Janak Rekordowy AKM Apanonar projekt owiewki-symulacje CFD - Forum SHL

pawe86

Jako, że ostatnio spędzałem wiele czasu nad pisaniem pracy inżynierskiej, mało zajmowałem się motocyklami. Pochwalę się wam moją pracą-może kogoś to zainteresuje, przybędzie do koła naukowego na PWR i pomoże w tym lub innych projektach. Pomijając cały wstęp teoretyczny przedstawię kilka ciekawszych rozdziałów:
MODELOWANIE GEOMETRII 3D
Stworzyłem kilka geometrii owiewki. Pierwszy model został zaprojektowany na bazie obrotu krzywej wokół osi. Element przypominał kroplę wody Rys.20. Model był zbyt szeroki, więc zmniejszyłem ten defekt poprzez wyciągnięcie elipsy wzdłuż poprzedniej osi obrotu. W opcjach algebry Boole’a wybrałem część wspólną- efekt jest widoczny na Rys.21.

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.20. Model, który powstał prze obrót płaszczyzny wokół osi

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.21.Pierwszy model owiewki motocykla oraz kierowcy

Do obliczeń oraz dyskretyzacji w programie CFD należy zdefiniować objętość płynu wokół pojazdu, dlatego też stworzyłem kolejną bryłę w kształcie prostopadłościanu. Za pomocą opcji odejmowania brył zaprojektowałem model objętości powietrza. Do obliczeń wystarczająca jest połowa motocykla. Na Rys. 22. przedstawiłem już gotowy model objętości, na który następnie nałożyłem siatkę. Model z programu Inventor jest przesyłany do innych programów w formacie IGES.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.22. Model objętości płynu gotowy do dyskretyzacji

Kolejne projekty były następstwami wyników obliczeń. Błędem podczas tworzenia pierwszego modelu było jego zwężenie poprzez ścięcie elipsą. Następny powstał poprzez wyciągnięcie po profilach. Szkice profili były wykonane na 2 płaszczyznach, jednej pionowej-2 szkice i jednej ustawionej pod odpowiednim kątem. Kąt miał zapewnić najszerszą część owiewki w miejscu, gdzie jest kierownica. Efekt stworzenia takiej bryły przedstawia poniższy rysunek-Rys.23.

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.23. Model stworzony poprzez wyciągnięcie po profilach
Na Rys.23. widoczne są szkice profili, za pomocą których został stworzony model oraz tor po jakim został on wyciągnięty. Pełną geometrię przedstawiam na Rys.24. Całkowita długość prezentowanego modelu wyniosła 5m, a rozstaw osi kół motocykla zaledwie 1,410m.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.24. Model motocykla, owiewki oraz kierowcy, długość całkowita wynosi 5m.

Wszystkie modele tworzone przeze mnie są budowane w pewnym uproszczeniu, połączonym z dyskretyzacją objętości oraz czasem obliczeń. Im większa dokładność elementu, tym dokładniejsza siatka oraz dłuższy czas potrzebny na obliczenia.

OBLICZENIA MODELU TRÓJWYMIAROWEGO

W obliczeniach modelu 3D skupiłem się na siatce o odpowiedniej wielkości oczek. Elementy siatki były ostrosłupami z bokami wklęsłymi bądź wypukłymi, jeżeli wymagała tego geometria. Ograniczenia dokładności siatki wynikały głównie z wymagań programu, wielkości pamięci RAM czy też mocy obliczeniowej procesora. Siatka do obliczeń została nałożona w programie ANSYS Meshing, obliczenia wykonane w programie ANSYS Fluent 12.0, a wyniki były wyświetlane za pomocą programu ANSYS CFD Post

WYNIKI OBLICZEŃ MODELU TRÓJWYMIAROWEGO

Na Rys.37. przedstawiam wykres zbieżności wyników obliczenia dla pierwszego typu owiewki, które zostały wykonane z dużą dokładnością. Wykres ukazuje, że poziom zbieżności wyników zatrzymał się na ok. 1,2×〖10〗^(-14).

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.37. Wykres zbieżności do rozw. dokładnego

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.38. Wykres rozkładu ciśnienia na powierzchni owiewki.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.39. Wykres rozkładu ciśnienia na powierzchni owiewki.

[link widoczny dla zalogowanych]

Uploaded with [link widoczny dla zalogowanych]

Rys.40. Wykres wektorów prędkości powietrza wokół owiewki

Rys.38 oraz 39 przedstawia rozkład pól ciśnień na powierzchni zamodelowanej owiewki. W przedniej części owiewki ciśnienie jest o wiele wyższe niż w tylnej. Aerodynamiczna owiewka nie powinna posiadać takich różnic. Na Rys.40. widzimy, że tylko przednia jej część powoduje „rozbicie” strug powietrza, pozostała zaś wydaje się być niepotrzebna przy tak zamodelowanej części przedniej. Wyciągając wnioski z tych obliczeń postanowiłem zmienić geometrię mojego modelu. W następnym projekcie wykonałem następujące zmiany:
- wydłużenie przedniej części owiewki - zamierzonym skutkiem jest zmniejszenie pola wysokich ciśnień. Im mniejsze pole wysokiego ciśnienia tym mniejsza siła oporu.
-wydłużenie „ogona” motocykla- celem jest wyeliminowanie wytwarzania się podciśnienia w tej części motocykla. Im wyższe ciśnienie na „ogonie”, tym mniejsza siła oporu.
-zmiana metody uzyskiwania kształtu owiewki- wyeliminowanie znaczących zmian przekroi owiewki.
-zmniejszenie objętości powietrza do obliczeń, na większości obszaru obliczeń nie występowały znaczące zmiany ciśnienia czy też prędkości.
Kolejny model owiewki prezentuję na Rys. 41. Został on zbudowany tak, aby zmniejszyć objętość owiewki do minimum przy zachowaniu opływowego kształtu. Dlatego też w widoku z przodu owiewka formą przypomina niesymetryczne „jajko”. Powodem takiego kształtu jest kierownica, ponieważ w miejscu, gdzie się on znajduje, motocykl jest najszerszy.

[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.41. Widok motocykla z przodu oraz owiewki.
Wyniki obliczeń dla modelu drugiego przedstawiam poniżej. Na Rys.42. znajduje się wykres zbieżności rozwinięcia dokładnego.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.42. Wykres zbieżności do rozw. Dokładnego obliczen modelu drugiego.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.43. Wykres rozkładu ciśnienia na powierzchni owiewki drugiej.

Na Rys.43. widzimy wykres ciśnienia na powierzchni owiewki, gdzie różnice ciśnień zmalały o rząd. Nie wytwarza się podciśnienie w okolicach „ogona”. Najniższe generuje się w pobliżu kierowcy oraz kół. W tych miejscach nie powoduje to oporów. Na ramionach kierowcy umiejscowione są pola wysokiego ciśnienia. Wymiary motocyklisty wzorowałem na własnych, dlatego też nie ma powodu zajmowania się tym dużym ciśnieniem. Kierowca, który będzie brał udział w przejeździe, posiada znacznie mniejszą posturę, więc na pewno w jego ramiona nie uderzy żadna struga powietrza.
Znacząco również zmniejszyło się pole wysokiego ciśnienia na przedniej części owiewki. Z punktu widzenia aerodynamiki, taka owiewka jest dobrym rozwiązaniem. Pozostałym problemem modelu jest chłodzenie silnika. Jednym z rozwiązań jakie zastosowałem było zamodelowanie wlotu powietrza w przedniej części owiewki, w miejscu gdzie jest najwyższe ciśnienie. Wlot zaprojektowany przeze mnie ma kształt ściętego stożka, w mniejszej podstawie o średnicy 300mm i kącie zbieżności 10º. Ze stożkiem jest połączona rura o średnicy równej średnicy stożka. Jego pole przekroju wynosi około 70650mm2, a pole przekroju cylindra oraz głowicy junaka około 62500mm2. Takiej wielkości wlot powinien w odpowiednim stopniu ochłodzić silnik. Owiewkę wraz z wlotem powietrza zamieściłem na Rys.44.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.44. Model owiewki z wlotem powietrza chłodzącego silnik.

Warunki brzegowe do obliczeń we eluencie należy zdefiniować troszkę inaczej niż w poprzednich modelach. Należy zdefiniować dwie powierzchnie „OUTFLOW”, do tych pól należy obliczyć współczynnik masowy przepływu(„Flow Rate Weighting”). Współczynnik ten można wyliczyć korzystając ze wzoru(20):

■(procentage flow@trought bundary)=(flow rate weighting on bundary)/(sum of all flow rate weighting) (20)
Przy założeniu tego samego ciśnienia, gęstości oraz prędkości we wlocie oraz w otoczeniu, do obliczeń możemy przyjąć procentowy stosunek pól obu wylotów, stosunek ten wynosi 0,006 dla wlotu w owiewce.
W tym przypadku do obliczeń zamodelowałem całą owiewkę, a nie połowę tak jak poprzednio. Wykres zbieżności wyników przedstawiam na Rys.45. Oblkiczenia zostały wykonane z dokładnością 10-5 .

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.45. Wykres zbieżności do rozw. Dokładnego obliczeń modelu z kanałem chłodzącym silnik.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.46. Wykres strug powietrza oraz jego prędkość-widok z przodu.
Na kolejnym rysunku(Rys.46.) przedstawiam strugi powietrza opływającego motocykl. Na wykresie przedstawiam również prędkość powietrza w kanale chłodzącym silnik. Z wykresu możemy odczytać, że prędkość powietrza chłodzącego silnik jest równa w przybliżeniu prędkości poruszania się motocykla, więc silnik powinien być wystarczająco chłodzony. Na wykresie widać również gdzie pojawia się największa prędkość powietrza, jest to na krawędzi szyby osłaniającej kask kierowcy.

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.47. Wykres strug powietrza oraz jego prędkość-widok z tyłu.
Na Rys.47. przedstawiam wykres strug powietrza z tyłu motocykla. Na tym wykresie widzimy, ze strugi powietrza bez żadnych zawirowań wracają do linii prostych (linie na wykresie widoczne są jako punkty).

[link widoczny dla zalogowanych]

Rys.48. Wykres rozkładu ciśnienia na powierzchni owiewki z kanałem chłodzącym silnik.
Na Rys.48. przedstawiam wykres ciśnienia na powierzchni motocykla oraz kierowcy. Dodanie wlotu powietrza w przedniej części motocykla spowodowało zmniejszenie się powierzchni wysokiego ciśnienia. Wysokie ciśnienie pojawia się tylko wokół kanału chłodzącego, przy kołach oraz na ramionach kierowcy. Ciśnienia przy kołach raczej nie uda się wyeliminować. Problem ciśnienia na ramionach kierowcy nie jest znaczący, ponieważ kierowca został zamodelowany większy niż jest w rzeczywistości. Po za tym stwierdziłem, że dalsze powiększanie owiewki mija się z celem, ponieważ wprowadzenie jeszcze kilku zmian spowoduje uzyskanie owiewki zamkniętej.
Forces (N)
Zone Pressure Viscous Total
Wall-solid -142.9814 -552.7226 -695.70399
Net -142.981 -552.7226 -695.7039

Tabela.1. Siły działające na pojazd wzdłuż kierunku ruchu.
Znając siłę oporu powietrza można obliczyć współczynnik Cx doskonałości aerodynamicznej. Przekształcając wzór na siłę oporu powietrza otrzymujemy(21):
C_x=P_x/(F*r*v^2/2) (21)
Gdzie:
F- pole powierzchni czołowej-[65672,848mm2= 0,66m2]
r- gęstość powietrza [1,225kg/m3]
Px- siła działająca na pojazd wzdłuż kierunku ruchu.[142,981N]
v- prędkość pojazdu [50m/s]
Po podstawieniu do wzoru otrzymujemy współczynnik Cx = 0,16. Należy zauważyć ze wyliczony współczynnik nie uwzględnia wielu niedoskonałości pojazdu które zostały pominięte w celu uproszczenia modelu. Zostały pominięte między innymi: odlewy kół, bieżnik opon, grubość owiewki itp. Pomijając te fakty współczynnik aerodynamiczny jest imponujący, ponieważ w rzeczywistości będzie niewiele większy.

Pozostaje jeszcze zbudowanie owiewki w rzeczywistości, z laminatu. przepraszam że zdjecia są tylko jako linki ale inaczej nie potrafiłem tego zrobić może admini poprawią Wesoly