Βελτίωση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς μοντέλου αυτοκινήτου μέσω τοποθέτησης αεροτομής - Μελέτη με χρήση λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως στόχο την αριθμητική επίλυση της ροής γύρω από απλοποιημένη μορφή αυτοκινήτου (γνωστής ως Ahmed Body) καθώς και βελτίωση της, τοποθετώντας σε αυτή αεροτομής (spoiler). Η μορφή αυτή του αυτοκινήτου, χρησιμοποιείται ευρύτατα από τις αυτοκινητοβιομηχανίες στα αρχικά στάδια των ερευνών τους για την πιστοποίηση του λογισμικού που αναπτύσσουν ή χρησιμοποιούν. Αν και είναι απλή γεωμετρία, η προκαλούμενη απόκολληση είναι ισχυρή και, ως εκ τούτου, αποτελεί καλό πεδίο δοκιμής κωδικών πρόλεξης της ροής. Η βελτίωση στοχεύει στη μείωση του αεροδυναμικού συντελεστή αντίστασης του αυτοκινήτου καθώς και,κυρίως, στη μείωση του συντελεστή άνωσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι η διαδικασία της βελτίωσης της ροής θα γίνει με δοκιμές και συνεχή τρεξίματα και δεν θα εφαρμοστεί κάποια μέθοδος βελτιστοποίησης. Κύρια αιτία για τον τρόπο αντυιμετώπισης που επιλέχθηκε είναι η οικονομία σε υπολογιστικό χρόνο. Για το λόγο αυτό, ο τίτλος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναφέρεται σε "βελτίωση" και όχι σε "βελτιστοποιήση". Ενδεχόμενη βελτιστοποίηση θα είχε, προφανώς, πολύ μεγαλύτερο υπολογιστικό κόστος αλλά θα εντόπιζε το καθολοκό βέλτιστο. Στην εργασία αυτή, η οποία αποτελεί συνέχεια της διπλώματικής εργασίας του Κ.Κοντογιάννη [15], χρησιμοποιείται ένας κώδικας γένεσης πλέγματος (το SnappyHexMesh τμήμα του OpenFoam), και ο ανοιχτός πηγαίος κώδικας OpenFoam (Field Operation and Manipulation) για την αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes καθώς και τον υπολογισμό των συντελεστών αντίστασης και ανώσης του οχήματος. Πρόκειται για το ίδιο λογισμικό για το οποίο έχει αναπτυχθεί, στο ολοκληρωθεισών διδακτορικών διατριβών, η συνέχης μέθοδος ώστε να υπολογίζονται χάρτες παραγώγων ευαισθησίας για κατάλληλα συναρτησιακά που εκφράζουν ποιότητα αεροδυναμικής συμπεριφοράς. Η βελτίωση της αεςροδυναμικής συμπεριφοράς του οχήματος επιτυγχάνεται με την τοποθετήση αεροτομής σε αυτό. Δημιουργούνται δύο τύποι αεροτομών που τοποθετούνται σε διαφορετικά σημεία. Ο πρώτος τοποθετείται στο Ahmed Body με γωνία πίσω κεκλιμένου επιπέδου 25 μοιρών ενώ ο δεύτερος στο Ahmed Body με αντίστοιχη γωνία 35 μοιρών. Τα σημεία αυτά είχαν επισημανθεί από το λογισμικό συχυγών μεθόδων,καθώς σε αυτές τις θέσεις οι παράγωγοι ευαισθησίας είναι αρκετά μεγάλες κατά απόλυτη τιμή. Η διπλωματική εργασία αυτή εστιάζει στον τρόπο με τον οποίο ένας μηχανικός-σχεδιαστής μπορεί να σχεδιάσει και να τοποθετήσει τις αεροτομές στο μοντέλο αυτοκινήτου που μελετέται, να δημιουργήσει αποδεκτό υπολογιστικό πλέγμα και να προβει σε αριθμητική επίλυση της ροής και στο τέλος να καταλήξει σε συγκριτικά ποσοτικά συμπεράσματα ως προς την επίπτωση που έχει η αεροτομής στους συντελεστές άνωσης και οπισθέλκουσας.

The purpose of this diploma thesis is the aerodynamic analysis and improvement of a simplified car geometry, which is usually referred to as Ahmed Body through the use of a spoiler. This simplified car geometry is widely used by car industries in the preliminary stages of their research as well as for the authentication of their software. The aerodynamic improvement is concerned with the drag and lift coefficients of the body. The improvement process will be based on a number of trial runs without resorting to a time-consuming optimization method. Thus, the obtained-recommended configurations may, generally, differ from the global optimal one. The main reason for selecting this search approach was to save computational cost. On those grounds and in the sake of fairness, the term “improvement” was preferred over “optimization”. In this diploma thesis, which (in a certain sense) is a sequel to K. Kontogiannis’ diploma thesis *15+, the mesh generation tool SnappyHexMesh, which is part of the open source CFD package OpenFOAM (Field Operation and Manipulation), is used. OpenFOAM is used to numerically solve the Navier-Stokes equations for calculating the drag and lift coefficients. It is the same CFD software based on which PCFD&O/NTUA has developed the continuous adjoint method for computing sensitivity maps around the body, indicating the role of each part of its geometry on the aerodynamic performance. The improvement of the aerodynamic performance of the Ahmed Body is achieved by the placement of spoilers. Two different types of spoilers are created and placed in different parts of the Ahmed Body. The first one is positioned in the Ahmed Body with a slant angle 25o and the second one with a slant angle 35o. The use of the continuous adjoint method for appropriate objective functions has recommended these positions beforehand but correctly interpreting the computed sensitivity maps. The present diploma thesis focuses on the way the designer may design and place the spoiler onto the car model, generate an appropriate computational grid around the vehicle, including the spoiler, compute the corresponding flow using OpenFOAM (several cases) and, finally, conclude on (quantify) the effect of the spoiler on the lift and drag coefficients.