توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان حول بدنه خودرو فورد در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

 

جریان حول خودرو:

پیش بینی دقیق نیروهای آیرودینامیکی وارد بر بدنه خودروها یکی از نیازهای اساسی صنایع خودروسازی است. کاهش منابع انرژی و تغییرات پیوسته خودروها نقش خصوصیات آیرودینامیکی خودروها را بارزتر کرده است. هرچند که تحقیقات با استفاده از تونل باد از اهمیت شایانی برخوردار می باشد ولی CFD به نحو گسترده ای در کشورهای توسعه یافته و با استفاده از کامپیوترهای با قابلیت بالا زمان طراحی و تعداد آزمایشات تونل باد را کاهش داده است. با وجود پیشرفت های سریع CFD، هنوز هم پیش بینی دقیق جریان خارجی حول خودروها کار آسانی نیست. روشهای حجم محدود یا اختلاف محدود که به معادلات ناویر-استوکس اعمال می شود به عنوان یک روش استاندارد CFD در حل مسائل صنعتی جریان خارجی مطرح است و میزان حافظه و زمان CPU، عامل محدود کننده در تعداد سلول های بکار رفته در مدل سازی و استفاده از مدل های اغتشاشی می باشد.

آیرودینامیک:

دانش آیرودینامیک به مطالعه اجسام متحرک در هوا و بررسی نیروهای بازدارنده وارد بر آنها می پردازد. هنگامی که به واژه آیرودینامیک بر می خوریم ناخود آگاه به یاد طراحی هواپیما می افتیم اما اثرات جریان هوا در اطراف اجسام متحرک تنها مختص هواپیما نیست و در ساخت وسایل گوناگون نظیر خودروهای معمولی، خودروهای مسابقه ای، موتور سیکلت، کامیون ها، قطارها، کشتی ها نیز با آن سر و کار داریم. در بررسی حرکت اجسام غوطه ور در آب هم به شاخه دیگری از این علم بر می خوریم که به آن هیدروآیرودینامیک می گویند و صرفنظر از جنس سیال شباهت های بسیاری بین دو حوزه وجود دارد.

آیرودینامیک خودرو:

حرکت سیال بر روی بدنه خودروها به صورت سه بعدی می باشد و لایة مرزی کاملا مغشوش بوده و جدایی سیال از بدنه رایج است. در خودروها با این مسئله روبرو هستیم که هرگونه موفقیت در کاهش مقاومت در برابر پیشروی وسیله به کاهش توان لازم برای راندن آن و سرانجام کاهش سوخت مصرفی می انجامد.

بطور مثال برای یک نوع خودرو کاهشX% از ضریب درگ با انتخاب بهینه دنده باعث افزایش سرعت به میزان %0.3X و کاهش مصرف سوخت به میزان %1/3X تا %1/2X برای محدوده سرعت 70mph تا 105mph می گردد و این در شرایطی که کمابیش با بحران سوخت روبرو هستیم، نتیجه بسیار ارزشمندی می باشد. به عنوان مثال اشکال زیر روند کاهش درگ را طی سالیان گذشته و حوزه هایی را که امکان توسعه دارند را نشان می دهند.

شکل نمونه ای از تغییرات شکل بدنه همراه با ضریب درگ خودروها.

شکل حوضه هایی که یک آیرودینامیکدان می تواند در طراحی مؤثرتر واقع شود بوسیله خطوط خط چین نشان داده شده است.

ولی از سوی دیگر، شکل آیرودینامیک ایده آل همواره با کیفیت خوب از نظر جای سرنشینان و آسودگی آنها متناسب نیست. بطور مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد.

1-شیشه عقب خودرو:

اگر φ (زاویه حاده شیشه عقب با سطح افق) از حد متعارف کمتر شود دید راننده کاهش می یابد. ولی در کل هر چه بتوان φ را کوچکتر گرفت از لحاظ آیرودینامیکی بهتر است. در خودروهای جدید φ حدود ۲۰ تا ۲۲ درجه است که این مسئله دید راننده را کاهش می دهد. از این رو سازندگان برای رفع این مشکل در هر دو طرف خودرو آیینه بغل نصب کرده اند.

شکل دو نوع پروفیل عقب خودرو.

2-کاپوت و سپر جلو:

جلوی ماشین هرچه قدر رو به پایین باشد از نظر آیرودینامیکی بهتر است ولی از یک حدی که پایین تر بیاید سیستم خنکاری ماشین (رادیاتور) دچار مشکل می شود. در مواردی از این دست و موارد مشابه دیگر اغلب حالت بینابینی برگزیده می شود. از دید آیرودینامیکی تنها خودروهایی که برای راندن در خط نسبت مستقیم و روی پیست کاملا هموار طراحی می شوند، می توانند به وضع ایده آل ساخته شوند. طراحی آیرودینامیک خودرو برای کاهش مصرف سوخت، افزایش بازده سوخت مصرفی و کاهش ضریب پسا انجام می گیرد. روش اندازه گیری ضرایب برای خودرو همانند هواپیما با قرار دادن آن در تونل باد است ولی در اینجا یک اختلاف بنیادی که همان وجود زمین است، شرایط را متفاوت کرده است.

نتایج بدست آمده از آزمایش خودرو در تونل باد طرح آیرودینامیک بدنه خودرو را بهینه و دیکته می کند. برای سرعت های در دسترس بهترین شکل بدنه خودرو شکلی مانند قطره آب است. یعنی جسم دوکی شکل که نسبت طول به قطر آن در حدود ۳ باشد و تنها درگ ویسکوز از اهمیت برخوردار می باشد. از این رو همه هنر دانشمندان آیرودینامیک تطبیق شکل نظری با نیازهای سرنشینان خودرو است. از جمله بهینه سازی ها و ویژگی های آیرودینامیکی که امروزه در طراحی بدنه خودروها منظور می شود می توان به مواردی مانند سوارکردن شیشه به گونه ای که همسطح و لب به لب بدنه باشد، پرهیز از برآمدگی های تیز و زائده های تزئینی، حذف آیینه های کنار و بهره گیری از سیستم هایی مانند تلویزیون های مدار بسته به جای آیینه و … اشاره کرد.

شکل مکان ایده آلی شکل خودرو کجاست؟

 

تونل باد:

مهمترین وسیله برای طراحی بدنه خودرو داشتن یک تونل باد مناسب می باشد هر چند که در بعضی موارد از تونل آب نیز استفاده می شود. بطورتاریخی آزمایش تونل باد با بکارگیری مدل های مقیاس کوچک آغاز شد. در حالی که در اروپا مقیاس هایی نظیر 4/1 یا 5/1 مورد استفاده قرار می گرفت در آمریکا مقیاسهای بالاتر نظیر 8/3 را بکار گرفتند. از مزایای استفاده از مدل مقیاس شده میتوان به هزینه های پایین تر، راحتی کار با مدل و سرعت بیشتر در اعمال تصحیحات و نیاز به تونل باد کوچکتر با هزینه های نگهداری و یا اجاره متعادل تر اشاره کرد. اما دو دلیل عمده نیز در مخالفت با مدل های مقیاس شده مطرح شد. اول آنکه نتایج در بعضی موارد با نتایج آزمایش مدل واقعی اختلاف داشت و دقت مورد نیاز را تأمین نمی کرد. قسمتی از این اختلاف می توانست به خاطر نقص در شباهت هندسی مدل ها و قسمت دیگر بخاطر تأثیرات عدد رینولدز و افزایش میزان اغتشاش باشد. این در حالی بود که مورد اول یک اشکال پایه ای نبوده و به مهارت و حوصله سازندگان مدل بستگی داشت. با اینحال هنوز هم آزمایش با مدل های مقیاس کوچک مورد توجه بوده و توسط تعدادی از سازندگان خودرو با موفقیت بکارگرفته می شود و اما دومین دلیل این است که طراحان بدنه خارجی بخاطر اعمال مسائل زیبایی شناختی فعالیت خود را بروی مدل با مقیاس واقعی متمرکز می کنند و با توجه به اینکه مدل با مقیاس واقعی قبل از تولید آماده می باشد میتوان آن را به عنوان مدل تونل باد نیز استفاده کرد.

شکل شمایی از یک تونل باد.

انواع تونل باد:

تونل های باد را همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است به دو دسته مدار باز و مدار بسته می توان تقسیم کرد.

الف-تونل باد مدار باز : تونل های باد مدار باز در جای بزرگی واقع می شوند. ساخت آنها راحت تر است و مخارج کمتری دارند. در مواردی که آزمایش های دقیق نیاز باشد این تونل ها مناسب نیستند و بیشتر برای آزمایش بر روی ساختمان ها استفاده می شوند در این تونل ها از فن های مکشی استفاده می شود.

ب- تونل باد مدار بسته : تونل های باد مدار بسته از نقطه نظر کنترل و کیفیت هوا خیلی خوب هستند و می توان گردابه های پشت مدل ها را به خوبی بدست آورد.

 

شکل مقایسه انواع تونل باد.

محدودیتهای آزمایش در تونل باد دو محدودیت عمده ای که در آزمایش خودرو در تونل باد با آن مواجه هستیم عبارتند از:

۱) به هم خوردن موثر جریان که در آزمایش خودرو در ناحیه آزمایش بوجود می آید.

۲) حرکت نسبی بین وسیله نقلیه و جاده و چرخش چرخ ها که به سبب سختی بازسازی، اغلب صرفنظر میگردد. .

مسئله مطرح دیگر ضریب انسداد است که از هوا و فضا به آزمایشات خودرو در تونل باد نیز تعمیم یافته است. ضریب انسداد بصورت نسبت سطح مقطع خودرو به سطح مقطع ناحیه آزمایش تعریف می گردد. این ضریب را برای خودرو در مقایسه با آزمایشهای هوا و فضا بسیار بالاتر در نظر می گیرند و به طوریکه ضرایب انسداد ۲۰٪ نیز بکار رفته است. این در حالی است که در آزمایشهای حرارتی (نظیر خنک کاری موتور) از این مقدار نیز بالاتر می روند.

دینامیک سیالات محاسباتی:

دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت از تحلیل سیستم های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر واکنش های شیمیایی براساس شبیه سازی کامپیوتری است  و می تواند طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر گیرد، برخی مثال های آن عبارتست از:

۱) مهندسی هوا و فضا و خودرو: آیرودینامیک هواپیما و وسائط نقلیه.

۲) هیدرو آیرودینامیک کشتی ها.

۳) نیروگاه: احتراق در موتورهای IC و توربین های گاز.

۴) توربوماشین: جریان های داخل گذرگاه های دوار، پخش کننده ها و غیره.

۵) مهندسی برق و الکترونیک: خنک کاری دستگاه هایی که دارای مدار های ریز می باشند.

۶) مهندسی فرآیند شیمیایی: اختلاط، جداسازی، شکل گیری پلیمر.

۷) محیط خارجی و داخلی ساختمان ها: بارگذاری ناشی از جریان باد، گرمایش و تهویه.

۸) مهندسی دریا: بارهای روی ساختمان های ساحلی.

۹) مهندسی محیط زیست: توزیع آلودگی و جریان های گذرا.

۱۰) آبشناسی و اقیانوس: جریان های درون رودخانه ها، خلیج ها و اقیانوس ها.

۱۱) هواشناسی: پیش بینی هوا.

۱۲) مهندسی پزشکی: جریان خون عبوری از سرخرگ ها و سیاهرگ ها.

دینامیک سیالات محاسباتی در صنعت خودروسازی:

دینامیک سیالات محاسباتی CFD راه طولانی را برای نفوذ در طراحی صنایع خودروسازی پشت سر گذاشته است. بلکه این مرهون پیشرفت پیوسته در سخت افزار، نرم افزار و روش های عددی برای حل معادلات حاکم بر جریان سیال است. صنایع خودروسازی از این جهت به CFD علاقمند گردیده اند که توان طراحی آنان را بالا برده و هزینه های تولید را کاهش داده است. قدرت CFD در طراحی خودرو هر روز افزایش یافته و می توان انتظار شرایط بهتری را در آینده داشت. کاربردهای CFD در این صنعت متنوع بوده و می تواند محدوده وسیعی از آیرودینامیک خارجی گرفته تا خنک کاری ترمزهای دیسکی را در بر گیرد. فیزیک جریان نیز محدوده گسترده ای از رژیم های جریان، نظیر تراکم پذیر، تراکم ناپذیر، آرام، مغشوش ناپایدار، پایدار و … را در بر می گیرد.

اگرچه بیشتر جریان هایی که با آن روبرو هستیم طبیعت غیر دائمی دارند با این حال می توان آنها را با تقریب خوبی به صورت دائمی در نظر گرفت، چالش امروز CFD توانایی شبیه سازی دقیق پدیده های پیچیده ترمو سیالاتی، و گرفتن نتایج سریع می باشد. استفاده صحیح از CFD می تواند کمک شایانی به کاهش ساخت نمونه اولیه و بتبع آن کاهش هزینه های تولید نماید.

برخی از کاربردهای علم CFD در صنایع خودروسازی:

کاربردهای علم CFD در صنایع خودروسازی گسترده و متنوع می باشد و می تواند مسائل مختلفی را در بر گیرد. در اینجا برخی از کاربردهای علم CFD در طراحی خودرو ارایه گردیده است:

1- آیرودینامیک خارجی خودرو:

با استفاده از CFD می توان ضرایب آیرودینامیکی را محاسبه نمود و هزینه های مربوط به تونل باد و آزمایش های مربوط را کاهش داده و یا به حداقل رساند با این حال باید از میزان دقت جوابهای محاسباتی اطمینان حاصل کرد.

۲-خنک کاری موتور توسط جریان هوا:

حل جریان هوا حول موتور و زیر کاپوت و افزایش درجه حرارت موتور هر روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد. این امر از آنجا سرچشمه می گیرد که در طراحی موتورهای امروزی افزایش توان خروجی و کاهش اندازه قسمت های مختلف آن از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. در هر حال در حل اینگونه مسائل هم از نظر فیزیک مساله و هم از نظر ایجاد شبکه حل با مشکلات و دشواری های زیادی روبرو هستیم با وجود این می توان با فرض های ساده کننده ای به حل آنها پرداخت. به عنوان مثال می توان فقط جریان هوای بعد از پروانه را بررسی کرد.

٣-خنک کاری موتور توسط جریان آب:

کاهش درجه حرارت سرسیلندر و بدنه موتور عاملی اساسی در راستای بهینه سازی خودرو می باشد. عموما خنک کاری موتور از طریق عبور آب در درون بدنه موتور و عبور هوا بر روی موتور صورت می گیرد. این نوع جریان ها از پیچیدگی هندسی قابل توجهی برخوردار هستند و از طرفی به دلیل وجود انتقال حرارت بین سیال و بدنه موتور از لحاظ فیزیکی نیز پیچیده می باشند. شبیه سازی این جریان ها وقت گیر بوده ولی با توجه به مشکلات روش های تجربی استفاده از CFD هنوز هم مقرون به صرفه است.

۴-جریان در اطراف سوپاپ های هوا و دود:

این نوع جریان ها غیر دائمی بوده و بررسی کامل آنها احتیاج به حافظه کامپیوتر بالایی دارد. با کمک CFD می توان شکل هندسی سوپاپ ها و بهترین زمان برای باز و بسته شدن آنها را با یک تقریب خوب بدست آورد.

۵-جریان درون منیفولد:

جریان در ورودی و خروجی موتور نقش بسیار مهمی در تعیین عملکرد و راندمان و میزان آلودگی هوا بر عهده دارد. آنالیز جریان در ورودی و خروجی منیفولد عموما بصورت یک بعدی انجام می گیرد. این آنالیز جهت تعیین تغییرات فشار بر حسب تغییرات زاویه چرخش میل لنگ در مجاری مانی فولد انجام می شود.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان حول بدنه خودرو فورد در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک رسم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس ANSYS ICEM CFD تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

حلگر:

از حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط گذرا (Transient) استفاده شده است.

مدل لزجت:

از مدل آشفتگی یک معادله اسپالارت-آلماراس( Spalart-Allmaras ) استفاده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

به منظور وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است. به منظور گسسته سازی معادله فشار روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی مومنتوم روش بالادست مرتبه اول استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: