Εξομοίωση Αεροδυναμικών Φαινομένων με τη Χρήση Προγραμμάτων

Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής στο Εμπρόσθιο Τμήμα Οχήματος

Παραφέστας Νικόλαος

Τμήμα Οχημάτων

Εργαστήριο Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής

Σκοπός της Αεροδυναμικής

Ψύξη

•Κινητήρας

•Μετάδοση

•Φρένα

πΕ ίδόσεις

•Οικονομία

•Καυσαέρια

•Τελική Ταχύτητα

•Επιτάχυνση

Άνεση

•Αερισμός Καμπίνας

•Κλιματισμός

•Θόρυβος Αέρα

Σταθερότητα

•Κατά τη διέυθυνση

•Σε πλευρικό Άνεμο

Ορατότητα

•Ακαθαρσίες

•Νερό

•Υαλοκαθαριστήρες

Εξέλιξη της Αεροδυναμικής Οχημάτων

Εξέλιξη της Αεροδυναμικής Οχημάτων

Τρόποι Μελέτης και Ανάπτυξης της Αεροδυναμικής

• Με απευθείας μετρήσεις στο όχημα

• Με τη χρήση αεροσήραγγας

• Τα CFD

Απευθείας Μετρήσεις στο Όχημα

Πλεονεκτήματα: Οι μετρήσεις γίνονται σε πραγματικές

συνθήκες

Μειονεκτήματα:ΔαπανηρέςΔύσκολη στην εφαρμογή μέθοδος

Αεροσήραγγα

Πλεονεκτήματα: Το όχημα παραμένει σταθερόΕύκολη δυνατότητα προσομοίωσης

διαφορετικών συνθηκώνΜπορούμε να μελετήσουμε οχήματα και σε

μικρότερη κλίμακα

Μειονεκτήματα:Ακριβή ΚατασκευήΔεν υπάρχει δυνατότητα μετακίνησης

CFD – Υπολογιστική Ρευστομηχανική

Πλεονεκτήματα: Οικονομικό, δεν απαιτείται μοντέλο ή κάποια άλλη

κατασκευή, η μελέτη γίνεται εξ ολοκλήρου στον Η/Υ Υπάρχει δυνατότητα προσομοίωσης διαφορετικών

συνθηκών (Με το πάτημα ενός πλήκτρου, μπορούμε να αλλάξουμε την ταχύτητα του ανέμου, ή του οχήματος)

Μπορούμε να δουλέψουμε τα προγράμματα σε οποιοδήποτε περιβάλλον

Μειονεκτήματα: Απαιτεί εξειδικευμένο Προσωπικό

Παρουσίαση του μοντέλου μας

• AUDI 100 III 1978

• Αεροδυναμικά Χαρακτηριστικά:

• CD=0,30

• A=2,05m2

Βήματα επίλυσης με χρήση προγραμμάτων Υπολογιστικής

Ρευστομηχανικής

1. Pre-processing. Δημιουργία Πλέγματος

2. Solver. Επίλυση Εξισώσεων

3. Post-processing. Γραφική Απεικόνιση Αποτελεσμάτων

Pre-processing. Δημιουργία Πλέγματος

• Σκοπός του πλέγματος είναι να βοηθήσει το πρόγραμμα επίλυσης στην εφαρμογή των εξισώσεων σε όσο το δυνατόν περισσότερα σημεία της ροής

• Χαρακτηριστικό πλέγμα

Πλέγμα για την μελέτη ενός κυλίνδρου σε τομή

Χαρακτηριστικά φαίνεται:

Δομημένο πλέγμα στο υλικό του κυλίνδρου

Μη δομημένο πλέγμα στο εσωτερικό του όγκου του

Solver. Επίλυση Εξισώσεων

• Το πρόγραμμα που λύνει τις εξισώσεις σε κάθε σημείο της ροής

• Οι εξισώσεις είναι πιο σύνθετες εκφράσεις, τριών βασικών αρχών της φυσικής

Εξίσωση Συνέχειας

Απλή έκφραση: Αρχή διατήρησης της μάζας

Έκφραση CFD: ( ) 0=⋅∇+∂∂

Vt

ρρ

Θεώρημα ΟρμήςΑπλή έκφραση: F=m.a (Δεύτερος νόμος Νεύτωνα)Έκφραση CFD: (στον άξονα x)( ) ( ) x

zxyxxx fzyxx

puV

t

u ρτττρρ +∂

∂+

∂∂

+∂

∂+

∂∂−=⋅∇+

∂∂

Εξίσωση Ενέργειας

Απλή έκφραση: Αρχή διατήρησης της ενέργειας

Έκφραση CFD: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )y

v

x

v

z

u

y

u

x

u

z

wp

y

vp

x

up

z

Tk

zy

Tk

yx

Tk

xq

Ve

Dt

D

yyxyzxyxxx

∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂

∂−∂

∂−∂

∂−

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂+=

+

τττττ

ρρ 2

2

( ) ( ) ( ) ( )Vf

z

w

y

w

x

w

z

vzzyzxzzy ⋅+

∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂

∂+ ρττττ

Post-processing. Γραφική Απεικόνιση Αποτελεσμάτων

• Πρόγραμμα που απεικονίζει γραφικά τα αποτελέσματα του solver

• Κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε ένα εύρος μεταβολής της παραμέτρου (ταχύτητα, πίεση κ.α.)

• Παράδειγμα απεικόνισης

Κατανομή πίεσης στο εμπρόσθιο τμήμα οχήματος

Κατανομή ταχύτητας ανέμου στο εμπρόσθιο τμήμα οχήματος

25o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

30o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

35o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

40o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

45o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

50o

Σύγκριση μεταβολής της ταχύτητας και της πίεσης σε

σχέση με την κλίση του οχήματος

Διαγράμματα

Κλίση - Ταχύτητα max

45

50

55

60

25 30 35 40 45 50

Κλίση (ο)

Ταχύ

τητα

max

(m/s

ec)

Διαγράμματα

Διαγράμματα

Ευχαριστώ για το χρόνο σας