Bir Arac Modelinin Aerodinamik Analizi

8/4/2019 Bir Arac Modelinin Aerodinamik Analizi

1/72

T.C.BALIKESR NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTSMAKNE MHENDSL ANABLM DALI

BR ARA MODELNN AERODNAMK ANALZVE SONLU ELEMANLAR YNTEMLE SMLASYONU

YKSEK LSANS TEZ

Mak. Mh. Tayfur Kerem DEMRCOLU

Balkesir, Austos2007


2/72

T.C.BALIKESR NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTSMAKNE MHENDSL ANABLM DALI


YKSEK LSANS TEZ

Mak. Mh. Tayfur Kerem DEMRCOLU

Tez Danman: Yrd.Do.Dr. lker EREN

Snav Tarihi: 23.08.2007

Jri yeleri: Yrd.Do.Dr. lker EREN (Danman-BA)

Yrd.Do.Dr. Semin KAYA (BA)

Yrd.Do.Dr. Nuray GEDK (BA)

Balkesir, Austos2007


3/72

Bu yksek lisans almas, Balkesir niversitesi Bilimsel Aratrma ProjeleriBirimi 2007/03 nolu Aratrma Projesi tarafndan desteklenmitir.


4/72

ii

ZET


Tayfur Kerem DEMRCOLU

Balkesir niversitesi, Fen Bilimleri EnstitsMakine Mhendislii Anabilim Dal

(Yksek Lisans Tezi / Tez Danman: Yrd.Do.Dr.lker EREN)

Balkesir, 2007

Otomotiv endstrisinin ana konulardan bir tanesi, saysal yntemlerlesrkleme katsaysn azaltmak iin tat tasarm aerodinamiinin iyiletirilmesiolmutur.

Bu almada, SOLIDWORKS te tasarlanan Ferrari F1 yar arac zerindeANSYS CFX yazlm (k-epsilon modeli) kullanlarak -boyutlu SAD (SaysalAkkanlar Dinamii) hava ak simlasyonu uyguland. CFX-mesh te a yapssonlu elemanlar yntemi kullanlarak oluturuldu. CFX-pre de snrartlar olarakserbest ak hz (130 km/h) ve hava ak zellikleri belirlendi. Hesaplama esnasndasrkleme ve kaldrma kuvvetleri gzlemlendi. Kuvvet deerlerinin yaknsamadavran ortalama bir seviyeye eritii zaman, CFX-solver durduruldu. Kaldrmave srkleme katsaylar gibi aerodinamik karakteristikler CFX-post kullanlarakhesapland. Aracn yzeyinde ve evresindeki hz ve basn dalmlar akizgileri, vektrler ve e byklk erileri eklinde grafik olarak gsterildi.

Ta

t iin ok daha s

k a yap

s

ve daha yksek iterasyon say

lar

eldeetmek istenirse ve karmak erili yzeylerin znrlne bal olarak dahagereki geometriler kullanlrsa, daha yksek kapasiteli bilgisayara ihtiya vardr.Aksi takdirde simlasyondaki hesaplamalar uzun zaman alr.

Sonu olarak nerilir ki, analiz hesap sonular ile rzgar tneli deneyselverileri arasnda kyaslama yaplmas, bu arabann optimum tasarm iin faydalolacaktr.

ANAHTAR SZCKLER: aerodinamik / rzgar tneli / saysal akkanlardinamii / srkleme katsays


5/72

iii

ABSTRACT

AERODYNAMIC ANALYSIS OF A VEHICLE MODELAND ITS SIMULATION WITH FINITE ELEMENT METHOD

Tayfur Kerem DEMRCOLU

Balkesir University, Institute of ScienceDepartment of Mechanical Engineering

(M. Sc. Thesis / Supervisor: Assist. Prof. Dr. lker EREN)

Balkesir, 2007

The improvement of the aerodynamics of car designs for reduction of dragcoefficients with numerical methods has become one of the main topics of theautomotive industry.

In this study, three-dimensional CFD (Computational Fluids Dynamic)simulation of airflow using ANSYS CFX software (k- model) was performed on aFerrari F1 racing car designed in SOLIDWORKS. Mesh generation was produced

by using finite element method in CFX-mesh. Free stream velocity (130 km/h) andair properties were determined in CFX-pre as boundary conditions. Lift and dragforces monitored during calculation. When the convergent behavior of the forcevalues in an average manner was achieved, CFX-solver was stopped. Theaerodynamic characteristics such as lift and drag coefficients were calculated byusing CFX-post. Velocity and pressure distributions on the surface and around of thecar were presented as graphically with streamlines, vectors and contours.

If more fine mesh generation for vehicle and higher iteration numbers aredesired to obtain and the realistic geometries due to the resolution of the complexcurved surfaces are used, there is needed higher computational requirements.Otherwise, the calculations in simulations take more time.

Finally, it is suggested that when the some comparisons are made betweencomputational results and wind tunnel experimental values, it will be useful for theoptimum design of this car.

KEY WORDS: aerodynamics / wind tunnel / computational fluids dynamic / dragcoefficient


6/72

iv

NDEKLER Sayfa

ZET, ANAHTAR SZCKLER ii

ABSTRACT, KEY WORDS iii

NDEKLER iv

SEMBOL LSTES vi

EKL LSTES vii

NSZ ix

1. GR 1

1.1 Literatr Aratrmas 21.2 almann Amac 4

2. TAITLARDA AERODNAMK 5

2.1 Otomobillerdeki Kay plar 2.2 Aerodinamik Kuvvetler 62.2.1 Srkleme Kuvveti (drag force) (FD) 82.2.2 Kaldrma Kuvveti (lift force) (FL) 92.2.3 Yanal Kuvvet (FY) 112.3 Aerodinamik Momentler 112.3.1 Yunuslama Momenti (pitching)(MP) 122.3.2 Yuvarlanma Momenti (rolling)(MR) 122.3.3 Yana Kay Momenti (yaw)(MY) 12

2.4 Aerodinamik Dirence Etki Eden Faktrler 132.4.1 Srkleme Katsaysn Azaltmakin Yaplan almalar 142.4.2 Tatn Tasarmnda deal Aerodinamikekil 152.4.3 Tatn Alt Hava Akm 182.4.4 Kanatlar (Spoiler) 202.4.5 Yer Etkisi 22

3. KARAYOLU TAITLARINDA AERODNAMK ZELLKLERN 23BELRLENMES

3.1 Aerodinamik zelliklerin Deneysel Olarak Belirlenmesi 23

3.1.1 Yol Deneyleri 233.1.1.1 Aerodinamik Direncin llmesi 23


7/72


8/72

vi

SEMBOL LSTES

Simge Simge Ad Birimi

CD Srkleme katsaysCL Kaldrma katsaysCP Statik basn katsaysCMP Yunuslama momenti katsaysCMR Yuvarlanma momenti katsays

CMY Yana kay momenti katsaysRe Reynolds saysFD Srkleme kuvveti (drag force) NFL Kaldrma kuvveti (lift force) NFY Yanal kuvvet NMP Yunuslama momenti (pitching) NmMR Yuvarlanma momenti (rolling) NmMY Yana Kay momenti (yaw) NmL Tatn karakteristik uzunluu mA Tat kesit alann m2

V Tatn rzgra gre bal hz m/sg Yerekimi ivmesi m/s2

a vme m/s2m Ktle kg Younluk kg/m3

t Zaman sP Statik basn paH Toplam basn paq Dinamik basn pa Dinamik viskozite pas Kinematik viskozite m2/s


9/72

vii

EKL LSTES

ekil No ekil Ad Sayfaekil 2.1 Otomobil zerinde oluan aerodinamik kuvvet 7

momentler ile basn, arlk merkezlerinin ematik grnm.ekil 2.2 Tatn kesit (referans) alan 9ekil 2.3 (a) Ferrari F1 1/1 Prototip, (b) Ferrari F1 1/14 Model Ara . 13ekil 2.4 1936 yapmMercedes W125 15

ekil 2.5 (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil 17ekil 2.6 Tatn lastik boluklarnda meydana gelen hava akm 18

ayrlmasnn ekliekil 2.7 Etek ve hava baraj 19ekil 2.8 Tatn altndaki ksmlarn hava akmna maruz kal 19ekil 2.9 Ferrari F50nin alttan grn 20ekil 2.10 Hava kanadnn hava akmn ynlendirii 21ekil 2.11 Yer etkisi oluturmak iin tatn alt ksmna 22

yerletirilen kanallarekil 3.1 Tekerlek yuvarlanma direncinin lm dzenei 24ekil 3.2 Deney srasndaki tata ait hz-zaman diyagram 24ekil 3.3 Tat yzeyine yerletirilen bir basn alcsnn 26

ematik grnmekil 3.4 Pitot tp lme prensibi 27ekil 3.5 Rzgar tneli 28ekil 3.6 Ak devreli bir rzgr tnelinin ematik grnm 29ekil 3.7 Kapal devreli rzgr tnelinin ematik grnm 29ekil 3.8 10 m2'lik rzgr tnelinin iindeki modelin lle kna 31

ok yakn yerletirilmesi durumunda, N konumundakistatik basn ykselmesi

ekil 3.9 Rzgr tnelinde yol simlasyonu iin uygulanabilecek eitli 32

yntemlerekil 3.10 Hareketli kay mekanizmas (rzgr tneline yerletirilmemi) 33ekil 3.11 Geometrik benzer cisimler 34ekil 3.12 Kinematik benzer aklar 35ekil 3.13 Snr tabakas oluumunun ematik grnm 35ekil 3.14 Dinamik benzer aklar 36ekil 3.15 Otomobilin zerindeki ak ynyle kolayca 41

bklebilen pskllerekil 3.16 Tat zerine duman pskrtlmesi 42ekil 3.17 Otomobilin zerindeki ak izgileri 42ekil 3.18 Rzgr tnelinde Volkswagen otomobilin zerindeki 43

hava akekli


10/72

viii

ekil 4.1 Solidworks ile izilen modelin farkl alardan 45gereklik grnts verilmi hali (render)

ekil 4.2 Solidworks ile tasarlanan modelin ksmlar 45(a) kat, (b) tel kafes

ekil 4.3 (a) F1 modelinin yars (b) Rzgr tnelinin hava ile 46dolu hacminin yarsndan F1 aracnn yarsnn karlm haliekil 4.4 Modelin sonlu elemanlara ayrlmas 47ekil 4.5 Simetri yzeyi ve modelin a yaps 48ekil 4.6 (a) Simetri snr blgesinde prizma ve tetrahedra elamanlarn a 49

yapsndaki yerleimlerinin grnm(b) Tetrehedra, prizma, piramit elemanlar

ekil 4.7 Snrartlarnn tanmlanmas 50ekil 4.8 Simetri snrartnn gsterilmesi 51ekil 4.9 Momentum-ktle diyagram 51ekil 4.10 Trblans deerleri 52

ekil 4.11 Srkleme (normal force on f1 (Z)) ve 52kaldrma kuvvetleri (normal force on f1 (Y))

ekil 4.12 Hz deerleri ak izgileri halinde ve renk skalas olarak 54grlmektedir (streamlines)(a) Aracn n Ksm(b) Aracn Arka Ksm(c) izometrik adan

ekil 4.13 Yzey ak izgileri 54ekil 4.14 Akn vektrel gsterimi 55ekil 4.15 Simetri yzeyinde e hz bykl dalm erileri (contour) 55ekil 4.16 Simetri yzeyinde e basn bykl dalm erileri 56ekil 4.17 Aracn yzeyindeki e basn bykl 56

dalm erileri (izometrik)ekil 4.18 Tatn projeksiyon alan 57ekil 4.19 Hesaplamalar iin formllerin yazlmas 57


11/72

ix

NSZ

Tezimin beklenen yarar salamas dileiyle, bu almann yaplmas veyrtlmesinde bilgi ve tecrbesi ile beni ynlendiren, ilmen ve fikren bendendesteklerini esirgemeyen ok deerli hocalarm Yrd.Do.Dr lker ERENe,Do.Dr.rfan AYa ve birlikte altm tm aratrma grevlisi arkadalarma,

programn temini, eitimi ve destei iin FGES firmasna, ara tasarm iinMuharrem BEYOLUna en iten teekkrlerimi sunuyorum.

al

malar

m sresince beni sab

rla bekleyen, en byk destekim ElifAKSOYa, bugnlere gelmemdeki en byk katks olan aileme teekkr borbilirim.

Austos, 2007 Tayfur Kerem DEMRCOLU


12/72

1

1. GR

Hava ierisinde hareket eden bir cisme etki eden kuvvet ve moment

sisteminin, cismin etrafndaki aka ait zelliklerinin ve dolaysyla aerodinamik

karakteristiklerin tayini aerodinamiin en temel problemlerinden biridir.

retici firmalar, aralarnn insann ayan yerden kesmek yannda yksek

srat, yksek tama kapasitesi, ekonomi gibi stn performans zelliklerine sahip

olmas gerektiini fark ettiklerinden bu yana bir yandan motor tarafndan salanan

gc artrma, dier yandan da aracn sistemlerindeki ve bilhassa hava direncinden

kaynaklanan kayplar azaltma yollar aramlardr. lk binek otolarnn bir telefon

kulbesinden fark yok iken gnmzdeki otomobil reticileri aralarnn daha iyi

aerodinamik zelliklere sahip olmalar amacyla kkl form deiikliklerine

gitmilerdir ve bu konudaki Ar-Ge almalarna byk nem vermektedirler.

zellikle rekabet piyasasnda daha geni yer hedefleyen reticiler aralarnnekonomikliini artrrken, ekonomiklii artrmada en byk engel olan hava diren

kaybn azaltmak iin bu tr aratrmalara gelirlerinin byk miktarn

ayrmaktadrlar.

Saatteki hz 100 km olan bir binek otomobili, gcnn % 60'n hava ile

srtnmeden kaynaklanan srkleme direnci kuvvetini (aerodinamik etki),

% 20'sini tekerlek srtnme kuvvetini, % 20'sini hareketi nleyen dier kuvvetleriyenmek iin harcar. Aracn aerodinamik zelliklerinin iyiletirilmesi ile yakt

sarfiyatndan nemli lde tasarruf salanr [1].

Bu almada tatlarn aerodinamik zelliklerinden bahsedildikten sonra,

saysal akkanlar dinamii analizi yaplan F1 yar aracnn kaldrma ve srkleme

katsaylar gibi aerodinamik karakteristiklerinin hesaplanmas zerinde durulacaktr.


13/72

2

1.1 Literatr Aratrmas

Kieffer ve arkadalar (2006) tarafndan yaplan almada Formula Mazda

yar aracnn n ve yan kanatlar k- modelini kullanan Star-CD CFD

(computational fluids dynamic) yazlm ile analiz edilerek, ak farkl hcum alar

ve yer etkisi iin incelemilerdir. Aracn yol tutuu ve dengesi gz nnde

bulundurulduunda n kanat tasarmnn yer etkisi ile deerlendirilmesi ve her iki

kanadn hidrodinamik performansnn nemli lde farkl hcum alar tarafndan

etkilendii sonucuna varmlardr [2].

Beccaria ve arkadalar 1999da HIPERROAD (high performance road

vehicle) adn verdikleri yazlm sistemini gelitirmiler ve bu yazlm ok ilemcili

bilgisayarlarda (parallel computing) kullanmlardr. Ara tasarmnn ilk

safhalarnda aerodinamik optimizasyon yaplabilmesini salayan bu sistem ile Ferrari

F550 arac test edildiinde bilgisayar verileriyle llen aerodinamik zelliklerin

tutarl olduunu grmlerdir [3].

Gmlol ve arkadalar (2006) tarafndan yaplan almada geidurumunda olan tatlarn aerodinamik etkileimleri rzgr tnelinde deneysel olarak

incelenmi ve sollamann balad pozisyonda, geecek modelin nndeki yksek

basnl blgenin, geilecek modelin arkasnda oluan dk basnl blge ile

etkilemekte olduunu bylece hem ndeki hem de arkadaki aracn zerindeki

kuvvetlerin tek aracn yalnz seyahatinde oluan srkleme kuvvetinden daha az

olutuu sonucuna varmlardr [4].

Dong Sun ve arkadalar (2006) aerodinamik deneyler sonucunda elektrikle

alan kk hava tat gelitirmilerdir. ki tip kanat gvdeli (gen ve kare) tat

prototipini rzgr ve su tnellerinde test etmilerdir. gen modelin kareye oranla

daha yksek kaldrma katsaysna sahip olduu, daha az girdap oluturduu ve

bylelikle daha iyi dinamik performans gsterdii sonucuna varmlardr [5].

Bettle ve arkadalar (2003) tarafndan yaplan almada, apraz rzgr

altnda kpry geen standart bir tama kamyonunun hznn aerodinamik


14/72

3

kuvvetlere etkisini CFD yntemiyle incelemiler, sabit apraz rzgr altnda

kamyonun hzyla yuvarlama momentinin arttn ve 45 lik ynelme asyla da

neredeyse ikiye katlanmakta olduu sonucunu ortaya karmlardr [6].

Konstantin ve arkadalar (2007) almalarnda su st hibrit trimaran

modelinin aerodinamik katsaylarn rzgr tnelinde belirlemiler, farkl hcum

alar iin vortex-lattice metoduna dayanan saysal akkanlar dinamii (CFD

computational fluids dynamic) bilgisayar kodlar ile modelin aerodinamik analizini

yapmlar ve modelde kanadn basnl tarafna uygulanan interceptorun (kaldrma

yzeyine dik yerletirilen plaka) aerodinamik kaldrmada etkili bir ykselme

dourduunu grmlerdir [7].

Hiroyuki Ozawa ve arkadalar (1998) dnyann en byk gne arabalar

yarmasna (World Solar Challenge) katlan 96 Honda gne arabasn aerodinamik

adan incelemilerdir. st gvde kaporta tasarmnn analizi iin yzeydeki basn

dalmlarn dikkate alarak, saysal akkanlar dinamiine dayanan MAC (Marker-

and-Cell) metodunu kullanmlardr. Aracn birok ynde karmak aerodinamik

kuvvet ve moment etkisinde kaldn, sadece bir yndeki hava aknnincelenmesinin gvde yzeyi tasarmnda en iyi sonucu vermeyecei sonucunu

karmlardr [8].

Ehab Fares (2006), lattice Boltzman metoduna gre PowerFLOW

programnda Ahmed modelini referans alarak yapt almada tatn arkasndaki

yaklak 30 kritik ay temsilen 25 ve 35 lik eim alar iin zmleme yapm,

durgun olmayan (unsteady) akta farkl girdap ve ayrlma davranlar analizsonularnn deneysel verilerle tutarl olduunu grmtr [9].

Arief Suhariyono ve arkadalar (2006) yaptklar almada kk hava

tatlarnn aerodinamik karakteristiklerini (srkleme, kaldrma kuvvetleri ile

yuvarlanma, yunuslama momentleri) test etmek iin hassas bir lm sistemini sonlu

elemanlar yntemi kullanarak tasarlamlar ve sistemin kalibrasyon deerleri ile

analiz sonular

n

kar

lat

rd

klar

nda % 3.57 hata ile kabul edilebilir olduunugrmlerdir. Bir kanat modelini rzgar tnelinde lm sistemi ile test edip


15/72

4

kanadn referans verileri ile deney sonular karlatrldnda lm sisteminin

doru sonu verdii ortaya kmtr [10].

Masaru ve arkadalar (2004) tarafndan yaplan almada sedan aralarda

aerodinamik srkleme direncine neden olan aracn arkasndaki ak ayrlmalar

incelemiler, 50 m/s hz ile kapal rzgr tnelinde test ettikleri ve ayrca ak

alannn CFD analizini yaptklar Mitsubishi Lancer Evolution aracnn tavan kaporta

ksmnn bitimine yerletirilen bombe ekilli girdap reticilerle (vortex generators

VG), srkleme ve kaldrma katsaylarnda 0,006 d geekletirmilerdir [11].

Kim ve Geropp (1998), almalarnda eitli ara yer aras mesafeler iin

hareketli ve sabit yer dzlemleri kullanarak yer etkisini incelemiler ve llen taban

basnlarnn her iki yer dzlemi iin ayn olup, srkleme direncinin neredeyse ayn

kaldn, kaldrma kuvvetinin de hareketli yer dzlemi iin nemli derecede farkllk

gsterdiini gzlemlemilerdir. Ayrca ara yer aras mesafe drld zaman

aracn st ve alt arasndaki basn dalm farknn ykselmekte olduu sonucunu

karmlardr [12].

Krajnovi ve Davidson (2005) tarafndan yaplan almada, hareketli

zeminin tipik bir fast-back ara etrafndaki aka etkisini incelemiler, LES (large

eddy simulation) saysal yntemi ile yer hareketinin etkisinin srkleme direncini

% 8, kaldrmay % 16 azalttn bulmulardr. Aracn ekline ve yerden

yksekliine bal olarak aerodinamik kuvvetlerin azalp oalabileceini, bu yzden

yerin hareket etkisi iin genelleme yapmann mmkn olmadn sonucuna

varm

lard

r [13].

1.2 almann Amac

Bu almann amac otomobil prototipini gerek boyutlarnda retmeden ve

rzgr tneline girmesine gerek kalmadan saysal akkanlar dinamiine dayanan

bilgisayar yazlm kullanarak daha hzl, kolay ve dk maliyetle aracn

aerodinamik karakteristiini belirlemektir.


16/72

5

2. TAITLARDA AERODNAMK

2.1 Otomobillerdeki Kayplar

Gerek tat gerekse hava mutlak olarak sabit olmay p arada bir bal hz

olacandan aerodinamik kuvvetler oluur. Bu kuvvetlerin nedeni ara gvdesi

zerindeki d ak ile motor, radyatr sistemi, ara iindeki stma-soutma,

havalandrma maksadyla oluan i aktr. Oluan direncin % 90dan fazlas d

aktandr. Genel olarak srkleme katsays (CD), kaldrma katsays (CL),moment

katsays (CM) otomobiller iin aerodinamik karakteristikleri ifade eder. Bu

katsaylar kldke aracn manevra, hzlanma, yol tutu kabiliyeti gibi

zelliklerinde de iyileme grlr. Aracn hava srtnmesini yenmek iin

harcayaca enerji miktar da kleceinden yakt sarfiyatnda nemli bir azalma

gzlenir.

CD deeri bir cismin d formu sebebiyle dzgn dorusal akm iinde

oluturduu sreksizlik ve trblans gibi akm bozuntularnn sonucu ortaya kar.

D form itibariyle cisim ne derece az bozuntuya sebep olursa srkleme katsays ve

buna bal olarak srkleme kuvveti de o derece kk olur. Hz ve geometrik

boyutlar belli olan bir aracn hava diren kaybn azaltmann tek yolu aracn d

formuna bal olan srkleme katsays CD'yi azaltmaktr.

CD deerinin azaltlmas; binek aralar iin ekonomik adan, belli hza

kmas istenen araca daha kk motor taklabilmesi anlamna gelir. Yar

arabalarnda ise yksek performans hedeflendiinden motor gc sabit bir aracn

daha yksek hza eriebilmesi CD deerinin nemini ortaya koyar.

Tatlarda motorca retilen g, hava direnci ve sistem iindeki kayplar

dengeler. Dk hzlarda hava direnci dier kay plar yannda olduka dk

mertebelerdedir. Ancak hz 30-40 km/h deerine ulanca hava direnci nem kazanr


17/72

6

(Tablo 2.1). Bunun sebebi hava direncinin hzn karesiyle doru orantl olarak

artmasdr.

Tablo 2.1 Benzin motorlu 1200 kg'lk bir otomobilde 90 km/h hzda yaktenerjisinin % (yzde) olarak kullanm [14]

KayplarKsmi yk

(Sabit hz)

Tam yk

(vme veya yoku)

Termodinamik kay plar % 78 % 72

Yardmc sistemler % 5 % 5

Tekerlek yuvarlanma kayb % 4,6 % 2

vme veya yoku kayb % 0 % 14,3

Aerodinamik kayplar % 10,6 % 5,9

Transmisyon kayb % 1,8 Krankmilindeki

faydale

nerji%2

2

% 0,8 Krankmilindeki

faydale

nerji%2

8

Tata verilen toplam enerji % 100 % 100

Srkleme katsays CD'nin azaltlabilmesi iin ara formlar gn getike

aerodinamikteki adyla damla formuna benzetilmeye allmaktadr. En ideal ekil

ise su damlas ekli olarak bilinen yatay eksene gre simetrik ekle aittir. Damlaformunun zellii dorusal akmda bilinen en az bozuntuya sebep olan yap

olmasdr.

2.2 Aerodinamik Kuvvetler

Bernoulli Teoremi (enerjinin korunumu) ayn ak yolunun her noktasndaki

atmosferik ve dinamik basnlarn toplamnn sabit olacan gsterir.

Aerodinamiin temel yasas (2.1) bants ile aadaki gibi gsterilir:

H2

VP

2

=

+ (sabit) (2.1)

Bu ifadede P atmosferik basnc (statik basn), younluu, V hz, q dinamik

basnc (.V2/2) ve H toplam basnc gstermektedir.


18/72

7

Buradaki toplam basn henz tatn hareket alanna girmemi yani deforme

olmam hava ortamndan hesaplanabilir. Havann hznn deitii yerlerde dinamik

basn da deiir. Tat etrafndaki d ak nedeniyle oluan tat yzeyindeki

normal basn dalm ekil direncini, kayma gerilmeleri de yzey srtnmesini

oluturmaktadr.

Denklem 2.2 den grlecei gibi ara yzeyindeki basn dalmnn tm

tat yzey alanna gre integre edilmesiyle, tat zerinde rlatif hzdan dolay

oluan F aerodinamik bileke kuvveti bulunur.

= ydA).pp(F (2.2)

Bu ifadede F bileke kuvveti (tat yzeyindeki yayl kuvvet), p ortam basncn, p

iletme (atmosfer) basnc, dAy tat zerinde aka dik dorultudaki alan

gstermektedir.

Basn kuvvetlerinin tat zerindeki belirli bir noktadan etkidii eklinde bir

idealletirme yaplabilir. ekil 2.1de grld gibi bu noktaya basn merkezi

(center of pressure, c.p.) denir. Bu nokta arlk merkezi (center of gravity, c.g.) ile

ayn nokta deildir. Bu iki noktann aktrlmas aerodinamik adan olduka

byk faydalar salar.

ekil 2.1 Otomobil zerinde oluan aerodinamik kuvvetmomentler ile basn, arlk merkezlerinin ematik grnm

FD

Z

MY

Y

X

MP

MR

c.g

FL FY

c.p

V


19/72

8

2.2.1 Srkleme Kuvveti (drag force) (FD):

Ara zerine etki eden aerodinamik kuvvetin serbest ak hzna ve yere

paralel, tatn ileri hareket ynne zt yndeki diren kuvvetidir.

Karayolu tatlarna etkiyen en byk aerodinamik kuvvet bileeni genellikle

aerodinamik srkleme kuvvetidir. Bir binek tat iin oluan aerodinamik

srkleme kuvvetinin (FD) % 90dan fazlasekil direnci nedeniyle olumaktadr.

Aerodinamik srkleme kuvveti motorun salad eki kuvveti ile

karlanmaktadr. Onun iin srkleme kuvveti, gerekli motor gcnde ve

dolaysyla da yakt tketiminde etkilidir. Herhangi bir hzdaki yakt tketimi direkt

olarak gerekli olan g ile orantldr. Aerodinamik direnci yenmek iin gerekli g,

motor gcnn byk bir ksmn oluturmaktadr.

Aerodinamik srkleme kuvveti (2.3) bantsndan hesaplanr:

D2

DD C.A.V..21C.A.qF == (2.3)

A tat kesit alann, V tatn rzgra gre bal hzn, havann younluunu

(1,255 kg/m) gstermektedir.

Maksimum kesit, tatn projeksiyon alan ile ayndr ve genellikle referans

alan veya karakteristik alan olarak adlandrlr. Bu alan lastiklerin hava akmna

kar olan alanlarn da kapsar. Yaklak olarak gz ile grlebilir veya kresel a

etkilerini ihmal edebilecek kadar uzak bir mesafeden fotoraf makinesi (veya

kamera) ile ekil 2.2 deki gibi grntlenen alandr.


20/72

9

ekil 2.2 Tatn kesit (referans) alan [15]

Geometrik boyutlar ara d formuna bal srkleme katsays belli olan bir

araca herhangi bir hzda etkiyen srkleme kuvveti hesaplanabilir. rnein; hz 30

m/sn (108 km/h) olan bir aracn projeksiyon alan 3m2 ve srkleme katsays

CD = 0,45 ise bu araca etkiyen srkleme kuvveti denklem 2.3ten aadaki ekilde

hesaplanr:

FD = 0,5.1,255.(30)2.3.0,45 =762,4 N 80 kgf

2.2.2 Kaldrma Kuvveti (lift force) (FL)

Tat hareket (serbest ak hz) dorultusuna ve yere dik aerodinamik

kaldrma kuvvetidir.

Otomobil aerodinamiinde uaklarn tersine kaldrma kuvvetinin kk

olmas istenir. Kaldrma kuvvetinin dk olmas aracn yol tutuunun iyilemesineve zellikle virajlarda savrulmamasna yardmc olur. Ancak ters ynde etki edecek

bir bask kuvveti de, ara ve tekerlek arasndaki srtnme kuvvetini artraca iin

yakt sarfiyatnda arta ve hzlanma kabiliyetinde de neden olacaktr. Bu

nedenle imalatlar aerodinamik yapy kullanarak kaldrma kuvvetini belirli bir

seviyede tutmay amalarlar.

Tayfun veya hortum gibi iddetli rzgrlar

n tehlikeli olmalar

n

n bir nedeniok alaktan eserek yukarya doru basn oluturup herhangi bir ktleyi havaya


21/72

10

savurmasdr. Benzer bir etki de hzl kullanlan otomobillerde olumaktadr. Bu

etki aracn stnde oluan emme, altnda oluan kaldrma kuvvetiyle daha ok

artmaktadr.

Yksek hzl aralarda aracn st kaporta yzeyinin kambur olmas bu

blgede erilik sebebiyle bir akm karakteristii tayan hava akmnn hareket

ynne dik bir hz bileeni kazanmasna neden olur. Bylece yeni bileen sayesinde

daha byk deere sahip bir bileke hz vektr ortaya kar.

Kaldrma kuvveti denklem (2.4)ten hesaplanr:

L2

LL C.A.V..2

1C.A.qF == (2.4)

CL kaldrma katsaysn ifade eder.

Aracn hzndaki arta paralel olarak ara stndeki basn der ve araca

yukar

dan emme etkisi yapar. Bu etki oluurken bir yandan da arac

n alt

ndan girenhava arac yukarya kaldrmak iin basn uygulamaktadr. Bu kaldrma ve emme

kuvvetleri aracn tekerleklerindeki arlk kuvveti etkisini azaltarak kumandann

zorlamasna bilhassa viraj halinde aracn kolaylkla savrulmasna ve hatta yerden

havalanp takla atmasna neden olur. Bu sebeple yar otomobillerinin alt yapsna

erilik verilerek yere basma kuvvetini artrmaya allmtr. Buna ramen tam bir

baar salanamamtr. yle ki: olanca hzyla giden bir yar arabasn rzgr piste

adeta yaptrr, te yandan arabann karoseri rzgr direncini asgariye indirecek

ekilde biimlendirilmitir. Rzgr bir yandan arabay piste yaptrrken, te yandan

arabann altnda oluan hava cereyan bir kar g oluturur.

ndeki otomobile fazla yanaan bir yar arabasnn zerindeki rzgr basks

azalr, nk rzgrn esas basksn ndeki otomobil karlar, arkadaki otomobilin

srati artar ancak n tekerlerin piste olan temas zayflar. Bu durumda saatte 300 km

hzla giden ara birden bire akta kal p esen rzgrla kar karya geldiinde


22/72

11

arabann altndan giren hava tekerlerin yerle olan temasn keser ve arac

havalandrr[14].

Normal binek aralarnda tehlike bu boyutlarda olmamaktadr yine de

savrulma riski vardr. Porsche 1966'dan 1969'a kadar rettii 911 marka aralarda

arlk artrm yaparak soruna pratik bir zm bulmutur. Saatte 225 km hzla

giden aralarnn n tarafna dkm demir sa ile sol tarafa birer ak koyarak aracn

yere yapmasn salamtr. Teknik adan daha akllca zm ise kanat (spoiler)

kullanm ile gelmitir.

2.2.3 Yanal Kuvvet (FY)

Havann hareketi tat ekline gre simetrik olmad zamanlarda oluan

aerodinamik kuvvetin yan bileenidir. Bu kuvvet bileeni srkleme ve kaldrma

kuvveti (FD ve FL) ile dik a yapmaktadr.

Yanal kuvvet denklem (2.5)ten hesaplanr:

Y2

YY C.A.V..2

1C.A.qF == (2.5)

2.3 Aerodinamik Momentler

Aerodinamik kuvvetlerinde tat dinamiine etkisi hesaplanmak istendiinde

bu kuvvetlerin de arlk merkezine tanmas gereklidir. Bu durumda dinamik

analizin iine aerodinamik momentler girmektedir. Bu momentler aerodinamik

kuvvetler ile bunlarn arlk merkezine olan uzaklklarnn arpm ile bulunabilir.

Aerodinamik kuvvetler bileene ayrldna gre bunlarn arlk

merkezine tanmas sonucunda aerodinamik moment oluur.


23/72

12

2.3.1 Yunuslama Momenti (pitching) (MP)

Aerodinamik srkleme ve aerodinamik kaldrma kuvvetlerinden

kaynaklanan aracn n ve arkasndan etki eden kaldrma kuvvetleri birbirine eit

olmadnda oluan yunuslama momenti MP dr. Basn merkezinin, arlk

merkezine gre rlatif pozisyonu xc ve yc uzaklnda olarak tanmlanrsa;

MP=FL.xc+ FD.yc=q.A.(CL.xc+CD.yc)= q.A.L.CMP (2.6)

Burada L tatn karakteristik uzunluudur ve binek tatlar iin genellikle n ve arka

aks arasndaki uzunluk alnr. CMP ise birimsiz yunuslama momenti katsaysdr.

2.3.2 Yuvarlanma Momenti (rolling) (MR)

Aracn sa ve sol taraflarna etki eden yanal kuvvetler birbirine eit

olmadnda oluan yuvarlanma momenti MR, yc uzaklnda etkiyen aerodinamik

yan kuvvetten kaynaklanmaktadr. CMRbirimsiz yuvarlanma momenti katsaysdr

MR=FY.yc= q.A.L.CMR (2.7)

2.3.3 Yana Kay Momenti (yaw) (MY)

Yanal rzgrlarn aracn n ve arkasna ayn iddetle etki etmedii

durumlarda oluan aerodinamik yana kay momenti MY, xc uzaklnda etkiyen

aerodinamik yan kuvvetten kaynaklanmaktad

r. CMY birimsiz yana kay

momentikatsaysdr.

MY=FY.xc=q.A.L.CMY (2.8)


24/72

13

2.4 Aerodinamik Dirence Etki Eden Faktrler

Aerodinamik tasarm tatn performans ile direkt olarak alakaldr. Tatn

aerodinamik yapsnn deitirilmesi tasarmc, aerodinamik uzmanlar, mhendisler

ve reticilerin birlikte almalaryla gerekletirilir. Tatn d yzeyi, yol tutu

kabiliyeti, gvenilirlii ve hepsinden nemlisi kolay retilebilirlii gibi birok konu

gz nnde tutulmaldr. Tatn d yzeyi ile ilgili aerodinamik aratrmalar

olduka uzun ve yorucu almalardr bu yzden gerekli teknik artlar salamakla

birlikte piyasada mterinin houna gidecek nitelikleri de iermelidir. Tata son

ekli verilmeden nce yaplan bir tasarm hatas sadece o ksmn deitirilerek

giderilemez. Bu yzden lekli, birebir prototipler veya modeller kullanlr, hava

tnellerinde deneyler ve analizler yaplr (ekil 2.3). Aerodinamik srkleme ve

kaldrma katsaysnn drlmesi tasarmdaki iki nemli unsurdur. Dier nemli bir

hususta tatn yan kuvvetlere verdii tepkidir [15]

(a) (b)

ekil 2.3 (a) Ferrari F1 1/1 Prototip [16], (b) Ferrari F1 1/14 Model Ara


25/72

14

2.4.1 Srkleme Katsaysn Azaltmakin Yaplan almalar

Aracn kaportas evresinde akan havann mmkn olduunca kesintisiz ve

przsz bir yzey etrafnda akmas salanarak srkleme katsays daha da

drlebilmitir. Bu amaca ynelik aralarda kap camlarnn ve farlarn kaporta ile

ayn yzeyde, n ve arka camlarn daha yatk tasarlanmas, yan aynalarn formunun

aerodinamik zellik tamas, lastik oyuklarnn geniletilmi amurluklarla

rtlmesi, n ve arka tekerlekler arasna etekler yerletirilmesi, n panel altna hava

barajlar (airdam) yerletirilmesi, jant kapaklarnn mmkn olduunca aerodinamik

yapda imal edilmeleri, aracn altndaki dzgnszlkleri alt kaplama takviyesi ile

gizlenmesi gibi nlemlere rastlanmaktadr.

Bahsedilen nlemler sayesinde srkleme katsays; binek aralarnda 0,25'e,

otobslerde 0,5'e, motosikletlerde 0,4'e, kamyonlarda ise 0,65'e drlmtr. Hava

akm iinde akm ynne dik olarak tutulan bir levha iin bu deer 1,28, paratte

1,70, tabanca mermisinde 0,3, futbol topunda 0,29, yolcu uaklarnda 0,25, bomba ve

yedek yakt tank tamayan sava uaklarnda 0,20 civarndadr.

Laboratuar almalarnda bulunan sonular normal trafikte tespit edilen

sonularla ounlukla uyumamaktadr. nk araca etkiyen yan rzgr, yk

durumu vb. faktrler srkleme katsaysna dorudan tesir etmektedir.

Ak bir pencere, bagajdaki 20 kg'lk fazla ykn oluturduu yere yaklama

veya kullanlan lastiklerin daha kaln olanlaryla deitirilmesi gibi hallerde

srkleme katsay

s

deeri % 1012 art

gsterir. Kk gibi grnen bu art

n iseyakt sarfiyatnn % 5 ykselmesine neden olduu tespit edilmitir.

CD deerini azaltma almalarnn sonucu olaraku sylenebilir: Gelitirilen

farkl nlemler sayesinde diren kayb olduka drlebilmitir ve hatta daha da

drlebilir ancak bu ama iin uygulanacak ilave nlemlerin dourabilecei

maliyet art CD deerinin kltlmesi sonucu ortaya kacak avantaj aacandan

bu gibi nlemlerimdilik sadece deneme, gelitirme ve yar gibi zel amal

aralara uygulanabilmektedir. Bu tr aralarda CD deeri 0.20'ye debilmektedir.


26/72

15

Bu konuda rekor 0.182 ile Mercedes'in C111 serisinin 1985'de gelitirdii

C111/4 modelindedir. Zaman deerlerini alt st eden 1936 yapm gelitirilmi

Mercedes W125 0.20'lik CD deeri ile damla formuna en yakn aralardan biridir

(ekil 2.4) [14].

ekil 2.4 1936 yapmMercedes W125 [17]

2.4.2 Tatn Tasarmnda deal Aerodinamikekil

Tatn ekli yolcu says ve koltuklarn yerleimine gre belirlenir. Tatn

maksimum kesit alanna gre tasarm yaplr. Kesit alanna gre teorik olarak tatn

aerodinamik srkleme katsays bulunmaktadr. Gnmzn iyi tasarmlanm spor

ve yar otomobilleri ancak 0,2 ile 0,3 arasnda srkleme katsaylarna sahiptir. Bu

katsay farklar ounlukla ideal ekilden sapmalardan (yolcu kabininin ekli gibi)

kaynaklanr. Tekerlekler arasndaki boluk en nemli sapmay gerekletirmektedir.

Yolcu blm ksm srcnn yolu grebilmesi iin gereklidir fakat ekil zerinde

dzgnce ilerleyen hava akmna kar bir engeldir.


27/72

16

Aerodinamik Direncin En nemli Kaynaklar:

Gvde direnci; Basn dalmnn yatay bileeninden dolay oluur.

Akkan direnci; Trblanslarn olumasndan ve aerodinamik kaldrma

kuvvetinden dolay oluur.

Srtnme direnci; Tat d yzeyinin hava ile temasndan dolay oluur

hava akm; Tat sistemi iindeki boluklarda havann dolamasndan dolay

oluur.

Tekerleklerin dnmesinden dolay ve tatn altndan geen hava aerodinamik

direnci arttrr. Akn blgesel olarak hzlanmasna ve yavalamasna sebep olan

veya akn ynn deitiren tat yzeyindeki her ekil gvde direncine eklenir.

Yolcu blmnde hava n cama geldii zaman ivmelenir ve yn deitirir bu yzden

tatn kesit alanndaki ani deiiklikler mmkn olduu kadar azaltlmaldr.

Hava aknn kanallardan iletilmesi ileminden kanlmaldr. Blgesel hava

aklarn tat zerinden kolaylkla ileten ekiller blgesel hz artlarna sebep

olurlar. Bunun gibi blgesel hava jetleri tatn zerindeki ana hava ak eklini

keserler ve evresindeki havadan daha hzl hareket etmesinden dolay trblansa

sebep olurlar, bu da gvde direncine eklenir.

Tatn arka tarafnda, kesit alanndaki ani deiiklikten dolay hava aknn

yavalad bir viskoz snr tabaka vardr. Bu basncn artmasna ve ayrlma

noktasna kadar ya da hava ak d ortamn hava artlarna uyana kadar akn

basnca kar i yapmasna yol aar. Ayrlma izgisi (separation line) yzeyzerindeki olduka kk objeler sebebiyle veya tasarmdaki ufak detaylardan dolay

aniden meydana gelebilir, bunun iin bu blgenin tasarmna olduka dikkat

edilmelidir.

Tatn arka tarafnn tasarmnn aerodinamik direncinin drlmesi;

Deneysel lmlerden tatn arka ksmnn blgesel hava akna gre negatif eimli

olmas gerektii grlr. Gelen hava akmndaki trblans oran veya yzeyin

przll gibi durumlar kritik a

n

n deerini belirler, ta

t

n arka taraf

ndayzeyin blgesel hava akmna gre eimi 3 ila 5 yi gememelidir, geilirse hava


28/72

17

ak ayrl tetiklenir. Bu fast-back olarak bilinen tat tasarmlarnn ortaya

kmasna sebep olmutur (ekil 2.5 a, b). Tatn yan ksmlarnn tasarm da

gznne alnd takdirde tatn arka yzey alan klr ve aerodinamik diren

der.

ekil 2.5 (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil

Bu tasarm bize ayrlma izgisinin hemen hemen tatn arka kenarnda

olumasndan dolay bir optimizasyon salar. Hava aknn ayrlmasna dier bir

etkende arka yzeyler zerine yerletirilen eitli kntlardr. rnek olarak tat

gvdesine iyi yerletirilememi camlar ayrlma izgisini tatn arka kenarndan daha

nce olmasna yol aar ve aerodinamik direnci arttrr.

Lastiklerin oluturduu ark, iinde bulunduklar boluktan hava aknn

gemesiyle meydana gelmektedir. Lastiin dnmesi ve alttan gelen hava ile

karlamas n ve arka tekerleklerde havann lastik boluunu izlemesine ve

trblanslar oluturarak uzaklamasna yol aar. Yal bir gn sonrasnda tatn

n ve arka amurluklarna bakldnda oluan blgesel trblans, amur ve dier

pisliklerin amurlua yap

mas

na yard

mc

olurlar.


29/72

18

ekil 2.6 dan grld gibi n lastikten sonra hava akm, oluan

trblanslarla tatn yan kenar boyunca hareket ederken tekrar birleirler. Arka

lastiklerde meydana gelen hava akm ayrlmas genellikle tatn arka tarafndaki

hava akm ile birleir. Bu durum arkada meydana gelen hava boluunun daha da

bymesine yol aar ve aerodinamik kuvveti artrr. Lastiklerin bulunduu boluu

ksmen veya tamamen kapatmak bu sorunu zebilir. Arka lastiklerde tamamen

kapatlabilinmesine ramen n lastikler hareketli olduu iin ok zordur.

ekil 2.6 Tatn lastik boluklarnda meydana gelen hava akm ayrlmasnn ekli

st ak spor otomobillerde hava aknn ayrlmas genellikle n camn

bittii noktada balar. Tatn neredeyse tm kesit alannda hava boluu meydana

gelmesini salar ve oluan aerodinamik diren olduka artar. Maksimum kesit

alann mmkn olduunca azaltmak aerodinamik direnci drmenin en iyi yoludur.

2.4.3 Tatn Alt Hava Akm

ekil 2.7 de grld gibi tatn n tamponuna yerletirilmi hava baraj,

yan ksmlarnn alt kenarna yerletirilmi etek, tatn alt ksmna gelen hava

akmn baka ksmlarna ynlendirerek aerodinamik direnci ve kaldrmay azaltr.


30/72

19

ekil 2.7 Etek ve hava baraj

ekil 2.8 de grld gibi tatn altnda motor, vites kutusu, aft,

diferansiyel ve egzoz borular gibi birok para vardr ve bunlarn hepsi akta

bulunmaktadr o yzden bu blgede hava akm istenmeyen bir olaydr. nk

aerodinamik direnci arttrr, trblansa ve ayn zamanda hava akmn yavalatarak

aerodinamik kaldrmaya yol aarlar.

ekil 2.8 Tatn altndaki ksmlarn hava akmna maruz kal

Etek Hava Baraj


31/72

20

Tatn alt ksmndaki paralarn hava akmna maruz kalmayacak ekilde

yerletirmek veya altn tamamen kapatmak bu blgedeki hava akmnn etkisini

azaltmann bir yoludur (ekil 2.9). Aracn altndaki dzgnszlklerin alt kaplama

ile kamufle edilmesi halinde CD deeri 0.045 d gsterir [14].

ekil 2.9 Ferrari F50nin alttan grn

2.4.4 Kanatlar (Spoiler)

Kelime anlamyla spoiler bozucu veya datcdr. Yaplan laboratuar

aratrmalarnda aracn stnden akan hava akmnn kaportay terk ettii arka

blme konulan spoiler bu blgenin arkasnda oluturduu hz d ve buna bal

olarak ortaya kan basn artnn araca ilave itme kuvveti salad veya dier bir

deyile aracn hava diren kaybn azalttn ortaya koymutur. Aracn n tarafna

konulan spoilerin ne kadar alak yerletirilirse o kadar iyi sonular elde edilebilir ve

rzgr ynlendirerek yukar doru basn yapmasn ve bylece otomobilin n

ksmnn havalanmasn engeller. Bunu yar otomobillerinde gerekletirmek

mmkndr fakat binek otomobillerde kolay deildir [14].

Ferrari mhendisleri 1960l yllarn banda tatn arka ksmnn sonuna bir

uak kanad modeli yerletirildiinde aerodinamik kaldrma kuvvetinin ciddi bir


32/72

21

biimde dtn, aerodinamik srkleme kuvvetin ise ok az art gsterdiini,

aaya doru bir net kuvvetin elde edilebildiini grdler.

Tatn tavanndan ayrlan hava akmnn byk bir blmn arkaya

gitmeden ynlendirme etkisine sahip olan kanat, eer as arttrlrsa aa doru

arac yere bastran net bir kuvvet bile elde edilebilir (ekil 2.10).

ekil 2.10 Hava kanadnn hava akmn ynlendirii

Hava kanadnn altndan geen bir miktar hava akm vardr. Bu fast-back

olmayan tatlarda trblans engeller ve aerodinamik srkleme katsaysnn ayn

kalmasn salar.

Kanadn etkin olarak grevini yapabilmesi iin mmkn olduunca yksek

yerletirilmelidir, fakat ne kadar yksek yerletirilirse kanadn oluturduu aa

doru net kuvvet, arlk merkezine gre o kadar byk moment oluturur. Bu

moment tatn n aksndaki normal kuvveti drecei iin n tekerleklerin yere

tutunmas zorlaacaktr, buda tat kontrol azalacaktr. Formla 1 gibi yar

otomobillerinde bu etkiyi ortadan kaldrmak iin otomobilin n ksmna da kanat

yerletirilerek her iki aksta da istenilen aa doru net kuvvet (downforce) elde

edilebilir. Ykl arl 750 kg civarnda olan bir Formla 1 otomobili 290 km/h bir

hza kt zaman bu kanatlar sayesinde yere etkiyen toplam normal kuvveti

2500 kga kadar kmaktadr.


33/72

22

Aerodinamik kanatlar kaldrma kuvveti iin iyi bir zm olmasna ramen

yar otomobilleri tasarlayan mhendisler iin hala isteklerinden uzaktr. Normal bir

Formla 1 otomobili viraj alrken 4glik bir ivmeye maruz kalr ve bunu yenebilmek

iin lastikleri yere iyice tutunmasn salayacak yeterli normal kuvvete ihtiyac

vardr. Byk kanatlar yerletirmek bunu karlayabilmesine karn, aerodinamik

srkleme katsaysn olduka artrmaktadrlar.

2.4.5 Yer Etkisi

1970lerde Collin CHAPMAN istenildii kadar byk normal kuvvet

salayan yeni bir konu ortaya att yer etkisi. CHAPMAN Lotus 72 yar

otomobilinin alt ksmna n tarafta dar ve arkaya gittike genileyen kanallar at.

Tatn alt ksmn hemen hemen yere demekte olduundan bu kanallar nerdeyse

kapal bir kanal gibi grnmekteydiler. Tat hareket halinde iken hava tnelin u

ksmndan girip arkaya doru genlemektedir (ekil 2.11). Bunun sonucu arka ksma

doru hava basnc dmektedir ve burada aa doru net bir kuvvet

oluturmaktadr.

ekil 2.11 Yer etkisi oluturmak iin tatn alt ksmna yerletirilen kanallar

Yer etkisinden faydalanlmas yarlarda kanatlara gre olduka stnlkler

salad ve yar komisyonu tarafndan kullanm yasakland. Bunun zerine Gordon

MURRAY ayn dk basnc elde etmek iin tatn alt ksmnn arka tarafna gl

bir fan yerletirdi ve ayn sonucu elde etti. Binek otomobiller yerden yksek

olduundan bu prensibin kullanm pek mmkn deildir [15].


34/72

23

3. KARAYOLU TAITLARINDA AERODNAMK ZELLKLERN

BELRLENMES

3.1 Aerodinamik zelliklerin Deneysel Olarak Belirlenmesi

Tatlarn geometrisinde yaplacak olan deiiklikler asndan aerodinamik

zeliklerinin belirlenmesi, tasarm srecinde ok nemlidir. stenen baz

aerodinamik zeliklerunlardr:

Aerodinamik katsaylar (srkleme ve kaldrma katsaylar)

Tat yzeyi zerindeki basn dalm

Ak grnm verileri vs.

Deneyler, yolda gerek bir tat zerinde yaplaca gibi, rzgr tnelinde

gerek bir tat veya tatn lekli bir modeli zerinde yaplabilir.

3.1.1 Yol Deneyleri

Yol deneyleri tat aerodinamii incelemelerinde nemli bir yer tutmaktadr,

nk gerek yol artlarnda gerek bir tatn denenmesidir. Deney esnasnda, tata

ve lmleri yapacak donanma ihtiya vardr. Tatn hareketli ise zerinde snrl

sayda l aleti tanabilir. Farkl iki tat geometrisi test edilecekse l

donanmnn bir aratan dierine aktarlmas gerekir. l donanm farkl tat

burnu gibi model deiiklikleri iin sorun karabilir, buda yol ve deney artlarnntekrarlanabilirlii asndan glk dourmaktadr. Yol deneylerinin

tekrarlanabilirlii, l aletlerinin hassas olarak tanabilmesiyle snrl olup, kontrol

edilemeyen evre etkenlerine (rzgrlar vb.) de bamldr.

3.1.1.1 Aerodinamik Direncin llmesi

Yol deneylerinde aerodinamik direncin llmesi, aerodinamik dirence ekolarak seyir hatt srtnmesi ve tekerlek yuvarlanma direncinin de bulunmasndan


35/72

24

tr zordur. Aerodinamik direncin llebilmesi iin tekerlek yuvarlanma

direncinin bilinmesine gerek vardr. Tekerlek yuvarlanma direncinin tespiti iin bir

kutu ierisine alnan tat kendisini evre havasndan ayrr (ekil 3.1). Kutu iindeki

kuvvet lerler, aerodinamik diren bileeni olmadan diren kuvvetini lerler.

Aerodinamik diren kuvvetinin deeri, mekanik srtnme deerlerinin bilinmesi ile

tekerlek yuvarlanma direncinin, tat uzunluu dorultusunda llm olan toplam

seyir kuvvetinden karlmasyla hesaplanabilir.

ekil 3.1 Tekerlek yuvarlanma direncinin lm dzenei

Tatn belli bir balang hzna getirilip daha sonradan yavalamaya

brakld, yntemler ile de iyi neticeler alnmaktadr. CD katsays, yavalama

ivmesi ve katedilen mesafenin llmesi ile hesaplan

r. Ayr

ca atalet etkileri dedeerlendirilmelidir. Bu yntem sabit hzl deneye gre daha fazla duyarl

(atmosferik olaylar asndan) olup, her bir veri noktas iin ok sayda tekrara

ihtiya vardr.

ekil 3.2 Deney srasndaki tata ait hz-zaman diyagram


36/72

25

ekil 3.2 de rnek olarak, bir binek tatna ait deney srasndaki hz-zaman

diyagram verilmitir. Negatif ivme tat zerine uygulanan kuvvetle doru orantl

olup, bu tat yavalatan d kuvvet, tekerleklerin yuvarlanma direnci ile

aerodinamik diren kuvvetinin toplamna eittir. vmenin kk bir zaman

aralndaki deeri V/t den hesaplanr.

Toplam diren kuvvetinin hesaplanmas:

t

V.ma.mF

== (3.1)

Burada dinamik basncn ve dolaysyla tat hznn bilinmesine gerek vardr.

Bu hz lm pitot tp ile yaplr [18].

3.1.1.2 Aerodinamik Kaldrmann llmesi

Kaldrma etkisi, yol deneylerinde aerodinamik yk nedeniyle

sspansiyondaki yer deiiminin llmesi ile belirlenmektedir. Her bir tekerleinsspansiyon yer deiimi llp, sspansiyondaki kaldrma kuvveti bileenleri

edeer bir kaldrma deerine dntrlmektedir. Sspansiyondaki aerodinamik

yk, yaylar zerine yerletirilmi strain gauge'ler ile veya optik seyir yksekliini

len gauge'ler ile de llebilmektedir.

3.1.1.3 Yzey Basncnn llmesi

ekil 3.3 te grld gibi yzey basncnn lm iin tat yzeyi zerine

kk bir delik alr ve buras bir basn alglaycya balanr. Delik dz ve yzeye

dik olmaldr. Bu yntemle yerel statik basn llr. Buna tekabl eden statik

basn katsays CP' nin hesab iin, dinamik basn da gerekli olup, o da pitot tp ile

llr.


37/72

26

ekil 3.3 Tat yzeyine yerletirilen bir basn alcsnn ematik grnm

Statik basn katsays denklem (3.2)den hesaplanr:

2P

V..2

1

ppC

= (3.2)

Tat yzeyi zerinde ayrntl bir basn dalm elde etmek iin, ok sayda

basn delikleri alp, bunlar merkezi bir l nitesine balanmaldr.

Yzey basnc lmlerinde, yol deneylerinde tat zerindeki snrl hacim

nedeniyle deney aletlerinin tanmas zorluk tekil etmektedir. Ayrca yolda yaplan

bu lm ynteminde deliklerin toz veya pislikler tarafndan tkanma olaslnn

nne geilmelidir.

3.1.1.4 Pitot Tp ile Hzn llmesi

Pitot tp, bir noktadaki ak hzn ler. Bu tertibat, rzgr tnellerinde

otomobil ve uak gvdeleri zerinde yaplan testlerde hz lmlerinde

kullanlmaktadr

ekil 3.4 de V1 serbest ak hz ve P1 basncndaki akkan moleklleri B

noktasna geldiklerinde pitot tp iine girerek tpn iini doldururlar ve bundan


38/72

27

dolay B noktadaki hzlar 0 olacaktr. B noktasndaki basnca durma noktas veya

toplam basn denir. Hz B noktasnda 0 olduuna gre bu noktadaki basn da P1

basncndan byk olacaktr. Kanala A noktasndan alan bir delikten basn

llrse P1 bulunacaktr. Bernoulli denklemi A ve B noktalar iin uygulanarak

statik basn (serbest ak basnc) P1 ile toplam basn P0 arasndaki farktan akn

serbest hz V1 bulunabilir (Denklem 3.3).

ekil 3.4 Pitot tp lme prensibi [19]

( )

=+=++=+ 1010

211

2BB

2AA

PP2V0PV

2

1PV

2

1PV

2

1P (3.3)

Dinamik basn (q), toplam basn ile statik basn arasndaki farktan (3.4)

bantsnda grld gibi hesaplanr:

qV2

1PPPV

2

1P 21100

211 ===+ (3.4)

3.1.2 Rzgr Tneli Deneyleri

Rzgar tneli deneyleri modeli ve lm donanmn sabit tutup, havay

model zerine hareket ettirme ilkesine dayanmaktadr. Rzgar tneli, deney


39/72

28

artlarnn iyi kontrol edildii ve d atmosferik artlardan bamsz bir ortam

sunmaktadr. (ekil 3.5)

ekil 3.5 Rzgar tneli

3.1.2.1 Rzgr Tnelinin Yaps

Cisimlerin duraan hava ortamnda hareket etmeleri ile cismin hareket

ynne paralel ynde rzgra maruz kalmas arasnda bir fark yoktur. Btn

aerodinamik kuvvetler tat ile havann birbirine gre yapt rlatif hareketten

kaynaklanmaktadr. Bu nedenle cisimlerin aerodinamik karakteristii, cisim sabit

tutulup, rzgr tnelinde hava akna maruz braklarak zerine etki eden kuvvet ve

momentlerin lld deneylerle belirlenir. Bu amala kullanlan rzgr tnelleri

kuvvet, moment ve basn lm yaplabilecek donanmlara sahiptirler.

Rzgr tnelinde fan havay hareket ettirmektedir. Denenen modelin

yerletirildii en dar kesitte (deney odas) havann younluu hemen hemen sabit


40/72

29

olduundan hava en yksek hza eriir. Deney odasnn kesiti dikdrtgen, daire, oval

vb. biimlerde olabilir. Deney odasnda uniform bir hz elde etmek iin kslma

odas bulunup, ak dzgnce deney odasna ynlendirir. Giriteki panjurun amac

dardaki rzgrn etkilerini azaltp, i akn dzenli dalmasn salamaktr. Fana

gelen ak hznn drlmesi iinde deney odasnn arkasnda yayc dier ad ile

genileme odas bulunur (ekil 3.6).

ekil 3.6 Ak devreli bir rzgr tnelinin ematik grnm

ekil 3.7 Kapal devreli rzgr tnelinin ematik grnm


41/72

30

Eer fandan sonra bir geri dn kanal balanrsa, kapal devreli tip elde

edilir (ekil 3.7). Bylece havann sahip olduu momentum dar atlmam olur ve

fan sadece duvarlar ile modelin yaratt srtnmelere kar i yapar.

3.1.2.2 Rzgr Tnelinde Kullanlan Modeller

Kk lekli modelin faydas, birebir lee oranla daha ucuz, kontrolnn

kolay olmas, zerindeki deiikliklerin hzlca gerekletirilmesi ve daha kk

rzgr tnellerinin kullanlabilmesiyle deneyin daha ekonomik yaplabilmesidir.

Eskiye oranla gnmzde kk lekli model deneyleri daha az

uygulanmaktadr. Kk lekli modellerin deney sonular tam lekli modellere

gre yeterince hassas sonu vermemektedir. Bu farkllk ksmen modeller arasndaki

geometrik benzerliin tam olmay (model yapcsnn hneri ve dikkati ile ilgilidir)

ve ksmen de Reynolds saysnn tahmin edilemeyen etkisinden kaynaklanmaktadr.

Rzgr tnelindeki trblans derecesinin yapay olarak arttrlmas bu etkiyi

giderebilir. Bu sebeple, kk lekli deneyler baz tat reticileri tarafndan tekrar

kullanlr hale gelmitir.

3.1.2.3 Blokaj Sorunu

Blokaj oran, model kesit alannn deney odas (llenin k) kesit alanna

oran olarak ifade edilir.

Blokaj oran

, deiik rzgr tnellerinde % 4 ile % 20 aras

nda deiir.Benzerlik art iin bu orann % 10 veya daha dk seviyelerde olmas kabul

edilebilir. Tipik bir binek tat iin tnelin deney odasnn kesit alan 40 m2

civarnda olmaldr. Avrupa'da son yllarda 25 m2 deeri kullanlmaktadr.

Ak deney odal tnelde tatn zerinde bulunduu zemin haricinde kalan

dier snr ak olup, tatn kt eklinden tr deney etkilenmektedir. Rzgr

hznn belirlenmesi hatal olabilir. Model lle kna ok yakn ise lle ierisindeki

basn alclarn olduu yerlerde basn deimektedir (ekil 3.8). Deney odas


42/72

31

uzunluunun (L) yeterli olmamas ve kollektr kesit alannn (Ac) lle kesit alanna

oranla ok kk olmas durumlarnda, kollektre giden akta dzensizlikler

oluabilmektedir. Tat civarndaki ak izgileri, sonsuz kesit alanl hava aksna

gre daha fazla almaktadr ve daha dk bir CDdeeri elde edilmektedir. Bu etki

iin genel olarak geerli olan bir blokaj dzeltmesi mevcut deildir. Bu etkinin

kk olduu kabul yaplarak genelde ihmal edilir.

ekil 3.8 10 m2'lik rzgr tnelinin iindeki modelin lle kna ok yaknyerletirilmesi durumunda, N konumundaki statik basn ykselmesi

Kapal deney odal tnellerde tat zerine yollanan hava jetinin etraf

duvarlar ile snrlandrlmaktadr. Burada yaplan deneylerde tat gvdesinin kt

ekli ncelikli olarak blokaja neden olmaktadr. Ak deney odal tnelin tersine

burada ak izgilerinin almas, sonsuz genilikli aka gre daha azdr. Bu durum,

sonsuz genilikli aka gre daha byk bir CDdeeri oluturur. Bu farkllk ak

deney odal tnele gre ok daha fazladr.


43/72

32

Tnel kesit alan ierisinde model byk bir alan igal ederse modelle tnel

duvar arasnda kalan alan daralr ve akkan hzn koruyarak bu dar alandan akp

geemeden bloke olur ve snr tabakann zerinde ak hz serbest ak hzna eit

olamaz, ak dzeni bozularak blokaj hatalar oluur. Bunun sonucu olarak ak

izgilerinin gerekte prototip zerinde oluan ak izgileriyle paralellik art

salanamaz. Deneylerde elde edilen sonular llen serbest ak deeri doru

olamayacandan gerei yanstmaz. Rzgr tneli deneylerinde blokaj etkilerinin

ihmal edilebilir dzeyde olabilmesi iin blokaj orannn % 10 snrnn altnda olmas

tavsiye edilir

3.1.2.4 Yolun Temsili ve Tekerleklerin Dnmesi Sorunu

Yolun simlasyonu iin rzgr tnelinde snr tabaka kontrol olmayan

duraan kat zemin (a), teetsel flemeli (b), snr tabaka emmeli (d ve g), hareketli

kay ile snr tabakann emiliminin beraber kullanld tneller en ok

kullanlanlardr (ekil 3.9) [18].

ekil 3.9 Rzgr tnelinde yol simlasyonu iin uygulanabilecek eitli yntemler


44/72

33

Yolun temsili iin en basit ve yaygn yntem, duraan kat zemindir. Deney

srasnda tekerlekler dnmeyecektir. Bo bir deney odasnda snr tabaka oluumu,

tat zemin aklnn % 10u kadar olup, CD deeri 0.40 ve daha yukar olan binek

tatlar iin yeterlidir.

Hareketli kay kullanm, yol simlasyonu iin en iyi yntem gibi

gzkmektedir. Formla 1 yar arabalar ve ksmi lekli modeller hareketli kayn

kullanld rzgr tnellerinde denenmektedir. Kayn tat arln

karlayabilme sorunu nedeniyle tat, kuvvet dengesi olacak ekilde dey veya

yatay duran bir destee asl olarak durmaktadr. Bu desteklerin aerodinamik etkisi

de gznne alnp yerleri ona gre belirlenmelidir.

Hareketli kayn kullanld tnellerde, tekerlekler kaya temas halinde

olup tekerlekler dndrlmelidir (ekil 3.10). Tekerlekler hareketli kay zerinde

dnmyorsa kay ve tekerlek aras bolua gerek vardr, bu da CD ve CL

deerlerinde hata oluumuna neden olur. Dnen tekerlekler, dnmeyen duruma gre

CD deerini biraz, CLdeerini nemli derecede artrrlar.

ekil 3.10 Hareketli kay mekanizmas (rzgr tneline yerletirilmemi)

Sabit zemin zerinde teetsel fleme yntemi, hareketli kay halindeki

zemin simlasyonuna yakndr. Tekerleklerin dn iin minyatr kay veya zel

tekerlek altlklar (tamburlar) kullanlr. fleme debisi, bo tnelde tat n


45/72

34

tekerleklerinin bulunaca yerde sfr kalnlkl snr tabaka oluturacak ekilde

deneysel olarak belirlenir.

Baz sabit zeminli rzgr tnellerinde, snr tabaka emilimi uygulanmaktadr.

Hava, lle knda delikli bir metal levha hatt boyunca emilir. Dal emme

durumunda, tat n ve altnda geni ve gzenekli bir zemin bulunmaktadr. Zemin

zerinde her bir emme odas iin, konuma bal deiik emme debileri uygulanabilir.

3.2 Aerodinamik zelliklerin Saysal Yntemlerle Belirlenmesi

3.2.1 Benzerlik

Gerek prototipin boyutlarnn bykl, deney tehizatnn maliyeti vs. gibi

nedenlerle akkanlar dinamii ile ilgili deneysel almalarda model kullanm

kanlmaz hale gelir. Sonularn prototip zerindekine yakn olmas iin modelin

belirli zelliklerinin prototipin zellikleri ile ayn veya yakn deerlerde olmas

arttr. Prototip ve model arasnda geometrik, kinematik, dinamik benzerlik art

aranr.

3.2.1.1 Geometrik benzerlik

Geometrik benzerliin salanmas iin modelin boyutsal lleri ile

prototipin boyutsal llerinin orannn sabit olmas gerekir (ekil 3.11).

ekil 3.11 Geometrik benzer cisimler [20]


46/72

35

m

m

p

p

B

L

B

L= (3.5)

3.2.1.2 Kinematik benzerlik

Kinematik benzerlikartnn salanmas iin prototip ve model zerindeki hz

vektrleri paralel ve mutlak deerlerinin oranlarnn sabit olmas gerekir (ekil 3.12).

ekil 3.12 Kinematik benzer aklar [20]

elmodb

b

prototipB

B

elmoda

a

prototipA

A

u

v

u

v,

u

v

u

v

=

=

(3.6)

Kinematik benzerlik artnn salanmas, ak izgilerinin aerodinamik

deneylerde model ve prototip iin ayn olduu anlamna gelir. Kinematik benzerliin

salanmas blokaj etkisine de baldr. Gerekte duraan halden hareketli hale geen

otomobil evresinde oluan hava hareketi, aracn d yzeyinde bir snr tabaka

olumasna neden olur. Akkann snr tabaka iindeki hz plaka yzeyinden yukar

doru parabolik bir oranla artar, plaka yzeyinden itibaren belirli bir yksekliindehz serbest ak hzna eit olur. Bu yksekliine "snr tabakas kalnl" denir

(ekil 3.13).

ekil 3.13 Snr tabakas oluumunun ematik grnm


47/72

36

3.2.1.3 Dinamik benzerlik

Geometrik ve kinematik olarak benzer sistemlerde dinamik benzerliin de

salanmas iin, geometrik olarak benzer konumlardaki kuvvet vektrleri paralel ve

mutlak deerleri oranlar sabit olmaldr (ekil 3.14).

ekil 3.14 Dinamik benzer aklar [20]

elmodh

v

prototiph

v

elmodh

v

prototiph

v

Fb

Fb

FB

FB,

Fa

Fa

FA

FA

=

=

(3.7)

Dinamik benzerlik iin analiz sonucunda elde edilen boyutsuz katsaylarn

model ve prototip iin ayn olmas gerekir. Otomobil zerindeki akn incelendii

bu alma iin etkin kuvvetler atalet ve viskoz kuvvetlerdir. Denklem 3.8de verilen

Re says atalet kuvvetlerinin, dinamik viskoziteye oranyla elde edilir.

=

=

==

L.VL.VL.V.

viskozitedinamik

kuvvetiAtaletRe (3.8)

= kinematik viskozite

Tam dinamik benzerliin salanmas iin Re saylarnn model ve prototip

iin ayn olmalar gerekir. llen byklkleri ifade eden boyutsuz katsaylar,

belirli bir hz deerinin zerinde Reynolds saysndan etkilenmiyor ve Re says

arttka deimiyorsa dinamik benzerlik salanm demektir.


48/72

37

3.2.2 Teoremi (Buckingham Teoremi) ve Otomobil zerindeki Akn

Boyut Analizi

Boyut analizi deneysel lmlerde baml ve bamsz deney deikenleri

arasndaki karmak ifadeleri belirlemekte kullanlan bir yntemdir. Deneylerde

llen fiziksel byklkler bir boyut ve bu boyutun standart birimi cinsinden ifade

edilen biriddete sahiptirler. Temel boyutlar ktle, uzunluk ve zaman, olup bunlar

srasyla M, L, T harfleriyle gsterilir. Dier tm fiziksel byklkler bu temel

boyutlar cinsinden ifade edilebilir.

Tablo 3.1 Temel mhendislik byklklerinin bir ksmnntemel boyutlar cinsinden ifadesi [21]

Fiziksel Byklk Sembol Boyut

Uzunluk L LAlan A L2

Ktle M M

Zaman T T

Younluk ML-3Dinamik viskozite ML-1T-1Kinematik viskozite L2T-1Hz V LT-1

vme a LT-2

Basn p ML-1T-2

Hacimsel debi Q L3T-1

Kuvvet F MLT-2

W ML2T-2

Her ara iin farkl byklklerde kuvvet ve momentler oluacandan tat

zerindeki aerodinamik kuvvet ve momentler kuvvet birimleri cinsinden ifade

edildiinde karlatrma yapmak gtr. Bu byklklerin boyutsuz hale getirilmesi

iin akkanlar dinamiinde incelenen parametreler zerinde boyutsal analiz

yntemleri uygulanr.


49/72

38

Buckingham Pi teoremi kullanlarak, baml bir deikene etki eden

bamsz deikenler boyutsuz saylar olarak birletirilerek analiz iin gerekli olan

deiken says azaltlr.

Otomobil zerine etki eden srkleme kuvveti, FD

L karakteristik uzunluk,

V serbest ak hz,

akkann younluu,

akkann viskozitesine baldr.

FD = f (V, L, , ) eklinde ifade edilebilir. Aadaki ilemler uygulanarak

boyutsuz gruplar oluturulabilir

1. lgili btn deikenlerin listesi yaplr.

FD, V, L, , ve buna gre n = 5

Btn deikenler temel boyutlar cinsinden ifade edilir.

Tekrarlayan temel boyut says r = 3 bunlar M,L,T dir.

2. Listedeki , V, L deikenleri tekrarlanan deikenler olarak seilir. Buna

gre m = r = 3 bulunur. Geriye kalan parametreler (F, ), tekrarlanan parametreler

ile gruplanr. Boyutsuz grup says n-m = 5-3 = 2 olarak bulunur ve aadaki

fonksiyonel ilikiler yazlabilir.

1=f1(, V, L, FD) 2=f2(, V, L, ) 1=f3(2)

1=a. Vb. Lc. FD 2=

d. Ve. Lf.

3.

1 =a Vb Lc FD

(M/L3)a (L/T)b Lc ML/T2


50/72

39

1 boyutsuz bir say olduundan eitliin sa tarafnn da boyutsuz olmas

gerekir.

M : a+l=0 buradan a = -1

T : -b-2=0 buradan b = -2

L : -3a-b+c+l=0 a ve b denklemde yerine konulursa c=-2 bulunur.

Buna gre22

DD11

L.V.

F)F,L,V,(f

== elde edilir. (3.9)

4.

2 =

2boyutsuz bir say olduundan eitliin sa tarafnn da boyutsuz olmas

gerekir.

M : d+l=0 buradan d = -1

T : -e-1=0 buradan e = -2

L : -3d-e+f-l=0 d ve e denklemde yerine konulursa f=-1 bulunur.

Buna greL.V.

),L,V,(f22

== elde edilir. (3.10)

ve tersi Reynolds says olarak bilinir.

Bu iki boyutsuz katsay1 ve2 arasnda

1=f3(2) veya (Re)fL.V.

F)Re1(f

L.V.F

422D

322D =

=

ilikisi vardr. (3.11)

Denklem 3.11de L2 iki boyutlu bir byklk olduundan yerine otomobilin

karakteristik alann (A) koymakta ve 1/2 gibi bir katsay ile arpmakta saknca

yoktur. Bylece bu parametreyi aka maruz kalan cismin aka kar gelen yzeyine

bal bir denklem olarak ifade edebiliriz. Karakteristik alan, cismin aka kar

yzeyinin harekete dik dzlem zerindeki izdm olarak tanmlanr.

d Ve Lf

(M/L3

)d

(L/T)e

Lf

M/LT


51/72

40

D52

D1 C(Re)f

A.V.2

1

F==

= (3.12)

Denklem 3.12de srkleme katsays (CD) olarak bilinir. Buna gre Re

says ve CD katsays arasnda CD= f5(Re) ilikisi olduu grlr.

Benzer ekilde otomobil zerine etkiyen dier aerodinamik kuvvet ve

momentler de boyutsuz olarak ifade edildiinde aadaki eitlikler elde edilir [19].

A.V.2

1 FC 2L

L

= Kaldrma kuvveti katsays (3.13)

A.V.2

1

FC

2

YY

= Yanal kuvvet katsays (3.14)

L.A.V.2

1 MC 2P

MP

= Yunuslama momenti katsays (3.15)

L.A.V.2

1

MC

2

RMR

= Yuvarlanma momenti katsays (3.16)

L.A.V.2

1 MC 2Y

MY

= Yana kay momenti katsays (3.17)

2P

V.2

1

ppC

= Basn katsays (3.18)


52/72

41

3.3 Tat evresindeki Hava Akm ve Grntlenmesi

Tat yzeyi zerinden ak ayrlmalarnn, dolanmlarnn olduu blgeler ve

ak ynnn tespiti iin, tat yzeyi zerinde ve tatn stndeki akn

grntlenmesi olmak zere balca iki ksma ayrlabilir.

Tat yzeyine bir ucundan yaptrlm ksa pamuk veya yn iplikleri ile

ak ynyle kolayca bklebilen pskller ska kullanlr (ekil 3.15). Tat

yzeyine bitiik ak durumunda pskller ak ynnde durmaktadr. Ak

ayrlmalarnn olduu durumlarda ise pskller hzlca salnm yapmaya balamakta

ve beklenen ak ynne uzak bir konum almaktadr. Boya katlm yalar gibi

viskoz bir akkann ak izgileri gzlemlenirse benzer bulgular elde edilebilir.

ekil 3.15 Otomobilin zerindeki ak

ynyle kolayca bklebilen pskller

Rzgr tnellerinde tat stndeki veya evresindeki akn grntlenmesi

iin, tat zerine duman gnderilir ve dumann ak izgileri gzlemlenir (ekil

3.16).


53/72

42

ekil 3.16 Tat zerine duman pskrtlmesi

Tatn aerodinamii incelenirken havann hareketsiz olduu ve tatn yere

gre sabit bir rlatif hzla hareket ettii dnlr. Tat hznn havann

sktrlamaz zellikte incelenebilmesini salayacak kadar dk olmas ve tatn

dz bir yolda ilerledii kabulleri de yaplmaldr.

Hava partikln herhangi bir anda tatn belirli bir noktasndan geerken

tata gre yerletirilmi bir koordinat eksenine gre rlatif bir hareket yapmaktadrve bir yol izlemektedir. ekil 3.17 de grld gibi partikln izledii bu yola ak

izgisi (streamline) denir. Tat zerinde belirlenen bu noktaya gelen dier tm

partikllerde bir nceki partikln izledii yolu izleyecektir.

ekil 3.17 Otomobilin zerindeki ak izgileri [22]


54/72

43

ekil 3.18de grld gibi tatn ekline ve hzna bal olarak ve tat

evresinde akyollarnn oluturduu btnehava akekli denir.

ekil 3.18 Rzgr tnelinde Volkswagen otomobilin zerindeki hava akekli

Ak alan iinde, aratan ok uzaktaki aka serbest ak denir. Henz

tatn hareket alanna girmemi hava akmlar paralel ve durgun durumdadr, hareket

alan iindekiler olduka kompleks hareket sergilerler. Tat evresinde deforme

olmu blgede partikln, rlatif hz bazen tat hzndan yava bazen de hzl

olacak ekilde olduka deiir. Deforme olmam blgede partikl tat ile eit

rlatif hza sahiptir.

Yol deneylerinde akn grntlenmesinin sonular tat zerine veya

gzlemleyen bir baka araba zerine yerletirilmi kamera ile kaydedilir. Gzlemci

bir araba kullanlmas halinde tatlar arasndaki etkileim ve kamerann sabitlenmesi

esas zorluu oluturmaktadr. Yol deneylerinde tatn tam lekli modeli zerinde

deney imkn mevcuttur. Yol deneyleri genellikle rzgr tnelleri deneylerine gre

daha pahaldr.


55/72

44

4. SAYISAL AKIKANLAR DNAM (SAD) ANALZ

Saysal yntemler aerodinamik zelliklerin belirlenmesi ve aracn etrafndaki

akn modellenmesi iin kullanlmakta olup, bunun esas nedeni rn gelitirme

srasnda zamandan kazanmaktr. Saysal yntemler, olayn fiziini yeteri kadar

hassas oluturabilmeli ve deneylerden daha hzl olmaldr.

lk olarak incelenecek olan modelin geometrisi bilgisayar ortamnda

oluturulmaldr. Hesaplamalarn yaplabilmesi iin bu model sonlu elemanlara

blnerek bir a yaps (mesh) oluturulur. Gerekli snr artlar tanmlanr ve

zme geilir. Buradaki akkan havadr. Akn tipi sktrlamaz ak kabul

altnda younluk ve viskozite gibi akkan zellikleri sabit olarak tanmlanmaktadr.

Tata uygulanan yntemin bir defa yeteri kadar hassas ve geerli olduu

kabul edilmesi durumunda, denenen model mevcut olsa bile, SAD (saysal akkanlardinamii) ile modelin aerodinamik zellikleri hakknda deneyden evvel bilgi sahibi

olunabilir. Tat modelinin bilgisayar ortamnda oluturulmas, retmeye gre daha

kolaydr. Tat zerinde yaplacak ksmi deiiklikler, rzgr tnelinde denenen

modeldekine oranla daha kolay ve hzldr. Yaplan analiz ile deiikliklerin ne tr

etkiler yarataca hakknda hzl bir biimde bilgi sahibi olunabilir. Sreklilik

denklemi, momentum korunumu ve k- trblans modelinin kullanlmasyla tat

yzeyi ve zerindeki havan

n h

z ve bas

n da

l

m

ayr

nt

l

bir biimde elde edilir.

4.1 Aracn Bilgisayar Destekli Tasarm (CAD)

Ferrari F1 tatnn fiziksel geometrisi Solidworks bilgisayar destekli

tasarm program yardmyla oluturulmutur (ekil 4.1 ve 4.2). F1 tatnn

karbratrlerinin iinden geen hava ak olmad kabul edilmi ve ona gre

tasarm yaplmtr.


56/72

45

ekil 4.1 Solidworks ile izilen modelinfarkl alardan gereklik grnts verilmi hali (render)

(a) (b)

ekil 4.2 Solidworks ile tasarlanan modelin ksmlar(a) kat, (b) tel kafes


57/72

46

Ansys Workbench altndaki Design Modeler da geometriyi saysal

akkanlar dinamii simlasyonuna (Computational Fluids Dynamic - CFD)

hazrlamak iin gerekli dzeltmelerin yaplmas gereklidir. Fiziksel simetri

avantajndan yararlanarak rzgr tnelinin ve F1 modelinin yarsn kullanlmtr.

Rzgr tnelinin hava ile dolu hacminin yars kat olarak modellenir

(4,2 x 2,1 x 12 m) ve F1 modelin yars bu hacimden kartlarak akkann hareket

ettii ksm elde edilmi olur (ekil 4.3 a ve b).

(a) (b)

ekil 4.3 (a) F1 modelinin yars (b) Rzgr tnelinin hava ile dolu hacmininyarsndan F1 aracnn yarsnn karlm hali

Solidworks programna dnp modelde herhangi bir deiiklik yaptmz

zaman design modeler programndaki modelde gncellenerek, ayn deiiklik

otomatik olarak grlecektir. Bu parametrik almalar iin kolaylk salamaktadr.

4.2 Akkann Hacminin Sonlu Elemanlara Ayrlmas (Mesh)

Geometri tamamlandnda CFX-Mesh programnda akkanlar analizi iin

modelin sonlu elemanlara ayrlmas gereklidir (ekil 4.4 a,b,c ve 4.5). Burada ayrca

simetri, giri-k, duvarlar ve F1 modelinin yzeyi kolaylk olmas asndan

isimlendirilir.


58/72

47

(a) arkadan grn (b) nden grn

(c) izometrik adan grn

ekil 4.4 Modelin sonlu elemanlara ayrlmas


59/72

48

ekil 4.5 Simetri yzeyi ve modelin a yaps

Duvar yaknndaki a yapsn prizma elemanlardan oluan katmanlarla

iyiletirmek znrln arttrmak iin inflation boundary uygulanr. Bu

katmanlarn says, kalnl ve byme oran deitirmek mmkndr.

Duvara yakn blgelerde snr tabaka etkileri, yzeye dik gelen hz erilerinde

(hz ok byk) ykselmeye neden olacaktr. Yzeyde yksek derecede bozulmaya

uram tetrahedra elemanlarn olumasndan kanmak iin yksek kaliteli yzey a

yaps gereklidir. CFX-Mesh duvara dik ok daha iyi znm ve duvarlara paralel

daha kaba prizmalar kullanarak bu problemi zebiliyor. 2D gen yzey

elemanlarn 3D prizma elemanlarna evirerek istenilen duvar veya snrlarda

uygulanabilir. Bu elemanlarn boyutlarn ve duvara yakn blgelere yaylmn

belirlemek mmkndr (ekil 4.6).


60/72

49

(a) (b)

ekil 4.6(a) Simetri snr blgesinde prizma ve tetrahedra elamanlarn ayapsndaki yerleimlerinin grnm, (b) Tetrehedra, prizma, piramit elemanlar

Tablo 4.1 Modelin Sonlu Elemanlarstatii

Nokta Says 897657

Eleman Says 3852011

Tetrahedra 3293001

Piramit 16876

Prizma 542134

4.3 Snr artlarnn Tanmlanmas

Giri (Inlet): Akkann girdii yzey

k (Outlet): Akkann kt yzey

Duvarlar (Walls): Akkann akna kar kat szdrmaz elemanlardr.

Akkann geemeyecei snr olarak da adlandrlabilir. Free-slip ve noslip

olarak iki zellik verilebilir.

Tetrahedra

Prizma

Piramit


61/72

50

Free-Slip: Duvara paralel hz bileeni bilgisayar tarafndan hesaplanr.

Duvara gre hzn normali ve kayma gerilmesi sfrdr. Duvar yaknnda akkann

hz, srtnme etkileri ile yavalamaz.

Noslip: Akkann duvar snrnda hz deeri sfrdr.

Simetri (Symmetry): Simetri yzeyinin normalinde akkan hz sfrdr [23].

Sonlu elemanlara blnen model snrartlarnn belirlenecei ve hz, basn

gibi fiziksel deerlerin girilecei CFX-pre ye aktarlr. Burada akkan 25C deki

hava (=1,185 kg/m3), referans basn deeri 1 atm, giri hz 130 km/h (36,111m/s),

ktaki yzeyin basnc 0 atm olarak girilir, trblans modeli k- olarak seilir.

Snrarlar zellikleri; simetri, modelin yzeyi (noslip), duvar (free-slip), giri, k

daha nce CFX-mesh ksmnda adlandrlan yzeylerle ilikilendirilerek tanmlanr.

(ekil 4.7). Bu ilemler bittikten sonra model CFX-solver a gnderilir.

ekil 4.7 Snrartlarnn tanmlanmas

Giri (Inlet)

k (Outlet)

Simetri Yzeyi

Duvarlar


62/72

51

ekil 4.8 Simetri snrartnn gsterilmesi

4.3 zmn Elde Edilmesi

CFX-solver da zmleme yaplrken e zamanl olarak, momentum ve ktle,

trblans miktarlar, hava kaldrma kuvveti (lift) ve srkleme kuvveti (drag)

grafikleri izlenebilir. Ortalama 20 iterasyon sonucunda kaldrma ve srkleme

kuvvetleri dengeye gelir, iterasyon boyunca sabitlenir. zmn yaknsamas, hata

erilerinin ekrandan izlenmesi ile takip edilir. Bu eriler yaknsama kriterinde

tanmlanan deerlere eritiinde hesaplamalar durdurulabilir.(ekil 4.9, 4.10 ve 4.11)

ekil 4.9 Momentum-ktle diyagram

Simetri Snr art


63/72

52

ekil 4.10 Trblans deerleri

ekil 4.11 Srkleme (normal force on f1 (Z)) vekaldrma kuvvetleri (normal force on f1 (Y))


64/72

53

4.4 Sonularn Deerlendirilmesi

CFX-Solver da zmleme bittiinde zm, CFX-Post ta sonularn

incelenmesi iin alr. Hz deerleri ak izgileri ve yzey zerindeki ak izgileri

(streamlines) halinde renk skalas olarak grlmektedir. (ekil 4.12 a,b,c ve 4.13)

(a) Aracn n Ksm

(b) Aracn Arka Ksm


65/72

54

(c) izometrik adan

ekil 4.12 Hz deerleri ak izgileri halindeve renk skalas olarak grlmektedir (streamlines)

ekil 4.13 Yzey ak izgileri


66/72

55

ekil 4.14 Akn vektrel gsterimi

ekil 4.15 Simetri yzeyinde e hz bykl dalm erileri (contour)


67/72

56

ekil 4.16 Simetri yzeyinde e basn bykl dalm erileri

ekil 4.17 Aracn yzeyindeki e basn bykl dalm erileri (izometrik)

Tatn projeksiyon alan boyutlu modelin n grn zerinden

solidworks programnda izilerek alan A=1,3981 m2 olarak hesapland (ekil 4.18)


68/72

57

ekil 4.18 Tatn projeksiyon alan

Tat iin nceki blmlerde bahsedilen CD ve CL katsaylarnn hesaplanmasiin gerekli formller CFX-solver da excel benzeri hesaplama cetveline yazlp

hesaplanarak, CD= 0,516 ve CL=0,425 deerleri bulundu. Bu deerlerin gerek F1

aracnn deerlerine yaklat sylenemez. Bununda nedeni gerek F1 ile bu model

arasndaki geometride olan farkllklar, zaman ve bilgisayar gc asndan

zmleme yaplabilmesi iin modeli sonlu elemanlara blerken daha kaba ve az

eleman kullanm ve modelde yaplan sadeletirmeler olabilir. (ekil 4.19)

ekil 4.19 Hesaplamalar iin formllerin yazlmas


69/72

58

5. SONU VE TARTIMA

Yaplan uygulamada aerodinamik srkleme ve kaldrma katsaylarnn

gerek deerlerden sapt grlmektedir. Bunun sebebi a siteminde yeterli sayda

nokta says veya eleman says tayin edemememiz ve tatn analiz edildii blgede

tat stndeki, arkasndaki ve nndeki mesafelerin daha byk modellenmesi ve

hatta gerek olayda olduu gibi sonsuz olmas gerekmektedir. Blokaj etkisinden

kanmak iin daha byk ak alan gereklidir.

Tat geometrisi geree daha da yakn modellenebilir. Bu da ayrntlar

attracaktr ve sonlu elamanlara blme srasnda, a (mesh) yapsn olutururken,

ok sayda eleman kullanlmas gl bilgisayarlar gerektirmektedir ve hesaplama

sresi artmaktadr. Ak zmlemelerinde kaba elemanl a sistemi daha kk

elemanlar kullanarak iyiletirildiinde hesaplanan CD deerinde d

gerekleecektir. zellikle ard iz yapsnn olduu blgeler daha kk elemanlar ileincelenmelidir. Bylelikle snr tabaka ile trblansl blgelerdeki hz ve basn

deerleri daha hassas olarak zmlenebilir ve hesaplanan CD deeri daha ok doru

deere yaklar.

Bu almada 3 boyutlu analiz yaplmas 2 boyutluya oranla daha gereki ve

doru sonular ortaya karmtr. Gerek yol koullarn temsil etmek amacyla

hava iin modele gre ba

l hareket verildii gibi zemine ve tekerleklere hareketverilmelidir.

Daha hassas hesap yaplabilmesi iin denklemlerin zmnde kullanlan

iterasyon saylarnn daha yksek deerlerde seilmesi gerekmektedir fakat bu deeri

arttrmak bilgisayar kapasiteleri ile snrl kalmaktadr.


70/72

59

Bu analizde P4, 3 Ghz iemcili, 1,5 GB RAM zellikli bilgisayar

kullanlmtr ve zmleme ksm yaklak 22 saat srmtr. Bunu sreyi

ksaltmak model ve a yaps zerinde allarak mmkndr.

Saysal zmler deneysel almalarla birlikte yrtlmelidir. Modelin

zerinde yaplacak deneyler ile saysal sonularn doruluk derecesi mutlaka

karlatrlmaldr. Bundan sonraki aamada F1 Ferrari aracnn 1/14 lekli modeli

kullanlarak rzgr tneli deneyinde renkli hava veya duman gnderilerek

trblanslar ve ak izgileri gzlemlenecektir. Uygun lme donanmlar

kullanlarak srkleme ve kaldrma kuvvetleri llp, analizle elde edilen verilerle

karlatrlacaktr.


71/72

60

KAYNAKLAR

[1] akmak, M.A., "Kara Tatlarnn Aerodinamik Bakmdan ncelenmesi",Mhendis Makina, 41, 489, (2000), 35.

[2] Kieffer, W., Moujaes, S., and Armbya, N., "CDF study of sectioncharacteristics of formula mazda race car wings", Mathematical and ComputerModelling, 43, 11-12, (2006) 1275.

[3] Beccaria, M., Buresti, G., Ciampa, A., Lombardi, G., Gentzsch, W., Paap,H.-G. and Vicere, A., "High-performance road-vehicle optimised aerodynamicdesign: Apllication of parallel computing to car design", Future GenerationComputer Systems, 15, 3, (1999) 323.

[4] Gmlol, ., etinkaya, T.A. ve Albayrak, K., "Gei durumundakitatlarn aerodinamik etkileimlerinin deneysel olarak incelenmesi", Mhendis veMakine, 47, 561, (2006) 28.

[5] Dong Sun, Huaiyu Wu, Chi Ming Lam and Rong Zhu, "Development of asmall air vehicle based on aerodynamic model analysis in the tunnel tests",Mechatronics, 16, 1, (2006) 41.

[6] Bettle, J., Holloway, A.G.L. and Venart, J.E.S., "A computational study ofaerodynamic forces acting on a a tractor-trailor vehicle on a bridge in cross-wind",

Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91, 5, (2003) 573.

[7] Konstantin I. Matveev and Victor A. Dubrovsky, "Aerodynamic characteristicsof a hybrid trimaran model", Ocean Engineering, 34, 3-4, (2007) 616.

[8] Hiroyuki Ozawa, Sumio Nishikawa and Dai Higashida, "Development ofaerodynamics for a solar race car", JSAE Review, 19, 4, (1998) 343.

[9] Ehab Fares, "Unsteady flow simulation of the Ahmed reference body using alattice Boltzmann approach", Computers & Fluids, 35, 8-9, (2006) 940.

[10] Arief Suhariyono, Jong Hyun Kim, Nam Seo Goo, Hoon Cheol Park andKwang Joon Yoon, "Design of precision balance and aerodynamic characteristicmeasurement system for micro aerial vehicles",Aerospace Science and Technology,10, 2, (2006) 92.


72/72

[11] Masaru, K., Tsunehisa, N. and Naoki, H., "Research on Aerodynamic DragReduction by Vortex Generators", Mitsubishi Motors Technical Review, 16, (2004)11.

[12] Kim, M. S. and Geropp, D., "Experimental investigation of the ground effecton the flow around some two-dimensional bluff bodies with moving-belt technique",

Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 74-76, (1998) 511.

[13] Krajnovi, S. and Davidson L., "Influence of floor motions in wind tunnels onthe aerodynamics of road vehicles", Journal of Wind Engineering and Industrial

Aerodynamics,93, 9, (2005) 677.

[14] http://tr.wikipedia.org/wiki/Aerodinamik

[15] http://www.tkscientist.8m.com

[16] http://cars.blogs.ca/images/Ferrari-F1-F2005.jpg

[17] http://www.marksf1models.co.uk/CMC/M-052-leftside2med.jpg

[18] aan, M., Tat aerodinamik zelliklerinin saysal yntemlerle incelenmesi,Yksek Lisans Tezi, stanbul Teknik niversitesi Fen Bilimleri Enstits, Makine

Mhendislii Anabilimdal, stanbul, (2000).

[19] Aka, H., Otomobillerin aerodinamik karakteristiinin bir rzgar tnelindeincelenmesi, Yksek Lisans Tezi, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits, MakineMhendislii Anabilimdal, Ankara, (2003).

[20] http://www.aeromech.usyd.edu.au/aero/dimension/node5.shtml

[21] http://www.gidb.itu.edu.tr/staff/akman/dersler_2006.htm

[22] https://reader009.{domain}/reader009/html5/0512/5af714adafb0b/5af714e13f168.jpg

Documents

Bir Arac Modelinin Aerodinamik Analizi