Experimentell motståndsanalys av kåpkonfigurationer på Scaniamodells busstak

EXAMENSARETE I

FLYGTEKNIK15 HP

Experimentell motståndsanalys

av kåpkonfigurationer på

Scaniamodells busstak

att fokusera på detaljer som kan minimera drivmedelåtgången. Scania linjetrafikbussar är utrustade med ett antal olika konfigurationer av kåpor som figurerar på bussarnas tak,

Projektet har således innefattat att undersöka dessa ur ett aerodynamisk perspektiv i Mälardalens högskolas låghastighetsvindtunnel, förlagt vid Hässlö i Västerås.

Resultaten som uppnåddes är att motståndskofficienten kan reduceras från CD=0,46 till CD=0,41 genom att omplacera orginalkåporna på andra positioner över taket. CD =0,39 erhålls genom att bruka de aerodynamiskt modifierade kåporna. Det skapar en vinst på 55-60 000 kr för orginalkåporna och motsvarande en vinst på 75-80 000 kr för de modifierade kåporna, räknat under bussens livslängd och en drivmedelkostnad på 8 kr/l. Beräkningarna bygger på återhållsamma sifferuppgifter vad gäller bränslepris samt miltal, än vad som förväntas vara ute på marknaden vad gäller transportsektorn. Detta för att ej ge överskattade värden, utan är mer ett resultat i underkant. I bilagorna figurerar även andra värden som ger än mer större vinst i kronor

Resultat uppnås då man tenderar minimera det återcirkulerande och energialstrande flöde som skapas inledningsvis på bussens tak under dess färd.

Abstract

Today's ascending fuel prices makes it important for producers and users of vehicles, to focus on details that can minimize the fuel consumption. Scanias (line) traffic buses are equipped with a number of different configurations of hoods that feature on the buses' roofs,

The project has included to examine these from aerodynamic perspectives in Mälardalen College’s low speed wind tunnel, relocated at Hässlö in Västerås. The results that were achieved are that the drag coefficient can be reduced from CD=0,46 to CD=0,41 through redeploying the originally hoods on other positions over the roof. CD=0,39 is received through using the aerodynamically modified hoods. It creates a profit of 55-60 000 sek for the originally hoods and a corresponding profit of 75-80 000 sek for the modified hoods, counted during the bus's length of life and a fuel cost of 8 sek/l. The calculations are slight in order not to give an overestimated value in the report. In the annexes, other values features that even give a bigger profit in sek

The results are achieved when minimizing the energy demanding flow which is created initially on the bus's roof during its journey

AB Area bussmodell m2

B, BK Bränslekonsumtionen L/100 km

be Specifik bränslekonsumtion

b Momentan bränslekonsumtion L/s

CD Motståndskoffecient

CDi Motståndskoffecient ej korrigerad

D Totalt Aerodynamiskt motstånd (D= DN- DV) N

DN Aerodynamisk motstånd modell N

DV Aerodynamiskt motstånd Våg N

FT Färdmotstånd N

g Normalacceleration 9,81 m/s2

L Skalmodellängd m

m Massan kg

n räknetal 1,2,3…1+n (Om inget annat anges)

PAtm Atmosfärstryck Pa

Pb.A Motoreffekt för övriga hjälpsystem W

Pb.T Motoreffekt vid svänghjul W

PT Effekt som fås vid drivhjul W

R Gaskonstant (287) J/(kg*K) Re Reynoldstal Rr Rullmotstånd N SP Area prototyp m2 ST Area tunnel m2 TC Temperatur C

V Hastighet m/s (om inget annat anges)

VI Hastighet: Indikerad m/s VT Hastighet: True/faktisk m/s Lutningsvinkel väg Grader R f Rullkoeffecient ηd, η Drivlinansverkningsgrad % ρ Densiteten luft kg/m3

ρAV Densitet Medelvärde för luft kg/m

3

Bränsle , B Densitet av bränsle g/L

ρSTD Densitet. Standard för luft kg/m

3 μ Viskositet kg/(m*s) γ Seperationsvinkel Grader 0 VdA n d t Fluxenhet

Blockeffekt Hinder som upptar mer än 5% av tunnelns totala Area

Bluff bodies När friktionsmotståndet är litet och där det totala motståndet främst beror på tryckmotståndet

Separations-bubbla

FÖRKORTNING OCH BETECKNINGAR……… ….. П

INLEDNING………..………...….. 1

1. FÄRDMOTSTÅND……..………..… 2

2.

OMNI KATRINEHOLM………...

4

3. FÖRDELAKTIGA AERODYNAMISKA EGENSKAPER……..……… 6

4.

KOMPONENTER SOM INVERKAR PÅ MÄTNINGARNA………….

6

4.1 Similaritet………... 6 4.1.1 Geometrisk likhet………... 6 4.1.2 Kinematisklikhet……… 7 4.1.3 Dynamisk likhet………. 7 4.2 Gränskiktsströmning……….…… 7 4.3 Reynoldstal………. 8 4.4 Blockeringseffekten………... 9 4.4.1 Kontinuetetsbaserand korrektion……….. 10 4.4.2 Missvisande faktorer……….. 11

5.

FLÖDESSEPARATION……….……... 13

6.1 BRÄNSLEKONSUMTION, BRÄNSLEEKONOMI……… 15

6.1.1 Färdsättets tre kategorier……….. 15

7.

VINDTUNNELN………..……. 19

8.

MÄTNINGSFÖRFARANDE……… 20

8.1 Mätningsutförande och tillhörande modifikationer………... 21

9.

MÄTNINGARNA………...

21

13. ÅTGÄRD………..

29

14. RESULTAT……… 33

REFERENSER………... 34

Appendix A Uppbyggnad samt ritningar

A.1 Kåpornas Uppbyggnad……… 1

A.2 Ritning av kåpkonfigurationer………..………... 2

Appendix B. Tabeller

B.1 Överblick av Cd koeffecienten vid olika konfigurationer………….…….. 8

B.2 Densitetstabell……….. 13

Appendix C. Beräkning

C.1 Beräkningsekv som frambringar resultat i excel och övr rapport…………. 14

Appendix D. Diagram………..16

Inledning

Scanias nyintroducerade buss BN95UB togs i bruk under våren 2006 och är utrustade med Air Condition (AC) samt defrosterkåpa som är placerade på taket av bussarna. Frågan uppstod vad dessa konfigurationer har för inverkan på det aerodynamiska motståndet med tanke på dess nuvarande förlagda positioner. Detta har utgjort den primära frågeställningen genom projektuppgiftens gång. Kan dessa kåpor inverka med någon större grad på motståndskofficienten för bussarna, eller utgör dess placering endast en marginell och försumbar påverkan av det totala motståndet.

Detta utgör således ett arbete som lägger fokus på det aerodynamiska motståndet genom studier i vindtunnelprovning, i Mälardalens Högskolas vindtunnel. Studieobjektet består av en modell av en Scania buss i skala 1/10. Tonvikten i undersökningen har lagts på de olika kåpkonfigurationerna (AC, Defroster) som förekommer på busstaken. I mätnings-serierna har de getts olika placering på taket och även jämförts med modifierade kåpor, för att på så sätt studera motståndstalen och dess eventuella skillnader i konfigurationer ur motståndssynpunkt. Även undersökningar av en s.k. ”boattail” kommer att beröras då den modifierade AC kåpan kan ses som en förlängning av denna tillsammans med de infogande ”boattailplattorna” på sidorna, vilket gör att tillfället tas iakt att även studera vad vinkeländringen för akterpartiet har för inverkan på motståndet vad gäller aerodynamiken.

Vindtunnelutprovningar utgör fortfarande en viktig grundpelare i utvecklingsprocessen av aerodynamiska kroppar, farkoster och fordon, för att hålla både kostnader nere samt få in nödvändiga data för en eventuell vidare utveckling. Den nyligen framväxande databaserade programmen för strömningsberäkning, CFD-programmen (Computational Fluid Dynamics) är ett bra komplement till vindtunneln men är ej ännu så pass tillförlitlig i precision att den kan ersätta CFD fullt ut, då verklighetens flöde ofta är allt för komplex vad gäller dess struktur för att låta sig fångas ned som en teoretisk modell. Ett exempel på detta är att CFD vanligtvis baseras på RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes equations) för att visualisera de teoretiska dataflödena. Detta innebär en viss förenkling och därmed uppkommer problem att åskådliggöra rörelsemängden efter separation, vilket gör det svårt att få information om separerade flöden. [5]

Arbetet är således av experimentell karaktär, men resultaten av körningarna av de olika konfigurationerna ligger som grund i projektet och framträder för en teoretisk efterbehandling och analys, vad gäller ekonomisk vinning. Stor vikt har lagts vid att undersöka tidigare rapporter och litteratur inom området för att kunna dra korrekta slutsatser genom deras hantering av problemet och därefter skapa en egen bild över hur problemen bör tacklas. Även en direktkontakt med yrkeskunnig personal har prioriterats under projektets gång.

1. Färdmotstånd

I förbättrandet av fordonsdynamik fokuserar man på energin som krävs för att övervinna de olika typerna av motstånden som fordonet utsetts för under sitt verkningsområde. Utöver motortekniken och typ av bränsle kan förbrukningen av bränsle huvudsakligen förklaras av fyra fysikaliska komponenter: Rullmotstånd, luftmotstånd, accelerationsmotstånd och lutningsmotstånd. Dessa fyra komponenter brukar

sammantaget benämnas färdmotstånd och betecknas FT. Dessa delar kommer att

beskrivas kortfattat för att skapa en helhetsbild av motståndet ett fordon utsetts för under sin rörelse för att därefter lägga fokusering endast på det aerodynamiska motståndet

Motstånd för ett fordon i rörelse definieras av

α sin mg dt dV m R D FT = + + + (1) FT = Färdmotstånd D= Aerodynamiskt motstånd R= Rullmotstånd m= Fordonets massa V= Hastigheten α =Vägens lutningsvinkel dt dV m = Accelerationsmotstånd α sin mg = Klätter/lutningsmotståndet 1.1 Aerodynamiskt motstånd

Aerodynamiska motståndet (D) är beroende av fordonets formgivning såsom dess frontarea som möter friströmmen och dels den motståndskoffecient (CD) vilken är

specifikt för fordonstypen. Även kvadraten av hastigheten är ytterligare en komponent med stor inverkan

A C V D 2 _D 2 ∞ = ρ (2) 1.2 Rullmotståndet

Definieras som (kraft mot däcket i rullriktningen)/(Vertikal last på däcket) Den största

delen av rullmotståndet, 85 %, uppkommer mellan däck och underlag/vägbana, det återstående motståndet på 15 % kommer från lagerfriktion m.m. (Riley 1994). Det som bland annat ger uppkomst till rullmotståndet är att däcket trycks ihop och avviker ifrån en rund cirkel. Men detta är svårt att undvika då just det är ett av skälen till komfort som ett gummidäck erbjuder.

Den energi som åtgår för att övervinna rullmotstånd och luftmotstånd går förlorad i form av värmeenergi. Rullmotståndet har enligt Scania kunnat minskas med 35 % sedan 1970. Motsvarande siffra för luftmotstånd är 40 % [15]

Rullmotståndet (Rr) av ett fordon beror på massan m och rullkoffecienten fR

G f

R= _R × (3)

Där G = m×g

Rullkoffecienten f_R utgör en funktion av däckets konstruktion och storlek; däcktryck;

axel geometrin, hastigheten och ifall hjulen är drivande eller ej. Den är en storhet som bestäms experimentellt.

Figuren nedan visar ett typiskt resultat mellan rullmotstånd kontra aerodynamiskt motstånd. Anmärkningsvärt är hastighetens inverkan på det aerodynamiska motståndet som ökar med kvadraten.

Fig. 1. Utdrag från Ref [16]. Kraften som krävs för att övervinna de olika motstånden

(rullmotstånd, aerodynamiskt motstånd). Kurvan bygger på en klass 8 lastbil men liknande resultat gäller även för en linjetrafikbuss

1.3 Accelerationsmotstånd

Vid körning i tätort är det accelerationsmotståndet som förbrukar den största delen av bränslet. Mycket energi bromsas bort vid retardation och går förlorad i form av värme, även om den mesta energin övergår i kinetisk energi. Dock har elektriska system utvecklats för att kunna ta tillvara på en del av den annars förlorade värmeenergin.

1.4 Lutningsmotstånd

Stigningsmotståndet ger en substantiell påverkan på fordonet redan vid små lutningar speciellt hos riktigt tunga fordon. Energin som används till att övervinna lutningen övergår till lägesenergi eller potentiell energi.

Generellt tas inte bränslekonsumtion i beaktande då det råder lutning. Detta pga. att det är nästintill omöjligt att definiera en representativ höjdprofil för ändamålet, som man kan jämföra generellt med. Resultatet av rapporten gör att lutningsmotståndet ej spelar någon som helst roll då en vinning i aerodynamiska motstånd är oberoende av lutningen fordonet utsatts för.

2. OMNI Katrineholm

Under arbetets gång skedde besök vid Omni AB för att studera bussarna med tillhörande kåpkonfigurationer. Framför allt kåpornas placering, monteringsförfarandet var av särskilt intresse vid besöket.

En rundvandring på företaget ägde rum, där Johnny Petersson (utvecklingsingenjör på klimatsystem) gav en överblick hur montering av kåporna och dess kringutrustning går till och dess funktion. Han informerade att målet var att kåporna ska göras så låga som möjligt och synas så lite som möjligt. Ingen direkt anknytning har gjorts rent aerodynamiskt till vare sig kåpornas placering eller dess konstruktion, utan dessa har monterats direkt ovanför dess aggregatutrusning beroende på var denna varit placerad i bussen (fig. 2). En eventuell flytt av dessa kåpor ger ett ganska stort konstruktionsarbete då det påverkar andra system och komponenter. Ett helt nytt modellprogram med ett helt nytt takkoncept kan dock möjliggöra detta. Noterbart i figur 3 är att bränsletankarna har placerat i den främre delen av bussen för att få fram den totala tyngdpunkten, som är relativt tillbakaskjuten pga. motorns placering. En eventuell placering av AC kåpan längre fram på bussens tak kan komma att centralisera tyngdpunkten ytterligare

Verksamheten busskarossering har flyttat till Polen av kostnadsskäl med början våren 2004. Detta gör att från 760 anställda är endast 75 fortfarande kvar i tjänst i Katrineholm, som arbetar främst med utveckling och prototypmontering av Scania- bussar. Företaget kommer nu att successivt flyttas över till Södertälje för att helt läggas ner i Katrineholm.

3. Fördelaktiga aerodynamiska egenskaper.

Projektet inriktar sig på studier av motståndskoefficienten för bussen, Detta leder indirekt till att en eventuell motståndsvinst inverkar som en energivinst för fordonet. Det kan sägas vara det underliggande målet med projektet, vilket i sig kan tyckas vara underförstått men är ändå värt att reflektera över. En reduktion av motstånds-koefficienten (CD) ger upphov till:

• Minskad bränslekonsumtion • Ökad acceleration

• Högre topphastighet.

• Minskad miljöpåfrestning pga. av mindre emissioner

Detta medför att om målet är minskad bränsleförbrukning för ett fordon kan de två sistnämnda fördelarna omvandlas till en positiv aspekt även för detta ändamål. En annan typ av utväxling av växellådan kan omvandla den ökade accelerationen till en mer bränslebesparande komponent. En minskning i motorstyrka ger analogt på samma sätt bränslebesparing istället för högre topphastigheter.

4. Komponenter som inverkar på mätningarna

I många fall är det nödvändigt att använda en modell av fordonet under utvecklingen. Detta erbjuder att man kan utföra tester med en mindre penninginsatts än om man skulle behöva utföra tester med en fullskalemodell

4.1 Similaritet

Problemet med utprovningar på en modell i mindre skala är att erhålla flödes egenskaper på samma sätt som över fullskaleobjektet. I dessa fall brukar man använda olika typer av modeller för olika egenskaper man vill undersöka. En skalmodell i mindre skala tillhandahåller endast korrekta resultat om flödes egenskaper har samma similaritet som fullskalans strömning. Similariteten i detta sammanhang är därav betydelsefullt och försöker efterlevas så långt som möjligt under mätningarnas gång. Man kan säga att tre stycken grader av similaritet måste äga rum innan strömningen över skalmodellen kan sägas vara densamma. geometrisk -, kinematisk- och dynamisk likhet.

4.1.1 Geometrisk likhet

Modellen måste ha samma form som prototypen. Detta skapar ett förhållande mellan skalmodell och prototyp enligt:

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

4.1.2 Kinematisklikhet

Ett kinematiskt likt flöde motsvarar punkter i flödet där hastigheterna (Vid samma tid) ligger i förhållande med varandra

( ) ( ) t Kons V V V V V V V V n p n m p m p m p m _tan 1 1 3 3 2 2 1 1 _{= = = =} + +

4.1.3 Dynamisk likhet Fig. 4 Hastighetspunkter i strömningen Dynamisk similaritet omfattar krafter som är i förhållande till varandra.

(

)

(

)

(

)

(

)

Då skalmodellen är utformat för Scanias tidigare aerodynamiska utprovningar så betraktas denna ha en hög similaritet med fullskalan, speciellt vad gäller den geometriska likheten.

4.2 Gränskiktsströmning

Ett stationärt vindtunnelgolv kan i vissa fall vålla problem då hastighetprofilen ej överensstämmer med jämförelsevis landsvägskörning (se nedanstående fig. a, b

Fig 5 Hastighetsprofilen på väg Fig 6Hastighetsprofilen i vindtunneln

Ett tillvägagångssätt att reducera detta fenomen är att förse vindtunneln med ett upphöjt markplan som är integrerad i vindtunnelns golv, vilket skapar ett betydligt tunnare gränsskikt än det som finns på vindtunnelns golv. Det beror på att gränsskiktet inte hunnit växa sig så ”tjockt” på det upphöjda markplanet, då detta har sin framkant endast någon decimeter framför bussens front

I mätningserierna som genomfördes fungerade vågen som ett upphöjt markplan vilket gör att skalmodellen inte berörs av de störande gränsskikten vid vindtunnelns golv. Modellen möter därmed ett mer homogent luftflöde än fallet skulle vara vid placering på vindtunnelgolv.

4.3 Reynolds tal

Ytterligare en faktor som måste tas i beaktande vid aerodynamisk provning av nedskalade modeller, är strömningens Reynolds tal. Detta utgör ett mått på förhållandet mellan tröghets- samt de viskösa krafterna och har en kraftig påverkan av omslagspunktens placering mellan laminärt och turbulent flöde.

Reynolds tal

µ ρVL

=

Re (4)

För att korrigera effekten av skalmodellen gentemot fullskalan inför man ett luftflöde som rör sig snabbare på skalmodellen än på fullskalan. Det ökar Reynoldstal och för omslagspunkten (mellan laminärt och turbulent flöde) framåt till en position där förhållandet mellan skalmodellen och fullskalan överensstämmer.

F M VL VL       =       µ ρ µ ρ (5)

M, F utgör Modell respektive fullskalan

En 1/10 skala ska alltså köras 10 ggr så snabbt som fullskalan. Detta är praktiskt taget omöjligt då en hastighet om 120 km/h motsvarar ljudhastighet för skalmodellen. Men effekten av att använda sig av ett felaktigt Reynoldstal inverkar relativt begränsat i dessa undersökningar, då Reynolds tal är ganska flackt i dessa hastighetsregioner. Likväl så bygger CD på mätningsvärden på 50 m/s med körning av defroster samt AC

kåpa och värden upp till 54 m/s med endast modell utrustad med AC kåpa. Det motsvarar en hastighet strax under 200 km/h.

För en cirkulär cylinder enligt ovanstående sker en stor minskning i CD vid 5 x 105

därefter håller koefficienten sig relativt konstant vilket tyder på ett turbulent luftflöde. I dessa mätserier nås liknande resultat där under 4x10^6 ändras CD koefficienten i takt

med ändrad hastighet för att efter 4,5-5x10^6 antas relativt marginella skillnader i motståndskoefficenten i takt med hastighetsökningar. Se bilaga: ”Re som funktion av CD”

4.4 Blockeffekten

Vindtunnelns dimensioner utgör problem för större mätobjekt. Precisa mätvärden kan endast erhållas i vissa tunnlar som är stora nog.

Vid prov i en sluten vindtunnel bör man uppmärksamma att tunnelns väggar, golv och tak kan inverka på mätningarna (Se även ovanstående stycke om gränsskiktströmning). Detta har ett samband med att objektet blockerar tunneln och därmed tenderar att öka medelhastigheten runt om objektet och således motståndet. Vindtunnelns väggar ger därmed en restriktion för strömlinjerna (Streamlines) runt objektet som dessutom kommer att påverkas av väggarna och göras mer parallella.

Det resulterar i en ökning av flödetshastigheten runt modellen och dess vak som bildas. Vaken har en lägre hastighet och kan därmed ses som ett artificiellt objekt och flödet tenderar därmed att öka av samma anledning som runt modellen. Om ingen korrektion utförs erhåller man missvisande värden (fig. 9). Den rekommenderade blockeffekten utan åtgärd bör understiga 5 % i ett areaförhållande mellan modell och tunnel (Mason et al 1973), medan Carr and Stapleford [8] förespråkar att ett areaförhållandet bör ligga mellan 3.5-10% för korrektionen vilket har tagits i beaktande under projektets gång.

4.4.1 Kontinuetetsbaserand korrektion.

Vid användandet av strömningsberäkningar såsom kontinuetetsekvationen kan ett mer korrekt värde erhållas av mätningarna

genom att anta att samma luftmassa per sekund måste passera genom tunneln. (fig. 8)

Fig. 8. Modellens inverkan på strömningen För en fix kontrollvolym i ett tredimensionellt och tidsberoende flöde gäller att

0 = + ∀ ∂ ∂

∫

∫

förändringshastigheten av ökningen av massa i kontrollvolymen plus massan flux ut ur kontrollvolymen = 0

0 =

∫

(7)

För ett stadigt flöde, där flödets egenskaper ändras ej i tiden erhålls 0 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 = + =

∫

∫

∫

Hastigheterna V₁ samt V₂ utgörs av normalen av inflödets respektive utflödets areor.

Då är 1 1 1 1 1 V V n ρ =−ρ och n₂ρ₂V₂ =ρ₂V₂ (9) Vilket ger 0 2 2 1 1 2 1 = + −

∫

∫

Densiteterna och hastigheterna är likformiga över respektive area 0 2 2 2 1 1 1 + = −ρV A ρ V A (11)

ρ1V1A = Konstant

Eftersom densiteten för luftflödet betraktas vara konstant då endast en marginell ändring sker vid låga farter betraktas även volymen av luftflödet som passerar in och utgående areorna vara konstant.

A×V= Konstant

Om tunnelns arbetsarea är ST och objektets area betecknas AB medför detta att arean

som luftflödet kan passera genom är ST - AB. Vilket ger följande:

(

)

T S A V S

V ⋅ − = ⋅ ₍₁₂₎

Där:

VI är hastigheten framför objektet/modellen

VT utgörs av hastigheten runt objektet/modellen.

(

)

(

)

Genom antagandet av kontinuetetsekvationen tänker man sig att luftflödets hastighet ökas likvärdigt över samtliga sidor runt modellen och denna fartökning bygger på modellens maximala area. Detta är emellertid inte sant utan gäller endast i ideala fall. För strömlinjeformade objekt likt en vinge ökar luftflödets hastighet i takt med tjockleksökningen och saktar ner igen mot slutet då den minskas. På undersidan av vingen har luftflödet en helt annorlunda strömning. Men i detta fall utgör skalmodellen en similaritet vad gäller formgivning som är lika på båda sidor om centrumlinjen (fig. 8) av modellen, vilket medför att resultatet närmar sig sitt verkliga värde, än om ett osymmetriskt objekt hade använts. För sådana objekt/modeller används följande korrektionsfaktor för CD:       − T B S A 5 , 0 1 (15)

För otympliga objekt såsom en platta på högkant i vindtunneln med frontarean mot flödets riktning underminerar det övre uttrycket blockeringseffekten pga. att den vak som bildas bakom plattan är större än modellens tvärsnittsarea.

För detta fall gäller istället:       − T B S A 5 . 2 1 (16)

Användandet av ovanstående ekvationer, för kompensering av blockerings-effekten, anses vara ett av de effektivaste verktygen för att nå så ackurata värden som möjligt på ”bluff bodies” som understiger 10% mellan modell och tunnel [12]. Mercker-metoden som bygger på empiriska konstanter för passagerarbilar och liknande föremål samt tryckmätningsmetoden som bygger på mätningar av trycket i tunneltakets centrumlinje, utgör komplicerade metoder som utförts av Hacket och Wildsen. Dessa ger en betydligt mindre korrektion än vad area-förhållandet åstadkommer.

Effekten från modellstorlek och blockeffekten kan ses i nedanstående figur. Hämtat från SAE blockeringsrapport [7]. Den horisontella och streckade linjen representerar motståndskoeffecienten för noll blockeffekt. De två streckade vertikala linjer visar gränsen inom vilket område korrektion är möjlig. Skalmodellen i vårt utförande har en blockeffekt på nära 10%, vilket antyder att utan korrektionsalgoritm skulle resultatet skilja sig med 12-14 % relativt friströmmen

5.0 Flödesseparation

Flödesseparation av akterpartiet för motorfordon är oundvikligt och relativt svårt att kontrollera. Den här typen av separationer av akterparti är den största källan till motstånd för s.k. bluff bodies. För att nå en minskning av motståndet på bluff bodies, bör man alltså rikta sina åtgärder mot fordonets akterparti istället för att fokusera all energi på modifieringar av dess front. En mer strömlinjeformad frontparti på fordonet medför att flödet som når akterpartiet har en större hastighet, Därav tenderas det att bli en ökning i undertryck vid basen av fordonet, då undertrycket är en funktion av strömningshastigheten av flödet som når akterpartiet [14]

Ahmeds objekt Bilaga ”Ahmeds objekt” som är ett fordonsliknande föremål med en sluttande slutdel på takets akterparti har figurerat i många undersökningar av flöden runt fordonsmodeller, som bildandet av ändvirvlar (trailing vortices) och flödesseparationer och även ändringar av bakpartiets lutning har studerats ur motståndssynpunkt.

Det har påvisats att ytfriktionen utgör en väldigt liten del av motståndet I Ahmeds experiment har framkommit att 80 % av det totala aerodynamiska motståndet utgörs av tryckmotstånd. För en kropp med ett radieavrundat frontparti, bidrar tryckmotståndet med endast till 6 % av det totala motståndet. 70 % av det totala motståndet uppkommer från akterpartiet tryckmotstånd [9].

Även Hucho och Sovrean (1993) [13] påvisade liknande resultat, där det största aerodynamiska motståndet för en ”bluff body” i underljudsfart sker vid bakpartiet och inte fronten.

Det finns två generella tillvägagångssätt att minska bakpartiets motstånd. Ett av dessa är att använda sig av så kallad passiv kontroll. Man formger geometrin på bakpartiet på något gynnsamt sätt. Boattail, virvelgeneratorer och formade ledskenor är exempel på sådana åtgärder. En boattail kan ge kan ge en motståndsvinst mellan 10 - 18 % vad gäller det totala motståndet på tunga fordon [10]. De är främst tunga fordon som lastbilar med efterföljande trailer som kan nå en sådan stor vinst. Men likväl kan detta vara värt att undersöka.

Det andra tillvägagångssättet är att använda aktiv kontroll. Man infogar då t.ex. rörliga klaffar, ”blowing slot” i konstruktionen och som används för att motverka separation för tidigt

Detta har tagits i beaktande vid den modifierade AC kåpans utformning, att försöka ge luftmassorna en vinkeländring som gynnar en motståndsminskning, inte bara vad gäller AC kåpan själv ur motståndssynpunkt utan även ytterligare en reducering för hela fordonet eftersöks. Kåpan har därför byggts som en del av en boattail som tillsammans med boattailplattorna som infogats på sidorna. Dessa ger en lutning på runt 15 grader gentemot centrumlinjerna på akterpartiets bassektion. Eventuellt kunde man även ha undersökt att infoga ytterligare boattailplattor på sidorna med en annan vinkel, för att undersöka om någon mer optimal konfiguration kan finnas. Detta pga. av att kanterna

som i sin tur ger upphov till en ökning av ändvirvlarna som kan komma att integrera med varandra.

5.1 Boattail

En Boattail kan ha olika typer av utseende och formgivningar. Men alla har tillika samma uppgift att minimera den motståndsalstrande vak som bildas bakom fordonet. En boattail som är utformad på så vis att plattorna är vinkelräta gentemot basen på fordonet samt har en inskjutande position gentemot tak och sidkanterna har figurerat i undersökningar på bland annat trailers, ger en reducering av luftmotstånd pga. av mindre undertryck.[6] Detsamma gäller en boattail som innehar en vinkel på panelerna/plattorna utifrån kanterna från tak och sidor (Se Fig.), även benämningen “base flaps” kan figurera för den här konstruktionen.

Fördelen med denna konstruktion är att den tenderar att vara mindre känslig för yaw vinklar gentemot sidvinden, Detta gör att ytterligare en motståndsvinst erhålls gentemot den ovanstående modifikationen. Känsligheten för Reynolds tal har konstaterats tidigare att denna är försumbar för låga alfavinklar på boattailen. Men ju höge vinkel desto större noggrannhet krävs för att få rimligare resultat. Exprimentella tester utfört av Fred Browand -Aerospace & Mechanical Engineering, University of Southern California hänvisar att de optimala vinklarna erhålles vid 13-16 0

Fig 10. Exempel på

6.0 Bränslekonsumtion, Bränsleekonomi

Bränslekonsumtion definieras som volymen bränsle som används för att ta sig en viss distans (Liter per hundra kilometer). Bränsleekonomin däremot anger hur pass långt man kan färdas med en given bränslevolym. Arbetet presenterar bränslebesparingen i kronor för en given sträcka enligt diagram.

6.1 Analys av bränslekonsumtion

Bränsle konsumtionen B (L/100 km) av ett fordon beräknas genom att integrera den momentana förändringshastigheten av bränsle (Liter per sekund) över en viss tidsperiod och dividera detta med sträckan i den tidsperioden.

∫

∫

6.1.1 Färdsättets tre kategorier

1. Motordrivande FT>0

2. Retardation genom bromsverkan(Motorbroms) FT<0

3. Neutralt (Ej bromsande eller motordrivande) V=0 Motordrivande (FT>0): Utgöras av den momentana förändringshastigheten av volymen

pga. av bränslekonsumtion från motoreffekten Pb. och från den relaterade specifika

bränslekonsumtionen be (Känd som bsfc. ”Brake specified fuel consumption”)

•

bρBränsle= be Pb.T

ρBränsle = Densiteten av bränslet i (g/L)

Volymen bränsle som konsumeras pga. av den drivande effekten från motorn.

[ ]

∫

∫

Den drivande effekten ges i sin tur av

V F

Verkningsgraden av drivlinan mellan transmission och däck av de framdrivande hjulen är: T b T D P P . = η (20)

Pb.T, Motoreffekten vid svänghjul (inkluderar ej motoreffekten Pb.A som behövs för fordonets övriga system/hjälpsystem (Power steering, Air condition osv.))

PT motsvarar den faktiska effekten som fås ut vid drivhjul och som står i relation till

Pb.T _{genom η, där η är drivlinans verkningsgrad}

Genom användandet av (19) och (20) kan Pb.T elimineras

[ ]

(

)

∫

∫

Om det krävs motoreffekten P_b._A för att driva fordonets övriga system

[ ]

∫

Sammanfogas (21) samt (22) för att på så sätt erhålla den totala bränslevolymen som konsumeras:

[ ]

∫

[ ]

_∫

Där b•_bmotsvarar förändringshastigheten bränsle (L/s) under bromverkan och är vanligtvis liten och tidsbegränsad.

Tomgång (V=0). Effekt krävs endast för motorns friktion och för att driva andra system såsom bränsle-, oljepump, hydralstyrningen, luftkonditioneringen osv. Den momentana bränsleåtgången för tomgång bTomgång

• ges då av:

[ ]

∫

Sammanfogas (23), (24), (25) och införs i 17) fås den totala bränslekonsumtionen

[

]

∫

∫

∫

Där t motsvarar tiden för testet och C är en konstant för att erhålla de vanliga dimensionerna (km istället för m och minuter istället för sekunder)

Genom att endast vindtunnelns utprovningar förser oss med information om motståndstalen dvs. CD koefficienten över de olika konfigurationerna, så kommer dessa

att ligga till grund för bränsleberäkningarna. Vidare är det inte relevant i sammanhanget att studera bränsleåtgången under tomgångskörning eller drivandet av tillhörande utrustning för fordonet, i och med att den aerodynamiska aspekten ligger som grund för arbetet. Därmed kommer endast iakttagelse att läggas på bränsleförbrukningen då fordonet rör sig på plan väg i olika hastigheter, som kan efterliknas i vindtunneln och där luftflödet når fronten på fordonet i rät vinkel. Det medför att en försummelse kan göras av ovanstående formel. För att nu studera bränsleförbrukningen måste man konvertera motståndskofficientens ändringar parallellt till bränsleförbrukning. Sambandet ges nu av:

Ekv (18) nyttjas och därmed blir bränslekonsumtionen:

T b B e K P b B = ⋅ , ρ I)

Ekv 20) i I) T D B e K P b B = ⋅ ⋅ η ρ 1 II)

Det första uttrycket (be/ρB) utgör volymen bränsle per effektenhet som ges av motorns

svänghjul, (Pb.T), Faktorn ηd (≤1) är drivlinans effektivitet, vilket relaterar effekten som

fås vid de bakre hjulen, PT, till effekten som erhålls vid svänghjulet. Genom att ta det

senare uttrycket och skriva om detta till ett uttryck för skillnaden i bränsleåtgång över de olika konfigurationerna, fås skillnaden i bränsleåtgången då denna beror på motståndskofficienten. V S V b C C B B B _P D B e Mod STD AV Mod DO Org STD AV DO Mod K Org K K ⋅             ⋅               _⋅ −       _⋅ = = ∆ − ₂ 1 2 . . . ρ η ρ ρ ρ ρ ρ (III)

Enheten (ρAV/ρSTD) hänvisar till förhållandet mellan medeldensiteten för de olika

körningarna i förhållande till standard densiteten under vanliga villkor. V och SP är

fordonets fart respektive frontarea. (ρAV/ρSTD) försummas och sätts därmed till 1 som en

7.0 Vindtunneln

Vindtunneln som användes för ändamålet under arbetets gång är Mälardalen Högskolas vindtunnel, belägen vid Hässlö flygplats.

Vindtunneln är en låghastighetsvindtunnel med maxhastighet på ca 60 m/s och drivs av en fläktmotor på 37 kW, denna drivs av en frekvensomriktare vilket möjliggör att friströmshastigheten kan regleras steglöst från 4 m/s till 60 m/s beroende på föremål. Tunneln är av sluten typ vilket resulterar att samma luftström erhålles hela tiden med litet eller inget utbyte av luften utanför. Luftmassorna behöver därav bara accelereras upp en gång och fläktmotorn behöver därefter endast kompensera för effektförlusterna iform av friktion och läckage

Tunnelns mätsträcka är på 2 m och har ett tvärsnitt på 0.75 x 1 m.

Fig. 11. Överblick på den slutna vindtunnelns uppbyggnad

Fig. 12. Till vänster fläkten för framdrivning av luftmassorna. Till höger. Våg för mätning med

8.0 Mätningsförfarande

Vågen placeras i vindtunneln och monteras fast med hjälp av fyra stycken bultar vid dess infästningar i tunnelgolv, vilket ger en stabil plattform för vågen utan möjlighet att råka i självsvängning. Vågen utgörs av en vägsträcka på ca 102,5 X 32 cm som kan mäta krafter i x-respektive y-planet. Denna är placerad ca 24 cm ovanför vindtunnelgolv vilket gör att gränsskiktet vid golvet ej påverkar mätningarna (se ”gränsskikt”).

Därefter kopplas det digitala mätinstinstrumentet in på vågen (fig. 13.). Ett instrument som erbjuder en mängd presentationsmöjligheter digitalt vad gäller enheter. I dessa mätningar så användes storheten kraft med enheten Newton som mätresultat. Mätinstrumentet styrs av en trådtöjningsgivare i vågen som klarar krafter upp till 150 N, där en ökad kraft på vågen gör att tråden töjs och skapar därmed en tunnare diameter. Strömstyrkan tenderas därav att ändras då resistansen förändras som ett resultat av att trådens diameter minskar då tråden töjs ut. Instrumentet erbjuder därvid väldigt noggranna mätvärden för krafter.

Skalmodell med tillhörande utrustning monteras därefter för mätnings-

förfarandet med två fästanordningar i vågen, vilket gör att skalmodellen under samtliga mätningarna möter luftflödet på samma vis.

Innan mätningarna kontrolleras att hastigheten överensstämmer med den digitala display som är monterad i tunneln. Detta utförs med hjälp av pitotrör som avläses manuellt och som tenderar att uppnå mycket exakta värden på den rådande strömhastigheten. Resultaten vad gäller strömningshastigheten mellan digital jämte analog mätning tenderade att ha en differens på några meter per sekund (2-3) för de högsta hastigheterna. Detta förhållande hölls dock konstant genom samtliga mätomgångar

Atmosfärstrycket registreras med jämna mellanrum under körningarnas gång från en barometer som kan avläsas på en display vid vindtunneln.

Under körningarna antecknas även den rådande temperaturen i tunneln som ligger till grund för densiteten och används under beräkningarna. Detta åstadkommes med den ideala gaslagen som är en funktion av tryck och temperatur. En densitetstabell skapades för ändamålet och figurerar i bilagan ”densitetstabell”.

Under körningarna tenderade temperaturen i vindtunneln att öka pga. av friktion som råder mellan luftmassorna, väggar och fläktblad. Detta gör en temperatur på 21 grader före körning tenderar att stiga upp till 24-25 grader Celsius vid körning. Det gör att man ej kan anta en ideal densitet på t.ex. 1,2 kg/m3 _{genom mätningarna. I själva verket kan}

en densitets ändring från 1,20 till 1,18 kg/m3 motsvara en ändring på 0,005-0,007 enheter i CD koefficienten, vilket analogt motsvarar en felläsning på 2-3 N av kraften

som vågen registrerar. För att uppnå ett noggrannare resultat inför man därav en rörlig densitet som är en funktion av trycket och temperaturen. som råder under den rådande tiden.

(

)

Fig 13 AFTI Instrument

8.1 Mätningsutförande och tillhörande modifikationer.

Den första och inledande delen av mätningsserien som ägde rum bestod av en försöksomgång där utrustning och material skulle provas ut och eventuellt förbättras. Försöket inleddes med att beräkna hastigheterna med hjälp av pitotröret och dess spritpelare enligt ovan. När detta var avklarat monterades AC samt Defrosterkåpa med dubbelhäftande tejp med god vidhäftningsförmåga på busstakets orginalposition, detta för att göra en snabb studie av kraften vid körning med kåpor.

Försöket genomfördes genom att hastigheten stegades upp mellan de olika mätpunkterna, strax innan maxpunkten för hastigheten (50 m/s) kunde den dubbelhäftande tejpen ej förmå att hålla kvar AC kåpan som demolerades när den nådde ledskenorna för riktning av luftmassorna. Vid uppbyggnaden av en ny originalkåpa för AC utrustades denna med en skruvanordning vilket även infördes på den modifierade AC kåpan. Dock kvarhölls den dubbelhäftande tejpen som fästesanordning på defrosterkåporna, då det skulle bli för mödosamt att ta ut skalmodellen vid varje tillfälle defrosterkåpan behövde flyttas runt. Defrosterkåporna sprayades dock med ett lager klarlack på undersidan vilket förbättrade tejpens vidhäftningsförmåga mot underlaget. Men ytterligare två mindre reparationer har ägt rum med defrosterkåporna som lossnat från bussen, dock har skadorna varit begränsade dessa gånger.

9.0 Mätningarna

C:a 300 st redovisade mätningsserier ligger till grund för rapporten.

75-80 vindtunneltimmar utgör den totala tiden som utförts vid Mälardalen högskolas vindtunnel under projektets gång. Denna tid innefattar mätningsförfaranden samt tiden för anpassning av utrustningen såsom flyttning av kåpor över skalmodellens tak osv. Resultatet av varje mätningsserie bygger på medelvärdet av körningen av den specifika konfigurationen som var uppsatt. Dvs. En konfiguration på kåporna har t.ex genomgått en mätningsserie upp till 50 m/s varpå vindtunneln stannats av tills luftmassorna ej cirkulerar längre, därefter har samma mätningsserie genomförs på nytt.

Detta utförs pga. av att resultaten mellan 2-3 olika körningar av samma konfiguration kan tendera att skilja sig åt upp till 0,5-1 N. Det pga. av att spänningstråden har en felmarginal i sig och dels p.g.a fluktureringen av presentationen av kraften på instrumentet som operatören handhar. Detta betyder att hastigheten vid 50 m/s i vindtunneln kan fluktuera från 49,7-50,3 m/s p.g.a blockeffekten, analogt ger detta en ändring av den uppmätta kraften som visas på instrumentet från t.ex. 60,3-60,8 N. Ett medelvärde av dessa olika körningar av en viss konfiguration antas därav för att uppnå större noggrannhet.

Då mätningarna har genomförts under olika dagar skiljer sig det rådande trycket i atmosfären, (det lägsta ca 100 500 Pa till det högsta på dryga 102 300 Pa). Det har bidragit till att samma mätningserier med tidigare konfigurationer har utförts på nytt,

ytterligare genom att använda medelvärdet för samtliga körningtillfällen som skett, men även för att vågen med tillhörande apparatur har en felmarginal upp till 2%, vilket i sig ger en felindikering på 1-1,5 N för de högsta värdena som figurerar för CD

uträkningarna.

För att ge en bättre överblick hur mätningarna i resultaten är uppbyggda ges en bild nedan

Dag 1. Körning 1:

Monterade Kåpor förlagda på orginalplats Körning/Mätningsförfarande

Mätning klar/ Avstannande av tunnel

Dag 1. Körning 2:

Monterade Kåpor förlagda på orginalplats Körning/Mätningsförfarande

Mätning klar/ Avstannande av tunnel

Medelvärde Körningsdag 1

Medelvärde Dag 1 Medelvärde Dag 2 Medelvärde Dag n..+1

Slutgiltigt mätningsvärde

Fig 14: Körning av orginalplacering enligt gällande kåpkonfiguration av AC, Defroster

10. Separationsbubblor

Vid flödesvisualiseringen med rök kan observeras att ett separerat och återcirkulerande flöde ligger på den främre delen av taket. (fig. 16) som återanligger längre ner utefter modellen. Detta fenomen benämns separationsbubbla. Seperationsbubblorna som uppstår på den främre delen av bluff bodies är av stor betydelse inom aerodynamiken då motstånd och ljudreducering på fordon är förknippat till den virvelbildande vak som uppstår från dessa. Vidare ger detta separerade flöde en återanläggning på ytan nedströms (då enligt tidigare undersökningar längd till viddförhållandet överstiger 1,8 [4]). En sådan typ av flöden bringar även en tryckfluktering och vibrationer på objektet. Strömningen i en s.k. seperationsbubbla består av ett mycket komplext uppträdande med ett oregelbundet och turbulent flöde som följd (Brown & Stewartson 1969). Detta är så komplext att det någon grundligare undersökning ej har utförts under projektets gång.

10.1 Orsak till separationsbubblor

Två stycken fysikaliska komponenter kan sägas ge upphov till denna typ av separation. Flödet kan komma att separera p.g.a den stigande tryckgradienten (adverse pressure gradient) som uppstår längs dess väg. Den andra komponenten är att flödet kan tendera att separera p.g.a radiekurvaturen på objektet [15], vilket inträffar i dessa undersökningar, då radien mellan bussfront och tak på skalmodellen betraktas vara relativt liten (15 mm).

Tidigare rapporter från experiment inom området bekräftar en märkbar skillnad vid en jämförelse mellan olika radier för recirculation vad gäller seperationsbubblan. Detta åskådliggörs i fig. hämtat från Dynamics of Separation Bubbles Formed on Rounded Edges. Granskar man bilderna påvisas sambandet mellan seperationsvinkeln och radien, där seperationsvinkeln tenderar att öka med en minskad radie. För n=0,8 tycks även flödet återanläggas på ytan igen. γ minskas även itakt med ökat Reynoldstal vilket ger i teorin att då Re går åt oändligheten (∞ )så går seperationslinjen mot noll

γ γ

Fig. 15 Påverkan av en dimensionslös radie (n) på en avrundat frontparti av en separerat flöde.

Re 3500

10.2 Åtgärd på problem.

Mätresultaten i vindtunneln bekräftar ovanstående faktum att den lägsta CD

koefficienten erhålles då AC kåpan placeras vid takets framkant. Tar man detta i beaktande erhåller fordonet nu en större radie eller en mjukare övergång mellan front och takparti.

Flödesvisualiseringen med rök ger ytterligare en bekräftelse på detta påstående, där en AC kåpa som är placerad vid framkanten tenderar att eliminera separationsbubblan och därmed fås ett flöde utan störningar över den inledande sektionen på takpartiet. Detta p.g.a att AC kåpan har en mer gynnsam utformning vad gäller konfiguration än vad bussens övergång mellan front och takparti har att erbjuda. (se avsnitt ”AC uppbyggnad” samt följande bilagor över denna). Detta bidrar till att det aerodynamiska motståndet blir avsevärt mindre (bilaga ”Överblick av CD koefficienten vid olika

konfigurationer”) än vad orginalpositionen av denna erbjuder. En orginalplaceringen av respektive kåpor ger en seperationsbubbla inledningsvis som återanligger längs dess väg

Fig. 16 Åskådliggörandet av separationsbubblan som bildats vid framkanten med hjälp av

rökvisualisering. Hastigheten är dryga 70 km/h med ett Re ≤ 2 x 10^6.

Fig. 17 visar det återcirkulerade flödet med hjälp av 4 cm långa garnbitar som sträcker sig mot

flödesriktningen. Hastigheten är ca 70 km/h med Re ≤ 2 x 10^6. Pilen ger flödesriktningen av luftflödet

11. Utvärdering av C

koefficienten

Skalmodellen placerades i tunneln för att ge en utvärdering av CD koefficient som

funktion av Reynolds tal där Re varierar från 1,5 x 10^6 till 4,5 x 10^6. Reynoldstal baseras på skalmodellen (1/10) i olika hastigheter.

Diagrammen på följande sida åskådliggör skalmodellens motståndskoefficient kontra Reynoldstal. Där en jämförelse mellan den modifierade AC kåpan och original kåpan ägde rum. I det undre diagrammet användes fem stycken olika konfigurationer med den modifierade AC kåpan.. Sjunkande CD -värden kan skådas i diagrammen itakt med

ökade Reynolds tal för att utjämnas vid 4,5*10^6 där de därefter kan betraktas som konstanta. Vid Re=2,5*10^6 kan ses i samtliga kurvor att en viss tillbakagång sker för CD talet. Detta beror på att vissa av komponenterna på modellen befinner sig i ett

känsligt område vad gäller Re -värdena och åstadkommer därmed en turbulens i vindtunneln som övergår när hastigheterna ökar igen. Detta kan även observeras med rökvisualisering. CD konstanten bygger på värden vid de högre hastigheterna (50 m/s)

Fig 18 Motståndskoefficienten som funktion av Re

Fig 19. Motståndskoefficienten som funktion av Re 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 15000000 25000000 35000000 45000000 C D Re Modifierad AC

CD som funktion av Re vid olika positioner

Orginalposition Framkant 10 Cm framkant 20 Cm framkant Bakkant

CD som funtion av Re för AC kåpor orginalposition 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 15000000 20000000 25000000 30000000 35000000 40000000 45000000 Re C D Original AC Modifierad AC

12. Diskussion av vindtunnelmätningarnas värden

CD koefficienterna i resultaten har avrundats till två decimaler. Det pga. av att

noggrannheten över mätningsförfarandet ej bedöms ge en större tillförlitlighet än så. Detta i och med att ett värde på CD = 0,456 avrundas till CD =0,46 och ett infogat värde

på CD=0,454 avrundats därmed till CD =0,45. En skillnad på ∆ CD =0,01. Vilket man

bör vara medveten om när man studerar de totala motståndskoffencienterna i bilagan. En ren skalmodell (utan tillhörande utrustning som AC, Defroster) med en radieavrundad takkant som har testats och som liknar de nya bussarnas konstruktioner, ger upphov till ett värde på CD = 0,43. Jämförelsevis har skalmodellen som är utrustad

med orginaltaket som är skarpkantat, givet ett motståndsvärde på CD=0,47. Detta utgör

en stor skillnad i resultaten vilket medbringar att åtgärdstagandet för ett mer skarpkantat tak blir väsentligt viktigare för att uppnå lägre motståndsvärden för bussarna.

Mätningsresultaten vad gäller orginalplaceringen av AC- respektive defrosterkåporna som Scania bussarna har försetts med i verkligheten (se Bilaga) ger en motståndskoefficient på CD=0,46. Då många konfigurationer vad gäller olika

placeringar över taket av orginalkåporna (Original AC respektive defroster) har undersökts, ger detta ett relativt högt värde ur motståndssynpunkt.

Detta i och med att en seperationsbubbla uppstår på den inledande delen av taket (se ovanstående avsnitt) som återfäster i höjd med kåpornas placering. Det är inte önskvärt ur motståndssyndpunkt då ytterligare en störning ges till luftmassorna som är energialstrande. För att få en större förståelse för ovanstående resonemang poängteras att en ren skalmodell utan AC respektive defroster anbringar ett CD värde på 0,43. Den

ytterligare stegringen i motståndskoefficienten med tillhörande AC samt Defroster tyder på ytterligare en störning av luftmassorna som alstras av dessa konfigurationer (AC, defrostern).

Det som uppmärksammades under mätningarna var att vinsten för att centrera defrosterkåpan utmed takets centrumlinje inte gav någon märkbar reduktion av CD

koefficienten, vilket var runt ∆ CD = 0,005-0,01 beroende på position, jämfört med den

nuvarande defrosterplaceringen. Detta kan tyckas anmärkningsvärt då luftmassorna skulle möta AC-kåpan med mindre störd luftmängd då samma mängd passerar defrosterkåpans båda sidor.

En placering av AC-kåpan vid akterpartiet på taket av fordonet är ej heller önskvärt ur motståndssynpunkt. Ändå ser man denna typ på en mängd bussmodeller och har eventuellt placerats där pga. av andra hänsynstaganden än rent aerodynamiska. Flödet som når AC kåpan (original) styrs upp över denna vilket gör att fallhöjden från kåpans takkant till mark, blir högre än utan kåpa förlagd vid denna position. Vidare erbjuder inte denna orginalkåpa någon avlösningszon för flödet, utan luftmassorna avlöser i horisontell riktning från kåpan och undertrycket bakom bussen tenderar därvid att öka.

ovanstående situation. Under mätningarnas gång uppmättes en motståndskoefficient på mellan 0,47 och 0,49 beroende på defrosterplacering för en AC placerad vid bakkant.

Fig. 20.Original AC förlagd vid bakkant gör att flödet avlöser i horisontell riktning och skapar därmed en större undertrycksvak bakom bussen jämförelsevis ett flöde som avlöser direkt från busstaket.

Den modifierade AC kåpan ger andra egenskaper på flödet. Flödet som styrs upp över denna tenderar även att följa dess efterlöpande avlösningszon vilket gör att flödet erhåller en vinkel gentemot horisontalplanet. Därmed styrs flödet ner bakom bussen och undertrycket blir mindre markant än ovanstående orginalkåpa. Ett motståndstal på CD=0,43 erhölls i mätningarna för den bästa sammansättningen vad gäller modifierad

AC vid bakkant samt defrosterkåpa. Detta är ännu mer gynnsamt än originalet AC. Dock bör poängteras att detta förfarande vad gäller placering av kåpan förlägger tyngdpunkten ännu mer bakåt mot bussens akterparti (speciellt vid låga farter) vilket tillverkarna vill undvika. Det är möjligt att denna kåpkonfiguration kan tendera att skapa en lyftkraft som uppväger dess egen vikt vid de högre hastigheterna, därmed motverkar man en fast tyngdpunkt och låter den istället variera i takt med hastigheten i en större grad än nuvarande orginalkåpa. Detta kan eventuellt betraktas som en positiv aspekt då det är vid de högre hastigheterna som tyngdpunktens placering blir viktig.

Fig. 21. Rökvissualiseringen åskådliggör flödet som följer den modifierade kåpans

13. Åtgärd

En lösning att erhålla en mindre motståndskofficent är att förskjuta orginaldefrostern närmare framkanten utgångsvis från orginalposition, där värdena successivt kommer reduceras för att landa på en motståndskoefficient runt 0,44, vid en placering ca 3 cm från framkanen på skalmodellen. Det motsvarar en vinst på ∆CD= 0,02 genom att

förlägga defrosterkåpan vid fronten men bibehålla läget för AC kåpan. Vid utbytandet av defrosterkåpan gentemot den 2:a modifierade defrostern som förläggs vid framkant och där original AC:en bibehålls på orginalplats, frambringas en motståndsvinst på ∆CD= 0,03.

Vinsten som fås genom att byta ut orginaldefrostern gentemot den andra modifierade defrostern (2:a) är runt ∆CD= 0,01-0,015 beroende på placering av kåporna. För vissa

konfigurationer spelar defrosterns utseende en mindre roll ur motståndsynpunkt. Den första modifierade defrostern (1:a) rättvänd och felvänd kan sägas utgöra ett mellanting mellan orginaldefrosterns respektive den andra modifierade defrosterns värden

För att nå än större aerodynamisk vinst bör AC kåpan förläggas så nära framkanten på taket som möjligt. Detta förfarande gör att fronten får en rundare form och därmed reducerar man det återcirkulerade flöde som annars skulle ha bildats. Vidare erbjuder denna konfiguration fördelen att luftflödet når den eftermonterade defrosterkåpan med mindre störd luftmassa, detta föranleder att defroster-konstruktionen ej i detta fall har så stor påverkan på motståndet. Denna typ av åtgärd föranleder således att separationsbubblan reduceras samtidigt som man minimerar störningen av flödet när det väl återanlägger på bussen igen, då inga ytterligare hinder finns i vägen. Nedanstående konfiguration (fig. 22) ger upphov till CD=0,41 vilken är en sänkning av koefficienten

med 0,05 enheter. Det motsvarar en bränslebesparing på ca 1 L på 100 km. Det kan tyckas anspråkslöst med endast en besparing på 1 dl i milen. Men Swebus lät meddela att deras linjetrafikbussar är i bruk i ca 14 år och de färdas runt 6000 mil i snitt per år. Antar man att drivmedlet kostar runt 8 kr litern och bussen färdas runt 70000 mil sparas det ca 55 000-60 000 kr med att förlägga orginalkåpan vid framkant jämförelsevis nuvarande orginalposition. Medelhastigheten beräknas då vara runt 90 km/h (se diagram samt bilaga)

Fig. 23 Bränslebesparingen som funktion av motståndskoefficienten CD

Diagrammet ovan ger bränslebesparingen som funktion av CD koefficienten i Kr. Detta

är möjligt då vid en granskning av ovanstående bränsleekvation III) kan de ingående variablerna betraktas konstanta, där endast hastigheten varierar, vilket möjliggör en plottning. Drivmedelkostnaden betraktas variera mellan 7-8 Kr (Swebuss lät meddela runt 8 Kr) Sträckan kan tyckas vara i det lägsta laget för en linjetrafikbuss. Räknar man att en buss ligger i trafik ca 14 år och har en snittsträcka på dryga 6000 mil per år landar man på 85-90 000 mil totalt. Jag har varit försiktigare i dessa beräkningar och antar en snittsträcka på 5000 mil i snitt.

Delta CD=0,05 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 Hastighet (Km/h) B es p ar in g i K r

Drivmedelkostnad 7 kr. Sträcka 70 000 mil Drivmedelkostnad 8 kr. Sträcka 70 000 mil

Den modifierade AC kåpan inbjuder ytterligare en större vinst ur motståndsperspektiv, då denna skapar ett flöde som tenderar att följa AC kåpans utformning betydligt bättre än orginalkåpan. Den erbjuder en större frontradie kontra orginalkåpan samt större avlösningszon jämförelsevis original AC:en, vilket motverkar separation av flödet i en större grad. Studeras den bästa konfigurationsättning, vilket är att placera den modifierade AC:n vid framkant på takpartiet samt den 2:a modifierade defrostern centrerad 5-30 cm bakom. Denna typ av placering ger en CD vinst på ∆CD= 0,07. Det

motsvarar en bränslebesparing på ca 1,4 L/100 km (Se bilaga). Gäller samma resonemang som ovanstående där en buss färdas ca 70 000 mil med en drivmedelskostnad på 8 kr och en medelhastighet på 90 km/h erhålls en vinst på 75 000-80 000 kr i bränslekostnad.

Fig 24. Bränslebesparingen vid ∆CD = 0,07 i kr som funktion av hastigheten

Bästa konfiguration jämförelsevis original Delta Cd = 0,07 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 Hastighet (km/h) B es p ar in g i K r

Drivmedelkostnad 7 Kr. Sträcka 70 000 mil Drivmedelkostnad 8 Kr. Sträcka 70 000 mil

Fig. 25 Flödesvisualisering med rök åskådliggör luftflödet som följer den modifierande AC

kåpans konstruktion genom att styra ner luftmassorna på defrosterkåpans ovansida genom en mjuk övergång

Fig. 26. Den bästa konfigurationen där flödet från AC kåpan styrs ner på den efterföljande

defrosterkåpan, som tenderar i sin tur att styra ner flödet med en viss vinkel bakom skalmodellen. Vilket minimerar vaken.

14. Resultat

Genom en omplacering av original kåpan vad gäller AC som placerats vid framkant erhåller man följande.

• Seperationsbubblan elimineras eller reduceras kraftigt, då kåpan tenderar att ge bussen en större radie än vad en ren buss förmedlar mellan front och takparti. En differens på ∆CD= 0,05 fås i vinst för orginalkåpans förflyttning Seperationsbubblan

är radieberoende enligt ovanstående resonemang i tidigare stycken och flödet tenderar ej att skapa en lika stor energialstrande återcirkulation som bussen måste övervinna genom motoreffekt.

• Efter passage av AC och Defroster ges inte flödet något ytterligare hinder längs dess färd, vilket orginalplaceringen av kåporna skapade.

• De två ovanstående punkterna resulterar i en motståndsreducering som bör betraktas som en eftersträvande komponent för busstillverkarna och transportföretag. Detta med tanke på samhällets höga bränslepriser. Vidare minskar emissionerna och miljöpåfrestningen blir mindre.

• Genom att förlägga kåporna vid framdelen av bussen skapas även en viktförskjutning av bussens tyngdpunkt med en viss procentenhet, speciellt vid de lägre hastigheterna. Tyngdpunkten i dagens läge är relativt tillbakaskjuten, detta i och med att motorn är placerad i bakpartiet. Genom att förlägga en del av tyngdpunkten på fronten gör att markkontakten därvid blir högre på framhjulen och friktionstalet ökar.

Genom att placera en bättre lämpad AC kåpa likt den modifierade vid framkant enligt ovanstående diskussion, erhålls ytterligare en större vinst vad gäller de tre första punkterna.

Referenser

[1] Dr. V. Sumantran and Dr. Gino Sovran Warrendale, Vehicle Aerodynamics Pa.: Society of Automotive Engineers, 1996

[2] Jewel B. Barlow, William H. Rae, jr, Alan pope, Barlow low-speed Wind tunnel testingThird edition, John Wiley & Sons, Inc - 1999

[3] Smits, Alexander J, A physical introduction to fluid mechanics, John Wiley & Sons, Inc, 1999

[4] Wolf-Heinrich Hucho Warrendale, From Fluid Mechanics to Vehicle

Engineering, Fourth Edition, Warrendale, Pa. : Society of Automotive Engineers 1998

[5] Rose McCallen, Fred browand, James Ross (Editors), The Aerodynamics of heavy vehicles: Trucks, buses and trains, Springer- Verlag Berlin Heidelberg 2004 [6] Bruce L. Storms, Dale R. Satran†, James T. Heineck‡, Stephen M. Walker, A

Study of Reynolds Number Effects and Drag-Reduction Concepts on a Generic Tractor-Trailer

34th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit AIAA-2004-2251, NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA, 95223

[7] Closed-Test-Section Wind Tunnel Blockage Corrections for Road Vehicles, SAE/ SP-96/ 1176

[8] Carr G. W., Stapleford W. R, Blockage effects in Automotive Wind Tunnel Testing SAE 860093, 1986

[9] T. Han,D. C. Hammond, Jr, and C. J. Sagi, Optimization of Bluff-Body Rear-End Shape for Minimum Drag in Ground Proximity, Enginnering Mechanics Dept. General Motors Research Lab. 1990

[10] W. Lanser, J. Ross & A. Kaufman, Aerodynamic Performance of a Drag Reduction Device on a Full-Scale Tractor/Trailer SAE, 912125, 1991 [11] Principal Investigator: Bruce L. Storms, Technical Program Manager: Jules

Routbort, Technology Development Area Specialist: Sidney Diamond,

Participants Dale R. Satran, James T. Heineck, Stephen M. Walker, A Study of Reynolds Number Effects and Drag-Reduction Concepts on a Generic Tractor-Trailer, AerospaceComputing, Inc. NASA Ames Research Center M/S/260-1

Moffett Field, CA 94035

[12] JUKKA SAKARI TIAINEN, Use of CFD to design a future experimental

windtunnel program to investigate the blockage effect of bluff bodies with

significant upwash Supervisors: Dr. P.A. Rubini, Dr. K.P. Garry, September 2002 [13] D.R. Arcas, L. G. Redekopp, Drag Reuction of two-Dimensional Bodies by

Addition of Boat Tails

[14] Edwin J. Saltzman Analytical Services & Materials, Edwards, California Robert R. Meyer, Jr. A Reassessment of Heavy-Duty Truck Aerodynamic Design Features and Priorities, National Aeronautics and Space Administration, Dryden Flight Research Center,Edwards, California 93523-0273

[15] Marie Andersson, Tunga lastbilars koldioxidutsläpp, en kartläggning av tillståndet i Sverige, Miljöteknik, 2005 Nr: E 3153

http://www.vv.se/filer/24594/rapport.doc

[16] Principal Investigator: Fred Browand, Technology Development Area Specialis:t Sidney Diamond, Technical Program Manager: Jules Routbort, Experimental Measurement of the Flow-Field of Heavy Trucks,

Contractor: National Energy Technology Laboratory, Pittsburgh, PA 15236-0940

http://www.eere.doe.gov/vehiclesandfuels/pdfs/program/2004_hv_optimization.pdf

[17] Fred Browand and Charles Radovich,Fuel Savings by Means of Flaps Attached to the Base of a Trailer: Field Test Results,University of Southern California Mathieu Boivin, Norcan Aluminum Inc. 2005-01-1016

http://www.transtexcomposite.com/SAE_2005_BnW_mod2.pdf

Kontaktpersoner under projektet:

• Johnny Petersson, Utvecklingsingenjör vid Scania. Uppgifter rörande klimatsystem, ritningar samt ytterligare information vad gäller teknisk information i projektet • Per Åke Thorlund, FOI, Råd vad gäller mätningsförfarande samt hjälp vid utlåning

av bussmodell och kringliggande utrustning

• Gustav Eneborg, Universitetsadjunkt i flygteknik vid Mälardalens Högskola, Bidrog

med teknisk support vid mätningsförfarande samt upplysningar rörande delar av arbetet.