Αεροδυναμική ανάλυση και βελτιστοποίηση επιβατικού και αγωνιστικού οχήματος με χρήση συζυγών μεθόδων στο OpenFOAM - Τραϊφόρος, Νεοκλής (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών, 2016)
Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και βελτιστοποίηση, σύμφωνα το εκάστοτε επιθυμητό κριτήριο (π.χ οπισθέλκουσα, κάθετη δύναμη κτλ.), της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αυτοκινήτων με μεθόδους και λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Για το σκοπό αυτό, γίνεται χρήση λογισμικού που έχει αναπτυχθεί στη Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών του ΕΜΠ (ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ). Η εργασία αυτή χωρίζεται σε τρία μέρη. Αρχικά παρουσιάζονται οι εξισώσεις ροής που διέπουν την κίνηση του αέρα και τα μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν (Spalart-Allmaras, k-ω STT, realizable k-ε). Δίνονται ορισμένα στοιχεία για το ανοιχτό λογισμικό OpenFOAM που χρησιμοποιήθηκε και τη διαδικασία γένεσης πλέγματος μέσω του εργαλείου snappyHexMesh. Παρουσιάζονται τα βήματα της διαδικασίας αεροδυναμικής βελτιστοποίησης και, συνοπτικά, η θεωρία των ογκομετρικών καμπυλών b-splines ως εργαλείου μορφοποίησης υπολογιστικού πλέγματος και γεωμετρίας. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετάται το γενικευμένο μοντέλο αυτοκινήτου DrivAer. Το DrivAer αποτελεί μία προσπάθεια να γεφυρωθεί το χάσμα ανάμεσα στα εξαιρετικά απλοποιημένα γενικευμένα μοντέλα που είναι ελεύθερα προσβάσιμα στην ερευνητική κοινότητα και στις εξειδικευμένες αεροδυναμικές μελέτες που πραγματοποιούνται από τις αυτοκινητοβιομηχανίες στα μοντέλα παραγωγής τους, οι οποίες συνήθως δεν είναι διαθέσιμες στο ευρύ κοινό. Το συγκριτικό πλεονέκτημα του γενικευμένου μοντέλου αυτοκινήτου DrivAer είναι το γεγονός ότι είναι διαμορφώσιμο και άρα, μπο v ρεί να χρησιμοποιηθεί σε μια πληθώρα αεροδυναμικών μελετών και βελτιστοποιήσεων, συμπεριλαμβανομένων των δοκιμών και της πιστοποίησης αναπτυσσόμενου λογισμικού. Στη διπλωματική αυτή εργασία πραγματοποιήθηκαν δεκαέξι βασικές αεροδυναμικές μελέτες της διαμόρφωσης Notchback του DrivAer με χρήση της έκδοσης OpenFOAM, που συντηρεί η ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ. Αντικείμενο ενδιαφέροντος αποτελεί ο συντελεστής οπισθέλκουσας του οχήματος και οι τεχνικές μείωσης του, όπως αυτή της βελτιστοποίησηςμέσωτηςσυνεχούςσυζυγούςμεθόδουπουαναπτύσσεταιαπότηΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκε υπολογιστικό πλέγμα αποτελούμενο από περίπου 4 εκατομμύρια κελιά. ΄Επειτα πραγματοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές κατηγορίες μελετών - κινούμενος δρόμος με περιστρεφόμενους τροχούς, στατικοί τροχοί και κινούμενος δρόμος, στατικός δρόμος και τροχοί- ενώ εξετάστηκε η επίδραση τριών μοντέλων τύρβης στα αποτελέσματα του συντελεστή οπισθέλκουσας και δύο σχημάτων διακριτοποίησης των όρων μεταφοράς που μοντελοποιούν την τύρβη για κάθε κατηγορία μελετών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με δημοσιευμένα πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα. Από τα αποτελέσματα των μελετών αυτών εντοπίστηκαν, μέσω της δημιουργίας χαρτών παραγώγων ευαισθησίας (sensitivity derivatives maps) με τη χρήση της συνεχούς συζυγούς μεθόδου (continuous adjoint method), οι περιοχές εκείνες στις οποίες κατάλληλη αλλαγή της μορφής έχει να προσφέρει πρακτικά οφέλη στη συνολική αεροδυναμική συμπεριφορά του οχήματος. Οι χάρτες ευαισθησίας αποτελούν τη γραφική απεικόνιση των παραγώγων της αντικειμενικής συνάρτησης ως προς τις μεταβλητές σχεδιασμού. Στην περίπτωσή μας, αντικειμενική συνάρτηση είναι ο συντελεστής οπισθέλκουσας του οχήματος και μεταβλητές σχεδιασμού οι κάθετες μετατοπίσεις των σημείων της επιφάνειας του αυτοκινήτου. Μια τέτοια περιοχή με μεγάλες τιμές των παραγώγων ευαισθησίας και σημαντικά περιθώρια βελτίωσης αποτελεί ο πλευρικός καθρέπτης του αυτοκινήτου. Και εδώ, ως στόχος ορίστηκε η μείωση της οπισθέλκουσας του. Για τη βελτιστοποίηση της μορφής της επιφάνειας του καθρέπτη πραγματοποιήθηκαν τρεις αυτοματοποιημένοι κύκλοι βελτιστοποίησης. Η μέθοδος βελτιστοποίησης που επιλέχθηκε ήταν, και σε αυτήν την περίπτωση, η αιτιοκρατική μέθοδος βελτιστοποίησης με τη χρήση συνεχών συζυγών μεταβλητών για ασυμπίεστη τυρβώδη ροή. Για την αυτόματη ανανέωση της μορφής του καθρέπτη ανα κύκλο βελτιστοποίησης έγινε χρήση του λογισμικού μορφοποίησης πλέγματος με χρήση ογκομετρικών καμπυλών b-splines, που έχουν αναπτυχθεί από τη ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ σε περιβάλλον OpenFOAM. Με χρήση των παραπάνω εργαλείων, τα παραμετροποιημένα σημεία της επιφάνειας του καθρέπτη και του πλέγματος μετακινούνται με βάση τις παραγώγους ευαισθησίας και, τελικά, παράγεται μια νέα, βελτιωμένη μορφή του με μικρότερο συντελεστή οπισθέλκουσας. Το τρίτο μέρος της παρούσας εργασίας αφορά την αεροδυναμική ανάλυση και εξέλιξη φοιτητικού αγωνιστικού οχήματος. Συγκεκριμένα, με τα ίδια υπολογιστικά εργαλεία μελετάται το αγωνιστικό όχημα τύπου Formula Student της ομάδας Prom Racing Team του ΕΜΠ. Οι διεθνείς φοιτητικοί διαγωνισμοί Formula Student αποτελούν το μεγαλύτερο φοιτητικό διαγωνισμό παγκοσμίως, ανεξαρτήτως επιστημονικού πεδίου ή vi κλάδου. Οι φοιτητές καλούνται να σχεδιάσουν, μελετήσουν, κατασκευάσουν και εξελίξουν ένα αγωνιστικό μονοθέσιο αυτοκίνητο τύπου Formula. Οι φοιτητές κρίνονται τόσο για την ταχύτητα του οχήματος που κατασκεύασαν μέσω δυναμικών αγωνισμάτων (endurance race, skidpad, acceleration etc) όσο και για τις σχεδιαστικές, κατασκευαστικές, οικονομικές και διοικητικές επιλογές τους. Σχεδιαστικός στόχος του νέου αυτοκινήτου είναι η μεγιστοποίηση της κάθετης δύναμης που ασκείται στο όχημα (για τη μεγιστοποίηση της δύναμης πρόσφυσης των ελαστικών του οχήματος) και η ελαχιστοποίηση του λόγου -L/D , όπου L η δύναμη άνωσης και D η δύναμη οπισθέλκουσας (για την αύξηση της αποδοτικότητάς του οχήματος). Για το λόγο αυτό, είναι απαραίτητο η χρήση αεροδυναμικών διατάξεων όπως μπροστά, πίσω και πλευρικών πτερύγων αλλά και η χρήση αεροδυναμικού πατώματος. Οι μελέτες της παρούσας εργασίας βασίστηκαν σε προηγούμενη διπλωματική εργασία [1] που πραγματοποιήθηκε στην ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ. Στην προηγούμενη εργασία παρουσιάστηκε ο προκαταρκτικός σχεδιασμός του αεροδυναμικού πακέτου ενός νέου μονοθέσιου και δημιουργήθηκαν οι χάρτες ευαισθησίας του οχήματος ως προς την άνωση (L), την οπισθέλκουσα (D), και τον λόγο των δύο, L/D . Αξιοποιώντας την πληροφορία αυτήν, πραγματοποιήθηκαν δεκαεφτά σχεδιαστικοί κύκλοι, αποτέλεσμα των οποίων ήταν η παραγωγή, με χρήση λογισμικού CAD, των κατασκευαστικών σχεδίων ενός νέου αεροδυναμικού πακέτου με βελτιωμένη απόδοση συγκριτικά με το προκαταρκτικό μοντέλο, σύμφωνα με τους στόχους που τέθηκαν. Ο λόγος που σε αυτήν την εφαρμογή επιλέχτηκε μια μη-αυτοματοποιημένη μέθοδος βελτίωσης της αεροδυναμικής συμπεριφοράς του οχήματος είναι οι πολλοί γεωμετρικοί περιορισμοί που επιβάλλονται τόσο από τους κανονισμούς του διαγωνισμού όσο και από άλλους παράγοντες (κατασκευαστικούς, χωροταξικούς κτλ.). Μια αυτοματοποιημένη μέθοδος βελτιστοποίησης μορφής δίχως περιορισμούς θα είχε ως πιθανό αποτέλεσμα την παραβίαση κανόνων και, ενδεχομένως, τη δημιουργία γεωμετριών, οι μορφές των οποίων θα ήταν ιδιαίτερα δύσκολο να κατασκευαστούν. Συγκριτικά με το προκαταρκτικό μοντέλο, το νέο αεροδυναμικό πακέτο απέκτησε περισσότερη λεπτομέρεια, ενώ προστέθηκαν και νέα στοιχεία όπως ο οδηγός με το κράνος του, η εισαγωγή του αέρα του κινητήρα, τα ψυγεία και η εξάτμιση. Ακόμα έγινε εισαγωγή λεπτομερών αεροδυναμικών κανόνων που διέπουν τους διαγωνισμούς Formula Student και των κατασκευαστικών, χρονικών και οικονομικών περιορισμών. Το υπολογιστικό πλέγμα αυξήθηκε σε μέγεθος για να αποτυπώσει καλύτερα τα νέα στοιχεία ξεπερνώντας τα 23 εκατομμύρια κελιά ενώ αυξήθηκε αντίστοιχα και το υπολογιστικό κόστος των προσομοιώσεων, που εκτελέστηκαν στο πολυεπεξεργαστικό σύστημα της ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ. Κατά την πραγματοποίηση των αεροδυναμικών μελετών δόθηκε έμφαση στην αποτελεσματική λειτουργία των διατάξεων πολλαπλών αεροδυναμικών στοιχείων (multi element airfoil). Σημείο εκκίνησης και αναφοράς υπήρξαν τα σχέδια του προκαταρκτικού μοντέλου και τα αποτελέσματα από τους χάρτες ευαισθησίας του. Στις όποιες παρεμβάσεις έγιναν στο αεροδυναμικό πακέτο δόθηκε προσοχή στην αποτελεσματική vii συνεργασία των αεροδυναμικών διατάξεων, τόσο μεταξύ τους όσο και με τα αλλά μηχανολογικά υποσυστήματα του αυτοκινήτου. Τέλος, μοντελοποιήθηκε η λειτουργία του κινητήρα στις 10.000 rpm . Με βάση τα παραπάνω έγινε ανασχεδιασμός ορισμένων αεροδυναμικών διατάξεων με αλλαγή της μορφής ορισμένων αεροτομών, της γωνίας πρόσπτωσής τους και της σχετικής τους θέσης στο αυτοκίνητο. Επίσης τοθετήθηκαν γενέτες στροβιλισμού (vortex generators) και gurney ﬂaps σε επιλεγμένα σημεία του οχήματος. Τέλος, ανασχεδιάστηκε η μύτη του μονοθέσιου και το αεροδυναμικό πάτωμα ενώ υπολογίστηκαν, για κάθε επιφάνεια, οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτήν από τον αέρα.