Σχεδίαση και αεροδυναμική μελέτη μέσω CFD ενός πρωτότυπου αγωνιστικού αυτοκινήτου

Καραλής, Νικόλαος; Karalis, Nikolaos

dc.contributor.author	Καραλής, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Karalis, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2019-05-30T10:03:53Z
dc.date.available	2019-05-30T10:03:53Z
dc.date.issued	2019-05-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48819
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16607
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	cfd	el
dc.subject	Aerodynamics	el
dc.subject	Turbulence models	en
dc.subject	CAD	el
dc.subject	CATIA V5	el
dc.subject	Αεροδυναμική	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Μοντέλα τύρβης	el
dc.title	Σχεδίαση και αεροδυναμική μελέτη μέσω CFD ενός πρωτότυπου αγωνιστικού αυτοκινήτου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	CFD	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-03-06
heal.abstract	Η αεροδυναμική απόδοση των οχημάτων και ιδιαίτερα των αγωνιστικών αυτοκινήτων απασχολούσε τους σχεδιαστές-μηχανικούς από τις αρχές του 19ου αιώνα αφού είχαν παρατηρήσει ότι ένα αεροδυναμικά βέλτιστο όχημα παρουσίαζε χαμηλότερη συνολική αντίσταση και κατ’ επέκταση μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου, μείωση του θορύβου από τον αέρα, ικανοποιητική πλευρική ευστάθεια και για αυτοκίνητα αγωνιστικής χρήσης, επίτευξη αρνητικού συντελεστή άνωσης για μεγαλύτερη πρόσφυση του οχήματος και καλύτερη συμπεριφορά σε στροφές. Σε ταχύτητες άνω των 100km/hr η αεροδυναμική αντίσταση αποτελεί περίπου το 80% των συνολικών απωλειών ισχύος που καταναλίσκεται στη κίνηση του οχήματος και από στατιστικές μελέτες προκύπτει ότι 10% μείωση του συντελεστή αντίστασης (CD) έχει ως επακόλουθο 4% μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Τα τελευταία χρόνια με την εξέλιξη των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και του τομέα της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics) οι αεροδυναμικές μελέτες των αυτοκίνητων πραγματοποιούνται με μεγάλη ακρίβεια αποτελεσμάτων, χαμηλό κόστος και υψηλή ταχύτητα ανάλυσης. Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και αεροδυναμική ανάλυση ενός σύγχρονου-ρεαλιστικού αυτοκίνητου υψηλών προδιαγραφών (GT Car) με στόχο την επίτευξη υψηλής αρνητικής άνωσης και ταυτόχρονα χαμηλού συντελεστή οπισθέλκουσας με χρήση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) . Ειδικότερα, το μοντέλο σχεδιάστηκε και μελετήθηκε αεροδυναμικά εντός κλειστού χωρίου το οποίο προσομοιώνει μια πραγματική αεροσηραγγα (Wind Tunnel) με προσθήκη αεροδυναμικών βοηθημάτων και χωρίς αυτών σε ταχύτητα 250Km/hr για δύο διαφορετικά μοντέλα τύρβης (k-ε & k-ω SST) . Η προσθήκη αεροδυναμικών βοηθημάτων απαντά στη σχεδίαση πισω πτέρυγας και της βάσης της (Rear Wing Mount), στη προσθήκη Canards (Dive Planes), Splitters (Front Air Dams) και μπροστινής πτέρυγας. Για την πραγματοποίηση των ανωτέρω χρησιμοποιήθηκαν τρία λογισμικά πακέτα. Η σχεδίαση του αυτοκίνητου (surface, part & assembly design) πραγματοποιήθηκε στο CATIA V5r20 της εταιρείας Dassault Systemes , η διόρθωση (Clean up) της γεωμετρίας, η κατασκευή του πλέγματος (Meshing) του μοντέλου και του χωρίου ανάλυσης (Domain) έλαβαν χώρα στο λογισμικό πακέτο ANSA της BETA CAE Systems ενώ η υπολογιστική επίλυση του προβλήματος (CFD) και η τρισδιάστατη προσομοίωση της ροής γύρω από το μοντέλο έγιναν με χρήση του λογισμικού πακέτου CFX της ANSYS Inc. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη αεροδυναμικών βοηθημάτων αύξησε την υπάρχουσα κάθετη δύναμη κατά 513% και κατά 30% την αντίσταση συγκριτικά με το συμβατικό μοντέλο. Το αυτοκίνητο παράγει 262kg κάθετης αρνητικής δύναμης (Downforce) με συντελεστή οπισθέλκουσας Cd= 0.37 δίνοντας ετσι λόγο L/D= - 1.24. Όσο αναφορά τα μοντέλα τύρβης παρατηρούμε απόκλιση μικρότερη του 1% στην αντίσταση και από 7 έως 130% στην άνωση. Η μεγάλη απόκλιση οφείλεται πιθανώς στις μη επαρκή επαναλήψεις που πραγματοποιήθηκαν ή στην αδυναμία του μοντέλου k-ε να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα για πολύπλοκες ροές με έντονες διακυμάνσεις της πίεσης και ανακυκλοφορίες. Συνεπώς στο συμβατικό μοντέλο συνίσταται η χρήση ενός ακόμη μοντέλου τύρβης, του Spalart-Allmaras οι τιμές του οποίου θα δείξουν ποιο από τα αρχικά μοντέλα προσεγγίζει καλύτερα το πρόβλημα.	el
heal.abstract	The aerodynamic performance of vehicles and racing cars in particular has been in the hands of designers-engineers since the early 19th century, having noticed that an aerodynamically optimized vehicle exhibited lower overall resistance and thus greater fuel economy, reduced noise from the air, satisfactory lateral stability for racing cars, achieving a negative buoyancy coefficient for greater vehicle adhesion and better bending behavior. At speeds above 100km / hr the aerodynamic drag represents about 80% of the total power losses consumed in vehicle traffic and from statistical studies it follows that a 10% reduction in the coefficient of resistance (CD) results in a 4% reduction in fuel consumption. In recent years, with the development of Computing and Computational Fluid Dynamics, aerodynamic studies of cars are carried out with high accuracy, low cost and high speed of analysis. The subject of this diploma thesis is the design and aerodynamic analysis of a concept high-performance car (GT Car) aiming to achieve a high negative force and low drag coefficient using computational fluid dynamics (CFD). In particular, the model was designed and aerodynamically studied in a closed loop which simulates a true wind tunnel with and without aerodynamic aids at 250 Km/hr. for two different turbulence models (k-e & k-ω SST). The addition of aerodynamic aids responds to a Rear Wing with its Mount design, the addition of Canards (Dive Planes), Splitters (Front Air Dams) and a Front Wing. Three software packages were used to implement the above. The surface design, part & assembly design was carried out at Dassault Systemes’s CATIA V5r20, Clean Up of Geometry, Meshing of Model and Domain Analysis took place in the software Beta CAE Systems ANSA package while CFD and 3D model simulation were made using ANSYS Inc.'s CFX package software. The results showed that the addition of aerodynamic aids increased the existing vertical force by 513% and by 30% the drag compared to the conventional model. The car produces 262kg of vertical force (Downforce) with drag coefficient Cd = 0.37 giving the L / D ratio = -1.24. As for turbulence models, we observe a deviation of less than 1% in drag and from 7 to 130% in downforce. The large deviation is probably due to the inadequate iterations performed or to the weakness of the k-e model to provide satisfactory results for complex flows with intense pressure fluctuations and recirculation. Therefore, in the conventional model, it is recommended to use another Sparart-Allmaras turbulence model whose values will show which of the original models best approaches the problem.	en
heal.advisorName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τζαμπίρας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τζαμπίρας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής. Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.
heal.fullTextAvailability	true