Improving the aerodynamic characteristics of the gap between the cabin and trailer of heavy-duty commercial vehicles
Ağır ticari araçların kabin-treyler arasındaki boşluğun aerodinamik açıdan iyileştirilmesi
- Tez No: 831525
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Ağır yük taşıtlarının yakıt tüketimi, operasyonel masraflar, çevresel sürdürülebilirlik ve genel etkinlik açısından geniş kapsamlı etkilere sahip kritik bir faktördür. Bu araçlar, kamyonlar, otobüsler ve ticari araçlar dahil olmak üzere, boyutları, ağırlıkları ve yoğun işletme gereksinimleri nedeniyle önemli miktarda yakıt tüketimiyle tanınmaktadır. Ağır yük taşıtları genellikle verimli olsalar da, yine de önemli miktarda yakıt tüketirler. Bu araçların yakıt tüketimini etkileyen birçok faktör bulunmaktadır, bunlar araç ağırlığı, aerodinamik direnç, sürüş koşulları, yol eğimleri ve yük taşıma kapasitesi gibi etkenlerdir. Ayrıca, sürüş davranışı, bakım uygulamaları ve teknolojik gelişmeler gibi faktörler de yakıt verimliliğini etkiler. Ağır yük taşıtlarında yakıt tüketiminin azaltılması, filo işletmecileri ve üreticiler için birincil hedef oluşturur. Bu çaba, sadece operasyonel maliyetleri azaltmaya yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda sera gazı emisyonlarını azaltır, çevresel sürdürülebilirliğe katkıda bulunur ve ulaştırmada enerji verimliliğini artırmayı hedefleyen düzenleyici gereksinimlerle uyumlu olur. Yeni ağır kamyonların tasarımında, yakıt verimliliği önemli hedeflerden biridir. Bu hedef, motorun yanma sürecini iyileştirmek ve aracın hareket halindeyken maruz kaldığı toplam direnç kuvvetini en aza indirmek suretiyle gerçekleştirilebilir. Otobanların hızla gelişmesi ve araç hızlarının önemli ölçüde artmasıyla birlikte, aerodinamik direnç araç direncine katkıda bulunan temel faktör haline gelmiştir. Araştırmalar, 100 km/s hızla seyahat ederken tipik bir ağır yük taşıtının toplam enerji tüketiminin yaklaşık %65'inin aerodinamik direnci aşma amacıyla harcandığını göstermektedir. Aerodinamik direnç azaltma cihazlarının kullanılmasıyla, ağır kamyonların aerodinamik direk katsayısının %50 oranında azaltılabileceği ve bunun sonucunda yaklaşık %25 yakıt verimliliğinde bir artış elde edilebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, %20 oranında bir direnç azaltmanın yaklaşık %7 ila %9 oranında bir yakıt tüketimi azalışına yol açabileceği belirlenmiştir. HAD çalışmaları aracılığıyla araştırmacılar, bu araçların aerodinamik özelliklerini analiz edebilir ve optimize edebilir, yenilikçi tasarım çözümleri ve gelişmiş teknolojiler geliştirebilirler. Bu tez, ağır yük taşıtlarının aerodinamiğini araştırmak ve iyileştirmek için HAD çalışmalarının uygulanmasını incelemeyi amaçlamaktadır. Araştırma, araç verimliliğini artırmak, aerodinamik direnci azaltmak ve daha sürdürülebilir bir ulaşım sistemine katkıda bulunmak amacıyla HAD tekniklerinin kullanılmasıyla ilişkili yöntemleri, zorlukları ve sonuçları detaylı bir şekilde ele alacaktır. HAD tabanlı aerodinamik iyileştirmelerin kapsamlı bir şekilde incelenmesi aracılığıyla, bu araştırma, ağır yük taşıtlarının tasarımı ve optimizasyonu için değerli bilgiler ve öneriler sunmayı hedeflemekte, aynı zamanda çevresel etkinin azaltılması amacına yönelmektedir. Araçların aerodinamiği aracın farklı özelliklerini iyileştirebilecek çok yönlü bir konudur. Aerodinamik iyileşme ile aracın yakıt verimliliği, performansı ve sürüş konforu gibi özelliklerde iyileşme sağlanabilir. Aerodinamik iyileştirmeler ise farklı şekillerde yapılabilir. Örneğin araçların altına bağlanan kalkanlar veya aerodinamik paneller, araç altından geçen hava akışını düzenler ve aerodinamik direnç katsayısını yani sürüklenme katsayısını azaltır. Bu kalkanlar, aerodinamik direnç katsayısını azaltmasının yanında aynı zamanda aracın yere daha sağlama bakmasını sağlarlar. Bu parçaların yanında yan etekler olarak bildiğimiz özellikle kamyonlarda sıksıkla görülen büyük paneller, aracın yan bölgelerini kapatarak o bölgeye doğru akan akışı düzeltir ve tekerlek bölümlerine daha az hava akışı gitmesini engellemiş olur. Bu sayede türbülansı azalatarak aerodinamik direnci düşürmüş olur. Bu parçaya benzer şekilde“air curtain”ya da hava perdesi, tekerlek bölmesine doğru yönlenen hava akışını engelleyerek tekerler bölmesi içerisindeki türbülanslı akışın daha da büyümemesini engeller bu sayede türbülanslı akışın oluşturacağı ek hava direncini arttırmasını da engellemiş olur. Bu hava perdesinin tasarımı ve çalışma prensibi ise şu şekildedir: genellikle ön tamponun kenarlarında açılmış kanallar olur ve bu kanalların girişi ön tampona gelen ve onun üzerinden akışa devam eden havayı içerisine alır. Kanalın çıkışı ise tekerlek bölmelerinin ön kısmında, ön tamponun ise arka tarafında yer alır, giriş açıklığından alınan hava bu bölme içerisinde hızlanarak çıkıştan tahliye olur ve tekerleğin dış yüzeyinde bir hava perdesi oluşturur. Bu sayede dışardan tekerlek bölmelerine girip türbülans yoğunluğunu arttırabilecek hava akışını elimine etmiş olur ve aracın sürüklenme katsayısını azaltır. Aerodinamik iyileştirme, araç üzerine eklenebilecek parçalar ile sağlanabileceği gibi sıfırdan başlayan tasarımlar için gövdede, ön tamponun, tavan ve ayna üzerinden geçen akışın HAD analizleriyle ve rüzgar tüneli testleriyle aerodinamik açıdan optimize edilmesi sağlanabilir. Analiz çalışmalarının başlarken kullanılan analiz yöntemleri ve parametreleri, Southampton Üniversitesi tarafından gerçekleştirilen ve rüzgar tüneli testiyle desteklenen bir çalışma ile doğrulama yapılmıştır. Daha sonrasında şuanda satışta olan Ford marka F-MAX model kamyon üzerinde aerodinamik iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması, özellikle kamyonun kabin ve treyler arasındaki boşluktan kaynaklanan direnç kuvvetinin azaltılmasına odaklanarak, spoiler ve ekstendir parçaları üzerinde inovatif çözümler bulmaya yöneliktir. Bu çalışma kapsamında ağır ticari taşıtlarda büyük aerodinamik etkisi bulunan ve kabin üzerinde tavana monte edilen, tavan üzerinden geçen akışın doğrudan treylere çarpmaması ve kabin-treyler arasındaki türbülanslı bölgeye gidecek akışı engellemek amacı olan spoiler parçasını inceleyeceğiz. İnceleme öncelikle, standard spoiler parçasının şuanda yolda bulunan Ford F-MAX model kamyonunun 1:1 ölçekli HAD modelinin analizleri ile başlamıştır. Bu başlangıç analizleri ile asıl optimizasyon konusu olan çoklu kanat tasarımına sahip spoiler modeline dair bilgi vermesi ve etkili parametrelerde yapılan değişikliklerin ne yönde, ne kadar ve nasıl etkilediğinin anlanması hedeflenmiştir. Analiz çıktıları incelenerek akışın hangi kesitlerde nasıl ilerlediği anlaşılmıştır. Ana çalışma için mevcut spoiler parçası referans olarak alınarak optimizasyon çalışmasında kullanılacak tüm modeler bu parçadan türetilerek oluşturulmuştur. Tez çalışmanın ana hedefi, spor araçlarda ve yarış otomobillerinde sıklıkla rastlanan çoklu kanatlı spoiler tasarımının bir ağır ticari araç olan F-MAX'in spoilerı olarak entegre edilmesinin aerodinamik açıdan incelenmesi ve belirlenmiş bazı parametreleri kullanarak bu yeni tasarım konseptinin optimizasyonunun yapılmasıdır. Model başlangıçta, mevcut F-MAX araçta yer alan spoiler modelinin orta bölümü kesilerek oraya üç adet kanat profilinin eklenmesiyle oluşturulmuştur. Çalışma boyunca seçilen parametre değerleri mevcut spoiler parçasının geometrik sınırları içerisinde seçilmiştir. Daha sonrasında ise değişken parametrelerin sayısını azaltabilmek adına ilk aşamada kanat profillerinin uzunluğunda belirli iterasyonlar yapılarak parametre sayısı üçten ikiye düşürülmüştür. Çalışmanın devamında da kanat profillerinin birbiri arasındaki mesafe ve kanatların duruş açısının etkileri karşılaştırılarak çizilmiş parametrik sınırlar içerisinde ulaşılabilecek optimal çoklu kanat tasarımına sahip spoiler modeline ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
The fuel consumption of heavy-duty vehicles is a critical aspect that has wide-ranging implications for operational expenses, environmental sustainability, and overall effectiveness. These vehicles, encompassing trucks, buses, and commercial vehicles, are renowned for their substantial fuel usage owing to their size, weight, and demanding operational needs. Heavy-duty vehicles often rely on diesel engines, which, despite their efficiency, consume significant amounts of fuel. Numerous factors influence the fuel consumption of these vehicles, including vehicle weight, aerodynamic drag, driving conditions, road gradients, and load-carrying capacity. Furthermore, fuel efficiency is affected by factors such as driving behavior, maintenance practices, and technological advancements. The reduction of fuel consumption in heavy-duty vehicles constitutes a primary objective for fleet operators and manufacturers alike. This pursuit not only contributes to cost savings but also facilitates a decrease in greenhouse gas emissions, fosters environmental sustainability, and aligns with regulatory mandates seeking to enhance energy efficiency in the transportation sector. When designing new heavy trucks, fuel efficiency is one of the key objectives considered. This goal can be accomplished by enhancing the engine's combustion process and minimizing the total drag force experienced by the truck while in motion. As highways continue to advance rapidly and vehicle speeds increase significantly, aerodynamic drag has become the primary factor contributing to vehicle resistance. Studies indicate that when traveling at a speed of 100 km/h, approximately 65% of the total energy consumption of a typical heavy-duty truck is attributed to overcoming aerodynamic drag. By incorporating aerodynamic drag reduction devices, it has been demonstrated that the aerodynamic drag coefficient of heavy trucks can potentially be reduced by 50%, resulting in a notable 25% enhancement in fuel efficiency. Moreover, a reduction of 20% in drag can yield a fuel consumption decrease of around 7% to 9%. By CFD simulations, researchers can analyze and optimize the aerodynamic characteristics of these vehicles, enabling the development of innovative design solutions and advanced technologies. This thesis aims to explore the application of CFD in investigating and improving the aerodynamics of heavy-duty vehicles. It will delve into the methodologies, challenges, and outcomes associated with utilizing CFD techniques to enhance vehicle efficiency, reduce drag, and contribute to a more sustainable transportation system. Through a comprehensive examination of CFD-based aerodynamic improvements, this research seeks to provide valuable insights and recommendations for the design and optimization of heavy-duty vehicles, with the goal of achieving enhanced performance and reduced environmental impact. Aerodynamics of vehicles is a versatile subject that can improve different features of the vehicle. With aerodynamic improvement, improvements in features such as fuel efficiency, performance and driving comfort of the vehicle can be achieved. Aerodynamic improvements can be made in different ways. For example, shields or aerodynamic panels attached to the bottom of the vehicles regulate the air flow passing under the vehicle and reduce the aerodynamic resistance coefficient, that is, the drag coefficient. In addition to reducing the aerodynamic resistance coefficient, these shields also enable the vehicle to look more firmly at the ground. In addition to these parts, the large panels that we know as side skirts, which are often seen especially in trucks, close the side areas of the vehicle, correcting the flow towards that area and preventing less air flow to the wheel sections. In this way, it reduces aerodynamic resistance by reducing turbulence. Similar to this part, the“air curtain”prevents the air flow directed towards the wheel compartment and prevents the turbulent flow within the wheel compartment from growing any further, thus preventing the additional air resistance created by the turbulent flow from increasing. The design and working principle of this air curtain is as follows: there are generally channels opened at the edges of the front bumper, and the inlet of these channels takes in the air coming to the front bumper and continuing to flow over it. The outlet of the duct is located at the front of the wheel compartments and at the back of the front bumper. The air taken from the inlet opening accelerates in this compartment and is discharged from the outlet, creating an air curtain on the outer surface of the wheel. In this way, it eliminates the air flow that can enter the wheel compartments from the outside and increase the turbulence intensity and reduces the drag coefficient of the vehicle. Aerodynamic improvement can be achieved with parts that can be added to the vehicle, or for designs starting from scratch, the flow over the body, front bumper, roof, and mirror can be aerodynamically optimized through CFD analyses and wind tunnel tests. The analysis methods and parameters used at the beginning of the analysis studies were validated in a study carried out by the University of Southampton and supported by wind tunnel testing. Later, aerodynamic improvement studies were carried out on the Ford brand F-MAX model truck that is currently on sale. The thesis is aimed at finding innovative solutions on spoiler and extender parts, focusing especially on reducing the resistance force arising from the gap between the truck's cabin and trailer. Within the scope of this study, we will examine the spoiler part, which has a great aerodynamic effect in heavy commercial vehicles and is mounted on the ceiling of the cabin, with the aim of preventing the flow passing over the ceiling from hitting the trailer directly and preventing the flow from going to the turbulent region between the cabin and trailer. The review first started with the analysis of the 1:1 scale HAD model of the standard spoiler part of the Ford F-MAX model truck that is currently on the road. With these initial analyses, it is aimed to provide information about the spoiler model with multi-wing design, which is the main subject of optimization, and to understand in what direction, to what extent and how the changes made in the effective parameters affect it. By examining the analysis outputs, it was understood how the flow progressed in which sections. For the main study, the existing spoiler part was taken as a reference and all models to be used in the optimization study were created by deriving from this part. The main goal of the thesis study is to examine the integration of the multi-winged spoiler design, which is frequently seen in sports vehicles and racing cars, as the spoiler of the F-MAX, a heavy commercial vehicle, from an aerodynamic perspective and to optimize this new design concept using some determined parameters. The model was initially created by cutting the middle section of the spoiler model on the current F-MAX vehicle and adding three wing profiles there. The parameter values selected throughout the study were chosen within the geometric boundaries of the existing spoiler part. Later, in order to reduce the number of variable parameters, in the first stage, certain iterations were made in the length of the airfoils and the number of parameters was reduced from three to two. In the continuation of the study, by comparing the distance between the wing profiles and the effects of the stance angle of the wings, a spoiler model with an optimal multi-wing design that can be achieved within the drawn parametric limits was reached.
Benzer Tezler
- Taşıtlarda yan ayna üzerindeki akış karakteristiklerinin nümerik olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow characteristics on side mirrors in vehicles
EMRE ULUTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR YEMENİCİ
- Study of the flow around a bus model
Bir otobüs modeli etrafındaki akışın incelenmesi
CAHİT GÜRLEK
Doktora
İngilizce
2008
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN
- Plakların dinamik ve aeroelastik analizi
Dynamic and aeroelastic analysis of plates
MERVE MELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDisiplinlerarası Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ORHAN KAYA
- Investigation of Reynolds number effects on aerodynamic characteristics of generic aircraft and estimation of Reynolds-dependent aerodynamic database using artificial neural network models
Genel uçakların aerodinamik özelliklerinde Reynolds sayısının etkilerinin araştırılması ve yapay sinir ağı modelleri kullanılarak Reynolds'a bağlı aerodinamik veri tabanının tahmini
RAMAZAN KARAASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
- İki-elemanlı bir profil sisteminde yüksek basınç gradyantlı flap üstü akım alanının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
SERHAT AYDOĞAN