توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان هوای عبوری از اسپویلر(spoiler) خودرو در نرم افزار انسیس سی اف ایکس ANSYS CFX
در طول تاریخ پس از اختراع خودرو، بشر با پیشرفت علم به رابطه میان مقاومت هوا و حرکت خودرو پی برد. به مرور زمان با بهبود عملکرد خودروها از جهات مختلف، بهبود آیرودینامیکی خودرو نیز به مساله ای اساسی تبدیل شد. پژوهشگران دریافتند که توجه به آیرودینامیک خودرو نه تنها برای دستیابی به سرعت های بالاتر، بلکه به منظور کاهش ضریب پسا و در نتیجه کاهش مصرف سوخت و ایجاد پایداری مناسب در خودرو امری کاملا ضروری است. باید گفت از آن جایی که در نظر گرفتن علم آیرودینامیک روی خودروها عامل مؤثری در مصرف سوخت و بهبود در طراحی اجزا درون بدنه و بیرون آن می باشد، بررسی و تحلیل آیرودینامیک خودرو از اهمیت بسزایی برخوردار است. امروزه به دلیل قیمت بالای سوخت، بازده پایین خودروها و آلایندگی ناشی از سوخت های فسیلی بحث کاهش مصرف سوخت از لحاظ اقتصادی و زیست محیطی، اهمیت فراوانی دارد. بنابراین بررسی عوامل مؤثر بر مصرف سوخت خودروها امری ضروری به نظر می رسد. به عنوان مثال بررسی های انجام گرفته در مورد عوامل مصرف انرژی در خودرویی در حال حرکت در بزرگراه نشان می دهد که ۱۵ درصد از کل انرژی صرف ایجاد نیروی رو به پایین به منظور نگه داشتن خودرو بر سطح جاده میشود. اصطکاک چرخ ها نیز ۲۵ درصد از مصرف انرژی را به خود اختصاص می دهد. اما نیروی مقاومت هوا به تنهایی موجب صرف ۶۰ درصد از انرژی کل خودرو می شود. بنابراین بحث آیرودینامیک خودرو و کاهش نیروی مقاومت هوا می تواند بسیار مؤثر باشد. ضمن این که نیروی مقاومت هوا موجب کاهش سرعت حداکثر و شتاب خودرو می شود. اصلاح آیرودینامیکی خودرو مستلزم صرف هزینه های اولیه می باشد که با گذشت زمان و صرفه جویی در مصرف سوخت این هزینه ها جبران می شود. برای مثال بنابر آمار سازمان حمل و نقل آمریکا در سال ۱۹۹۸، تعداد ۱۹۹۷۴۳۶ از انواع وسایل نقلیه ی سنگین موجود در این کشور مقدار ۷۹,۵ میلیارد لیتر سوخت مصرف کردند. بنابراین کاهش تنها ۵٪ از مصرف سوخت از طریق اصلاح آیرودینامیکی این وسایل نقلیه، منجر به صرفه جویی میلیارد لیتر سوخت و البته میلیاردها دلار در یک سال می گردد. این مسئله در کشور ما نیز اهمیت ویژه ای دارد. زیرا با توجه به ناکارآمدی وسایل نقلیه، ایران در جایگاه نامناسبی از لحاظ مصرف سوخت در دنیا قرار دارد.
نیروها و گشتاورهای آیرودینامیکی وارد بر خودرو:
عوامل بسیاری در طراحی یک خودرو موثر است که طراح علاوه بر رعایت زیبایی و مباحث تجاری باید به آنها توجه خاص نشان دهد تا یک خودرو از نظر آیرودینامیکی نیز در حالت مطلوب و بهینه ای باشد.
نیروی پسا (drag):
مهم ترین عامل آیرودینامیکی که در طراحی اتومبیل های معمولی باید مورد توجه قرار گیرد، نیروی پسا است. قسمتی از نیروی مقاوم کل در برابر حرکت یک اتومبیل، ناشی از مقاومت چرخشی تایرها و بقیه آن به علت نیروی پسای آیرودینامیکی است. معمولاً برای مقایسه نیروی پسای تولیدی توسط شکل های بدنه مختلف بدون توجه به ابعاد و سرعت حرکت آنها در هوا از ضریب بی بعدی به نام ضریب نیروی پسا (CD) استفاده می کنند که عمدتا به شکل بدنه بستگی دارد.
علاوه بر این ضریب، نیروی پسا به مساحت جلویی اتومبیل، چگالی هوا و مجذور سرعت اتومبیل نسبت به هوا نیز بستگی دارد. مساحت جلویی، برابر مساحت تصویر اتومبیل بر صفحه ای قائم بر محور طولی اتومبیل و در جلوی آن می باشد. در اتومبیل های امروزی مساحت جلویی در حدود ۸۰٪ حاصل ضرب ارتفاع و عرض اتومبیل می باشد. از رابطه زیر نتیجه میشود که مقدار نیروی پسا، علاوه بر ضریب نیروی پسا، به مساحت جلویی اتومبیل نیز بستگی دارد. بنابراین، کم بودن ضریب نیروی پسای یک اتومبیل، ضامن کم بودن نیروی پسای آن نیست.
FD=1/2ρV2ACD
FD=نیروی پسا
ρ= چگالی سیال بر واحدKg/m3
V= سرعت حرکت جسم در سیال بر واحدm/s.
A=سطح مقطع جسم بر واحد m2 .
CD=ضریب نیروی پسا.
نیروی برآ (Lift):
پژوهش ها بر روی آیرودینامیک اتومبیل ها در ابتدا تنها روی مسأله کاهش نیروی پسا متمرکز بود، اما به زودی مشخص شد که نیروی برآ نیز در عملکرد اتومبیل ها مؤثر است. نیروی برآ، به وسیله اثرات القایی، روی میزان نیروی پسا اثر می گذارد. از آن مهم تر، با کاهش نیروی برآ و یا حتی تولید نیروی برآ منفی( نیروی رو به پایین)، می توان بهبودهای قابل توجهی در پایداری اتومبیل ایجاد کرد. ضریب نیروی برآ آیرودینامیکی، مقیاسی از اختلاف فشار ایجادشده در سطوح بالایی و پایینی بدنه خودروی در حال حرکت است. در اینحال، بسته به شکل بدنة خودرو، هم برآ رو به بالا ( برای مثبت ) و هم برآ رو به پایین( برآ منفی) می تواند ایجاد شود. به دلیل کاهش تماس تایرها به زمین برآ روبه بالا یک پارامتر غیرمطلوب محسوب میشود. در حالیکه برای روبه پایین، باعث افزایش تماس تایرها به سطح جاده می شود. نیروی برآ از رابطه زیر بدست می آید و CL ضریب نیروی برآ نامیده می شود.
FL = ρV2ACL
L=نیروی برآ.
ρ= چگالی سیال بر واحدKg/m3 .
V= سرعت حرکت جسم در سیال بر واحدm/s.
A=سطح مقطع جسم بر واحد m2 .
CL=ضریب نیروی برآ.
راه های کاهش پسای خودرو:
راه های بیشماری برای کاهش ضریب پسای خودرو وجود دارد. شکل خودرو بیشترین اثر مستقیم را بر مقدار نهایی ضریب پسا دارد. باید گفت دقت در جزئیات طراحی از قبیل طراحی آینه های بغل خودرو، قسمت زیر خودرو و یا استفاده از برخی لوازم، ممکن است طراحان را در رسیدن به ضریب پسای کمتر یاری کند. به هرحال طراحی آیرودینامیک باید با در نظر گرفتن طرح کلی خودرو صورت پذیرد و جزئیات افزوده شده در جهت کاهش پسا باید به عنوان مکمل مجموعه اصلی بدنه در نظر گرفته شوند.
به صورت مختصر راه های کاهشی پسای خودرو عبارتند از:
– شکل یکنواخت و صاف خودرو به همراه گوشه های گرد
– زاویه بزرگ بین شیشه جلو و کاپوت
– کاهش یکنواخت قسمت عقب خودرو
– آیینه های بغل بهینه و در صورت امکان، حذف آنها.
– یکنواخت و هموار بودن قسمت زیر خودرو.
– داخل سازی دیفیوزر
– صاف و هموار ساختن کناره ها و پوشش چرخ ها
– گرد ساختن لبه جلویی خودرو
– کاهش فاصله بین چرخ ها و گلگیر.
– استفاده از اسپویلرهای چرخ
– طراحی بهینه سیستم خنک کننده
– هوای ورودی کنترل شده
– توجه به روی جزئیات ریز طراحی
– بهینه سازی طراحی کانالهای آب روی ستون های جلویی خودرو.
با رعایت موارد فوق در طراحی خودرو شاهد خودرویی با ضریب درگ بین 0.2 تا 0.25 خواهیم بود.
اسپویلر(Spoiler):
اسپویلر در حقیقت باله ای است که به قسمت عقب خودرو نصب می شود. این قطعه می تواند در وضعیت آیرودینامیکی خودرو اثرات خوبی داشته باشد. اکثر اسپویلرها از پلی یورتان ها ساخته شده ولی از استیل های سبک و همچنین از فایبرگلس گاها ساخته می شود.
اسپویلرها دو نقش اساسی روی نیروهای آیرودینامیکی خودرو می توانند داشته باشند: 1- افزایش نیروی برآ منفی، ۲- کاهش نیروی پسا.
اسپویلر با ایجاد آشفتگی مجدد بر روی جریان و تقویت فشار در قسمت انتهایی خودرو می تواند بر روی نیروهای آیرودینامیکی خودرو موثر باشد.
وظیفه اصلی اسپویلرها کنترل هوای اطراف اتومبیل، خصوصا عقب آن است. اسپویلر می تواند نیروی تولید شده در حرکت که باعث می شود اتومبیل از مسیر خود خارج شود، خنثی کند. در حقیقت اسپویلر از ایجاد هوای ناموزون در اطراف و یا عقب اتومبیل جلوگیری کرده و سبب می شود تا اتومبیل در سرعت های بالا هم در وضعیتی پایدار قرار بگیرد. این قطعه با نصب بر روی خودرو میتواند تأثیر خوبی بر روی وضعیت آیرودینامیکی خودرو داشته باشد که این تاثیرات به صورت عمده افزایش نیروی رو به پایین جهت تقویت تعادل و ثبات خودرو و همچنین کاهش نیروی پسا جهت کاهش مصرف سوخت است.
اسپویلرها با جدا کردن جریان از سطح انتهایی خودرو، باعث از بین رفتن حالت مکش روی قسمت انتهایی خودرو ( ناشی از اثر کواندا ) می شوند. اسپویلرها عملکردی برعکس ایرفویل دارند به صورتی که وقتی جریان هوا به آن برخورد می کند به دو قسمت تقسیم شده و هوای قسمت زیرین به دلیل انحنا باید مسافت بیشتری را طی کند و به دلیل اصل پیوستگی نباید مولکول های هوای یک طرف کمتر از طرف دیگر باشد. در نتیجه سرعت قسمت بالا افزایش می یابد و فشار آن کاهش می یابد، در نتیجه بیشتر شدن فشار رو به پایین سطح باعث افزایش نیروی رو به پایین می شود. لذا این ابزار نه تنها باعث کاهش نیروی پسا بلکه باعث کاهش نیروی برآ نیز می گردد که هر دو برای یک خودرو مطلوب است. درواقع اسپویلرها بیشتر نیروی برا را کاهش می دهند تا نیروی پسا را بنابراین برای کاهش نیروی پسا خودرو می بایست علاوه بر پسای ویسکوز و پسای فشاری، به پسای القایی نیز توجه داشت زیرا گاهی تلاش برای کاهش یکی، موجب افزایش دیگری می شود. مثلا اگر برای کوچک کردن ناحیه گردابه پشت خودرو، جدایش از انتهای خودرو را به تاخیر بیاندازیم، ممکن است پسای القایی افزایش یابد. البته اگر کاهش پسای فشاری نسبت به افزایش پسای القایی بزرگ تر باشد و پسای کل به میزان معقولی کاهش یابد، این کار پذیرفتنی است. از این بحث می توان نتیجه گرفت که استراتژی کنترل جریان برای یک خودرو کاملا متفاوت از یک ایرفویل است. در یک خودرو جدایش زودرس می تواند ضرایب پسا و برا را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد در حالی که در یک ایرفویل به تاخیر انداختن جدایش جریان موجب افزایش برآ می شود. البته این کار پسای القایی وارد بر ایرفویل را افزایش می دهد اما از آن جا که برای یک ایرفویل، افزایش برآ در اولویت قرار دارد، افزایش اجتناب ناپذیر پسا پذیرفتنی است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان هوای عبوری از اسپویلر خودرو در نرم افزار انسیس سی اف ایکس ANSYS CFX انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک رسم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(ANSYS CFX) انجام شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
