© 2023 Blogchampionxperience.com tarafından oluşturuldu .
Giriş
Birinci bölümde , kullanarak Formula Student gövde yapısının kalitesini değerlendirmeye odaklandım CATIA . Yüzey sürekliliğini, eğriliğini ve yansıma davranışını inceleyerek, CFD'ye geçmeden önce daha yakından incelenmesi gereken alanları belirledim. Geometri doğrulandıktan sonra, Yüzey Analizi gövde yapısının hava akışıyla nasıl etkileşimde bulunduğunu araştırmak ve modeli aerodinamik değerlendirmeye hazırlamak için SIMULIA CFD analizine devam ettim
Bu yazıda, SIMULIA Fluid Dynamics Engineer'da izlediğim iş akışını paylaşacağım; içe aktarılan geometrinin düzeltilmesinden, harici akışkan alanının oluşturulmasına, fiziğin tanımlanmasına, ağ yapısının oluşturulmasına ve ilk CFD sonuçlarının yorumlanmasına kadar olan süreçleri ele alacağım.
Bu çalışma, nihai araç doğrulaması yerine, temel bir aerodinamik araştırma niteliğindedir. Amacım, gövde çevresindeki hava akışı davranışını anlamak, CATIA analizi sırasında belirlenen yüzey özelliklerinin akışı etkileyip etkilemediğini değerlendirmek ve gelecekteki tasarım iyileştirmeleri için potansiyel alanları belirlemektir.
CATIA SIMULIAGeçiş: CFD Stratejisinin Planlanması
CATIAgeometri doğrulama ve onarım işlemlerini tamamladıktan sonra modeli SIMULIA Fluid Model Creation'a aktardım.
Daha önce ANSYS Fluent ile çalışmış biri olarak, bu projenin en ilginç kısımlarından birinin iki CFD iş akışını karşılaştırmak olduğunu fark ettim. Ana farkın simülasyonun ardındaki fizik değil, her platformun tüm simülasyon sürecini nasıl organize ettiği olduğunu gözlemledim.
ANSYS Fluent ve SIMULIA CFD İş Akışlarının Karşılaştırılması
Deneyimlerime göre, ANSYS Fluent oldukça çözümleyici odaklı bir iş akışı sunuyor. Kullanıcılara ağ oluşturma kontrolleri, ayrıştırma şemaları, basınç-hız eşleştirme yöntemleri, türbülans modelleri ve yakınsama parametreleri de dahil olmak üzere birçok ayrıntılı ayara doğrudan erişim sağlıyor.
SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, 3DEXPERIENCE platformu içinde daha entegre bir CAD-to-CFD yaklaşımı izler . Geometri hazırlığı, harici akışkan alanı oluşturma, altıgen ağırlıklı ağ oluşturma, prizma katmanı oluşturma, fizik tanımlama ve işlem sonrası analiz aynı ürün veri ortamına bağlı kalır.
Her iki iş akışı da sonlu hacim CFD yöntemlerine dayanmaktadır ve RANS simülasyonları için kullanılabilir. Bu nedenle fark ettiğim temel fark, simülasyonun arkasındaki denklemler değil, mühendisin tüm süreçle etkileşim biçimiydi.
Temel Çalışma için CFD Stratejisinin Tanımlanması
Bu ilk aerodinamik çalışma için, öğrenci lisansının sınırlamalarını ve mevcut hücre sayısı bütçesini de göz önünde bulundurmam gerekiyordu. Her yere çok ince bir ağ uygulamak yerine, mevcut elemanları en fazla değeri sağlayacak bölgelere odakladım:
- Burun bölgesi, güçlü basınç gradyanlarının oluştuğu yerdir
- Akış hızlanmasının veya ayrılmasının meydana gelebileceği yüzey geçişleri
- Sınır tabakası davranışının kaydedilmesi gereken duvara yakın alanlar
- Kaporta arkasındaki iz bölgesi
Hesaplama kaynaklarından tasarruf etmek için uzak alan bölgesi nispeten kaba tutuldu.
Sınır tabakası için, gövdeye uyumlu prizma katmanları kullanmayı planladım. İlk katmanın yüksekliği, büyüme hızı ve toplam kalınlığı, türbülans modeline ve hedeflenen y+ aralığına göre seçilmeliydi. SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, karmaşık yüzeyleri ve duvara yakın akış davranışını daha iyi yakalamak için bu tür gövdeye uyumlu ağ oluşturma yaklaşımını sunmaktadır.
İlk simülasyon için, sabit, sıkıştırılamaz bir RANS yaklaşımı seçtim. Bu bir temel çalışma olduğundan, amacım nihai aerodinamik sertifikasyon değerlerine ulaşmak değil, gövde etrafındaki ana akış yapılarını anlamaktı.
Çözüm sürecinde, yalnızca artık değerlerin yakınsamasını değil, aynı zamanda aerodinamik kuvvet kararlılığını, basınç dağılımını ve iz oluşumunu da izledim. Artık değerlerin azalması nedeniyle bir simülasyonun güvenilir olduğu kabul edilemez; aerodinamik kuvvetlerin de istikrarlı bir davranış sergilemesi gerekir.
Şekil 10. Onarılan gövde geometrisi, harici alan çıkarımı ve ağ oluşturma işleminden önce SIMULIA Akışkan Model Oluşturma'ya aktarılmıştır.
Dış Akışkan Alanının Oluşturulması
Sonraki adım, Akışkan Alanı komutunu kullanarak gövde etrafında harici akışkan alanını oluşturmaktı.
Bu alan, CFD analizi sırasında çözülecek olan hava hacmini temsil eder. Boyutu ve aracın bu alan içindeki konumu, hem sonuçların doğruluğunu hem de hesaplama maliyetini doğrudan etkiler.
Araç gövdesini çalışma alanı içine yerleştirirken, alt sınırı doğru yerden yükseklikte tutarak aracın hedeflenen sürüş yüksekliğini korudum.
Bu detay önemlidir çünkü gövde ile zemin arasındaki mesafe, alt gövde akışını, basınç dağılımını ve havanın aracın ön bölümüyle etkileşimini etkiler.
Ayrıca, yapay tıkanma etkilerini azaltmak için aracın etrafında yeterli alan bıraktım. Gelen akışın düzgün bir şekilde gelişmesine izin vermek için yukarı akış bölgesi genişletilirken, aşağı akışta ise türbülans oluşumu için ek alan ayrıldı.
Ancak, kısıtlı bir öğrenci lisansı bütçesiyle çalıştığım için bir denge bulmam gerekiyordu. Ek hücreler önemli akış bölgelerini iyileştirmiyorsa, daha büyük bir alan otomatik olarak daha iyi sonuçlar anlamına gelmez.
Şekil 11. Gövde çevresinde oluşturulan dış sıvı alanı.
Vücut İşleme Bölgesinin Tanımlanması
Dış etki alanını oluşturduktan sonra, gövde yüzeylerini akışkan modelinin içinde ayrı bir bölge olarak tanımladım.
Bu adım SIMULIA araç geometrisi ile çevredeki hava hacmi arasında ayrım yapmasını sağlayarak, simülasyon kurulumu sırasında doğru duvar sınır koşulunun uygulanmasını mümkün kılar.
Bu aşamada, seçilen yüzeylerin gövdeyi doğru şekilde temsil ettiğini doğruladım ve SIMULIA açık sınırlar veya kesişen yüzeyler olmadan akışkan hacmi oluşturabildiğini teyit ettim.
Bu aynı zamanda, CATIA daha önce gerçekleştirilen geometri temizleme işleminin modeli CFD için başarıyla hazırladığının önemli bir teyidiydi.
Şekil 12. Akışkan model bölgesi olarak tanımlanan gövde yüzeyleri.
Fiziksel Kurulum, Sınır Koşulları ve Çıkış İstekleri
Akışkan alanı hazırlandıktan sonra, temel aerodinamik analiz için kararlı durum simülasyon adımını oluşturdum.
Yineleme sayısının azami değerini 2000 olarak belirledim ve momentum, türbülanslı kinetik enerji (TKE) ve omega denklemleri için yakınsama kriterleri tanımladım.
Bu artık değerler sayısal yakınsama hakkında yararlı bilgiler sağlıyor, ancak ben yalnızca bunlara güvenmedim. Çözümün fiziksel olarak kararlı bir duruma ulaşıp ulaşmadığını belirlemek için aerodinamik kuvvetleri ve basınç davranışını da izledim.
Düşük artık değerlere sahip bir simülasyon bile, sürüklenme, kaldırma veya basınç değerleri değişmeye devam ederse ek yinelemeler gerektirebilir.
Şekil 13 – Momentum, TKE ve omega için en fazla 2000 iterasyon ve artık durdurma kriterlerine sahip kararlı durum çözüm adımı.
Sınır Koşullarının Tanımlanması
Giriş sınırı için, yukarı akış yüzeyine dik ve 15 m/s hız büyüklüğünde bir hız girişi uyguladım.
Türbülans koşulları, bu temel model için 0,1 ve 100 değerleriyle türbülans yoğunluğu ve türbülans viskozite oranı kullanılarak tanımlanmıştır.
Çıkış noktasında, referans basıncı korurken akış değişkenlerinin doğal olarak gelişmesine izin vermek için 0 Pa'lık statik gösterge basıncıyla bir basınç çıkış koşulu uyguladım.
Gövde yüzeyleri, katı duvar sınırları olarak tanımlandı. Bu, simülasyonun aşağıdaki gibi önemli aerodinamik olayları yakalamasına olanak sağladı:
- Burun çevresinde basınç birikmesi
- Eğri yüzeyler üzerinde akış ivmesi
- Duvar yakınındaki kayma davranışı
- Aracın arkasında oluşan hava akımı
Şekil 14A – Fiziksel Davranış
Şekil 14B – 15 m/s'lik serbest akış hızıyla yukarı akış yüzeyine uygulanan hız giriş sınır koşulu.
Şekil 15. Statik gösterge basıncı 0 Pa olan basınç çıkışı, aşağı akış yüzeyine uygulanmıştır.
Alan ve Tarih Çıktılarının Tanımlanması
Simülasyonu başlatmadan önce hem saha çıktılarını hem de geçmiş çıktılarını tanımladım.
Alan çıktıları, hesaplama alanı boyunca akış değişkenlerini görselleştirmek için kullanıldı. Seçilen değişkenler şunlardır:
- Hız
- Gösterge ve mutlak basınç
- Toplam basınç
- Girdap
- Q-kriteri
- Kayma hızı
Bu sonuçlar daha sonra basınç değişimlerini, ivme bölgelerini, dönme akış yapılarını ve olası ayrılma bölgelerini belirlemeye yardımcı olacaktır.
Kaporta yüzeyleri için, izlemek üzere geçmişe dönük çıktılar oluşturdum:
- Toplam akışkan kuvveti
- Basınç kuvveti
- Viskoz kuvvet
- An
Çözüm sırasında bu değerlerin izlenmesi, yalnızca artık grafiklere güvenmeye kıyasla aerodinamik yakınsama hakkında daha net bir tablo ortaya koydu.
Ayrıca, seçilen türbülans işlemi için duvara yakın ağın uygun olup olmadığını değerlendirmek amacıyla duvar kayması ve y+ değerlerini de talep ettim.
Şekil 16. Çıktı.
Altıgen Baskın Ağ Stratejisi ve Kalite Kontrolü
Bu temel çalışma için, tüm dış akışkan alanı için altıgen ağırlıklı bir ağ oluşturdum.
Küresel eleman boyutu 1 mm ile 5 mm arasında tanımlandı ve daha küçük elemanlar, daha fazla geometrik detayın gerektiği yerlerde yoğunlaştırıldı. Ayrıca, ilk katman kalınlığı 0,2 mm olan yedi prizma katmanı kullanarak sınır katmanlarını da etkinleştirdim.
Bu katmanlar, gövde yüzeyine yakın hız gradyanlarını yakalamak ve simülasyon sonrasında duvar kayma gerilimi ve y+ değerlerinin değerlendirilmesine olanak sağlamak için önemliydi.
Ancak, öğrenci lisansının sınırlamaları ve kısıtlı hücre sayısı bütçesi nedeniyle, ağ yapısının doğruluk ve hesaplama maliyeti arasında bir denge kurması gerekiyordu. Bu nedenle, bu ağ yapısını nihai, ağdan bağımsız bir çözümden ziyade bir temel yapılandırma olarak değerlendirdim.
Ağ oluşturulduktan sonra, en boy oranı, bozulma, maksimum ve minimum açılar, çarpıklık ve uzama gibi çeşitli kriterleri kullanarak kalite raporunu inceledim.
Elemanların büyük çoğunluğu kabul edilebilir sınırlar içindeydi. Hücrelerin küçük bir yüzdesi, esas olarak en boy oranı kriterine göre, zayıf veya kötü olarak sınıflandırıldı. Bu, tüm alan boyunca mükemmel eleman kalitesini korumanın hesaplama maliyetini önemli ölçüde artırabileceği karmaşık bir dış akış modeli için beklenmedik bir durum değildi.
Kalite raporu, ağın ilk aerodinamik inceleme için uygun olduğunu doğruladı, ancak ağın bağımsızlığını göstermedi.
Gelecek bir sürümde, tüm alanı tekdüze bir şekilde iyileştirmekten kaçınır ve bunun yerine ek unsurları en önemli aerodinamik bölgelere odaklarım:
- Basınç gradyanlarının daha güçlü olduğu burun bölgesi
- CATIA analizi sırasında belirlenen keskin yüzey geçişleri
- Duvara yakın bölge
- Aşağı akıntıdaki iz
Bu yaklaşım, simülasyon maliyetini yönetilebilir seviyede tutarken, en çok önem taşıyan noktalarda daha yüksek doğruluk sağlayacaktır.
Şekil 17. Temel model için altıgen ağırlıklı ağ ayarları ve kalite raporu.
Kararlı Durum Çözümünün Başlatılması ve Yakınsamanın İzlenmesi
Ağ yapısı ve simülasyon kurulumu tamamlandıktan sonra, kararlı durum çözümünü başlattım ve sonuçları izlemeye başladım.
Hesaplama sırasında, aerodinamik kuvvet bileşenlerinin gelişimini takip etmek için geçmiş çıktıları kullandım. Bu, yinelemeler ilerledikçe çözümün istikrarlı bir duruma doğru ilerleyip ilerlemediğini anlamama yardımcı oldu.
Aşağıdaki görüntüyü simülasyonun yaklaşık %1'lik ilerlemesinde yakaladım. Çözüm henüz geliştirme aşamasında olduğundan, gösterilen kuvvet değeri nihai aerodinamik sonucu temsil etmemektedir.
Kapsamlı bir yakınsama değerlendirmesi için birden fazla göstergeyi birlikte ele aldım:
- Momentum, TKE ve omega denklemlerinin kalıntı davranışı
- İzlenen aerodinamik kuvvetlerin kararlılığı
- Basınç ve hız alanlarının tutarlılığı
Bu, çalışma sırasında önemli bir noktaydı çünkü artık miktarın azaltılması tek başına mühendislik miktarlarının istikrarlı bir çözüme ulaştığını garanti etmez.
Bir CFD sonucu, hem sayısal yakınsama hem de akışın fiziksel davranışı tutarlı bir eğilim gösterdiğinde anlamlı hale gelir.
Şekil 18. Kuvvet izleme özelliği etkinleştirilmiş kararlı durum çözümünün başlangıç aşaması.
CFD Sonuçları ve İlk Mühendislik Yorumu
Simülasyonu tamamladıktan sonra, basınç konturları, hız dağılımı, hız vektörleri ve ortalama akış çizgileri de dahil olmak üzere çeşitli görselleştirmeleri birleştirerek sonuçları analiz ettim.
Tek bir grafiğe bağlı kalmak yerine, hava akışının araç gövdesiyle nasıl etkileşimde bulunduğunu anlamak için bu farklı sonuçları birlikte kullandım.
Burun kısmının önünde, gelen havanın yavaşladığı ve daha yüksek basınç alanı oluşturduğu belirgin bir durgunluk bölgesi ortaya çıktı. Bu noktadan itibaren, akış gövdenin üst, yan ve alt yüzeyleri etrafında ayrıştı.
Hava akışı kavisli yüzeyleri takip ettikçe, hız çeşitli bölgelerde artarak düşük basınç alanları oluşturdu. En güçlü basınç değişimleri burun ve ön alt geçiş bölgelerinde görüldü. Akış çizgisi ve hız vektörü sonuçları da CATIA analizi sırasında belirlenen yüzey geçişlerinin hava akışı davranışını etkilediğini gösterdi.
Ön bölümün büyük kısmı nispeten düzenli akış davranışı sergilerken, aşağı akış bölgelerinde artan bozulmalar, düşük hız alanları ve iz oluşumu gözlemlendi. Burun, alt ön köşe ve arka geçiş bölgesi tasarımın en hassas alanları gibi görünüyordu.
Tasarım Sınırlamalarının ve Geliştirme Alanlarının Belirlenmesi
Bu gözlemler, Zebra, Kirpi ve Yüzey Eğriliği analizleri sırasında belirlenen endişelerle tutarlıydı. Bununla birlikte, görünür bir yüzey düzensizliğinin otomatik olarak ölçülebilir bir aerodinamik dezavantaj anlamına gelmediğini açıklığa kavuşturmak önemlidir.
Bu bölgelerin gerçek etkisini ölçmek için, değiştirilmiş geometriyle bir karşılaştırma ve ağ bağımsızlığı çalışması yapılması gerekecektir.
Bu, yalnızca gövdeyi kapsayan basitleştirilmiş bir CFD modeli olduğundan, bu sonuçları esas olarak akış davranışını ve olası iyileştirme alanlarını belirlemek için kullandım.
Temel CFD Çalışmasının Sınırlamaları
Simülasyon şunları içermiyordu:
- Ön kanat etkileri
- Dönen tekerlekler
- Süspansiyon bileşenleri
- Araç aerodinamik etkileşimlerinin tamamı
Bu nedenle, bu sonuçlar Formula Student aracının nihai aerodinamik performansı olarak değil, tasarımın anlaşılması ve iyileştirilmesine yönelik ilk adım olarak değerlendirilmelidir.
Şekil 19. Gösterge Basıncı
Şekil 20. Hız
Şekil 21. Hız Vektörü
Şekil 22. Gösterge Basıncı çerçevesi 2
Sonuç
Bu iş akışını açıklamak, başlangıçta beklediğim kadar kolay olmadı. Proje iki farklı alanı birleştiriyordu: CATIA yüzey kalitesi değerlendirmesi ve SIMULIAaerodinamik analiz.
Bu makaleyi hazırlarken, her adımı belgelememin aynı zamanda kendi kararlarımı sorgulamama ve herdellseçiminin ardındaki mantığı daha iyi anlamama yol açtığını fark ettim.
3DEXPERIENCE topluluğu, paylaşılan projeler, teknik tartışmalar ve farklı mühendislik yaklaşımları aracılığıyla önemli bir öğrenme kaynağı olmuştur.
Umarım bu makale, CATIA yüzey analizini SIMULIA CFD ile birleştirmeye yeni başlayan ve eksiksiz bir CAD-CFD iş akışının pratik bir örneğini arayan diğer öğrencilere de yardımcı olur.
Konrul Racing'de Araç Dinamiği, Yapısal Analiz, Aerodinamik Tasarım ve CFD Mühendisi
Makine Mühendisliği öğrencisi ve Konrul Yarış Takımı üyesi olarak, şasi tasarımı, CFD, yapısal analiz ve araç dinamiği konularına odaklanıyorum. Formula Student ve İHA geliştirme alanlarında CATIA, 3DEXPERIENCEve ANSYS yazılımlarını kullanma deneyimim var. Motor sporları mühendisliği ve simülasyon odaklı tasarıma tutkuluyum.
son yazıları Abdulkadir Gunumdogdu (tümünü gör)
Abone
0 Yorumlar
En Yaşlı
