Makalenin devamını okumak için lütfen tıklayınız..

OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE HESAPLAMALI
AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ UYGULAMALARI
Ahmet AÇIKGÖZ, Mustafa Ö. GELİŞLİ, Emre ÖZTÜRK
ANOVA Mühendislik Limited Şirketi
www.anova.com.tr
1 - GİRİŞ
Bir çok endüstri dalında bir ürünün performansının daha ürün tasarım
sürecindeyken bilinmesi oldukça önemlidir. Böylece ürünün artan
performans isteklerini karşılayıp karşılamadığı daha tasarı aşamasında
görülebilir, probleme sebep olan etkenler bu aşamada ortadan
kaldırılabilir ve optimize edilmiş ürün piyasaya sürülerek ürünün rekabet
gücünü ve müşteri memnuniyetini artırma imkanına sahip olunabilir.
Otomotiv endüstrisi de diğer endüstri dalları gibi bir çok konuda geçmişe
nazaran çok daha talepkar performans istekleri ve tasarım hedefleriyle
karşı karşıya kalmaktadır. Bu alanlardan bazıları
• Sanal tasarım yöntemleriyle tasarım süresinin kısaltılması,
• Klasik içten yanmalı motorlarda silindir içindeki akışın ve
yanmanın anlaşılarak yakıt tüketiminin düşürülmesi,
• Kaput altı sıcaklık dağılımının detaylı bir şekilde incelenerek arzu
edilen şekle getirilmesi,
• İyi bir aerodinamik karakteristiğe sahip yeni ve alımlı tasarımlar
yapılması,
• Daha düşük sürükleme katsayılarına erişirken düşük bileşen
sıcaklıklarının, kabin görüş açıklığının ve buna benzer kritik diğer
özelliklerin korunması,
• Akış
kaynaklı
gürültünün
azaltılması,
iç
iklimlendirme
sistemlerinin optimizasyonu ve solar etkilerin kontrolü vasıtasıyla
sürüş konforunun artırılması,
• Çevre dostu ve kompakt araçlar tasarlamak,
• Klasik içten yanmalı motorlara yakıt pili gibi alternatifler
geliştirmek,
olarak belirtilebilir. Firmalar ve mühendisler bu amaçla değişik araçların
yardımına başvurmuş ve bu araçları hem tasarım sürecini kısaltmak hem
de problemin fiziğini daha iyi anlamak amacıyla kullanmışlardır. Akış ve
ısı transferi problemlerinin sanal ortamda çözülmesine olanak sağlayan
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri bu araçların başında
gelmektedir.
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve diğer CAD/CAM tasarım
teknikleri 1980’li yıllarda doğdu ve hızlı bir şekilde otomotiv firmaları
tarafında kullanılmaya başlandı. Bahsedilen zaman dilimindeki yavaş
bilgisayarlar, gerçeği tam olarak yansıtamayan geometriler ve fiziksel
altyapısı yetersiz kodlar, otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin
kullanım alanını nispeten kısıtlı tutarken günümüzde bu durumun
tamamen değiştiği rahatlıkla söylenebilir. Günümüzde dünya çağındaki
bir çok otomotiv firmasında ve bu firmaların yan sanayinde HAD
yöntemleri tasarım sürecinin bütünleşik bir parçası olan bir tasarım aracı
olarak kullanılmaktadır. Uzun yıllar boyunca yapılan testler ve edinilen
tecrübeler firmaları HAD yöntemlerini daha aktif bir şekilde kullanılarak
tasarım sürecini kısaltılma, simülasyonlar vasıtasıyla herhangi bir ürünü
tasarım aşamasındayken optimize etme ve oldukça pahalı ve zaman alıcı
olan deneylerin ve prototip üretme işlemlerinin minimize etme yoluna
yönlendirmiş ve bunun sonucu olarak bir çok alanda akış modellenmesi
ve ısı transferi konusunda yapılan çalışmaların sayısında büyük bir artış
gözlenmiştir. Ayrıca bilgisayar konusundaki gelişmeler ve yüksek
performanslı donanıma düşük maliyetlerle sahip olma imkanı milyonlarca
elemana sahip modellerle yapılan analizleri günlük bir iş haline
getirmiştir.
Makalede amacımız bu konuda yapılan çalışmalara bazı örnekler
göstermek ve otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin ne şekilde ve
hangi problemler için kullanılabileceği konusunda
bir miktar bilgi
vermektir.
2 - OTOMOTİV SEKTÖRÜNDEKİ HAD ÇALIŞMALARI
Yukarıda da belirtildiği gibi HAD yöntemleri ile silindir içi akış
problemlerinden araç dış aerodinamiği veya kaput altı ısı transferine
kadar çok çeşitli problemlere çözüm bulmak olasıdır. Aşağıda değişik
problemlerin hepsi için FLUENT isimli Hesaplamalı Akışkanlar
Dinamiği (HAD) yazılımı kullanılmıştır.
Dış Aerodinamik ve Aeroakustik:
Dış aerodinamik araç üreticileri için her zaman önemini korumuştur.
Sürükleme katsayısının düşürülmesi yakıt tüketimine
ve aracın
performansına doğrudan etki ederken akış kaynaklı gürültü seviyesinin
azaltılması da özellikle yüksek süratlerde sürüş konforunu artırmaktadır.
Bu nedenle bu konularda yapılmış bir çok çalışma bulunabilir. Şekil 1. de
Opel firması tarafından Astra modeli için yapılan bir akış analizinden
alınmış bir resmi görebilirsiniz.
Şekil 1. Opel Astra etrafındaki yapılmış akış analizi. Araç üzerindeki statik basınç
dağılımı ve akım çizgileri görülebilir.
Bu tip bir analizle araç etrafındaki ve/veya/altındaki basınç dağılımı, hız
dağılımı detaylı olarak hesaplanıp sürükleme katsayısı gibi önemli
değerler
yüksek
bir
hassasiyetle
saptanabilir.
Böylece
gerekli
optimizasyonlar sanal ortamda rahatlıkla yapılabilir. Bu tip analizlerde
izlenen yöntemi ise Şekil 2 de görebilirsiniz. Burada Opel firmasının bu
tip bir analiz için ne tip işlemler yaptığı ve ne kadar süre harcadığı
görülebilir.
Şekil 2. Opel Astra analizi için yapılan işlemler ve süreleri.
Şekil 3’te ise DaimlerChrysler firması tarafında yapılmış bir akustik
analizi ve bu analizin deney ile karşılaştırılmasını görebilirsiniz. Bu
analiz ile şoför tarafından duyulan ses miktarı tahmin edilebilmiş ve
konfor seviyesini artırıcı önlemler almak mümkün olabilmiştir. Şekil 4’te
ise ülkemizde faaliyet gösteren ASKAM firmasına ait HI-EX model
kamyon için ANOVA Mühendislik tarafından yapılmış bir çalışmayı
görebilirsiniz.
Şekil 3. Yan ayna etrafındaki zamana bağlı basınç dağılımı ve şoför tarafından
duyulan sesin spektrumu.
Bahsedilen örnekler gibi karmaşık fizik modellemesini gerekli kılan bir
çok problem bugün HAD yöntemleri ile çözülmekte ve hem gündelik
hayatımızda kullandığımız otomobil, kamyon, otobüs ve traktör gibi
araçların hem de F1, NASCAR, LeMans yarışlarında izlediğimiz yüksek
performanslı özel araçların performansı artırılmaktadır.
Şekil 4. ASKAM HI-EX etrafındaki akım çizgileri.
Araç Altı Aerodinamiği ve Isı Transferi:
Aerodinamik değişiklikler ve estetik gereksinimler araçların gittikçe daha
ufak kaput altı boşluğa sahip olmalarına ve buna bağlı olarak ön ızgara
girişlerinin gittikçe ufalmasına sebep olmaktadır. Ayrıca kaput altına
eklenmesi gereken her parça genel olarak sıkışık olan bu bölümdeki
soğuma için gerekli olan havanın geçebileceği boşluktan bir miktarını
daha ortadan kaldırır ve ortamın sıcaklığının hassas bileşenler için çok
sayılabilecek değerlere çıkmasına neden olabilir. HAD yöntemleriyle bu
bölgelerdeki akış ve ısı transferi incelenebilir ve olası problemler önceden
fark edilebilir. Şekil 5’te binek bir araç için yapılmış analizden elde
edilmiş sıcaklık dağılımlarını görebilirsiniz. Karmaşık geometrinin
karmaşıklığının yanında fiziksel zorluklar (türbülans modellemesi,
radyasyonla ısı transferi) da içeren bu tip akışlar çözümlenerek uygun
modifikasyonları yapmak ve ısıl güvenilirliği üst seviyeye çıkarmak
mümkün olmaktadır.
Şekil 5. Bir binek aracın kaput altı ve araç altı sıcaklık dağılımları.
Şekil 6’da Case New Holland firması tarafından yapılan bir traktör
üzerindeki sıcaklık dağılımı görülebilir. Isı transferi ve soğutma, yüksek
güç üreten ancak düşük hızlarda hareket eden traktör gibi araçlar için
ayrıca problemlidir. Düşük hızlarda soğuma için gerekli olan hava elde
edilemediği için aşırı ısınmalar söz konusu olabilir.
Şekil 6. Bir traktör üzerindeki sıcaklık dağılımı.
Ayrıca havayı içerideki bileşenlerin üzerine gönderen fanın da
performansının incelenmesi ve güç tüketiminin düşürülmesi burada
oldukça önem kazanmaktadır. Şekil 7’de ANOVA Mühendislik
tarafından tasarlanan bir radyatör fanının analizinden elde edilmiş basınç
dağılımını görebilirsiniz.
Şekil 7. Bir radyatör fanı üzerindeki basınç dağılımı.
İçten Yanmalı Motorlar:
İçten yanmalı motorlarda silindir içi akış ve motorun diğer bileşenleri
içindeki veya etrafındaki akış ta yine HAD yöntemleri ile çözülebilecek
problemler arasındadır. Şekil 8’de bir valf etrafındaki değişik basınç
oranlarındaki (PR) akış ve sonuçların deney ile karşılaştırılması
görülebilir. Şekil 9’ da ise bir DaimlerChrysler motorunda ateşlemeden
sonraki alev gelişimi görülebilir.
Yukarıdaki örneklerin dışında emme ve eksoz manifoldları ve katalizör
gibi bileşenler de yine bu yöntemlerle hesaplanabilecek parçalar
arasındadır.
Şekil 8. Valf etrafındaki akış.
Şekil 9. Alev gelişimi. Renk dağılımı sıcaklığı göstermektedir. Kırmızı yüksek mavi
düşük sıcaklığı belirtmektedir.
İç İklimlendirme:
Araç dışında olduğu gibi araç içinde de sıcaklık ve hız dağılımları
hesaplanıp konfor şartlarının sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilebilir.
Böylece hava çıkışlarının konu ve büyüklükleri doğru bir şekilde
belirlenebilir. Şekil 10’ da Ford-Werke AG tarafından yapılmış
simülasyondan iki resim görebilirsiniz.
Şekil 10. İç iklimlendirme simülasyonu. Üstteki resim bir kesit üzerindeki hız
dağılımını alttaki resim ise bir kesit üzerindeki sıcaklık dağılımını göstermektedir.
Yukarıda anlatılan örneklerin yanı sıra bileşen bazında fani pompa,
eşanjör problemleri, eksozt sistemi analizleri farlarda ısı transferi ve
radyasyon analizleri, defroster çözümlemeleri de HAD yöntemlerinin
kullanılabileceği uygulamalara örnek olarak verilebilir. Şüphesiz ki hem
sayıca hem de çeşit olarak örnekleri artırmak mümkündür.
SONUÇ
Otomotiv sektöründeki bir çok firma akış ve ısı transferi problemlerini
çözmek amacıyla HAD yöntemlerine başvurmakta ve böylece daha
tasarım aşamasındayken problemleri sebepleriyle beraber görerek deneme
yanılma
sürecine girmeden
çözümler geliştirip tasarım sürecini
kısaltmakta ve optimize edilmiş ürünleri piyasaya sürerek rekabet
şanslarını ve müşteri memnuniyetini artırmaktadırlar.
KAYNAKLAR
1) www.fluent.com
2) Proceedings of Fluent Users Group Meeting, 2001
3) Proceedings of the 1. Europan Automotive CFD Conference, 2003
4) www.anova.com.tr
5) Fluent News, Summer 2005