Flödessimulering och karossdesign för RCV-D

(1)

INOM

EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP

STOCKHOLM SVERIGE 2021,

Flödessimulering och karossdesign för RCV-D

Hur påverkar formen på karossen luftmotståndet på en bil?

ROBERT SIRIDOL KJELLBERG

LINN SIRIDOL KJELLBERG

(2)

Fl¨ odessimulering och karossdesign f¨ or RCV-D

Hur p˚ averkar formen av karossen luftmotst˚ andet p˚ a en bil?

Robert Siridol Kjellberg: roert@kth.se Linn Siridol Kjellberg: linnsk@kth.se VT2021

SA114X - Examensarbete inom teknisk fysik, grundniv˚a.

SA115X - Examensarbete inom fakostteknik, grundniv˚a.

Amnesansvarig: Annika Stensson Trigell¨

(3)

Sammanfattning

Research Concept Vehicle (RCV) är ett fordon p˚a vilken det utförs experiment för att värdera och verifiera forskningsresultat. Fordonet har utvecklats p˚a Integrated Transport Research Lab (ITRL) vid KTH. Detta fordon saknar en kaross och syftet med detta arbete är att ge ett designförslag p˚a en kaross till en ny version, RCV- Dynamic, som minskar fordonets motst˚andskoefficient CD.

En kort litteraturstudie görs för att först˚a hur luftmotst˚andet p˚averkas av formen p˚a en kaross. Därefter skapas det en karossdesign i CAD programmet Solid Edge 2020.

Till slut utförs det en flödessimulering i programmet Ansys Fluent för att utvärdera karossens luftmotst˚and.

Motst˚andskoefficienten uppn˚adde ett värde p˚a CD = 0.343 i detta arbete. Den version av Ansys Fluent som används i detta arbete har en begränsning p˚a hur fin meshen kan bli. Detta p˚averkar lösningens noggrannhet och det rekommenderas att ˚aterskapa detta arbete med en version p˚a Ansys Fluent som inte har en begränsning p˚a hur fin meshen kan bli.

(4)

Abstract

Research Concept Vehicle (RCV) is a vehicle developed at Integrated Transport Rese- arch Lab (ITRL) under KTH and the intended use of RCV is to undertake experiments and verify results from research. As of today, this vehicle is missing a vehicle body.

The aim of this study is to propose a design for a new vehicle body, RCV-Dynamic, such that the vehicle’s drag coefficient CD is reduced.

A short review of the literature is done to better understand how the shape of a vehicle body is a↵ecting a vehicle’s drag. Thereafter, a model of the vehicle body is created using the CAD software Solid Edge 2020. Finally, a fluid flow simulation is done using the software Ansys Fluent to evaluate the drag coefficient of the designed vehicle body.

A value for the drag coefficient of CD = 0.343 was achieved. The version of Ansys Fluent that was used had a restriction on the quality of the mesh. This restriction has an impact on the solution’s accuracy and it is recommended that this study is replicated using a version of Ansys Fluent without the aforementioned restriction.

(5)

F¨orord

Detta kandidatexamensarbete har genomfarts av de tv˚a KTH-studentera Robert Siri- dol Kjellberg och Linn Siridol Kjellberg, med handledning av Mikael Nybacka. Nedan f¨oljer en kort redog¨orelse av ansvaruppdelningningen mellan studentera.

Robert har fokuserat p˚a att utföra flödessimuleringen p˚a de olika bilmodellerna i An- sys Fluent, specifikt meshningen av bilen och även lösningen i programmet. Utöver det har Robert ansvarat för att skriva teorin, metodbeskrivningen i Ansys och även begränsningarna i Ansys.

Linn har fokuserat p˚a att utföra modelleringen i Solid Edge , specifikt skapandet av 3D-ritningar av de olika karossidéerna. Linn har därtill ansvarat för inledningen, metodbeskrivningen i Solid Edge 2020 och även begränsningarna i Solid Edge. Därefter har de tv˚a studenterna arbetat p˚a resterande delar i rapporten gemensamt. Insamling- en för relevanta källor har även det gjorts i samarbete.

Vi vill ¨aven tacka Mikael Nybacka f¨or en god handledning och assistans genom detta arbete.

Stockholm, 15 juni 2021

(6)

Inneh˚ all

1

Inledning 1

1.1

Bakgrund

. . . 1

1.2

Syfte

. . . 2

1.3

Avgr¨ ansningar

. . . 2

1.4

Teori

. . . 2

1.4.1

Aerodynamisk kraft

. . . 2

1.4.2

CFD - Computational fluid dynamics

. . . 3

1.5

H˚ allbarhet

. . . 5

2

Litteraturstudie 6

2.1

Hur karossens form p˚ averkar luftmotst˚ andet

. . . 6

2.1.1

Framsida

. . . 6

2.1.2

Vindruta och tak

. . . 8

2.1.3

Baksida

. . . 9

2.1.4

Base bleed

. . . 13

3

Metod 14

3.1

Skapande av modell

. . . 14

3.2

F¨ oreberedelse av modell

. . . 15

3.3

L¨ osning

. . . 16

3.3.1

Generering av mesh

. . . 16

3.3.2

Randvillkor

. . . 17

4

Resultat 18

4.1

˚ Aterskapandet av resultat fr˚ an tidigare studier

^{. . . .} ¹⁸

4.2

Karossdesign

. . . 19

4.2.1

Modell 1

. . . 19

4.2.2

Modell 2

. . . 20

4.2.3

Modell 3

. . . 21

4.2.4

Modell 4

. . . 22

4.2.5

Modell 5

. . . 23

4.2.6

Modell 6

. . . 24

5

Diskussion 25

5.1

Begr¨ ansningar i Solid Edge 2020

. . . 25

5.2

Begr¨ ansningar i Ansys Fluent

. . . 25

5.3

Karossdesign

. . . 26

6

Slutsatser 28

7

Rekommendationer 29

(7)

1 Inledning

I detta avsnitt kommer bakgrunden till projektet, grundl¨aggande teori och syfte presenteras. Detta avsnitt avslutas sedan med ett perspektiv p˚a h˚allbarhet.

1.1 Bakgrund

Dagens utveckling av fordon har kommit l˚angt sedan den första bilen uppfanns. Redan p˚a 1700-talet konstruerade den franske ingenjören Nicolas-Joseph Cugnot den första

˚angdriva bilen, i bemärkelsen att den var väldens första självg˚aende landfordon som var avsedd att transportera människor [1]. Dock tror man att den första prototypen av en bil gjordes p˚a 1600-talet i Kina av Ferdinand Verbiest, som en g˚ava till den kinesiska kejsaren. Denna bil var inte gjord för att ta n˚agra passagerare och det finns inget fysiskt bevis om att n˚agon modell n˚agonsin har byggts, endast detaljerade ritningar p˚a bilen har funnits [2].

Figur 1: Överblick över hur RCV bilen ser ut med chassi (svart rörstruktur) och basplatta.

Projektet RCV, Research Concept Vehicle, fokuserar p˚a att utföra experiment p˚a ett forskningsbaserat konceptfordon. Detta fordon ska användas för att demonstrera, värdera och verifiera nuvarande och framtida forskningsresultat.

(8)

1.2 Syfte

Bilen i sin nuvarande form, som kan ses i figur 1, saknar en kaross. Bilen utan kaross utsätts för ett stort luftmotst˚and och kräver d˚a mer energi under drift vilket medför att ett större batteripaket behövs men det ökar oönskat bilens totalvikt. Syftet med detta arbete är d˚a att ge designförslag till en kaross som minskar luftmotst˚andet p˚a bilmo- dellen. Designen av karossen görs i CAD-programmet Solid Edge och flödessimueringar genomförs i programmet Ansys Fluent för att kunna utvärdera hur aerodynamisk bilen blir med karossen.

1.3 Avgr¨ ansningar

De avgr¨ansningar som gavs var att chassit och basplattan inte kunde modelleras om.

Buren som omsluter bilens fjädring (bl˚a rörsturkturen i figur 1) kan omkonstrueras om vid behov. Bilen skall ocks˚a kunna n˚a en topphastighet p˚a 25 m/s med ett rimligt värde p˚a motst˚andskoefficienten C_D. P˚agrund av tidsbegränsningarna valdes det även inte att beakta hur de olika delarna skulle monteras, utan denna studie gjordes enbart för att se hur en modell p˚a kaross p˚averkades av luftmotst˚andet.

1.4 Teori

1.4.1 Aerodynamisk kraft

En kropp nedsänkt i en strömmande fluid utsätts för en kraft fr˚an fluiden. Denna kraft kallas för den aerodynamiska kraften och kan delas upp i tv˚a delar. En del som

är vinkelrät mot friströmmens riktning och kallas för lyftkraften. Den andra delen är i samma riktning som friströmmen och kallas för dragkraften. Dessa krafter illustreras i figur 2 där U är friströmmen, R är den aerodynamiska kraften, L är lyftkraften och D är dragkraften [4].

Figur 2: Dragkraft och lyftkraft p˚a en kropp neds¨ankt i en str¨ommande fluid.

Den aerodynamiska kraften uppkommer p˚agrund av friktion mellan fluiden och kroppen och tryckskillnader p˚a kroppens yta. L˚at P vara trycket p˚a kroppens yta och TS

vara friktionskraften per areaenhet p˚a kroppens yta. D˚a kan dragkraften D skrivas

(9)

D = ˆ

S

P (ˆi· ˆn)dS + ˆ

S

ˆiT_SndSˆ (1)

I ekvation (1) är î friströmmens riktning, S kroppens yta och ˆn är normalvektorn till kroppens yta.

F¨or inkompressibla Newtonska fluider g¨aller det att [5]:

⌧ij = µ(@U_i

@xj

+@U_j

@xi

) (2)

I ekvation (2) är ⌧ij skjuvspänningens riktning i den j:te riktningen p˚a ett ytelement vars normalvektor pekar i den i:te riktningen och µ är fluidens viskositet. För isotropa fluider gäller det att µ är konstant. Om ekvation (2) utvärderas p˚a kroppens yta erh˚alls TS.

Fr˚an ekvationerna (1) och (2) kan dragkraften p˚a en kropp beräknas om fluidens hastighet och tryck är känt. När dragkraften är känt kan en kropps motst˚andskoefficient CD beräknas [4]:

CD = 2D

A⇢U² (3)

I ovanst˚aende ekvation är ⇢ luftens densitet och A är kroppens yta projicerad p˚a planet som är vinkelrät mot î. CD är ett m˚att p˚a hur aerodynamisk en kropp är och konstanten beror p˚a kroppens form. Genom att ändra p˚a en kropps form kan d˚a värdet p˚a CD minskas och därmed ocks˚a dragkraften som verkar p˚a kroppen.

För vägfordon st˚ar dragkraften som uppkommer fr˚an tryckskillnader för cirka 80-90%

av ett v¨agfordons totala dragkraft [6].

1.4.2 CFD - Computational fluid dynamics

Navier-Stokes ekvation (4) tillsammans med kontinuitetsekvationen (5) gör det möjligt att bestämma en fluids hastighet och tryck. D˚a en fluids tryck och hastighet är känt kan exempelvis dragkraften och lyftkraften beräknas för en kropp nedsänkt i fluiden.

@U @U 1@P µ @²U

(10)

approximativa lösningar med numeriska metoder. En metod är att direkt lösa ekvationerna (4) och (5) med givna randvillkor. Denna metod är g˚angbar om Reynolds tal, Re, är l˚agt. För stora Reynolds tal är beräkningskostnaderna väldigt stora och andra metoder används istället [5].

För att kunna bestämma en lämplig metod m˚aste det avgöras om flödet är inkompressibelt. Inkompressibelt flöde definieras av att en strömlinje har en konstant densitet.

Om ett fl¨ode har ett Machtal M < 0.1 kan fl¨odet antas vara inkompressibel [5]. Mach- talet definieras enligt ekvation (6):

M = U

c (6)

där U är fluidens fart och c är fluidens hastighet. I detta arbete har bilen en hastighet p˚a 25 m/s och Machtalet blir d˚a M = 0.073. Flödet är allts˚a inkompressibelt.

För flöden med Reynolds tal Re > 500 000 har flödet blivit turbulent och metoder som modellerar turbulens m˚aste användas [5]. Reynolds tal definieras enligt ekvation (7):

Re = ⇢U L

µ (7)

där L bilens längd. I detta arbete har bilen en maximal längd p˚a 3 m och luften har viskositeten µ = 1.7894⇥ 10 ⁵ _ms^kg och densiteten ⇢ = 1.225 _m^kg3. Reynolds tal beräknades enligt ekvation (7) till Re > 5 000 000. Flödet är allts˚a turbulent.

För att kunna modellera det turbulenta flödet används RANS-ekvationerna. Modellen bygger p˚a att en uppdelning av fluidens hastighet och tryck görs enligt ekvation (8) och (9):

Ui =hUii + ui (8)

P = hP i + p (9)

där den första termen avser ett tidsmedelvärde och den andra termen är en fluktue- rande del. Substituera ekvationerna (8) och (9) in i de inkompressibla Navier-Stokes ekvationerna för att erh˚alla RANS-ekvationerna [5]:

@hUii

@t +hUji@hUii

@xj

= 1

⇢

@hP i

@xi

+ µ

⇢

@²hUii

@xj@xj

@huiu_ji

@xj

(10)

För att lösa ekvation (10) m˚aste den sista termen, som är okänd, modelleras. I detta arbete görs det med den s˚a kallade SST-modellen. Denna modell fungerar bra för ogynnsamma tryckgradienter och separerande flöden och behöver en väldigt fin mesh i närheten av väggar [5].

(11)

1.5 H˚ allbarhet

Idag är behovet av fordon som drar mindre bränsle stort. En metod för att reducera fordons bränsleförbrukning är att, med olika metoder, minska fordonets luftmotst˚and.

Det vill säga optimera aerodynamiken p˚a transportmedlet. För fordon som använder fossila bränslen som drivmedel är det extra viktigt att reducera bränsleförbrukningen, d˚a mindre förbrukning resulterar i mindre utsläpp av växthusgaser i atmosfären. Lägre bränslekonsumption resulterar även att det blir mindre kostnader för individen som

äger fordonet. Lägre konsumtionen av bränsle leder ocks˚a till att vi inte behöver ut- vinna lika mycket olja, som även det bidrar till den ökade växthuse↵ekten, vilket gör att vi inte längre behöver vara lika beroende av oljeproduktionen.

För eldrivna fordon är det i stor omfattning viktigt med att minska luftmotst˚andet p˚a transportmedlet. Ett minskat luftmotst˚and bidrar till att fordonet kan öka sin maximala körsträcka och att batteristorleken kan minska, vilket leder till lägre vikt och

även lägre utsläpp vid tillverkning av komponenter för batteriet. Den ökade körsträckan kan göra att eldrivna fordon blir ett mer attraktivt alternativ framför fordon som drivs av fossila bränslen. Ett resultat av detta är att fler köper eldrivna fordon.

En etisk aspekt av projektet kan var att titta p˚a hur avrundningen/omformning- en av bildens kanter p˚a huven kan göras med avseende p˚a hur säkert det blir för g˚angtrafikanter. Bilens huv rundas av p˚agrund av b˚ade estetiska skäl men även säkerhetskäl. D˚a för vanliga passagerarbilar är det kof˚angaren som ska agera för att minska skador p˚a oskyddade trafikanter vid kollision, detta bortses i detta projekt d˚a ingen kof˚angare modelleras. Dock p˚averkar formen p˚a kof˚angaren hur säker den är och därav dras det en jämförelse mellan hur formen p˚a huven/kof˚angaren skall se ut för att minimera skador p˚a g˚aende. Med detta kan man tänka sig att man behöver avväga hur mycket man kan runda av huven för att kunna reducera luftmotst˚andet kontra hur detta kan p˚averka säkerheten för fotgängare. De flesta skador bland fotgängare och ett motordrivet fordon är relaterat till foten, benen eller höften och detta beror p˚a utformningen av kof˚angaren [7].

(12)

2 Litteraturstudie

I detta avsnitt kommer det att presenteras hur olika konfigurationer och design p˚a karossen kan p˚averka luftmotsd˚aendet p˚a en bilmodell.

2.1 Hur karossens form p˚ averkar luftmotst˚ andet 2.1.1 Framsida

Figur 3: Parametrar som beskriver formen hos ett fordonsframsida [6].

Ett fenomen, som kallas avlösning, vill undvikas. Om avlösning uppst˚ar p˚a ett fordons framsida, bildas det separationsbubblor. I dessa bubblor uppst˚ar det tryckskillnader vilket gör att det bildas ett lokalt motst˚and p˚a bilen. Dessa bubblor p˚averkar även flödet nedströms [6].

P˚a en bil vill man försumma all avlösning p˚a framsidan av bilen. Luftflödet p˚a framsidan av bilen p˚averkas mycket av detaljerna p˚a huven. För passagerarbilar vill man skapa en mer avrundad framsida. Dels p˚agrund av estetiska skäl och även säkerhetsskäl för fotgängare, men även för att minska avlösningen p˚a bilen front. Man kan minska avlösningen genom att ändra parametrarna enligt figur 3, där parametrarna är förklarade i figuren.

(13)

Figur 4: Hur radien p˚a kanten p˚averkar motst˚andet p˚a ett block[6].

Radien p˚a kanten av huven kan approximeras enligt figur 4 där bilen betraktas som ett rätblock med bredden b = 1674, 4mm och längden l = 3000mm. Bilens längd varierar beroende p˚a konfigurationen p˚a baksidan som diskuteras i avsnitt 2.1.3 men uppskattas för dessa beräkningar. Vi ser att motst˚andkoefficientent sjunker drastiskt runt kvoten r/b = 0,1. Denna kvot användes när bilen skulle modelleras.

(14)

2.1.2 Vindruta och tak

Figur 5: Parametrar som beskriver formen hos ett fordons vindruta [6].

Andra parameter som p˚averkar aerodynamiken p˚a en passagerarbil visas och beskrivs i figur 5. Storleken p˚a separationbubblorna som bildas vid basen av vindrutan beror p˚a överg˚angsvinkeln " fr˚an huv till vindruta. Detta ger att det önskas en större

överg˚angsvinkel för att reducera dessa bubblor. Detta kan göras genom att öka vinkeln p˚a vindrutan [6]. I figur 6 kan det ses att genom att öka f˚as ett mindre värde p˚a motst˚andskoefficienten C_D.

(15)

Figur 6: Hur vinkeln p˚a vindrutan p˚averkar motst˚andskoefficientetn p˚a en Audi 100 III [8]

2.1.3 Baksida

För att p˚a ett enkelt sätt beskriva ett fordons baksida s˚a införs ett antal olika parametrar. I i figur 7 presenteras de olika parametrarna och vad de beskriver. De parametrarna som tas i beaktning är = vinkel p˚a sidorutorna, ' = vinkeln p˚a bakrutan,

D = di↵usorvinkel och = avsmalnad av bakdel.

(16)

Figur 7: Parametrar som beskriver formen hos ett fordons baksida [6].

Ett fordons baksida har stor p˚averkan p˚a luftmotst˚andet och genom att förändra formen p˚a baksidan kan luftmots˚andet minskas. Ett sätt att minska luftmotst˚andet p˚a bilen är vinkeln ' justeras. För en squareback bil kan man se hur vinkel p˚a bakrutan p˚averkar motst˚andet i figur 8. Om rutan sänks med mer än 10, kommer CD att öka [6].

Figur 8: Visar hur vinkel p˚a bakrutan f¨or en squareback bil p˚averkar motst˚andskoefficienten [6].

(17)

Enligt [8] är = _D. Om underdelen av bilen höjs n˚agra grader kan vaket som bildas bakom bilen minska. Motst˚andskoefficienten sjunker med avseende p˚a di↵usorvinkel och di↵usorlängden xd enligt figur 9. Med en längre di↵usor som har en liten vinkel kan man minska motst˚andet p˚a bilen avsevärt. Med en för stor vinkel p˚a di↵usorn släpper flödet fr˚an di↵usorns tak och e↵ekten kan försämras. [8].

Figur 9: Hur dimensioner p˚a en di↵usor p˚averkar motst˚andskoefficicenten [8].

Avsmalningsvinkeln av fordonets baksida p˚averkar fordonets motst˚and enligt figur 10. Det innebär att parametrarna , , och D ändras. En riktlinje för vinkel

är 22ô men beror sedan p˚a hur flödet kring bilen ser ut [6].

(18)

Figur 10: Tailtaper [6].

I figur 11 kan man se hur l¨angden x och positionen±z p˚averkar motst˚andskoefficienten.

Genom att tillämpa en spoiler p˚a bilen förlängs fordonets tak. Detta gör att man kan minska trycket p˚a bakkanten av bilen vilket leder till att det reducerar motst˚andet och baklyften p˚a fordonet [6].

(19)

Figur 11: Hur l¨angden och positionen av en spoiler p˚averkar motst˚andet [6] .

2.1.4 Base bleed

När en bil ˚aker i högre hastigheter ökar stagnationstrycket p˚a olika delar av bilens yta medan trycket p˚a baksidan av bilen sjunker p˚agrund av flödesseperationen. Med en base bleed kan man minska dessa separationer och därmed även minska vaket genom att jämna ut undertrycket som skapas p˚a baksidan av bilen i vaket. En base bleed- konfiguration best˚ar av tv˚a konvergerande rör som leder luft till vakregionen fr˚an bilens framsida enligt figur 12a. Tvärsnittsarean p˚a rören är större p˚a bilens framsida

¨an baksida enligt figur 12b. Detta resulterar i att vakets storlek kommer att minska och d¨armed ocks˚a bilens dragkraft [9].

(20)

3 Metod

I detta projektet används tv˚a programvaror. Den första är Solid Edge 2020 där ka- rossdesignen modelleras och den andra är Ansys Fluent där flödessimuleringarna ställs upp. Projektet inleddes med att bekanta sig med dessa programvaror. Detta innebar att göra tutorials givna av Solid Edge och för Ansys Fluent.

Nästa steg i projektet var att ˚aterskapa resultat fr˚an ett tidigare projekt där filer och resultat var givna av handledaren. Detta gjordes för att säkerställa att alla delar i Ansys var lika gjord för att sedan jämföra de nya resultaten med de gamla p˚a ett korrekt sätt, för att studera om förbättringar har gjorts.

En kort litterturstudie gjordes för att kunna f˚a en först˚aelse för hur formen p˚a en kaross p˚averkar luftmotst˚andet. Denna litteraturstudie lade även grunden för hur karossen skulle designas.

3.1 Skapande av modell

Givet CAD-filer med specifika dimensioner p˚a bilen och även aerodynamiska modeller fr˚an tidigare studier, modellerades den första modellen utifr˚an de givna av- gränsningarna. Den första modellen skulle agera som en utg˚angspunk för senare modeller och gjordes som en ordered part i Solid egde för att enkelt ändra olika dimensioner och även underlätta för senare studier. Därefter, med resultaten fr˚an Ansys, kunde senare versioner av bilen optimeras. Den nya modellen gjordes bredare och längre än modellerna fr˚an de givna CAD-filerna. Bilen gjordes som en part för att underlätta mesh-processen i Ansys.

(21)

(a) Modell av RCV som mest liknar den verkliga fr˚an tidigare studie.

(b) Modifiering av RCV bilen fr˚an tidigare studie.

(c) Utg˚angsmodell f¨or modellering av bilen.

Figur 13: Tv˚a givna CAD-filer och f¨orsta modellerade bilmodell.

D¨arefter, med inspiration fr˚an avsnitt 2, litteraturstudie, modellerades fler modeller som kan ses i avsnitt 4, resultat.

3.2 F¨ oreberedelse av modell

CAD-modellerna importerades till programmet Ansys SpaceClaim för att förbereda modellen inför meshning. För att kunna utföra en simulering i Ansys Fluent s˚a behövs det en fluiddomän. Den skapas i Ansys SpaceClaim:

(22)

Inuti fluiddomänen skapades ytterligare en kropp som är grön i figur 14. Det är

önskvärt att f˚anga upp luftflödets struktur i närheten av bilen och i vaket. Därför kommer denna kropp att ha en ännu finare mesh än resten av fluiddomänen. Fr˚an och med nu kommer att denna kropp att hänvisas som vakdomänen. Innan modellen meshas s˚a aktiveras ”supress for physics”. D˚a meshas inte bilen vilket gör att beräkningstid sparas och kvalitén p˚a meshen blir bättre för fluiddomänen.

Eftersom bilen best˚ar av tv˚a symmetriska halvor kan fluiddomänen delas upp och man behöver d˚a endast utföra simuleringen p˚a ena halvan. Detta är ett enkelt sätt att spara beräkningstid och för att kunna ha en ännu finare mesh.

3.3 L¨ osning

3.3.1 Generering av mesh

Modellen meshas i Fluent Meshing. Bilens yta har en upplösning mellan 2.66632 och 2730.314 mm. Size control type ”curvature” används med curvature normal angle satt till 18 grader. Antalet gränsskikt som genereras p˚a ytan av stationära väggar är 8.

Vakdom¨anen har en maximal uppl¨osning p˚a 81 mm.

Figur 15: Mesh p˚a bilens yta och fluiddom¨anens ytor.

(23)

Figur 16: Gr¨ansskikt p˚a bilens yta.

Volym-meshen fylls med poly-hexacore med en maximal cell¨angd p˚a 2730.314 mm.

Fluiddomänens tak, väggar och mark sätts till typen ”symmetry”. D˚a kommer det inte att genereras gränsskikt p˚a dessa ytor. Detta är önskvärt eftersom varken marken, taket eller väggen rör sig i förh˚allande till luften i verkligheten.

3.3.2 Randvillkor

När meshen har genererats är det dags för flödessimuleringen, som utförs i Ansys fluent. I tabell 1 presenteras de olika randvillkoren. Fluiddomänens tak, sida och mark ändras till typen ”Wall”. I verkligheten är bilen i rörelse men i simuleringen s˚a

är bilen stationär medan fluiddomänens sida, tak och mark rör sig.

Tabell 1: Randvillkor som anv¨ands i Ansys fluent.

Yta R¨orelse Typ Villkor

Fluiddom¨an tak Translation x-led Wall 25 m/s

Fluiddom¨an sida Translation x-led Wall 25 m/s

Fluiddom¨an symmetri Station¨ar Symmetry -

(24)

4 Resultat

4.1 ^˚ Aterskapandet av resultat fr˚ an tidigare studier

Fr˚an de givna CAD filerna testades modellen enligt figur 13b vilket gav koefficienten CD = 0.405. Det diskuterades även om bilen skulle modelleras utan dörrar. Modellen var formad som figur 13b med utskurna dörrar i kroppen enligt 17. Modellen utan dörrar gav värdet CD = 0.625. Med dessa resultat valdes det endast att modellera bilen med dörr d˚a den var en markant skillnad p˚a värdet av motst˚andkoefficenten CD.

Figur 17: Modell utan d¨orr fr˚an tidigare studie.

(25)

4.2 Karossdesign 4.2.1 Modell 1

För modell 1 uppn˚addes värdena för CD och CL till 0.461 respektive -0.015. Modell 1 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 18 och figur 26, i bilagor, kan resultatet fr˚an flödessimulering av design 1 betraktas. Storheterna kan ses i tabell 2 i bilagor.

(a) Cp p˚a bilens yta. (b) Luftens fart i symmetriplanet.

(c) RCV-D karossdesign 1.

Figur 18: Resultat av modell 1.

(26)

4.2.2 Modell 2

För modell 2 uppn˚addes värdena för CDoch CLtill 0.378 respektive 0.014. Modell 2 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 19 och figur 27, i bilagor, kan resultaten fr˚an flödessimulering av design 2 betraktas. Storheterna kan ses i tabell 3 i bilagor.

(c) RCV-D karrosdesign 2.

(27)

4.2.3 Modell 3

För modell 3 uppn˚addes värdena för CD och CL till 0.409 respektive -0.0084. Modell 3 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 20 och figur 28, i bilagor, kan resultaten av flödessimuleringen av design 3 betraktas. Storheterna kan ses i tabell 4 i bilagor.

(28)

4.2.4 Modell 4

Tv˚a versioner p˚a modell 4 gjordes, en med spoiler och en utan spoiler. Endast resultat f¨or versionen med spoiler visas h¨ar. Versionen utan spoiler finns i bilagor.

För modell 4 uppn˚addes värdena för CD och CL till 0.381 respektive -0.035. Modell 4 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 21 och figur 29, i bilagor, kan resultatet fr˚an flödesimuleringen av design 4, med spoiler, betraktas. I bilagor figur 30 och figur 31 kan resultatet betraktas p˚a versionen utan spoiler. Storheterna kan ses i tabell 5 i bilagor.

(29)

4.2.5 Modell 5

Tv˚a versioner gjordes p˚a modell 5, en med base bleed och en utan. Värdet p˚a motst˚andskoefficienten för modellen med base bleeden var n˚agot lägre men inte markant. Därav valdes endast versionen med base bleeden att visas i rapporten.

För modell 5 uppn˚addes värdena för CD och C_L till 0.378 respektive -0.029. Modell 5 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 22 och figur 32, i bilagor, kan resultatet fr˚an flödessimuleringen av design 5 betraktas. Storheterna kan ses i tabell 6 i bilagor.

(30)

4.2.6 Modell 6

Tv˚a versioner gjordes p˚a modell 6, en med di↵usor och och en utan. För denna modell förbättrades inte motst˚andskoefficienten med dessa dimensioner p˚a di↵usorn. Dock förbättrades lyftkoefficienten och vaket minskades bakom bilen.

För modell 6 med di↵usor uppn˚addes värdena för CD och C_Ltill 0.343 respektive 0.047.

Samma modell utan di↵usor uppn˚addes värdena för CD och CL till 0.342 respektive 0.081. Modell 6 har en projicerad frontarea p˚a 1.11 m². I figur 23 och figur 37, i bilagor, kan resultatet fr˚an flödessimuleringen av design 5 betraktas. Storheterna kan ses i tabell 7 i bilagor.

(c) RCV-D Karossdesign 6.

I bilagor figur 38 kan modell 6 betraktas med LIDAR sensorer och plattor framför däcken. Figur 39 visar resultaten för denna modell. Plattorna är in˚atriktade med 15 för att öka luftflödet under bilen.

I bilagor figur 40 kan samma modell ses med LIDAR sensorer och plattor framför däcken. Plattorna för denna modell är ut˚atriktade med 15 för att undersöka hur det p˚averkade motst˚andet. I figur 41 kan resultaten fr˚an denna modell betraktas.

(31)

5 Diskussion

5.1 Begr¨ ansningar i Solid Edge 2020

Karossen för bilen modellerades som en part i Solid Edge. Detta innebär att hela modellen är en kropp och inte modelleras i flera delar för att sedan sättas ihop. Detta gjordes för att underlätta meshningsprocessen i Ansys fluent d˚a icke sammansatta kroppar inte kunde meshas. Det gick inte heller att modellera sm˚a detaljer p˚a bilen d˚a samma problem uppstod under meshningen. Begränsningarna under modelleringen i Solid Edge berodde p˚a vad som gick att mesha i Ansys Fluent.

5.2 Begr¨ ansningar i Ansys Fluent

I detta arbete användes en version av Ansys Fluent som begränsade det maximala antalet av celler till 512 000. Detta resulterar att meshen som skapas kan inte bli hur fin som helst. För SST-modellen som används i detta arbete krävs det en fin mesh i närheten av bilens yta. Bilens yta kräver ett värde p˚a y⁺ < 5 [5].

Figur 24: y⁺ p˚a ytan av modell 6.

I figur 24 kan det ses att y⁺värdet p˚a bilens yta l˚angt överskrider det rekommenderade y⁺ värdet p˚a 5. För att f˚a fram bra resultat kan det vara bra i framtiden att använda en annan version av Ansys Fluent som till˚ater ett obegränsat antal celler och p˚a s˚a

(32)

5.3 Karossdesign

Modell 1

Den första versionen modellerades efter de givna CAD filerna för att dimensionera bilen efter de exakta m˚att givna av figur 13a. Modellen gjordes även bredare s˚a att hela däcken skulle täckas av karossen för att minska trycket p˚a däcken. Figur 25a visar hur karossen modellerades efter däcken fr˚an de givna CAD filerna. Denna ändring gjorde s˚a att frontarean ökade. Det blev d˚a lättare att göra fronten rund i senare modeller. Bredden p˚a bilen är densamma för alla modeller.

P˚a denna version testades ¨aven hur en di↵usor skulle p˚averka motst˚andet p˚a bilen. En simulering med och utan di↵usor gjordes p˚a samma kaross. I figur 25a visas di↵usorn.

Dimensionerna kan ses i tabell 2. Resultaten visar att CD och vaket minskade f¨or karossen med di↵usor. Endast modellen med di↵usor visas i rapporten.

(a) RCV-D modified V9 fr˚an tidigare studie.

(b) Di↵usor test p˚a modell 1

Figur 25: Modifieringar f¨or RCV-D

Modell 2

För resultatet fr˚an modell 1 kan det ses att trycket är större framtill och även vid

överg˚angen fr˚an huven till vindruta. Modell 2 har en lägra huv och nosen rundades av för att minska trycket p˚a bilens nos. Vinkeln p˚a huven och vindruta gjordes större för att f˚a en större överg˚angsvinkel för att minska trycket p˚a vindrutan och för att förhindra att flödet släpper.

Flödet släpper p˚a sidan av bilen och det valdes d˚a att runda av bilen mer med en mindre avsmalningsvinkel p˚a baksidan av bilen. Även huvens kanter rundades av. För att minska vaket ännu mera valdes det att ha en större vinkel p˚a bakrutan. Med dessa justeringar minskade värdet p˚a C .

(33)

Modell 3

Fr˚an resultaten av modell 2 kan det ses att trycket har minskat vid nosen och

överg˚angen fr˚an huven till vindrutan jämfört med modell 1. Dock var det fortfarande ganska högt tryck vid dessa regioner s˚a det valdes att runda av och sänka nosen

ännu mera. Det kan även ses att flödes fortfarande släpper vid sidan av kroppen men längre bak än vad det gjordes för modell 1. Det valdes d˚a att minska vinkeln för sidofönstrena.

Med dessa ändringar uppn˚addes ett högre värde p˚a CD än för modell 2 vilket beror p˚a att trycket vid överg˚angsvinkeln är större än för modell 2. Även vaket är större vilket beror p˚a att den andra vinkeln p˚a bakrutan är större än för modell 2. Detta resulterar i att avlösning uppst˚ar tidigare.

Modell 4

Huven sänktes ännu mer och nosradien minskades. Överg˚ansvinkeln mellan huv och vindruta ökades genom att öka vinkeln p˚a huven. Tv˚a versioner för modell 4 gjordes, en med spoiler och en utan spoiler. Versionen med spoiler fick ett lägre värde p˚a C_D vilket resulterade i en förbättring p˚a cirka 6,5 %.

För att minska vaket ännu mera p˚a bilen, smalnades bakdelen av med en vinkel. P˚a denna modell testades även en base bleed för att se hur vaket kunde minskas ännu mera.

Modell 5

Overg˚¨ angsvinkel mellan huv och vindruta ökades. Huven sänktes mer och nosradien minskades. Tv˚a versioner av modell 5 gjordes, en med base bleed och en utan. Resulta- ten skilde sig n˚agorlunda men inte mycket. Med base bleed:en förbättrades resultatet av CD med cirka 0,5 %. Detta kan anses som ett l˚ag värde men p˚agrund av att vi endast gör en simulering av bilen kan det vara sv˚art att f˚a till ett korrekt värde p˚a C_D. Detta beror p˚a kvalitén p˚a meshen.

Resultaten fr˚an simuleringarna med LIDAR-sensorerna och plattorna framför däcken visar att värdet p˚a CD minskar n˚agot. För denna modell blev värdet p˚a CD lägre med in˚atriktade plattor.

Modell 6

Modell 6 har en di↵usor d˚a det märktes att en di↵usor kunde sänka värdet p˚a CD.

(34)

Aven för denna modell testades med LIDAR-sensorerna och plattorna framför däcken.¨ Som för modell 5 gav dessa ett n˚agot lägre värde p˚a CD. För modell 6 gavs ett lägre värde p˚a CD d˚a plattorna framför däcken var ut˚atriktade.

6 Slutsatser

Resultatet fr˚an denna studie jämfördes med resultatet fr˚an en tidigare studie där ett värde p˚a motst˚andskoefficienten CD = 0, 41 uppn˚addes. För modell 6, det vill säga den slutgiltiga modellen för denna studie, uppgick motst˚andkoefficienten till CD = 0, 343 vilket är en förbättring p˚a cirka 16,3 %. Eftersom y⁺-värdet inte var inom den rekommenderade gränsen s˚a p˚averkades meshens kvalité och därmed ocks˚a lösningens noggrannhet. Det betyder att resultatet fr˚an denna studie inte ˚aterspeglar det verkliga värdet p˚a motst˚andskoefficienten. Resultatet fr˚an denna studie är heller inte en helt korrekt simulering av verkligheten, d˚a ingen hänsys tas till däckens rotation och bilen inte st˚ar helt p˚a marken.

(35)

7 Rekommendationer

• En ännu finare mesh vid ytan p˚abilen behövs för att säkerställa att s˚abra värden som möjligt erh˚alls för CD. Detta kräver en version av Ansys Fluent som inte har n˚agra begränsningar p˚a maxantalet celler.

• Flödessimuleringar behöver utföras med hänsys till att bilens däck roterar.

• Utföra flödessimuleringar där bilen helt st˚ar p˚a marken.

(36)

Referenser

[1] Britannica. Nicolas-Joseph Cugnot.,

Tillg¨anglig p˚a: https://www.britannica.com/biography/Nicolas-Joseph-Cugnot [Bes¨okt: Maj 7, 2021]

[2] Curious Expeditions. (2007, Juli 2). A brief note on Ferdinand Verbiest.

Tillg¨anglig p˚a:

https://web.archive.org/web/20080403101111/http://curiousexpeditions.org/?p=52 [Bes¨okt: Juni 3, 2021].

[3] Integrated Transport Research Lab (ITRL). KTH Research Concept Vehicle.

https://www.itrl.kth.se/.

Tillg¨anglig p˚a: https://www.itrl.kth.se/about-us/labs/rcv-1.476469 [Bes¨okt: Maj 7, 2021]

[4] Nakayama, Y. Introduction to Fluid Mechanics, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2018.

[5] B. Andersson, R. Andersson, L. H˚akansson, M. Mortensen, R. Sudiyo och B. Van Wachem, Computational fluid dynamics for engineers, Cambridge: Cambridge University Press.

[6] T. Schuetz, Aerodynamics of road vehicles, Warrendale: SAE International, 2016.

[7] M. Berntman (2015), Fotgängares olyckor och skador i trafikmiljö med fokus p˚a fallolyckor. Lunds tekniska högskola, Institutionen för Teknik och samhälle.

Tillg¨anglig p˚a: https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/3934697/8194817.pdf [Bes¨okt: Maj 18, 2021]

[8] W.-H. Hucho, Aerodynamics of road vehicles : from fluid mechanics to vehicle engineering.

Butterworth-Heinemann, 2013.

[9] G. Sivaraj M. Gokul raj, ’Optimum Way to Increase the Fuel Efficienvy of the Car Using Base Bleed’ Inetrnational Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol. 2, Issue 3, pp. 1189-1194, 2012.

[10] G. Sivaraj, K. M. Parammasivam, G. Suganya, ’Reduction of Aerodynamic Drag Force for Reducing Fuel Consumption in Road Vehicle using Basebleed’ Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 11, No. 6, pp. 1489-1495, 2018.

(37)

Bilagor

Modell 1

(a) Cf p˚a bilens yta. (b) Cp p˚a symmetriplanet.

(c) Luftens hastighet i symmetriplanet.

(38)

Tabell 2: Storheter f¨or modell 1.

Parametrar Beteckning Storheter

Ground clearance - 120 mm

Length l 2763,8 mm

Width b 1674,4 mm

Hood radii R2 310 mm

Hood inclination ↵ 3, 12

Nozzle angle - -

Bumper side radii R1 -

Bumper Sweep - -

Bumper side inclination - -

Transition angle " 147, 24

Windscreen inclination 54, 12

Rear window inclination ' 6, 25

Rear window length ls 864,52 mm

Di↵usor angle , D 10

Di↵usor length xd 500 mm

Inclination of the side windows -

Tailtaper 10 (Upper body)

Base bleed intake diameter d1 -

Base bleed outtake diameter d2 -

Spoiler length x -

Modell 2

(39)

Length l 2932,7 mm

Width b 1674,4 mm

Nozzle angle - 23, 25

Bumper side radii R1 270 mm

Bumper Sweep - 2, 65

Bumper side inclination - 28, 55

Rear window length ls 700 mm

Di↵usor angle , D -

Di↵usor length xd -

Inclination of the side windows 20, 39

Tailtaper -

Spoiler length x -

Modell 3

(40)

Length l 2911,32 mm

Width b 1674,4 mm

Tailtaper 26, 23

Spoiler length x -

Modell 4

Med spoiler

iv

(41)

Utan spoiler

CD = 0.408, CL= 0.054, Area = 1.11m²

Figur 30: Resultat av modell 4 utan spoiler.

(42)

Figur 31: Resultat av modell 4 utan spoiler.

(43)

Length l 2863,88 mm

Width b 1674,4 mm

Tailtaper 8, 88

Spoiler length x 130 mm

Modell 5

Utan LIDAR och utan plattor

(44)

Med LIDAR och in˚ atriktade plattor

CD = 0.356, CL= 0.019, Area = 1.2m²

Figur 33: RCV-D Karossdesign 5 med LIDAR sensorer och in˚atriktide plattor framf¨or framd¨acken.

(c) Cp p˚a bilens yta. (d) Luftens fart i symmetriplanet.

(45)

Med LIDAR och ut˚ atriktade plattor

CD = 0.362, CL= 0.035, Area = 1.2m²

Figur 35: RCV-D Karossdesign 5 med LIDAR sensorer och ut˚atriktade plattor framf¨or framd¨acken.

(46)

Length l 2878,16 mm

Width b 1674,4 mm

Tailtaper 7, 96

Base bleed intake diameter d1 35,3 mm Base bleed outtake diameter d2 35,3 mm

Modell 6

Utan LIDAR och utan plattor

x

(47)

Med LIDAR och in˚ atriktade plattor

CD = 0.347, CL= 0.060, Area = 1.2m²

Figur 38: RCV-D Karossdesign 6 med LIDAR sensorer och in˚atriktade plattor framf¨or framd¨acken.

(48)

Med LIDAR och ut˚ atriktade plattor

CD = 0.346, CL= 0.045, Area = 1.2m²

Figur 40: RCV-D Karossdesign 6 med LIDAR sensorer och ut˚atriktade plattor framf¨or framd¨acken.

(c) Cp p˚a bilens yta. (d) Luftens fart i symmetriplanet.

Figur 41: Resultat av modell 6 med LIDAR och ut˚atriktade plattor.

(49)

Length l 3303,14 mm

Width b 1674,4 mm

Di↵usor angle , D 15

Di↵usor length xd 400 mm

Tailtaper 22, 04

Base bleed intake diameter d1 42 mm Base bleed outtake diameter d2 42 mm

(50)