CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03

Podobné dokumenty
Studentská tvůrčí činnost 2009

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

3D CFD simulace proudění v turbinovém stupni

Stacionární 2D výpočet účinnosti turbínového jeden a půl stupně

PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ. Jaroslav Štěch

SVOČ FST Bc. Václav Sláma, Zahradní 861, Strakonice Česká republika

POSTUPY SIMULACÍ SLOŽITÝCH ÚLOH AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL

Posouzení a optimalizace nosného rámu studentské formule

Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy

SVOČ FST Bc. Michal Dufek. Hradec 181, Hradec, Česká republika

Mechanika s Inventorem

Vliv úhlu distální anastomózy femoropoplitálního bypassu na proudové charakteristiky v napojení

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

Martin Červenka, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Optimalizační metody v CFD

MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface

VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení

TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Simulace oteplení typového trakčního odpojovače pro různé provozní stavy

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Systém větrání využívající Coanda efekt

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

Středoškolská technika SCI-Lab

Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla

Tvorba výpočtového modelu MKP

Experimentální metody I

1 POPIS MATEMATICKÉHO MODELU. 1.1 Použitý software FLOW-3D. Vodní nádrže , Brno

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a energetiky. Tomáš Hyhĺık,

LET Z KULOVNICE. Petr Lenhard

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Model Position Influence on Surrounding Pressure Field in Wind- Tunnel Test Section

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Vliv změny geometrie mostní konstrukce a tvaru zábradlí na účinky větru

1. ÚVOD. Vladislav Křivda 1

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

U Úvod do modelování a simulace systémů

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Optimalizační metody v CFD diferenciální evoluce

Numerický a empirický odhad tlakové ztráty v obtokovém kanále experimentální parní turbíny 10 MW

CFD simulace teplotně-hydraulické charakteristiky na modelu palivové tyči v oblasti distanční mřížky

F1 PROJECT. Jan Čížek, Ondřej Doležal, Alen Gavranovič, Tomáš Kunst, Jan Malý, Martin Žížala. SPŠ Na Třebešíně 2299 Praha 10

Teorie tkaní. Modely vazného bodu. M. Bílek

Mechanika s Inventorem

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

6. Mechanika kapalin a plynů

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

Software pro modelování chování systému tlakové kanalizační sítě Popis metodiky a ukázka aplikace

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

Proudové pole ve vstupní části aerodynamického tunelu

Univerzita obrany K-204. Laboratorní cvičení z předmětu AERODYNAMIKA. Měření rozložení součinitele tlaku c p na povrchu profilu Gö 398

Simulace obtékání zadního křídla studentské formule

STANOVENÍ SOUČINITELŮ MÍSTNÍCH ZTRÁT S VYUŽITÍM CFD

Technická pravidla soutěže Formule 1 ve školách pro rok 2014/2015

Aerodynamika vozu, vnější proudění

Cejchování kuželové pětiotvorové sondy pro vysokorychlostní aerodynamická měření

Pevnostní analýza plastového držáku

Experimentální hodnocení bezpečnosti mobilní fotbalové brány

Potenciální proudění

Generování sítě konečných prvků

BIM & Simulace CFD simulace ve stavebnictví. Ing. Petr Fischer

NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE

OPTIMALIZACE KOMPRESOROVÉHO STUP Ě

Kritický stav jaderného reaktoru

Okruhy problémů k teoretické části zkoušky Téma 1: Základní pojmy Stavební statiky a soustavy sil

Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Technologie a řízení letecké dopravy: 6. Základní konstrukce letounů

Zada nı bakala r ske pra ce

- AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

PARAMETRICKÁ STUDIE VÝPOČTU KOMBINACE JEDNOKOMPONENTNÍCH ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

FSI analýza brzdového kotouče tramvaje

Obr. 9.1 Kontakt pohyblivé části s povrchem. Tomuto meznímu stavu za klidu odpovídá maximální síla, která se nezývá adhezní síla,. , = (9.

Propojení matematiky, fyziky a počítačů

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

OPTIMALIZACE POHONNÉ JEDNOTY PRO VŮZ FORMULA STUDENT SVOČ FST 2018

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Numerické řešení proudění vzduchu v chladicí věži s přirozeným tahem

Optimalizace magnetického pole čidla indukčního průtokoměru

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STAVEBNÍ ROZPTYL GEOMETRICKÝCH PARAMETRŮ OTEVŘENÝCH VÁLCOVANÝCH PROFILŮ SVOČ 2002

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ TĚŽIŠTĚ

VLIV OKRAJOVÝCH PODMÍNEK NA VÝSLEDEK ZKOUŠKY TEPELNÉHO VÝKONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU

Příloha č. 4. Specifikace Aerodynamického tunelu

Program pro geometrickou optimalizaci v mechanice tekutin a návrh, numerický výpočet a optimalizace hydraulického rozváděče.

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Řešení vnější aerodynamiky kolejových vozidel

Posouzení vlivu vnitřních svalků na průchodnost přivaděče zhotoveného z polyetylénových trub.

Technologie a procesy sušení dřeva

Transkript:

CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03 Bc. Marek Vilím Vedoucí práce: Ing. Tomáš Hyhlík, Ph.D. Abstrakt Práce pojednává o návrhu numerické simulace obtékání studie studentské formule FS.03 pomocí komerčního programu Fluent. V první fázi je práce zaměřena na návrh karoserie studentské formule FS.03 v souvislosti s aerodynamikou, zejména pak na návrh difuzorového kanálu ve spodní části u zádi vozu. Dále jsou vyhodnoceny silové účinky působící na obtékaný model formule. Klíčová slova Studentská formule, CFD, Fluent, aerodynamika, difuzor, silové účinky 1. Úvod Studentská formule je závodní vůz formulového typu navrhovaný studenty dle pravidel mezinárodní organizace Formula Student/SAE. Technické univerzity z celého světa navrhují obdobný vůz a vzájemně soutěží na oficiálních závodech Formula Student/SAE ve statických a dynamických disciplínách. Soutěž samotná tedy nezahrnuje jen vlastní závod vozů, ale také obhajobu jednotlivých konstrukčních řešení před komisí a marketingový plán. Soutěž celkově motivuje členy (studenty) daného týmu ke konkurenčnímu boji s ostatními týmy a tím neustále podporuje inovační potenciál studentů. Existence této soutěže tedy jednoznačně přispívá jak ke kvalitnějšímu vzdělávání studentů, tak ke konkurence schopnému prosazování absolventů v praxi. Tato práce nejprve popisuje návrh karoserie a zejména pak návrh aerodynamického prvku difuzorového kanálu (dále jen difuzoru). Tento prvek je umístěn ve spodní části na zádi vozu studie studentské formule FS.03 proto, aby byla vyvinuta větší přítlačná síla na zadní nápravu. Po první analýze a tvarové optimalizaci samotného difuzoru provedené pomocí numerické simulace se práce posouvá do CFD výpočtů celého modelu formule ve 3D prostoru za účelem přesnějšího popsání jak samotné geometrie difuzoru, tak proudového pole v příslušných oblastech zájmu. 3D numerické výpočty jsou provedeny ve dvou geometrických variantách vůz s difuzorem a bez difuzoru. Na základě těchto variant byly vyhodnoceny silové účinky působící na obtékaný model formule. 1. Návrh karoserie a difuzoru 1.1 Návrh karoserie Při závodech studentských formulí nejde o maximální rychlost ale spíše o stabilitu a přilnavost vozu, jelikož trať je více technická s malými poloměry zatáček. Rychlost vozu na trati se pohybuje průměrně kolem 80 km/h. Proto nelze studentskou formuli přímo srovnávat s vozy kategorie Formule 1, kde chování vozu závisí převážně na velikosti přítlaku a tím i na podobě celkového tvarování trupu a dalších aerodynamických prvků (např. přítlačná křídla). Karoserie studentské formule by neměla zvětšovat čelní průřez vozu, nesmí vyčnívat ostrými hranami a musí splňovat minimální předepsané poloměry na vzniklých hranách. Dále by měla být co nejvíce funkční, estetická a lehká. S pohledu aerodynamiky může karoserie

vedle minimálního čelního průřezu plnit také funkci například navádění vzduchu směrem k chladiči vhodným tvarováním tunelů. Vnější část podlahové plochy by měla být co nejvíce plynulá a přispívat co nejlépe k přísunu vzduchu do difuzoru, v případě že je instalován. Obr. 1. Skica možné podoby karoserie vozu FS.03 s difuzorem 1.2 Návrh difuzoru V rámci studie difuzoru byl proveden 2D numerický výpočet zjednodušeného modelu vozu (řez v rovině symetrie) ve dvou variantách pomocím softwaru Fluent. Pro výpočet byla použita nestlačitelná tekutina s modelem turbulence typu k-ε. Matematický model je založen na řešení středovaných Navierových-Stokesových rovnic s druhým řádem přesnosti (upwind 2. řádu). Na následujícím obrázku je znázorněn použitý profil pro výpočet. Zelená linka znázorňuje změnu modelu pro druhou variantu s použitím difuzoru. Obr. 2. Zjednodušený profil pro 2D výpočet Okrajové podmínky výpočtu zahrnovaly pohyblivou vozovku a rychlost na vstupu do výpočtové oblasti 24 m/s. Grafický výstup z výsledků první varianty ukazuje na obr. 3 průběh proudového pole kolem profilu bez difuzoru.

Obr.3. Vektorové pole rychlosti kolem profilu bez difuzoru v zadní části vozu Grafický výstup z výsledků druhé varianty ukazuje na obr. 4. průběh proudového pole kolem profilu s difuzorem. Ve spodní části (v difuzoru) lze jednoznačně pozorovat navýšení rychlosti a tím snížení tlaku (červené pole vektorů). Tímto jevem byl dosažen tzn. Venturiho efekt vůz je za pohybu přitlačován směrem k vozovce. Obr.4. Vektorové pole rychlosti kolem profilu s difuzorem v zadní části vozu Na základě konstrukčních možností a analýzy tvaru difuzoru bylo stanoveno 10 geometrických variant provedení difuzoru pro 3D numerický výpočet. Konstrukční možnosti dovolovali v rámci jednotlivých variant měnit pouze jeden parametr - úhel výstupní hrany. Pro veškeré 3D výpočty byla opět použita nestlačitelná tekutina s uvažováním turbulence na základě k-ε modelu s matematickým modelem založeným na řešení středovaných Navierových-Stokesových rovnic s druhým řádem přesnosti. Ze srovnání výsledků výpočtů všech variant byla vybrána nejvhodnější varianta pro 3D numerický výpočet obtékání celého

profilu formule. Jednotlivé varianty se liší změnou úhlu výstupní hrany po 5 od 70 u první varianty do 15 u desáté varianty. Podoba výpočtových modelů je na obr.5 a obr.6. výstupní plocha vstupní plocha jednotlivé varianty výstupní hrany Obr. 5. Znázornění vstupu a výstupu difuzoru na jednotlivých variantách Obr. 6. Znázornění jednotlivých výpočtových variant difuzorů v prostoru Po splnění kriterií nutných pro stabilní průběh výpočtu, jako je volba vhodné geometrie a následné síťování geometrie, byly provedeny numerické výpočty pro všech 10 geometrických variant difuzoru. Na obr.7 je graf, který ukazuje výsledky z provedených výpočtů 10 variant. Zde lze jednoznačně pozorovat závislost narůstající přítlačné síly se snižujícím se úhlem na výstupu difuzoru.

Obr. 7. Graf - závislost celkového přítlaku na jednotlivých variantách difuzoru Na základě výsledků byla vybrána varianta č. 10, která generuje největší přítlak. Tato geometrická varianta byla použita pro následný 3D numerický výpočet obtékání celého modelu formule. 2. 3D CFD výpočet obtékání modelu formule Pro výpočet v prostoru byl vytvořen zjednodušený plošný model ve 3D CAD modeláři. Ukázka několika pohledů na model s difuzorem je na obr.8. Obr. 8. Zjednodušený 3D model formule s difuzorem pro výpočet

Do výpočtu byla použita pouze polovina modelu z důvodů symetrie a nebyla záměrně zařazena geometrie kol vozu, jelikož to pro cíl výpočtu nebylo žádoucí. V okrajových podmínkách byla opět zahrnuta pohyblivá vozovka a rychlost 24 m/s na vstupu do výpočtové oblasti. Numerický výpočet byl počítán ve dvou geometrických variantách z důvodů následného vyhodnocení silového účinku difuzoru na obtékaný model formule: - Varianta I - model bez difuzoru - Varianta II - model s difuzorem 2.1 Varianta I model bez difuzoru V první variantě bylo úkolem simulovat chování vozu bez difuzoru a vyhodnotit silové účinky na celý model. Výsledná přítlačná síla vyšla F pi = 3,1 N. Výsledek ukazuje chování aktuálního vozu studentské formule (tzn. bez difuzoru) a zdůvodňuje zvýšení potřeby přítlaku na zadní nápravu, která vzešla především ze způsobu chování vozu při závodě. Aplikace difuzoru, jež může přítlačnou sílu zvýšit vedle dalších technických vylepšení, se proto jen nabízí. Odporová síla v případě první varianty vycházela F oi = 33 N, koeficient aerodynamického odporu C xi = 0,23. Grafické výstupy z výpočtu první varianty je možno vidět na obr. 9, obr.10 a obr.11. Obr. 9. Rozložení tlaku na vozu u varianty I

Obr. 10. Znázornění vektorů rychlosti pod vozem u varianty I Obr. 11. Znázornění odtržení za vozem u varianty I

2.2 Varianta II model s difuzorem Druhá varianta ukazuje chování vozu s difuzorem. Z výsledků vyplývá, že rychlost pod vozem a v difuzoru je navýšena oproti variantě I, tzn. dochází zde k přítlaku. Na obr.12 je možno pozorovat proudové pole rychlosti v řezu difuzorem. Obr. 12. Vektory rychlosti řez difuzorem rovnoběžný s rovinou symetrie Efekt nasávání a přelévání okolního proudu vzduchu do difuzoru a následně tvorba úplavu je možné vidět na obr. 13. Obr. 13. Znázornění vektorů rychlosti pod vozem a v difuzoru u varianty II

Obr. 14. Rozložení tlaku na vozu u varianty II Výsledná přítlačná síla u varianty s difuzorem vyšla F pii = 88,1 N. Odporová síla v případě druhé varianty vycházela F oii = 37 N a koeficient aerodynamického odporu C xii = 0,26. 4. Závěr V případě vzájemného srovnání 2D a 3D výpočtů nelze tyto řešení srovnávat číselně, nýbrž jen kvalitativně. K této nesrovnalosti přispívá nemožnost 2D řešení popsat výskyt prostorových výrových struktur v úplavu, což 3D řešení umožňuje. Tyto skutečnosti lze porovnat na příslušných přiložených grafických výstupech popisujících proudové pole v rovině symetrie. Úkolem 2D výpočtů bylo zjištění prvotní informace o smysluplnosti použití difuzoru na studentské formuli. Při výběru vhodné varianty difuzoru, byla řešena a počítána pouze prostorová oblast uvnitř difuzoru. Toto řešení nelze přímo srovnávat s prostorovým řešením obtékání celého modelu formule. Úkolem bylo vybrat vhodnou variantu generující největší přítlak pro použití a výpočet na celém modelu formule s respektováním konstrukčních možností. Z výsledků jednoznačně vyplývá přínos difuzoru na přítlak vozu, který generuje 88,1 N. Při srovnávání koeficientu aerodynamického odporu C xi = 0,23 pro první variantu a C xii = 0,26 pro variantu druhou vyplývá nevýhoda difuzoru, který na úkor generovaného přítlaku a dalších vznikajících vlivů v úplavu zvyšuje odporovou sílu. Pro přesnější určení přítlačné a odporové síly a tím i dalších vlivů se nabízí možnost dalšího zpřesnění výpočtu jako je podrobnější geometrie, výpočtová síť a dále realizace a měření na fyzickém modelu.

Seznam symbolů F p přítlačná síla [N] F o odporová síla [N] C x koeficient aerodynamického odporu [1] Seznam použité literatury [1] NOŽIČKA, Jíří. Mechanika tekutin. Praha : Vydavatelství ČVUT v Praze, 2004. 165 s. [2] KATZ, Joseph. Aerodynamics of Race Cars [online]. [s.l.] : UNIVERSITY OF SOUTH AUSTRALIA, 2006 [cit. 2011-03-17]. Dostupné z WWW: <arjournals.annualreviews.org>. [3] ŽÁK, Jaromír. CFD problematika výpočtu externí aerodynamiky. Praha, 2009. 65 s. Diplomová práce. ČVUT V Praze. [4] VILÍM, Marek. Numerické řešení proudění v sacím kanále APU jednotky. Praha, 2009. 68 s. Bakalářská práce. ČVUT V Praze. [5] Internetová dokumentace k programu Fluent [6] Internetová dokumentace k programu Gambit