Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς απλοποιημένου μοντέλου αυτοκινήτου με χρήση γεννητριών στροβιλισμού

Abstract

Η Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης ασχολείται με μεθόδους και λογισμικό πρόλεξης της ροής και βελτιστοποίησης της συμπεριφοράς αεροδυναμικών μορφών. Σε αυτό το πλαίσιο, σε προηγούμενες διπλωματικές εργασίες μελετήθηκε η συμπεριφορά απλοποιημένου μοντέλου αυτοκινήτου (Ahmed body) με την προσθήκη διαχύτη και αεροτομής. Παρότι πρόκειται για μία σχετικά απλή γεωμετρία τα φαινόμενα αποκόλλησης της ροής είναι ισχυρά, γεγονός που καθιστά τη συγκεκριμένη γεωμετρία ένα καλό πεδίο δοκιμής πρόλεξης της ροής. Η παρούσα διπλωματική αποτελεί επέκταση των δύο προηγούμενων διπλωματικών εργασιών, προσθέτοντας στη βασική γεωμετρία του μοντέλου γεννήτριες στροβιλισμού (vortex generators) και μελετώντας την επίπτωση τους στην αεροδυναμική συμπεριφορά του. Συγκεκριμένα, μελετάται η επίδραση των γεννητριών στροβιλισμού στους συντελεστές άνωσης και οπισθέλκουσας του μοντέλου. Για την ανάλυση της ροής και τη δημιουργία του πλέγματος χρησιμοποιείται το πακέτο ανοικτού κώδικα OpenFOAM. Οι προς μελέτη γεωμετρίες δημιουργούνται με τη βοήθεια του σχεδιαστικού προγράμματος SolidWorks. Στη συνέχεια, δημιουργείται πλέγμα με τα εργαλεία του OpenFOAm και επιλύονται οι εξισώσεις για ασυμπίεστες συνεκτικές ροές. Μελετώνται τρείς διαφορετικές γεωμετρίες γεννητριών στροβιλισμού για δεδομένο αριθμό και στη συνέχεια επιλέγεται μία εξ αυτών και διερευνάται η επίδραση της αύξησης του αριθμού τους. Τέλος, εξετάζονται δύο παραλλαγές του Ahmed body με γωνίες slant του πίσω κεκλιμένου επιπέδου 25o και 35o, αντίστοιχα. Με την προσθήκη γεννητριών στροβιλισμού επιτυγχάνεται βελτίωση των συντελεστών αντίστασης και άνωσης, συγκριτικά με αυτών της βασικής γεωμετρίας, και από τα υπολογιστικά πειράματα που εκτελέστηκαν παρατηρήθηκε βέλτιστη λύση για το Ahmed 25o, με την αύξηση του αριθμού των γεννητριών στροβιλισμού, ενώ για το Ahmed 35o με παραμετροποίηση της γεωμετρίας της γεννήτριας. Πρέπει να σημειωθεί ότι η διαδικασία βελτίωσης της αεροδυναμικής συμπεριφοράς επιτυγχάνεται με δοκιμές και συνεχείς εκτελέσεις του αντίστοιχου λογισμικού, αφού ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η βελτίωση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς και όχι η βελτιστοποίησή της. Μια τέτοια βελτιστοποίηση θα οδηγούσε σε καλύτερο αποτέλεσμα, αλλά επίσης θα αύξανε σημαντικά και το υπολογιστικό κόστος.

The Parallel CFD & Optimization Unit of the School of Mech. Eng. NTUA is developing methods and software for the numerical prediction of flow fields and the solution of aerodynamic shape optimization problems. In two recent diploma theses, the behavior of a simplified model car (Ahmed body) has been studied using adjoint which guided the optimal use of diffusers and spoilers. Although Ahmed body has a simple geometrical shape, flow separation dominates and this makes it an appealing test problem for those developing tools for the automotive industry. This diploma thesis is a sequel to the aforementioned diploma theses and aims at optimally adding vortex generators to the base line geometry and studying their effect on the aerodynamic performance. In specific, this thesis focuses on the effect of vortex generators on the drag and lift coefficients of the body under consideration. In order to create the computational mesh and numerically solve the flow equations, an open source code called OpenFOAM is used. The geometrical shapes to be studied are created through SolidWorks. Moreover, the mesh is generated using the corresponding tools of OpenFOAM. The Navier-Stokes equations for incompressible turbulent flow are solved. Three different geometrical shapes of vortex generators are used, in a fixed number configuration and, then, one of them is chosen in order to further study the effect of modifying their number. Two different shapes of Ahmed body are studied, one with slant 25o and the other with 35o. By adding vortex generators the optimization of the drag and lift coefficients is achieved, in comparison to the results which obtained from the base line geometry. In conclusion, the optimal solution for Ahmed 25 corresponds to an increased number of vortex generators, whereas, on the other hand, in Ahmed 35, the improvement resulted from changing the vortex generator geometry.