Υλοποίηση Εμπειρικού Μοντέλου Γεννητριών Στροβιλισμού και Εφαρμογή στην Υπολογιστική Μελέτη Αεροδυναμικής Συμπεριφοράς Απλοποιημένου Μοντέλου Αυτοκινήτου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την υλοποίηση ενός εμπειρικού μοντέλου συμπεριφοράς γεννητριών στροβιλισμού, του μοντέλου B.A.Y.[6] (Bender, Yagles, Anderson), και την εφαρμογή του στη γεωμετρία ενός απλοποιημένου μοντέλου αυτοκινήτου, του Ahmed Body 35. Η χρήση εμπειρικών μοντέλων αποτελεί πολύτιμη βοήθεια σε περιπτώσεις που επιθυμεί ο μηχανικός να έχει μία γενική ιδέα όσον αφορά τη γεωμετρία, τον αριθμό, τη θέση και τον προσανατολισμό ενός συνόλου γεννητριών στροβιλισμού σε ένα αεροδυναμικό σώμα. Αυτό συμβαίνει διότι η χρήση εμπειρικών μοντέλων διατηρεί το αρχικό πλέγμα αναλλοίωτο, ενώ, σε περίπτωση που δεν γίνει χρήση, απαιτείται η τροποποίησή του για κάθε μεταβολή των χαρακτηριστικών του συνόλου των γεννητριών. Αυτό μπορεί να αποτελέσει χρονοβόρα και κοπιαστική εργασία, τη στιγμή που, στις περισσότερες περιπτώσεις, η ακρίβεια την οποία μπορεί να προσφέρει ένα μοντέλο είναι ικανοποιητική. Με βάση τα παραπάνω, τα κέρδη υπολογιστικού χρόνου από τη χρήση του μοντέλου σε περιπτώσεις αεροδυναμικής βελτιστοποίησης είναι αρκετά μεγάλα. Βέβαια, στην παρούσα εργασία δεν γίνεται κάποια βελτιστοποίηση, αλλά δοκιμάζονται διαφορετικές διατάξεις γεννητριών στροβιλισμού. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του μοντέλου και τον υπολογισμό της ροής είναι το OpenFoam, ενώ για τη σχεδίαση και κατάτμηση της γεωμετρίας των V.G. σε τρίγωνα χρησιμοποιήθηκε το SolidWorks 2012. Για τον έλεγχο των αποτελεσμάτων και του τρόπου αλληλεπίδρασης του μοντέλου με τη ροή λαμβάνουν χώρα, πριν την τελική εφαρμογή του στο αυτοκίνητο, προσομοιώσεις σε άλλα προβλήματα αποκολλημένης ροής, τα οποία είναι πολύ λιγότερο απαιτητικά από πλευράς υπολογιστικού χρόνου. Συγκεκριμένα, το πρώτο πρόβλημα αφορά την εφαρμογή του εμπειρικού μοντέλου σε έναν αγωγό, στον οποίο παρουσιάζεται απότομη μεταβολή της γεωμετρίας, όπου και εμφανίζεται εκτεταμένη περιοχή ανακυκλοφορίας της ροής. Το αναμενόμενο αποτέλεσμα είναι η μείωση της έντασής της και η ανάκτηση των στατικών πιέσεων στο "σκαλοπάτι". Το δεύτερο πρόβλημα το οποίο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ορθότητας, όσον αφορά την υλοποίηση του μοντέλου, αποτελεί μία ροή γύρω από ένα τμήμα πτέρυγας, σχετικά μεγάλου πάχους, στο οποίο η περιοχή ανακυκλοφορίας στην πλευρά υποπίεσης ξεκινά σχετικά μακριά από την ακμή εκφυγής. Η χρήση γεννητριών στροβιλισμού δρα και εδώ ευεργετικά, μειώνοντας την έκταση της περιοχής ανακυκλοφορίας και οδηγώντας σε θεαματικές βελτιώσεις όσον αφορά τους συντελεστές άνωσης και αντίστασης. Σχετικά με την επίλυση της ροής γύρω από το Ahmed 35, παρουσιάζονται τέσσερις διαφορετικές περιπτώσεις τοποθέτησης γεννητριών στροβιλισμού. Στο συγκεκριμένο σώμα εμφανίζεται εκτεταμένη περιοχή ανακυκλοφορίας στο πίσω τμήμα του, η οποία επιδρά αρνητικά τόσο στην παραγόμενη άνωση όσο και στην αντίσταση στον αέρα. Σε όλες τις προσομοιώσεις με τη χρήση γεννητριών στροβιλισμού, επιτυγχάνεται μείωση της παραγόμενης άνωσης (άρα καλύτερη ευστάθεια οχήματος) και μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης. Τα οφέλη αυξάνονται όταν ο αριθμός τους αυξάνεται, όταν η τοποθέτησή τους γίνεται πιο κοντά στα πλευρικά τμήματα του οχήματος και όταν η γωνία πρόσπτωσης ως προς την επ' άπειρο ταχύτητα, μεγαλώνει.

The implementation of an empirical vortex generator model, namely the B.A.Y.[6](Bender, Yagles, Anderson) model, and its application in the computational aerodynamic analysis of a simplified car model, namely the Ahmed Body 35, are studied in this Diploma Thesis. Empirical vortex generator modeling can become an extremely valuable tool in problems dealing with the optimization of the geometry, the number, the position and the orientation of an array of vortex generators arranged on the surface of an aerodynamic body (e.g. a vehicle). If an empirical vortex generator model is used, then there is no need to change the computational grid and remeshing is avoided during the optimization loop. In contract, without such a model, the mesh must be modified to accommodate topological or geometrical variations relative in the vortex generators. Note that remeshing during the optimization loop might become very time consuming and should be avoided. For the vast majority of problems, the accuracy obtained from the use of an empirical model may be sufficient. So, unless the engineer needs a very accurate solution, an experimental model, such as the B.A.Y. model, introducing source terms into some cells of a standard mesh, might be sufficient. The subsequent gain in computational time can be huge, which is extremely important in aerodynamic optimization. Although no optimization takes place in this Diploma Thesis, various arrangements of vortex generators are implemented. In this thesis, the implementation of the B.A.Y model and the computational fluid dynamics analysis took place in OpenFoam programming environment, whereas the design and segmentation of the vortex generators into triangular elements, have been successfully accomplished in Solidworks 2012. In order to scrutinize the implementation of the model and its interaction with the flow, a number of simulations in problems with flow seperation, with mild computational time are performed, before the application in the Ahmed body. The first problem is the flow in a pipe with a backward facing step, which leads to a flow recirculation region. The use of vortex generators reduces the recirculation zone and leads to massive pressure recovery in the step region. The second case is the flow over a thick wing segment. There is a wide seperation area, which starts to become noticeable far enough from the trailing edge. Vortex generators enhance the aerodynamic performance of the wing, which can be proved by the remarkable improvement in the lift and drag coefficients. The Ahmed body suffers from a wide flow recirculation region behind the rear end. Four different vortex generator arrangements were tested to eliminate the low pressure behind it, affecting the aerodynamic drag acting on the body. The use of vortex generators, reveals that not only drag but also lift reduction(increased vehicle stability) can be achieved. In addition, the present simulations indicate that, the increase in the number or angle, relative to the free stream velocity and the placement of vortex generators on the roof, close to the rear end, adjacent to the vehicle sides, can significantly boost the aerodynamic performance of the Ahmed body.