία προσδιορίζει τυπικά πεδία ροής πάνω από γενικές φόρμες οχημάτων με αρκετά αιχμηρές γωνίες, οι οποίες μοιάζουν με μια ποικιλία από συμβατικά οχήματα. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει γενικά σχήματα, που προσδιορίζουν περισσότερο αγωνιστικά αυτοκίνητα. Τα σχήματα αυτά έχουν τη δυνατότητα να παράγουν κάθετη δύναμη με λογικά χαμηλή οπισθέλκουσα. Ροή πάνω από γενικές φόρμες οχημάτων Ας θυμηθούμε τα δύο αεροδυναμικά σχήματα που είδαμε στο κεφάλαιο 2 (εικόνα 14). Το σημαντικό συμπέρασμα που πρέπει να μας μείνει από αυτά τα σχήματα είναι ότι, μπορούν να δημιουργηθούν τόσο θετικές όσο και αρνητικές δυνάμεις άνωσης όταν τοποθετούμε ένα αντικείμενο κοντά στο έδαφος. Η αντίσταση (drag) όμως, είναι κατά κύριο λόγο αποτέλεσμα της μορφής του οχήματος στο πίσω μέρους του, το οποίο δημιουργεί τοπικούς διαχωρισμούς στη ροή, όπως φαίνεται στην εικόνα (2). Ενώ το πρώτο σχήμα στην εικόνα (14) επικεντρώνεται κυρίως σε εξαιρετικά αεροδυναμικά οχήματα, με ελάχιστο διαχωρισμό ροής 22 P a g e

24 στο οπίσθιο μέρος του οχήματος, διαχωρισμοί ροής μπορεί να εμφανιστούν σε διαφορές θέσεις για τα οχήματα με περισσότερες γωνιές στη γεωμετρία τους. Αυτό απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα (18) η ποια παρουσιάζει τυπικά σχήματα αυτοκινήτων που ακολουθούν οι αυτοκινητοβιομηχανίες σήμερα. Επίσης παρουσιάζει τα σημεία που δημιουργούνται δίνες και διαχωρισμοί στη ροή με αποτέλεσμα την αύξηση της οπισθέλκουσας και της άνωσης. Εικόνα 18. Τυπικά σχήματα αυτοκινήτων σε αυτοκινητοβιομηχανίες σήμερα Αεροδυναμικά σχήματα για αγωνιστικά αυτοκίνητα Σε αυτή την ενότητα ο στόχος είναι να παρουσιαστούν βασικά σχήματα τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν αεροδυναμική πίεση χωρίς να δημιουργούν μεγάλη δύναμη οπισθέλκουσας. Με σκοπό τη χρήση τους για το σχεδιασμό και τη διαμορφώσεις αγωνιστικών αυτοκινήτων. Ορισμένα από αυτά παρουσιάζονται στην εικόνα (19). 23 P a g e

25 Εικόνα 19. Βασικά σχήματα για τη σχεδίαση αεροδυναμικών αγωνιστικών αυτοκινήτων Η πρώτη γενική μορφή στην εικόνα 19 απευθύνεται σε ένα πολύ χαμηλό συντελεστή οπισθέλκουσας C D. Η βασική πρόθεση είναι να δημιουργηθεί ένα σώμα οχήματος με πολύ χαμηλή οπισθέλκουσα, και την ίδια στιγμή να είναι σε θέση να παράγει άνωση ή κάθετη δύναμη το σώμα. Με τέτοιες διαμορφώσεις, οι τιμές του συντελεστή οπισθέλκουσας μπορεί να είναι μικρότερες από CD = 0,1. Ο συντελεστής κάθετης δύναμης μπορεί να κυμαίνεται από C L = 0,25 έως περίπου C L = 0,7. Τέτοιες διαμορφώσεις αυτοκίνητων με τόσο χαμηλή οπισθέλκουσας είναι συνηθισμένες σε speed-record αυτοκίνητα που κινούνται σε ευθείες κατά κύριο λόγο. Τέτοια οχήματα συνήθως απαιτούν χαμηλά επίπεδα κάθετης δύναμης, κυρίως για να βελτιστοποιήσουν τη σταθερότητά τους σε υψηλές ταχύτητες. Ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στην εικόνα (20), το Oldsmobile Aerotech Aurora V-8, η οποία έσπασε 47 ρεκόρ ταχύτητας αντοχής το Δεκέμβριο του P a g e

26 Εικόνα 20. Oldsmobile Aerotech Aurora V-8 Στις περισσότερες αγωνιστικές πίστες με medium to high speed turns, τα οχήματα με μεγάλη κάθετη δύναμη μπορούν να πραγματοποιήσουνε πιο γρήγορα χρόνους. Έτσι η σχεδίαση πρέπει να είναι τέτοια ώστε να παράγει υψηλή κάθετη δύναμη και σχετικά χαμηλή οπισθέλκουσα, έτσι είναι πολύ πιθανό η σχεδίαση να βασίζεται ή να περιλαμβάνει μια ανεστραμμένη πτέρυγα όπως φαίνεται στο σχήμα Β. Η προσθήκη πτερυγίων αυξάνει σημαντικά την κάθετη δύναμη. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι στο μονοθέσιο της Lotus 79 οπού η κάτω επιφάνεια στα άκρα του μονοθέσιου έμοιαζε με μια ανεστραμμένη αεροτομής, ενώ οι πρόσθετες αεροτομές δημιούργησαν υψηλή κάθετη δύναμη. Εικόνα 21. F1 carlotus 79 Ένα πιο ρεαλιστικό σχήμα που μπορεί να σχετίζεται με αγωνιστικά αυτοκίνητα είναι το σχήμα με την έννοια του "καταμαράν" σχήμα C. Με την ανάγκη για την κάλυψη των τροχών στις δύο πλευρές του οχήματος προέκυψε ένα σχήμα με ένα αρκετά υψηλό κεντρικό αγωγότούνελ που τελειώνει με μέτρια κλίση προς τα πάνω πίσω. Η ικανότητα να διοχετεύεται η ορμή ανενόχλητη κάτω από το αυτοκίνητο μειώνει την έκταση των διαχωρισμών της ροής στο πίσω μέρος του κεντρικού σώματος, δημιουργώντας υψηλή κάθετη δύναμη και χαμηλή 25 P a g e

27 οπισθέλκουσα. Μερικά σύγχρονα πρωτότυπα αγωνιστικά αυτοκίνητα χρησιμοποιούν εν μέρει αυτή την αρχή. Μια πολύ πιο δημοφιλής ιδέα για το σχεδιασμό αυτοκίνητων είναι το αυτοκίνητο "σκούπα" σχήμα D. Στην περίπτωση αυτή, γίνεται κάθε προσπάθεια για να ελαχιστοποιηθεί το κενό μεταξύ του εμπρόσθιου τμήματος όπως και των πλευρικών τμημάτων του οχήματος με το έδαφος, με σκοπό την ελαχιστοποίηση ή την εξάλειψη εντελώς κάθε ροής αέρα. Λόγω του διαχωρισμού της ροής στη αρχή του οχήματος, η πίεση κάτω από το αμάξωμα είναι πολύ χαμηλή, αφήνοντας όμως το πίσω τμήμα του αυτοκινήτου ανοιχτό δημιουργείτε μια πίεση η οποία παράγει μια ισχυρή δύναμη αναρρόφησης (αεροδυναμική πίεση). Η δύναμη αυτή μπορεί να αυξηθεί με μια μικρή αεροτομή, η αναλογία άνωσης / οπισθέλκουσας μπορεί να υπολογιστεί αρκετά καλά από τη σχέση μήκος / ύψος. Στο σχήμα D i βλέπουμε μια παραλλαγή στην οποία έχει τοποθετηθεί ένας ανεμιστήρας στο πίσω μέρος του αμαξώματος με σκοπό να δημιουργεί κενό κάτω από το αυτοκίνητο έτσι ώστε να είναι μεγαλύτερη η μειώνει την οπισθέλκουσας. Γρήγορα όμως αυτός ο τρόπος σχεδίασης εγκαταλείφθηκε και έτσι βλέπουμε στην εικόνα D ii τη προσθήκη μιας πτέρυγα στο πίσω τμήμα του αμαξώματος, ενώ συγχρόνως μειώθηκε το ύψος του οπίσθιου τμήματος h για λόγους μείωσης της οπισθέλκουσας. Στην παρακάτω εικόνα (22) βλέπουμε ένα πολύ χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της σχεδίασης στο Chevrolet Intrepid GTP του Εικόνα 22. Chevrolet Intrepid GTP 1992 Κανάλια ροής στο κάτω μέρος του αμαξώματος Στη προηγούμενη ενότητα αναφερθήκαμε στη ροή πάνω από γενικά σχήματα οχημάτων και είδαμε ότι με την κατάλληλη διοχέτευση της ροής κάτω από το όχημα, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική κάθετη δύναμη. Το πιο χαρακτηριστικό σχήμα είναι το παράδειγμα της αεροτομής (εικόνα 19 Β) το οποίο έχει τη δυνατότητα να παράγει πολύ μεγάλες τιμές κάθετης δύναμης με σχετικά χαμηλές τιμές οπισθέλκουσας. Δεδομένου ότι το αμάξωμα των περισσότερων αγωνιστικών οχημάτων πρέπει να απέχει μια απόσταση από το έδαφος που κυμαίνεται από 5-10 cm και πάνω, τα βαριά στοιχεία, όπως το κιβώτιο ταχυτήτων, πρέπει να τοποθετείται όσο το δυνατόν χαμηλότερα, σε ορισμένα αγωνιστικά αυτοκίνητα η κάτω επιφάνεια έχει κάποια κανάλια τα οποία διοχετεύουν τη ροή του αέρα προς τα πίσω (εικόνα 23). 26 P a g e

28 Εικόνα 23. Τυπικές μορφές καναλιών κάτω από αγωνιστικά οχήματα Λόγω της χαμηλής πίεσης που δημιουργείται στο εσωτερικό των καναλιών, η ροή που εισέρχεται από τις πλευρές του οχήματος εισέρχεται στα κανάλια, δημιουργώντας ισχυρές συμπυκνωμένες δίνες, όπως φαίνεται στην εικόνα(23). Οι δίνες με τη σειρά τους κρατούν τη ροή κολλημένη στο εσωτερικό των καναλιών, και στην πραγματικότητα σταθεροποιούν την ροή κάτω από το αμάξωμα. Επίσης, στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα καλά να τοποθετείται μια πτέρυγα στο πίσω επάνω μέρος του οχήματος για να βοηθήσει την ροής κάτω από το όχημα. Σε αυτό το σημείο αξίζει να διευκρινιστεί ο όρος κανάλια. Με τον όρο κανάλια κάτω από το αμάξωμα αναφερόμαστε στις αεροδυναμικές σήραγγες, διαχύτες ή πιο συχνά Venturi. Στον τελευταίο όρο αναφερθήκαμε λίγο στο κεφάλαιο 2. Αν και οι σήραγγες-διαχύτες δεν μοιάζουν απόλυτα με τον σωλήνα Venturi, ας κάνουμε μια σύγκριση με τη ροή στο κάτω μέρος ενός αμαξώματος που έχει σήραγγες-διαχύτες και με το σωλήνα Venturi. Στο παρακάτω σχήμα (εικόνα 24) η αριστερή πλευρά δείχνει τη κατανομή της πίεσης στο κάτω μέρος ενός γενικού σώματος κατά μήκος της κεντρικής γραμμής, ενώ η δεξιά πλευρά δείχνει την κατανομή της πίεσης κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του σωλήνα Βεντούρη. Το συγκλίνον τμήμα του σωλήνα Βεντούρη αυξάνει την ταχύτητα ροής, και ονομάζεται ακροφύσιο (nozzle), ενώ το αποκλίνον τμήμα, το οποίο μειώνει την ταχύτητα ροής, ονομάζεται διαχύτης (diffuser). Είναι σαφές ότι υπάρχει κάποια ομοιότητα μεταξύ των δύο κατανομών πίεση ακόμη και αν η ροή στο σωλήνα Βεντούρη είναι εσωτερική. Επίσης, και στις δύο περιπτώσεις η χαμηλότερη πίεση λαμβάνεται στο στενότερο σημείο ροής, το οποίο 27 P a g e

29 σε οχήματα εδάφους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει κάθετη δύναμη. Έτσι, εν κατακλείδι, αποδεχόμαστε τους όρους κανάλια / σήραγγα- διαχύτη ή Βεντούρη σαν συνωνύμους. Εικόνα 24. Περιγραφή πίεσης κάτω επιφανείας και σωλήνα Venturi. Πρόσθετα αεροδυναμικά βοηθήματα Αεροτομή Στην κατηγορία αυτή μπορούμε να συμπεριλάβουμε βοηθήματα που μεταβάλλουν την αεροδυναμική ισορροπία των οχημάτων. Για παράδειγμα, αεροτομές (spoilers) που μπορεί να είναι από μια απλή λαμαρίνα με μια κλήση στο πίσω μέρος του οχήματος ή ολοκληρωμένα αεροδυναμικά φτερά (αεροτομές) τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο στο πίσω μέρος του οχήματος για να παράγουν μεγάλη κάθετη δύναμη. Η χρήση πρόσθετων αεροδυναμικών βοηθημάτων είναι αρκετά δημοφιλής και για τα επιβατικά οχήματα εκτός των σπορ αυτοκίνητων. Η απόδοσή της πίσω αεροτομής εξαρτάται από τη γεωμετρίας της. Σε πολλές περιπτώσεις ο διαχωρισμένος της ροής στη περιοχή του πίσω παραθύρου (πίσω παρμπρίζ) μπορεί να μειωθεί, με αποτέλεσμα τη μείωση της οπισθέλκουσας. Η γενική επίδραση μιας αεροτομής στο πίσω μέρος ενός οχήματος είναι να ανυψώσει την πίσω γραμμή στασιμότητας (εικόνα 10) και να δημιουργεί περισσότερη κάθετη δύναμη. Στην πραγματικότητα, μια καλά τοποθετημένη αεροτομή μπορεί να αυξήσει τη ροή κάτω από το όχημα, όπως και το μέγεθος της κάθετης δύναμης που παρουσιάζεται στο σχήμα. Η χαμηλή πίεση που δημιουργείτε πίσω από τη αεροτομή αυξάνει την οπισθέλκουσα. Για ορισμένα αγωνιστικά αυτοκίνητα το ύψος το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί μια αεροτομή είναι περιορισμένος, έτσι η γωνία κλίσης της γίνεται όλο και πιο σημαντική. Τέτοια δεδομένα για την κλίση μιας αεροτομής και την παραγόμενη κάθετη δύναμη παρουσιάζονται στο διάγραμμα της εικόνας (25). Σαφώς, όσο η κάθετης δύναμης αυξάνεται τόσο αυξάνεται και η οπισθέλκουσας. 28 P a g e

30 Εικόνα 25. Επίδραση της κλίσης αεροτομής σε C D και C L Η επίδραση μιας αεροδυναμικής πτέρυγας έχει άμεση επίδρασης στην κατανομή της πίεσης στην κάτω επιφάνεια ενός αγωνιστικού αυτοκίνητου, αυτό φαίνεται στο διάγραμμα της εικόνας (26).Η μεγάλη κατακόρυφη κορυφή που απεικονίζεται στην κατανομή της πίεσης προσδιορίζει την περιοχή με μεγάλη αναρρόφησης και στην ουσία την αρχή της σήραγγας/διαχύτη που βρίσκονται στο πάτωμα του οχήματος. Με την πίσω πτέρυγα υπάρχει μια σαφής αύξηση του αρνητικού συντελεστή πίεσης κατά μήκος ολόκληρης της κάτω επιφάνειας. Εικόνα 26. Επίδραση αεροτομής στη πίεση στο πάτωμα του αυτοκινήτου Sharkfin Το sharkfin (πτερύγια καρχαρία) εικόνα (27) άρχισε να πρωτοεμφανίζεται σε αγωνιστικά οχήματα πριν από μερικά χρόνια, αρχικά το 2009 και στη συνέχεια το Η τοποθέτηση ενός τέτοιου φτερού στο πρυμναίο μέρος ενός οχήματος επηρεάζει τη ροή του αέρα. Με την τοποθέτηση ενός τέτοιου φτερού κατά μήκος του διακένου, στο όπου θα μπορούσε να 29 P a g e

31 δημιουργηθεί διαταραχή του αέρας και τυρβώδης ροή αναγκάζουμε τον αέρα να κυλίσει ομαλά και προσκολλημένος στην επιφάνεια του πτερυγίου. Έτσι η ροή του αέρα θα είναι πιο στρωτή καθώς θα φτάνει στη πίσω πτέρυγα, αυτό κατά συνέπεια θα αυξήσει την αποτελεσματικότητα της πίσω πτέρυγας, αυξάνοντας τη κάθετη δύναμη και τα κράτημα του οχήματος. Η δεύτερη χρήση ενός πτερυγίου καρχαρία είναι για τον καλύτερο έλεγχο και σταθερότητα του οχήματος στις στροφές. Όταν το όχημα απόκτηση την τάση να γλιστρήσει προς τα πλάγια σε μια στροφή, το πτερύγιο δημιουργεί μια αντίθετη δύναμη για να εξουδετερώσει αυτή τη τάση. Αυτή η πλευρική δύναμη χρησιμοποιείται θετικά με σκοπό να μεγιστοποιηθεί η ταχύτητα του οχήματος στις στροφές διότι το πτερύγιο θα εξουδετέρωσει τη τάση εκτροπής και θα κρατήσει το αυτοκίνητο σταθερά στη γραμμή του σε όλη τη στροφή. Εικόνα 27. Shark fin σεaudi R18 Le Mans racing car Ροή αέρα γύρω από ολοκληρωμένα σχέδια οχημάτων. Εφόσον έχουμε κατανοήσει όλα όσα έχουν αναφερθεί προηγούμενος είμαστε σε θέση να δούμε ολοκληρωμένα σχέδια οχημάτων έτσι ώστε να δούμε τη ροή του αέρα γύρω από αυτά. Επίσης πριν ξεκινήσουμε να σκιτσάρουμε κάποια σχέδια τα οποία μετέπειτα θα μας βοηθήσουν στην 3Dμοντελοποίηση του οχήματος μας, θα δούμε κάποια οχήματα παραγωγής αλλά και αγωνιστικά στα οποία θα δούμε τις βασικές διαστάσεις και τους αεροδυναμικούς τους συντελεστές. Στη πρώτη εικόνα (28) παρατηρούμε τα κυρίαρχα στοιχεία της ροής πάνω σε ένα όχημα παραγωγής με αγωνιστικά χαρακτηριστικά. Μικρές περιοχές διαχωρισμού της ροής μπορεί να δει κανείς κοντά στις κολώνες του μπροστινού παρμπρίζ, και φυσικά μεγάλο διαχωρισμό ροής έχουμε στο πίσω μέρους του αυτοκινήτου. Η μεγάλη οπή στο μπροστινό μέρος του οχήματος μειώνει την ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα, έτσι ώστε η πίεση μπροστά να είναι σχεδόν ίση με τη πίεση στασιμότητας καθώς η ροή εισέρχεται στους εναλλάκτες θερμότητας. Ο θερμός αέρας μετά την ψύξη αποβάλλεται πίσω από τους εμπρόσθιους τροχούς, έτσι ώστε η χαμηλή πυκνότητα του αέρα να μην ρέει προς τα πίσω φτερά. Η πίσω πτέρυγα έχει το μέγιστο δυνατό μήκος και κυρτό σχήμα για να προσφέρει μέγιστη κάθετη δύναμη. Στη ροή κάτω από το αυτοκίνητο εντοπίζουμε περιοχές διαχωρισμού της ροής οι οποίες βρίσκονται πίσω από τους τέσσερις τροχούς. Η ροής κάτω από το όχημα είναι κάπως περιορισμένη από την οριζόντια εμπρόσθιά αεροτομή εισόδου του ψυγείου. Η ροή κάτω από το όχημα παραμένει προσκολλημένη και με χαμηλή πίεση πράγμα στο οποίο βοηθάει και η πλευρική 30 P a g e

32 είσοδος του αέρα ανάμεσα από τους τροχούς, αλλά και η κλίση του πίσω μέρους του αμαξώματος, το οποίο αυξάνει και την κάθετη δύναμη (φαινόμενο Venturi). Εικόνα 28. Ροή αέρα σε όχημα παραγωγής με αγωνιστικά χαρακτηριστικά Ακολουθεί μια σχηματική περιγραφή ενός αγωνιστικού αυτοκινήτου (εικόνα 29) στην οποία παρατηρούμε μερικά από τα χαρακτηριστικά της ροής γύρω από αυτό. Το πάνω μέρος του οχήματος είχε μια εξαιρετικά αεροδυναμική μορφή με σχεδόν καμία περιοχή διαχωρισμού της ροής. Το στόμιο εισόδου ροή του αέρα ψύξης βρίσκεται στο εμπρόσθιο τμήμα του οχήματος και οι έξοδοι της ψύξης μπροστά από το παρμπρίζ και στις δύο πλευρές, πίσω από τους εμπρόσθιους τροχούς. Αυτό επιτρέπει μια ομαλή ροή κάτω από το αμάξωμα, σε συνδυασμό με δύο μεγάλες σήραγγες που σχηματίζονται μια αιχμηρή έξοδο στο τέλος του οχήματος, η οποία αποσκοπεί στο ελαχιστοποιηθεί η οπισθέλκουσα λόγω διαχωρισμού της ροής στο πίσω μέρος του οχήματος. Το πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι η εισροή της 31 P a g e

33 ροής, προς τις σήραγγες χαμηλής πίεσης, πίσω από τους εμπρόσθιους τροχούς. Αυτή η εισροή, όπως αποδεικνύεται γύρω από τις σήραγγες, αποτελεί μια ισχυρή δύναμη λόγο των δινών που βοηθά τη ροή να μείνει προσκολλημένη στα άνω τοίχωμα της σήραγγας. Οι δίνες από τις σήραγγες εκτείνονται πίσω από το όχημα, όπως φαίνεται στην εικόνα. Λόγω της αναρρόφησης, υπάρχει μια ισχυρή πλευρικής ροής πίσω από τους πίσω τροχούς, η οποία δημιουργεί ένα μικρότερη δίνη σε εκείνο το σημείο που αυξάνει τόσο την κάθετη δύναμη οσο και οπισθέλκουσα (drag). Εικόνα 29. Ροή αέρα σε αγωνιστικό όχημα 32 P a g e

34 Παραδείγματα αληθινών αυτοκινήτων Στον πίνακα (1) που ακολουθεί θα δούμε κάποιες βασικές διαστάσεις, όπως μήκος, πλάτος, ύψος και μεταξόνιο για σπορ οχημάτων γραμμής παραγωγής. Επίσης θα δούμε το συντελεστή οπισθέλκουσας τους. Όνομα οχήματος Cd Length Width Height Wheelbase Dodge Viper GTS , m 1.920m 1.190m 2.440m Ferrari F , m 1.986m 1.120m 2.580m Ferrarimodena , m 1.922m 1.214m 2.6m Nissan Skyline R34 GTR , m 1.785m 1.360m 2.665m Lamborghini Murciélago , m 2.045m 1.135m 2.665m Aston Martin DB , m 1.880m 1.270m 2.743m Koenigsegg CCX , m 1.996m 1.120m 2.660m Porsche 997 Turbo/GT , m 1.770m 1.270m 2.360m Porsche , m 1.940m 1.167m 2.730m Lexus LFA , m 1.895m 1.220m 2.605m Nissan GT-R , m 1.902m 1.372m 2.780m PaganiHuayra , m 2.036m 1.169m 2.795m Πίνακας 1. Στοιχεία σπορ οχημάτων. Από τον πίνακα παρατηρούμε ότι τον μικρότερο συντελεστή οπισθέλκουσας τον έχει το GT-Rr35 του 2011 έτσι στην εικόνα (30) βλέπουμε κάποια χαρακτηριστικά του οχήματος και πως η δημιουργείται η ροή του αέρα πάνω από αυτό. Εικόνα 30.GT-Rr35 Στη παρακάτω εικόνα (31) παρουσιάζεται ένα moodboard στο οποίο υπάρχουν όλα τα οχήματα που αναφέραμε στον πίνακα (1) ώστε να δούμε τη σχεδίαση τους. 33 P a g e

35 Εικόνα 31.Moodboard σπορ οχημάτων. Τέλος πριν περάσουμε στη σχεδίαση και στην παρουσίαση των σκίτσων του αυτοκινήτου της εργασία, ας δούμε και κάποια αγωνίστηκα όχημα των αγώνων Le Mans. 34 P a g e

36 Εικόνα 32. Mazda 787B 1991 Εικόνα 33. Mc Laren F1 GTR P a g e

37 Εικόνα 34. Bentley Speed Εικόνα 35. Peugeot 908 HDi FAP P a g e

38 Εικονα 36. Audi R18 e-tronquattro 2012 Εικόνα 37. Porsche 919 Hybrid 2016 Μέσα από τις παραπάνω εικόνες βλέπουμε την σχεδιαστική εξέλιξη των αυτοκινήτων αυτών και την προσθήκη νέων αεροδυναμικών στοιχείων. 37 P a g e

39 4. Σχεδίαση και 3D μοντελοποίηση τελικού οχήματος Εισαγωγή Μετά από την μελέτη όλων των αεροδυναμικών φορτίων, των δυνάμεων που ασκούνται πάνω σε ένα όχημα, τους τρόπους και τα σχήματα στα οποία μπορεί να βασιστεί μια σχεδίαση ενός οχήματος με σκοπό τη μείωση της οπισθέλκουσας και την αύξηση της κάθετης δύναμης και φυσικά την παρατήρηση άλλων οχημάτων καταλήξαμε στα παρακάτω σχέδιασκίτσα. Στο πρώτο σχέδιο παρατηρούμε μια σχεδίαση βασισμένη στο σχεδιασμό σκούπα basic vacuum cleaner. Το όχημα είναι όσο το δυνατόν πιο χαμηλά με ευθύ λείο πάτωμα που στο τέλος του στο πίσω μέρος του οχήματος έχει διαχύτες. Διαθέτει μια μικρή εμπρόσθια αεροτομή, ενώ στο επάνω μέρος του έχει ένα sharkfin στο οποίο έχουν τοποθετηθεί δυο φτερά που αποτελούν ένα σύστημα αεροτομής για τη δημιουργία κάθετης δύναμης. Στο δεύτερο σχέδιο έχουμε ένα όχημα με το οποίο έχει πιο σπορ χαρακτηριστικά στη σχεδίαση του. Η σχεδίαση του κύριου σώματος βασίστηκε πάνω στο σχήμα Low Drag Body. Στο εμπρόσθιο μέρος του υπάρχει μια μεγάλη οπή (ακροφύσιο) η οποία οδηγεί τον αέρα κάτω από το όχημα σε μια αρκετά στενή περιοχή η οποία καταλήγει σε δύο κανάλια στο πίσω μέρος (διαχύτες). Έτσι έχουμε ένα σύστημα Venturi με το οποίο προσπαθούμε να δημιουργήσουμε μεγαλύτερη κάθετη δύναμη στο όχημα. Στην είσοδο του συστήματος Venturi υπάρχει μια εμπρόσθια αεροτομή. Στο επάνω μέρος του οχήματος υπάρχει ένα sharkfin το οποίο συνδέεται με το σύστημα της οπίσθιας αεροτομής. Και τα δυο οχήματα είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε η μηχανή τους να βρίσκεται στο πίσω μέρος. 38 P a g e

40 Παρουσίαση σκίτσων. Εικόνα 38. Πρώτο σχέδιο αυτοκινήτου. 39 P a g e

41 40 P a g e Εικόνα 39. Δεύτερο σχέδιο αυτοκινήτου.

42 Διαδικασία 3Dμοντελοποίησης. Με την ολοκλήρωση των σκίτσων προχωράμε στη μοντελοποίησης του δεύτερου σχεδίου λόγου του ότι έχει ένα ποιο αεροδυναμικό σχήμα και στη αεροδυναμική ανάλυση περιμένουμε να μας δώσει μικρότερο συντελεστή οπισθέλκουσας και μεγαλύτερο C L. Για την μοντελοποίηση του οχήματος χρησιμοποιήθηκαν δυο προγράμματα. Το πρώτο πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν το Alias speed form και auto studio version της Autodesk, το οποίο είναι ένα πρόγραμμα καθαρά για σχεδίαση οχημάτων, στο Alias σχεδιάστηκε το κύριο σώμα του οχήματος. Μετά την ολοκλήρωση αυτής της σχεδίασης χρησιμοποιήθηκε το SolidWorks στο οποίο σχεδιάστηκαν οι λεπτομέρειές του οχήματος (φανάρια, αεραγωγοί) όπως και οι ζάντες με τα λάστιχα. Alias Αρχικά για να ξεκινήσομε τη σχεδίαση στο Alias έπρεπε να εισάγουμε τα σκίτσα στο περιβάλλον του Alias έτσι ώστε να βασιστούμε σε αυτά για να σχεδιάσουμε. Στην εικόνα (40) βλέπουμε τα 2 βασικά σχέδια που θα μας βοηθήσουν να έχουν εισαχθεί στο περιβάλλον του προγράμματος. Στην εικόνα (41) διαστασιολογούμε σκίτσο στο right plane έτσι ώστε να μην υπάρχουν αποκλίσεις από τα σχέδια που κάναμε. Εικόνα 40. Εισαγωγή σκίτσων στο alias 41 P a g e

43 Εικόνα 41. Διαστασιολόγηση σχεδίου. Ξεκινώντας λοιπόν την μοντελοποίηση μας βάση του σχεδίου ξεκινάμε να δημιουργούμε επιφάνειες τις οποίες την ενώνουμε μεταξύ τους με σκοπό να δημιουργήσουμε μια ενιαία επιφάνεια η οποία θα αποτελεί το βασικό σχήμα του οχήματος μας. Έτσι μετά από λίγο δημιουργούμε το πρώτο μας ολοκληρωμένο 3d σχέδιο αυτό φαίνεται στην εικόνα (42). Εικόνα 42. Πρώτο ολοκληρωμένο 3d σχέδιο Το Alias είναι ένα πρόγραμμα που βασίζεται στο ψηφιακό sculpture για την δημιουργία των 3d μοντέλων. Αρχίζοντας να προσθέτουμε περισσότερα σημεία και splines στο μοντέλο μας μπορούμε αν αρχίσουμε να το διαμορφώνουμε όπως επιθυμούμε. Στις παρακάτω εικόνες βλέπουμε πως προσθέτοντας splines και μετακινώντας κάποια points αρχίζουμε να δίνουμε μορφή στο δοκίμιο μας. Στην εικόνα (43) μπορούμε να δούμε ένα wireframe στο οποίο φαίνονται οι spline που διαμορφώνουν το μοντέλο μας ενώ στη εικόνα (44) την καμπυλότητα του μοντέλου μας. 42 P a g e

44 Εικόνα 43. Wireframe Εικόνα 44. Curveanalysis Με την ίδια διαδικασία σχηματίσουμε τους πλαϊνούς αεραγωγούς για την ψύξη των φρένων εικόνα (45) 43 P a g e

45 Εικόνα 45. Αεραγωγοί για ψύξη φρένων. Στις εικόνες που ακολουθούν θα δούμε το wireframe με την μοντελοποίηση του πίσω διαχύτη με το sharkfin, τη καμπυλότητα του μπροστινού ακροφυσίου (είσοδοventuri) μαζί με τον μπροστινό αεραγωγό για τη ροή του αέρα στα φρένα. Τέλος θα δούμε την τελική μορφή του οχήματος και την ανάλυση της καμπυλότητας του. Εικόνα 46. Wireframeδιαχύτη και sharkfin. 44 P a g e

46 Εικόνα 47. Ανάλυση καμπυλότητας μπροστινού μέρους. Εικόνα 48. Τελική μορφή μοντέλου. 45 P a g e

47 Εικόνα 49. Ανάλυση καμπυλότητας σε όλο το μοντέλο. Solidworks Μετά την ολοκλήρωση της μοντελοποίησης στο alias μεταφέραμε το δοκίμιο στο Solidworks με σκοπό να σχεδιάσουμε τα φανάρια και κάποιες ακόμα λεπτομέρειες στο όχημά μας. Εκτός αυτού στο Solidworks θα σχεδιαστούν και οι ρόδες του οχήματος. To δοκίμιο μεταφέρθηκε σε μορφή STEP. και στο Solidworks μετατράπηκε σε μια επιφανεία και αποθηκεύτηκε ως αρχείο sldprt. Η μετατροπή αύτη μας έδεσε τη δυνατότητα να μπορούμε να επέμβουμε στη επιφάνεια με τα εργαλεία του προγράμματος και να μπορέσουμε να κόψουμε κάποια σημεία στην επιφάνεια με σκοπό να προσαρμόσουμε με τη διαδικασία του assembly τα στοιχεία που θέλουμε. Πριν προχωρήσουμε στην περεταίρω μοντελοποίηση ας δούμε την επιφάνεια που δημιουργήσαμε και το σύστημα Venturi κάτω από το όχημα. Εικόνα 50. επιφάνεια Solidworks 46 P a g e

48 Εικόνα 51. Σύστημα Venturi Εφόσον έχουμε ανοίξει το αρχείο sldprt. μπορούμε να αρχίσουμε να προσθέτουμε planes στα οποία θα σχεδιάσουμε τα σημεία στα οποία θα δημιουργηθούν τα φανάρια, οι πόρτες του οχήματος, η έξοδος των εξατμίσεων, το πίσω ψυγείο, έτσι ώστε όταν αρχίσουμε το assembly του τελικού οχήματος σε εκείνα τα σημεία να μπορέσουμε να σχεδιάσουμε και να προσαρμόσουμε τα εκάστοτε εξαρτήματα. Αρχικά προσθέτουμε περιμετρικά του οχήματος τέσσερα καινούργια planes στα οποία επάνω θα σχεδιάσουμε εικόνα (52). Εικόνα 52. Planes Εφόσον τοποθετήσαμε τα planes ξεκινάμε με την σχεδίαση και την προβολή της περιοχής των εμπρόσθιων φαναριών. Σχεδιάζουμε στο plane 1 το σχήμα με τις διαστάσεις που θέλουμε να έχει το φανάρι και στη συνέχεια με την εντολή trim surface και ως trim tool το σχέδιο το οποίο σχεδιάσαμε κόβουμε την περιοχή στην οποία θα τοποθετηθεί μετέπειτα το φανάρι. Για να μπορέσουμε να βασιστούμε και να δημιουργήσουμε το φανάρι επάνω την 47 P a g e

49 εγκοπή που μόλις κάναμε δημιουργούμε μια ανεξάρτητη νέα επιφάνεια, η οποία θα αποτελεί στην ουσία το τζάμι του φαναριού μας, με την εντολή filled surface. Την ίδια διαδικασία ακολουθούμε και για τα πίσω φανάρια. Εικόνα 53. Sketch εμπρόσθιου φαναριού. Εικόνα 54. Trim surface 48 P a g e

50 Εικόνα 55. Fill surface Για να δημιουργήσουμε τις εσοχές στις οποίες θα τοποθετηθούνε οι έξοδοι από τις εξατμίσεις όπως και το πίσω ψυγείο σχεδιάσαμε και διαστασιολογίσαμε τα σχέδια στο plane 2. Με τα σχέδια αυτά κάνουμε trim surface και στη συνέχεια κάνουμε surface-extrude το σχέδιο με το οποίο κόψαμε την επιφάνεια. Για να κόψουμε ότι δεν χρειαζόμαστε από το extrude που μόλις κάναμε χρησιμοποιούμε πάλι την εντολή trim surface αλλά τώρα ως trimtool έχουμε την επιφάνεια του οχήματος. Τέλος κάνουμε fill surface την πίσω ανοικτή επιφάνεια με σκοπό να την κλείσουμε, αφού κάνουμε και αυτό ενώνουμε τις επιφάνειες που δημιουργήσαμε με την εντολή surface-knit και κάνουμε ένα μικρό fillet για να ομαλοποιήσουμε τις ακμές. Εικόνα 56. Sketch for exhaust 49 P a g e

51 Εικόνα 57. Trim for exhaust Εικόνα 58. Extrude surface 50 P a g e

52 Εικόνα 59. Trim surface Εικόνα 60. Fill surface 51 P a g e

53 Εικόνα 61. Fillet knit surface Η επιφάνεια της πόρτα του οχήματος είναι ήδη σχεδιασμένη και το μόνο που χρειάζεται είναι να την κόψουμε από την ενιαία επιφάνεια του οχήματος και να την αποθηκεύσουμε σαν ένα ξεχωριστό νέο part έτσι ώστε να έχουμε την δυνατότητα να την τοποθετήσουμε στο όχημα μας μετέπειτα στο assembly. Οπότε σχεδιάζουμε την πόρτα στο plane 4 και κάνουμε trim surface την επιφάνια που θέλουμε να κρατήσουμε και την αποθηκεύουμε ξεχωριστά. Εικόνα 62. Sketch για την κοπή της πόρτας. 52 P a g e

54 Εικόνα 63. Αριστερή πόρτα Για να μπορέσουμε να προχωρήσουμε στη διαδικασία του assembly και την σχεδίαση των υπόλοιπων κομματιών του οχήματος πρέπει να κάνουμε ένα συμμετρικό mirror στο right plane, έτσι ώστε να έχουμε ολοκληρωμένο το σώμα του αυτοκινήτου. Και τέλος να σχεδιάσουμε την είσοδο του αέρα στην οροφή του οχήματος η οποία δημιουργήθηκε από ένα boundary-surface το οποίο αποτελεί την εισαγωγή και ένα extrude με το οποίο έγινε το μικρό φτερό. Εικόνα 64.boundary-surface 53 P a g e

55 Εικόνα 65. Extrude φτερού. Εικόνα 66. Τελική μορφή οχήματος πριν την διαδικασία του assembly Αφού τελειώσαμε με το κύριο σώμα του οχήματος ήρθε η ώρα να σχεδιάσουμε τις ρόδες του έτσι παρακάτω περιγράφεται η διαδικασία μοντελοποίησης των ζαντών όπως και των ελαστικών του οχήματος. Όλη η σχεδίαση βασίζεται πάνω στην εντολή revolve και σε cirpattern (κυλινδρικά πάτερν). Έτσι στην εικόνα (67) βλέπουμε το βασικό σχέδιο της ζάντας και πως με την εντολή revolve σχηματίζεται αρχικά ο δίσκος στον οποίο θα βασιστούμε για να κάνουμε παρακάτω την ζάντα μας. 54 P a g e

56 Εικόνα 67. Σχεδίαση ζάντας με εντολή revolve Στη συνέχεια και για να αρχίσουμε να δίνουμε μορφή σχεδιάζουμε και κόβουμε (cutextrude) το σχέδιο το οποίο θέλουμε να έχει η ζάντα μας και στη συνέχεια με την εντολή cirpattern δημιουργούμε το pattern σε όλο το πρόσωπο της ζάντας. Εικόνα 68. Sketch για cut-extrude και cirpattern για τις μεγάλες οπές τις ζάντα 55 P a g e

57 Εικόνα 69. Cut-extrude Εφόσον ολοκληρώσουμε το σχέδιο δημιουργούμε μια τυποποιημένη τρύπα size M12 για την υποδοχή των μπουλονιών στη ζάντα πάνω και με την εντολή cirpattern ανοίγουμε πέντε όμοιες τρύπες. Είκονα 70. Οπές size M12 Τέλος στο κέντρο της ζάντας δημιουργούμε ένα κυλινδρικό extrude με ένα chamfer 30 deg με απόσταση 10mm. Για να ολοκληρωθεί η σχεδίαση μας κάνουμε τα απαραίτητα fillet στις ακμές και η ζάντα μας είναι έτοιμη. 56 P a g e

58 Εικόνα 71. Τελικό αποτέλεσμα ζάντας Με την ίδια φιλοσοφία σχεδίασης σχεδιάστηκε και το λάστιχο το οποίο προσαρμόστηκε μετά με assembly στη ζάντα που μοντελοποιήσαμε παραπάνω. Παρακάτω στην εικόνα (72) βλέπουμε το μισό συμμετρικό σχέδιο και τις διαστάσεις του, στο οποίο βασίστηκε και έγινε το revolveγια να σχηματιστεί το λάστιχο. Ενώ στην εικόνα 73 βλέπουμε το τελικό σχέδιο και δεξιά το designtree που μας δείχνει τη σειρά που πραγματοποιήθηκαν και εκτελέστηκαν οι εντολές για την μοντελοποίηση του δοκιμίου. Εικόνα 72. Sketch tire 57 P a g e

59 Εικόνα 73. Designtree για σχεδίαση λάστιχου. Μετά τη σχεδίαση της ζάντας και του λάστιχου ήμαστε σε θέση να πραγματοποιήσουμε το assemblyτης ρόδας. Έτσι στην εικόνα (74) βλέπουμε το τελικό αποτέλεσμα του assembly.4 Εικόνα 74. Assembly ρόδας. Εφόσον ολοκληρώθηκε η σχεδίαση της ρόδας και του κύριου σώματος του οχήματος, που αποτελούν τα βασικά στοιχεία και κομμάτια της σχεδίασής μας, μπορούμε να αρχίσουμε τη διαδικασία του τελικού assembly. Στην διαδικασία αυτή θα σχεδιάσουμε και θα προσαρμόσουμε όλα τα στοιχεία που απομένουν, όπως τα φανάρια, πάνω στο όχημά μας. Έτσι ανοίγουμε ένα νέο παράθυρο assembly στο Solidworks και εισάγουμε το part του 58 P a g e

60 αυτοκίνητου το στο οποίο επάνω θα προσαρμοστούν όλα τα υπόλοιπα parts. Εφόσον ανοίξαμε ένα νέο παράθυρο assemblyγια να εισάγουμε το σώμα του οχήματος χρησιμοποιούμε την εντολή insert component. Εικόνα 75. Εισαγωγή οχήματος στο παράθυρο του assembly Χρησιμοποιώντας την εντολή mate, αφού πρώτα έχουμε εισάγει τα parts που θέλουμε, χρησιμοποιώντας τους σωστούς περιορισμούς μπορούμε να προσαρμόσουμε σωστά τα parts του οχήματος. Αρχικά ξεκινάμε να προσαρμόζουμε τα parts που έχουμε ήδη σχεδιάσει από πριν, έτσι αρχικά εισάγουμε τις 2 πόρτες του οχήματος με την εντολή insert componentμε την εντολή mate τις τοποθετούμε στο όχημα όπως απεικονίζεται της εικόνα P a g e Εικόνα 76. Τοποθέτηση πορτών.

61 Αφού ολοκληρώσουμε την διαδικασία του assembly με τις πόρτες, για λόγους ευκολίας εισάγουμε δυο ρόδες μόνο για να τις προσαρμόσουμε στους αριστερούς θόλους του οχήματος, με απώτερο σκοπό στη συνέχεια να τις κάνουμε mirrorστο δεξί plane έτσι ώστε να τοποθετηθούν και στους δεξιούς θόλους οι ρόδες που χρειαζόμαστε. Εικόνα 77. Assembly αριστερών τροχών. Με την τοποθέτηση των τροχών στους θόλους έχουμε τοποθετήσει όλα τα parts που έχουμε μοντελοποιήσει μέχρι τώρα. Από εδώ και πέρα για να τελειώσει η διαδικασία του assembly πρέπει να αρχίσουμε να προσθέτουμε parts τα οποία θα πρέπει να το μοντελοποιούμε κι όλας. Έτσι η διαδικασία του assembly κατά την εισαγωγή ενός part αλλάζει. Για να δημιουργήσουμε ένα νέο part μέσα στο assembly από την εντολή insert component επιλέγουμε new part, για να ολοκληρωθεί η δημιουργία ενός νέου part πρέπει να επιλέξουμε ένα από τα τρία βασικά planes που υπάρχον στο μοντέλο του assembly μας. Εφόσον δημιουργηθεί το νέο part επιλέγουμε την εντολή offset surface και επιλέγουμε τις επιφάνειες γύρο από την περιοχή που θα πρέπει να μοντελοποιηθεί το νέο part και δημιουργούμε offset surface σε 0 απόσταση. Με αυτόν τον τρόπο όταν ανοίξουμε το νέο part για να μοντελοποιήσουμε ότι χρειαζόμαστε θα έχουμε τις επιφάνειες με τις οποίες θα πρέπει να εφάπτεται, πράγμα που θα μας βοηθήσει να μοντελοποιήσουμε πιο εύκολα και σωστά το part που χρειαζόμαστε. Σαν πρώτο νέο part που θα μοντελοποιήσουμε είναι τα μπροστινά φανάρια. Εάν δούμε τη εικόνα (66) θα δούμε ότι το μπροστά αριστερό φανάρι είναι καλυμμένο με μια επιφάνια, σε αντίθεση με το δεξί το οποίο είναι κενό. Συνεπώς παίρνουμε αυτή την επιφάνια και την κάνουμε offset. Ανοίγοντας αυτό το part έχουμε μόνο αυτή την επιφάνεια που στη ουσία είναι και το τζαμί του φαναριού μας (εικόνα 78-1). Παίρνοντας λοιπόν αυτό ως βάση αρχίζουμε και μοντελοποιούμε το μπροστά αριστερό φανάρι το οποίο θα κάνουμε mirror στα δεξιά μόλις ολοκληρωθεί. Χρησιμοποιώντας επιφάνειες σχηματίζουμε και μοντελοποιούμε το πλαίσιο του φαναριού (εικόνα 78-2). Από τη στιγμή τελειώσαμε το πλαίσιο μπορούμε να αρχίσουμε να μοντελοποιούμε το εσωτερικό του φαναριού. Η μοντελοποιήση του εσωτερικού έγινε κατά κύριο λόγο με την εντολή extrudeμε την οποία σχεδιάζαμε και δημιουργούσαμε την κύρια μορφή του εκάστοτε κομματιού, όπου χρειαζόταν κάναμε trim το 60 P a g e

62 extrude που δημιουργούσαμε με την εντολή cut with surfaces στην οποία είχαμε σαν cut tool κάποια επιφάνεια από το πλαίσιο του φαναριού. Έτσι μοντελοποιήθηκαν τα κομμάτια που βλέπουμε στην (εικόνα 78-3 και 4). Εικόνα 78. Μοντελοποιήσει εμπρόσθιου φαναριού. Εφόσον ολοκληρώθηκε όλος ο σχεδιασμός του αριστερού φαναριού έγινε mirror στο δεξί plain.με αυτή τη διαδικασία ολοκληρώθηκε η σχεδίαση των εμπρόσθιων φαναριών και το τελικό αποτέλεσμα φαίνεται στην εικόνα (79). Εικόνα 79. Εμπρόσθια φανάρια. Ο σχεδιασμός και η μοντελοποίηση των δυο οπίσθιων φαναριών όπως και του racing light έγινε με την ίδια ακριβώς μέθοδο. Έτσι στις εικόνες (80-81) θα δούμε την τελική μορφή των οπίσθιων φαναριών και του racing light. 61 P a g e

63 Εικόνα 80. Οπίσθια φανάρια Εικόνα 81. Racing light Μετά το τέλος της σχεδίασης των φαναριών σειρά έχουν να σχεδιαστούν οι μπροστινές γρίλιες στους μπροστινούς αεραγωγούς των φρένων. Για την σχεδίασή τους σαν offset surface παίρνουμε το τοίχωμα του αεραγωγού, επίσης κάνουμε δυο fill επιφανειών, ένα στο σημείο που θέλουμε να αρχίζουν οι γρίλιες και ένα εκεί που θέλουμε να τελειώνουν, αυτό το κάνουμε για να μπορέσουμε να κόψουμε το extrude με το οποίο θα μοντελοποιήσουμε τις γρίλιες. Ανοίγοντας το part στο οποίο θα μοντελοποιηθούν οι γρίλιες σχεδιάζουμε ένα διαγώνιο παραλληλόγραμμο και με την εντολή linear sketch pattern δημιουργούμε έντεκα παρόμοια παραλληλόγραμμα. Με τον ίδιο τρόπο σχηματίζουμε και από την αντίθετη κατεύθυνση παραλληλόγραμμα με σκοπό να δημιουργηθούν οι γρίλιες που βλέπουμε στην εικόνα (82-2). Αφού τελειώσουμε με τη σχεδίαση τις κάνουμε extrude. Με την εντολή cut with surface και με cut tool τις επιφάνειες που βλέπουμε στην εικόνα (82-3) κόβουμε το 62 P a g e

64 extrude που μόλις κάναμε στο σχήμα που θέλουμε εικόνα (82-4). Το τελικό μας part το βλέπουμε στην εικόνα (83). Εικόνα 82. Front grill Εικόνα 83. Finalfrontgrill Αφότου τελειώσαμε και με τον σχεδιασμό των εμπρόσθιων γριλιών σειρά έχει να σχεδιαστεί το μέρος στο οποίο θα βρίσκεται το ψυγείο του κινητήρα. Έτσι σαν offset surface παίρνουμε την εγκοπή που έχουμε δημιουργήσει στο σημείο που θέλουμε να είναι το ψυγείο εικόνα (84-1). Σε ένα plane πίσω από την επιφάνεια που έχουμε offset σχεδιάζουμε την κυψελοειδή μορφή που συνήθως έχει η επιφάνεια του εναλλάχτη ενός ψυγείου εικόνα (84-2). Για την σχεδίαση του σχεδιάσαμε ένα εξάγωνο το οποίο με Liner pattern το 63 P a g e

65 πολλαπλασιάσαμε στο άξοναx και y στη συνέχεια το μοντελοποιήσαμε με την εντολήextrude και τέλος κάναμε mirror στο right plane για να έχουμε όλη την επιφάνεια που χρειαζόμαστε. Τέλος σχεδιάζουμε και κάνουμε extrude ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο το οποίο έχει το ρόλο της πινακίδας του οχήματος εικόνα (84-3). Στην εικόνα (84-4) φαίνεται η τελική μας σχεδίαση. Εικόνα 84. Σχεδίαση ψυγείου. Τέλος πριν δούμε το τελικό μας assembly μένει να μοντελοποιήσουμε τις τελικές εξόδους των εξατμίσεων. Έτσι και πάλι παίρνουμε σαν offset την περιοχή που ορίσαμε για τις εξατμίσεις μας, εικόνα (85-1) και σχεδιάζουμε το σχήμα που επιθυμούμε εικόνα (85-2). Μετά τη σχεδίαση και το extrude του σχεδίου μας κάνουμε ένα fillet όπως φαίνεται στην εικόνα (85-3). Για να ολοκληρωθεί η μοντελοποίηση μας κάνουμε ένα συμμετρικό mirror στα δεξιά για να πάρουμε το τελικό μας σχέδιο το οποίο παρουσιάζεται στην εικόνα (85-4). 64 P a g e

66 Εικόνα 85. Μοντελοποίηση εξατμίσεων. Μετά την σχεδίαση όλων των κομματιών που χρειαζόταν να μοντελοποιήσουμε μπορούμε να δούμε πως τοποθετήθηκαν επάνω στο κύριο σώμα του οχήματός μας. Στην εικόνα (86) βλέπουμε το όχημα από την μπροστινή του πλευρά με τοποθετημένα τα εμπρόσθια φανάρια και τις γρίλιες. Ενώ στην εικόνα (86) βλέπουμε πως προσαρμόστηκαν τα πίσω φανάρια, το racing light, το ψυγείο και οι εξατμίσεις. Εικόνα 86. Assembly εμπρόσθιων φαναριών και γριλιών. 65 P a g e

67 Εικόνα 86. Assembly οπίσθιων φαναριών, racinglight, ψυγείου και εξατμίσεων Renders Εφόσον πλέον έχουμε τελειώσει με τη σχεδίαση και πριν προχωρήσουμε στην αεροδυναμική ανάλυση του οχήματος μπορούμε να δούμε μια σειρά από renders του τελικού οχήματος που παρουσιάζονται παρακάτω. Εικόνα / 4 μπροστινής όψης οχήματος. 66 P a g e

68 Εικόνα / 4 οπίσθιας όψης οχήματος. Εικόνα 90. Μπροστινής όψη οχήματος. 67 P a g e

69 Εικόνα 91. Πίσω όψη οχήματος. Εικόνα 92.Πλάγια όψη οχήματος. 68 P a g e

70 Εικόνα 93.Πλάγια χαμηλή μπροστινή όψης οχήματος. Εικόνα 94.Οχήματος με ανοιχτές πόρτες. 69 P a g e

71 5. Περιγραφή cdf ανάλυσης στο Ansys Εισαγωγή. Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει η περιγραφή για την διαδικασία της αεροδυναμικής ανάλυσης του οχήματος στο Ansys. Για να μπορέσουμε να πραγματοποιήσουμε την αεροδυναμική μελέτη μας σχεδιάσαμε ένα νέο μοντέλο πιο απλοποιημένο και υπό κλίμακα 1/10, έτσι ώστε να μας είναι πιο εύκολη και σύντομη από άποψη χρόνου, η διαδικασία τους mesh και της τελικής ανάλυσης. Εφόσον το αρχείο μοντελοποιηθεί και εισαχθεί στο Ansys θα δημιουργήσουμε την εικονική αεροσήραγγα και θα δούμε τη διαδικασία του mesh για τη δημιουργία των απαραίτητων στοιχείων. Τέλος θα τρέξουμε την ανάλυση για να εξάγουμε τα απαραίτητα αποτελέσματα που χρειαζόμαστε, τα οποία θα παρουσιαστούν και αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Σχεδίαση μοντέλου υπό κλίμακα 1/10 Γνωρίζοντας ότι οι τελικές διαστάσεις στο όχημα μας είναι 4,5m μήκος 1,8m πλάτος και 1,19m ύψος, χρησιμοποιήσαμε τρία prntsc ως patterns από την πλάγια, μπροστινή και κάτω όψη του μοντέλου για να σχεδιάσουμε στο δυο sketch που μας είναι απαραίτητα για δημιουργήσουμε ένα solid ομοίωμα του μοντέλου μας με την εντολήloftμε διαστάσεις 450mm μήκος 180mm φάρδος και 120mm ύψος. Με την εντολή extrude και σε συνδυασμό με ένα νέο loft δημιουργήσαμε την αεροτομή του οχήματος. Τις σήραγγες του συστήματος venture τις κατασκευάσαμε κόβοντας την στερεή επιφάνεια του οχήματος μας με την εντολή cut-loft για την πίσω σήραγγα ενώ για την μπροστά χρησιμοποιήσαμε την εντολή cut-sweep. Τέλος κάναμε mirror στο δεξί plane και ολοκληρώναμε την σχεδίαση του μοντέλου μας. 70 P a g e Εικόνα 95.Διαστάσεις οχήματος

72 Εικόνα 96. Μοντέλο ανάλυσης. Εισαγωγή μοντέλου και δημιουργία αεροσήραγγα στο Ansys Για να πραγματοποιήσουμε μια ανάλυση ροής αέρα στο ANSYS Work bench επιλέγουμε από το toolbox, αριστερά της κεντρικής οθόνης την κατηγορία Fluid Flow (fluent) και αυτόματα δημιουργείται ένα νέο project το οποίο έχουμε τη δυνατότητα να το ονομάσουμε όπως εμείς θέλουμε. 71 P a g e Εικόνα 97. Δημιουργία νέου project

73 Για να κάνουμε εισαγωγή γεωμετρίας στο νέο project που δημιουργήσαμε ανοίγουμε το παράθυρο geometry με διπλό κλικ. Οι καλύτεροι δυνατοί τύποι αρχείων για το δοκίμιο που θα εισαχθεί είναι STEP και PARASOLID (.x_t). Στη περίπτωση που εξετάζουμε θα γίνει εισαγωγή σε parasolid μορφή. Για να κάνουμε εισαγωγή πάμε file import external geometry file και επιλέγουμε από αρχείο που θέλουμε. Για να ολοκληρωθεί η εισαγωγή πρέπει να πατήσουμε generate. Εικόνα 98. Εισαγωγή γεωμετρίας Εικόνα 99. Generateμοντέλου 72 P a g e

74 Εφόσον εισαχθεί με επιτυχία το μοντέλο μας πρέπει να δημιουργήσουμε την εικονική αεροσήραγγα στην οποία θα τοποθετηθεί το αυτοκίνητο. Για να το κάνουμε αυτό θα πρέπει να δημιουργήσουμε ένα enclosure εικόνα (99) το οποίο εισάγεται από τα tools. Το σχήμα του enclosure θα πρέπει να είναι box και να ενεργοποιήσουμε το numbers of planes σε 2 planes. Το ένα plan θα μας βοηθήσει να χωρίσουμε το αυτοκίνητο στο συμμετρικό του, έτσι ώστε να μην χρειαστεί να κάνουμε mesh όλο το αυτοκίνητο και τον αέρα αλλά μόνο στο μισό και το άλλο θα χρησιμοποιηθεί για να οριστεί ο δρόμος. Για τη σωστή διαστασιολόγηση της αεροσήραγγας πρέπει να γνωρίζουμε τις διαστάσεις του οχήματος εικόνα (100) και όπως φαίνεται στην εικόνα (101) να διαστασιολογήσουμε το enclosure αεροσήραγγα μας. Για να δημιουργηθεί τέλος το enclosure πρέπει να πατήσουμε generate εικόνα (102). Εικόνα 99. Εισαγωγή enclosure 73 P a g e

75 Εικόνα 100. Διαστάσεις οχήματος Εικόνα 101. Σωστή διαστασιολόγισηenclosure. 74 P a g e

76 Εικόνα 102. Δημιουργία enclosure Για να μπορέσουμε να συνεχίσουμε στη διαδικασία του mesh πρέπει να εισάγουμε και στην ουσία να ενοποιήσουμε το όχημά μας με τον αέρα, το enclose που μόλις δημιουργήσαμε δηλαδή. Για να το κάνουμε αυτό πρέπει να φτιάξουμε ένα Booleanμε operation subtract εικόνα (103) στο οποίο θα εισάγουμε σαν target bodies τον αέρα και ως tool bodies θα βάλουμε το όχημά μας. Κάνοντας generate βλέπουμε ότι πλέον έχουμε μόνο μια γεωμετρία, τον αέρα μας χωρίς όμως το όχημά μας εικόνα (104) ότι δηλαδή χρειαζόμαστε για την μελέτη μας. Εικόνα 103. Δημιουργία Boolean 75 P a g e

77 Εικόνα 104. Τελική γεωμετρία Boolean Πριν περάσουμε στη διαδικασία του mesh θα πρέπει να δημιουργήσουμε ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο που θα το ονομάσουμε carbox. Θα πρέπει να έχει ύψος μιάμιση φορά το όχημά μας και συνολικό μήκος δυόμιση φορές το μήκος του οχήματος μας όπως φαίνεται παρακάτω στην εικόνα (105). Αυτό το παραλληλόγραμμο στη συνέχεια το κάνουμε extrude με πλάτος περίπου όσο το ύψος του και εν συνεχεία το κάνουμε freeze. Έτσι δημιουργούμε μια ξεχωριστή γεωμετρία την οποία θα την κάνουμε ξεχωριστά meshκαι θα μας βοηθήσει να έχουμε καλύτερη απεικόνιση της ροής του αέρα γύρω από το όχημά μας. Εικόνα 105. Διαστάσεις παραλληλογράμμου 76 P a g e

78 Εικόνα 106. Τελική γεωμετρία Meshing Sizing Εφόσον τελειώσουμε με όλες τις διαδικασίες που πρέπει να κάνουμε στο παράθυρο του geometryτο κλείνουμε και ανοίγουμε το παράθυρο του mesh. Ανοίγοντας το παράθυρο του mesh παρατηρούμε ότι δεν μας ανοίγει τίποτα, για να μπορέσουμε να δούμε το πρώτο τυπικό mesh που κάνει αυτόματα το Ansys πρέπει να πατήσουμε generate. Για να εξοικονομήσουμε όμως χρόνο πριν πατήσουμε generateπηγαίνουμε στο details of mesh και πιο συγκεκριμένα στο sizing και βάζουμε τις παραμέτρους που επιθυμούμε για το meshμας. Έτσι λοιπόν αλλάζουμε την defaultεπιλογή στο πεδίο Advanced Sizing Functions και επιλέγουμε Proximity & Curvature διότι το μοντέλο μας αποτελείται από καμπύλες και ευθεία τμήματα και με την επιλογή αυτή πετυχαίνουμε το καλύτερο δυνατό προσανατολισμό τον στοιχείων στο mesh μας. Η επόμενη επιλογή που πρέπει να αλλάξουμε είναι το Smoothing το οποίο βελτιώνει την ποιότητα του mesh μετακινώντας και τοποθετώντας τα στοιχεία του mesh σε σχέση με τα γύρω στοιχεία που υπάρχουν η επιλογή που συστήνεται είναι high οπότε δεν έχουμε παρά να το επιλέξουμε. Transition και Span Angle Center τα αφήνουμε ως έχουν διότι είναι οι καλύτερες δυνατές επιλογές. Στην επιλογή Snap Angel για να έχουμε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα και όσο το δυνατόν ποιο smooth mesh τις 18 τις κατεβάζουμε στις 12. Επίσης επιλέγουμε να έχουμε 5 στοιχεία στην επιλογή Num Cell Across Gap. Τέλος σαν Min Size στοιχείου βάζουμε 1mm ενώ σαν Max Size και Max Face Size 25mm, ενώ το Growth Rate το αφήνουμε ως έχει 1,2. Πριν κάνουμε generate εισάγουμε 2 Sizing στο mesh το ένα είναι μόνο για τις επιφάνειες του οχήματος ενώ το άλλο για το car box που κάναμε. Ως geometry στην πρώτη περίπτωση επιλέγουμε όλες τις επιφάνειες του οχήματος και βάζουμε 2mm σαν Element Size. Στην περίπτωση του car box σαν geometry επιλέγουμε όλη την περιοχή air, αλλάζομε τον τύπο του sizingκαι τον στο Type επιλέγουμε Body of Influence και σαν Body of Influence διαλέγουμε στο car box στο οποίο δίνουμε Element 77 P a g e

79 Size10mm. Εφόσον ολοκληρώσαμε όλες τις παραπάνω επιλογές μπορούμε κάνουμε generate και να δούμε το mesh. Εικόνα 107. Παρουσίαση παραθύρου Sizing με όλες τις επιλογές και το τελικό αποτέλεσμα του mesh Inflation Για να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε inflation πρέπει πρώτα να ονομάσουμε τις επιφάνειες μας πράγμα το οποίο θα μας βοηθήσει και μετέπειτα στο solution μας. Έτσι λοιπόν ονομάζουμε όλες τις επιφανείς του enclosure μας ανάλογα με τον προσανατολισμό τους όπως φαίνεται στην επόμενη εικόνα (108). Μόνο στο car και στο road αλλάζουμε την επιλογή του Program Controlled Inflation από exclude σε include. Εικόνα 108. Named selections για το car και Program Controlled Inflation include. 78 P a g e

80 Εφόσον έχουμε επιλέξει ποια δυο στοιχεία θα είναι στο inflation επιστρέφουμε στο details of mesh και ανοίγουμε το inflation εκεί βλέπουμε ότι το Inflation Option είναι προεπιλεγμένο στην default smooth transition αλλά συμφώνα με το άρθρο (Best practice guidelines for handling automotive external aerodynamics with fluent) η καλύτερη επιλογή είναι να χρησιμοποιήσουμε First Aspect Ratioμε 5 layers. Για την αποφυγή προβλημάτων στο mesh λόγο της πολυπλοκότητας της γεωμετρία μας πρέπει να αλλάξουμε το Collision Avoidance, για να το αλλάξουμε πρέπει να ανοίξουμε το advance optionκαι από την default επιλογή να επιλέξουμε το Stair Stepping. Εφόσον ολοκληρώσαμε όλες τις παραπάνω επιλογές μπορούμε κάνουμε generate και να δούμε το νέο mesh που προκύπτει. Εικόνα 109. Mesh μετά το inflation Μετά από το generate που πραγματοποιήσαμε βλέπουμε ότι στο δρόμο έχει δημιουργηθεί ένα στρώμα από ορθογώνια στοιχεία. Εάν κάνουμε παραπάνω zoom θα διαπιστώσουμε ότι όλες οι επιφάνειες του οχήματος μας έχουν ένα τέτοιο στρώμα. Αυτό το inflation layer που δημιουργήθηκε μας βοηθάει στην καλύτερη επίλυση των περιοχών, στις οποίες υπάρχει υψηλή συγκέντρωση τάσεων, έτσι έχουμε καλύτερη προσομοίωση των δυνάμεων που ασκούνται στο όχημα. 79 P a g e

81 Εικόνα 110. Inflation γύρω από το όχημα και το δρόμο. Με την ολοκλήρωση του inflation στην ουσία τελειώνει και η διαδικασία του mesh και μπορούμε να προχωρήσουμε στην προσομοίωση των αεροδυναμικών φορτιών και της εύρεση των συντελεστών που θέλουμε. Πριν γίνει όμως αυτό πρέπει να δούμε εάν το mesh μας είναι ικανοποιητικό. Για να το ελέγξουμε αυτό ανοίγουμε το παράθυρο statistics και στο Mesh Metric επιλέγουμε το Skewness. Σύμφωνα με την εικόνα (111) στη μέθοδο του skewness πρέπει το maximum skewness να είναι μικρότερο από 0,95 πράγμα το οποίο το έχουμε πετύχει, επίσης βλέπουμε ότι το averageμας είναι 0,22 το οποίο ερμηνεύεται ως excellent όπως μπορούμε να δούμε στην εικόνα (111). Εφόσον πλέον έχουμε δει ότι έχουμε κάνει ένα αρκετά καλό mesh μπορούμε να προχωρήσουμε στο παράθυρο solution. 80 P a g e Εικόνα 111. Mesh quality Ansys

82 Εικόνα 112. Παράθυρο statistics του δοκιμιού μας. Solution Πριν ανοίξει το παράθυρο solutionπρέπει να ορίσουμε τις παραμέτρους επιλύσεις του προβλήματος. Έτσι ξετσεκάρουμε το workbench colors cheme, επιπλέον τσεκάρουμε το doubleprecission για να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στην ανάλυσή μας και τέλος στο processing options επιλέγουμε το parallel και διαλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε και τους 4 επεξεργαστές του υπολογιστή. Εικόνα 113.Setup solution 81 P a g e

83 Εφόσον τελειώσαμε με τις ρυθμίσεις επιλύσης ανοίγει το παράθυρο solutionεικόνα (114). Αρχικά επιλέγουμε αυτό που θα επεξεργαστούμε την κατηγορία Setup από το treeτο οποίο βρίσκεται αριστερά. Αρχικά επιλέγουμε το Models και εν συνεχεία το Viscous το οποίο έχει ως προεπιλεγμένη επιλογή το Laminar με το οποίο μπορούμε να κάνουμε την ανάλυσή μας αλλά όχι με τόσο μεγάλη ακρίβεια έτσι εμεί επιλέγουμε την επιλογή k-epsilonγια να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια, στο μενού της επιλογής k-epsilon επιλέγουμε realizableκαι Non- Equilibrium wall functions εικόνα (115). Στα Μaterials όπως μπορούμε να δούμε στην εικόνα (116) οι default επιλογές είναι αέρας για το ρευστό και αλουμίνιο για το όχημά μας οπότε δεν χρειάζεται να αλλάξουμε τίποτα. Εικόνα 114. Παράθυρο solution Εικόνα 115. Αλλαγή laminar σε k -espilon 82 P a g e

84 Εικόνα 116. Materials H επόμενη επιλογή που πρέπει να επέμβουμε είναι στο Boundary Conditions. Όπως μπορούμε να δούμε από τα ονόματα που δώσαμε στις επιφάνειες μας το πρόγραμμα αναγνωρίζει αυτόματα ποια μέρη είναι stationarywalls με no-slipconditions όπως και από που είναι η είσοδος και που η έξοδος του αέρα. Εμείς χρειάζεται να ορίσουμε την κατεύθυνση και την ταχύτητα του αέρα όπως και το turbulentintensity. Το turbulentintensity του αέρα πρέπει να είναι 1% to 5% όπως βλέπουμε στην εικόνα (117). Εικόνα 117. Turbulence conditions. 83 P a g e

85 Έτσι από το παράθυρο Zone επιλέγουμε το velocity-inlet και πατάμε edit. Για να ορίσουμε την ταχύτητα μας επιλέγουμε από το velocity specification method την επιλογή componentsη οποία μας δίνει τη δυνατότητα να ορίσουμε σε ποιον άξονα και αναλόγως το πρόσημο τη φορά που θέλουμε να έχει η ταχύτητα μας. Στη προκειμένη περίπτωση εμείς θέλουμε η κατεύθυνση του αέρα να είναι θετική στον άξονα Χ και να έχει ταχύτητα 40m/s δηλαδή 140km/h περίπου. Επιπλέον αλλάζουμε το 5% σε 1% στο turbulent intensity εικόνα (118). Εικόνα 118. Ρύθμιση κατεύθυνσης και μεγέθους της ταχύτητας. Στη συνέχεια επιλέγουμε το Reference Value στο οποίο παράθυρο επιλέγουμε από που και πάνω σε ποια επιφάνεια θα γίνει ο υπολογισμός μας. Έτσι στο computefrom επιλέγουμε velocity-inlet και αυτόματος βλέπουμε ότι στο κενό κελί το velocity (m/s) συμπληρώνεται η ταχύτητα που είχαμε ορίσει προηγούμενος. Στο πρώτο κελί Area πρέπει να συμπληρώσουμε τα m 2 της επιφάνειας η οποία παρεμβάλλεται στη κίνηση του αέρα και αύτη δεν είναι άλλη από την επιφάνεια του οχήματος. Για να μπορέσουμε όμως να υπολογίσουμε με ακρίβεια την επιφάνεια επιλέγουμε από το tree των επιλογών αριστερά το Reports > Projected Areas το οποίο μας ανοίγει ένα μικρό παράθυρο στο οποίο μπορούμε να επιλέξουμε τον άξονα προβολής της επιφάνειας και ποια επιφάνεια πρέπει να υπολογιστεί. Project direction άξονας X και surface sγια υπολογισμό car. Μετά τον υπολογισμό βλέπουμε τα m 2 της επιφανείας μας 0, και το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να το αντιγράψουμε στο κελί Area πίσω στο Reference Value. Όλη η παραπάνω διαδικασία απεικονίζεται στην εικόνα P a g e

86 Εικόνα 119.Reference Value Από τη στιγμή που τελειώσαμε με την πρώτη μεγάλη κατηγορία Setup προχωράμε στη δεύτερη κατηγορία Solution. Πρώτη μας στάση το Solution Methods στο οποίο θα ορίσουμε τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει η επιλύση. Έτσι λοιπόν στο Scheme επιλέγουμε το coupled ενώ στο Pressure standard όσον αφορά τα πεδία Momentum, Turbulent Kinetic Energy και Turbulent Dissipation Rate μπορούμε να κάνουμε 100 γρήγορους υπολογισμούς με Frist Order Upwind έτσι ώστε να έχουμε ένα γρήγορο αποτέλεσμα αλλά με μικρή ακρίβεια και μετά να επιλέξουμε Second Order Upwind και να τρέξουμε άλλες 500 επαναλήψεις με μεγαλύτερη ακρίβεια. Εικόνα 120. SolutionMethods 85 P a g e

87 Στην εικόνα 120 βλέπουμε την επιλογή Second Order Upwind στα πεδία Momentum, Turbulent Kinetic Energy και Turbulent Dissipation Rate στο επόμενο κεφάλαιο θα δούμε τι διαφορά έχει στα τελικά αποτελέσματα με την επιλογή Frist Order Upwind. Μετά το Solution Methods ακολουθείτο Solution Controls. Στο οποίο το Flow Courant Number από 200 το κάνουμε 50 ενώ τοmomentum και το Pressureαπό 0,5 το κάνουμε 0,25. Τέλος το Turbulentviscosity το έχουμε 0,8 στη περίπτωση των 100 επαναλήψεων ενώ το κάνουμε 0,95 στις 500. Εικόνα 121. Solution Controls Σε αυτό το σημείο έχουν τελειώσει όλες οι απαραίτητες ρυθμίσεις για την επίλυση και ευρέσης των συντελεστών. Έτσι στην επόμενη κατηγορία που είναι τα Monitors θα ορίσουμε την επιφάνια πάνω στην οποία θα πρέπει να γίνουν οι υπολογισμοί για το C d και C l καθώς και την διεύθυνση της δύναμης. Έτσι στην εικόνα (122) βλέπουμε το πως ορίζουμε τον συντελεστή C d. Ως wall zone επιλέγουμε το car τσεκάρουμε το print to console και plot για να μπορούμε να βλέπουμε τα αποτελέσματα και το διάγραμμα πως σχηματίζενται στην οθόνη μας την ώρα της επίλυσης. Τέλος πληκτρολογούμε 1 στον άξονα Χ, διότι η κίνηση του αυτοκινήτου είναι προς το -Χ με αποτέλεσμα η φορά της δύναμης είναι θετική, για αυτό και πληκτρολογούμε 1 και όχι -1. Με την ίδια ακριβώς λογική και διαδικασία ορίζουμε αντίστοιχα και τον συντελεστή C l. 86 P a g e

88 Εικόνα 122. Dragmonitor Ένα σημαντικό βήμα πριν τον τελικό υπολογισμό μας είναι το Solution Initialization στον οποίο έχοντας επιλεγμένο το Hybrid Initialization το πρόγραμμα τρέχει δέκα πολύ γρήγορους υπολογισμούς με σκοπό να ελέγξει εάν όλες οι προηγούμενες ρυθμίσεις που πραγματοποιήσαμε είναι σωστές ή υπάρχει κάποιο πρόβλημα, επίσης με αυτό τον τρόπο προσδιορίζεις γρήγορα την ταχύτατα και την πίεση του αέρα. Εικόνα 123. Hybrid Initialization 87 P a g e

89 Εφόσον τελειώσουν οι γρήγοροι υπολογισμοί του Hybrid Initialization και εφόσον δεν υπάρξει κάποιο σφάλμα μπορούμε να τρέξουμε τον υπολογισμό μας. Αυτό γίνεται από το παράθυρο Run Calculation στο οποίο ρυθμίζουμε τον αριθμό των επαναλήψεων της λύσης μας. Στην περίπτωση που έχουμε Frist Order Upwind στα πεδία Momentum, Turbulent Kinetic Energy και Turbulent Dissipation Rate ένας κάλος αριθμός επαναλήψεων είναι 500 επαναλήψεις. Εικόνα 124. Ρύθμιση επαναλήψεων για επίλυση προβλήματος Δοκιμές με γνώστες γεωμετρίες για έλεγχο της διαδικασίας επίλυσης. Πριν τρέξουμε τη τελική μας δοκιμή με το όχημά μας τρέξαμε 2 δοκιμές με 2 γνώστες γεωμετρίες με σκοπό να δούμε εάν η διαδικασία που ακολουθούμε είναι αξιόπιστη και μας δίνει σωστά αποτελέσματα. Κύβος Σαν πρώτη γνωστή γεωμετρία βάλαμε και τρέξαμε μια ανάλυση για έναν κύβο. Όπως θα δούμε και στις επόμενες εικόνες το C d που βγάλαμε από την ανάλυση μας είναι 1,07 (εικόνα 125) ενώ το γνωστό cd του κύβου στο 1,05. Παρατηρούμε ότι το αποτέλεσμα το οποίο προέκυψε από την ανάλυσή μας είναι πάρα πολύ κοντά στο γνωστό C dτου κύβου. Με αυτή τη μικρή ανάλυση και σύμφωνα με το αποτέλεσμα που προέκυψε μπορούμε να πούμε ότι ο τρόπος επίλυσης του προβλήματος είναι ικανοποιητικός. 88 P a g e

90 Εικόνα 125. Υπολογισμός C dκύβου. Ahmed Πέρα από την επίλυση του κύβου για να βεβαιωθούμε 100% ότι η διαδικασία μας είναι σωστή και τα αποτελέσματά μας αξιόπιστα τρέξαμε μια ακόμα αεροδυναμική ανάλυση με τη γεωμετρία ahmedbody. Η γεωμετρία αυτή είναι μια γνωστή και πολύ απλή γεωμετρία, η οποία είναι μια πολύ απλουστευμένη έκδοση ενός αυτοκινήτου. Η γεωμετρία αυτή χρησιμοποιείται πολλές φορές για τον έλεγχο νέων λογισμικών προσομοίωσης CFD με σκοπό να συγκρίνει την ακρίβεια ενός λογισμικού με ένα άλλο λογισμικό. Εφόσον ακολουθήσαμε όλη την παραπάνω διαδικασία όπως επιγράφτηκε με εισαγωγής γεωμετρίας, meshκαι solutionκαι με ταχύτητα δοκιμής αέρα στα 40 m/sκαταλήξαμε σε ένα C d=0,28 εικόνα (126). Σύμφωνα με το άρθρο «CFD Analysis on Ahmed Body and the suggested aerodynamic changes to the Ahmed Body» τοc d σε αυτή την ταχύτητα είναι 0,25εικόνα (127).Εκτός από το C d στο Ahmed Body δημιουργήσαμε και γραφήματα με την κατανομή της πίεσης επάνω στο Ahmed Body, την κατανομή της ταχύτητας γύρω από το Ahmed Body και τέλος τους στροβιλισμούς και αποκολλήσεις που δημιουργούνται κατά τη ροή του αέρα εικόνα (128). Οι απότομες εναλλαγές στο παράθυρο 2 που απεικονίζεται η ταχύτητα είναι μόνο γραφικά θέματα που απεικονίζονται έτσι λόγο του συμμετρικού plane και δεν επηρεάζουν καθόλου τη δοκιμή μας παρά μονών στο γραφικό κομμάτι. 89 P a g e

91 Εικόνα 126. Ahmed Body C d δοκιμής Εικόνα 127. Prtsc από άρθρο CFD Analysis on Ahmed Body and the suggested aerodynamic changes to the Ahmed Body 90 P a g e

92 Εικόνα 128. Κατανομή πίεσης παράθυρο 1, κατανομή ταχύτητα παράθυρο 2 και στροβιλισμοί παράθυρο 3 Από τη στιγμή που ολοκληρώθηκε η ανάλυση του Ahmed Body και είδαμε ότι τα αποτελέσματά μας και η διαδικασία επίλυσης των προβλημάτων είναι ικανοποιητικά μπορούμε να περάσουμε στη παρουσίαση των αποτελεσμάτων τους δοκιμίου μας. 91 P a g e

93 6. Παρουσίαση αποτελεσμάτων ανάλυσης δοκιμίου Πριν τρέξουμε τη λύση με τις 500 επαναλήψεις έχοντας την επιλογή Frist Order Upwind στα πεδία Momentum, Turbulent Kinetic Energy και Turbulent Dissipation Rateκάναμε 100 γρήγορους υπολογισμούς με Second Order Upwind στα πεδία Momentum, Turbulent Kinetic Energy και Turbulent Dissipation Rate. Έτσι στα παρακάτω διαγράμματα παρατηρούμε ότι η αρχή τη καμπύλης του διαγράμματος ξεκινάει από εκεί που τελείωσαν οι 100 πρώτες επαναλήψεις. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να δούμε και τη μεγάλη διαφορά στα αποτελέσματα ανάμεσα στις 2 μεθόδους. Μετά το τέλος των 500 επαναλήψεων έχουμε τα τελικά μας αποτέλεσμα για τοc d=0,39 και για τοc l=0,72. Το διάγραμμα του συντελεστή οπισθέλκουσας C d απεικονίζεται στην εικόνα (129) ενώ το διάγραμμα του συντελεστή άνωσης C lστην εικόνα (130). Εικόνα 129. Διάγραμμα του συντελεστή οπισθέλκουσας C d 92 P a g e Εικόνα 130. Διάγραμμα του συντελεστή άνωσης C l

94 Πριν προχωρήσουμε και δούμε τη κατανομή της ταχύτητας γύρο από το όχημά μας και την ροή γύρω από αυτό θα δούμε την κατανομή πίεσης πάνω στην επιφάνια του οχήματος. Όπως μπορούμε να δούμε και στις εικόνες (131) και (132) αλλά όπως είναι και λογικό η μεγαλύτερη πίεση που ασκείτε επάνω στο όχημα είναι την μπροστινή επιφάνεια του οχήματος αλλά και στην αεροτομή του. Αυτές οι δυο επιφάνειες είναι που δημιουργούν και τη μεγαλύτερη αντίσταση κατά του αέρα αλλά και μεγιστοποιούν την κάθετη δύναμη, ειδικότερα η αεροτομή, του οχήματος. Εικόνα 131. Κατανομή πίεση στο μπροστινό κομμάτι του οχήματος και στην είσοδο του συστήματος venturι Εικόνα 132. Κατανομή πίεση στην αεροτομή του οχήματος μας. 93 P a g e

95 Παραπάνω είδαμε την κατανομή της πίεση στις επιφάνειες του οχήματός μας. Στις επόμενες δυο εικόνες που ακολουθούν θα δούμε το κατανομή τις ταχύτητας γύρω από το όχημα μας. Στην πρώτη εικόνα (133) παρουσιάζεται η κατανομή της ταχύτητας όπως αυτή απεικονίζεται στο συμμετρικό plane. Μπορούμε πολύ εύκολα να διακρίνουμε τα περιοχές επιβράδυνσης της ταχύτητας στο εμπρόσθιο τμήμα του οχήματος όπως και την μεγάλη επιβράδυνση της ταχύτητας στο πίσω τμήμα του οχήματος. Εικόνα 133. Κατανομή ταχύτητας στο συμμετρικό plane. Στην εικόνα (134) που ακολουθεί παρουσιάζεται η κατανομή της ταχύτητας σε ένα planeτο οποίο μας δίνει τη δυνατότητα να δούμε την κατανομή της ταχύτητας στο σύστημα venturi που σχεδιάστηκε στην κάτω επιφάνεια του οχήματος, επίσης μπορούμε να δούμε τα σημεία όπου αλλάζει η καμπυλότητα του οχήματος και έχουμε επιτάχυνση της ροής. Τέλος μπορούμε να δούμε πολύ ξεκάθαρα την αύξηση της ταχύτητας στις σήραγγες στο κάτω μέρος του οχήματος καθώς και την εξομάλυνση της ταχύτητας-ροής του αέρα κατά τη συνέχεια στο διάχυτη. Αξίζει να σημειωθεί το ότι η ταχύτητά κατά της επιτάχυνση στης ροής στα σημεία που βλέπουμε έφτασε στα 60m/s 94 P a g e

96 Εικόνα 134. Κατανομή ταχύτητας στο μεσαίοplane. Τέλος στις δυο επόμενες εικόνες (135) και (136) μπορούμε να δούμε τα σημεία στα οποία έχουμε διατάραξη της ροής και δημιουργία στροβιλισμών. Όπως μπορούμε να δούμε το μεγαλύτερο μέρος των διαταράξεων της ροής και των αποκλίσεων βρίσκεται το πρυμναίο μέρος του οχήματος καθώς και στο τελείωμα της αεροτομής. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο κάτω μέρος του οχήματος στο σύστημα venturi δεν παρουσιάζονται αποκλίσεις και διατάραξη ροής πάρα μόνον λίγο κατά την είσοδο του αέρα στο ακροφύσειο και την εμπρόσθια μικρή πτέρυγα. Εικόνα 135. Παρουσίαση στροβιλισμών στο συμμετρικό plane 95 P a g e