Not: Bu çalışma, Eylül 2008'de TurkCADCAM.net portalından yayına başlamıştır.

1. Giriş

Gelişen otomotiv sektöründe, araç performansını arttırmak ve gürültü seviyesini düşürmek amacıyla birçok çalışma yürütülmektedir. Radyatör fanları da bu çalışmalardan biri olup, düşük enerji harcayarak yüksek performanslı ve düşük gürültü seviyesinde fanların tasarlanması üzerinde çalışılmaktadır.

2. Fan Tasarım Metodolojisi

Fan tasarımı yapabilmek için fanın basma yüksekliği, debi ve devir bilgisine ihtiyaç vardır. Bu parametreler fanın çalışacağı ortam düşünülerek çıkarılması gerekir. Fanın basma yüksekliği fanın çalışacağı sistem içerisinde, çalışma debisindeki statik basınç kayıplarının tümüdür. Fanın debisi, fanın çalışacağı ortamda istenilen debi miktarıdır. Fan devri ise, bu basma yüksekliği ve debi değerinde fanın motor üzerindeki dönüş devridir. Bu parametreler Fanpal programına girildiği taktirde Şekil 1'deki gibi fanın performans değerlerini hesaplamış oluruz. Bu değerler;

• Debi-basma yüksekliği eğrisi
• Debi-verim eğrisi
• Debi-güç eğrisi
• Fan 2D görüntüsü
• Hız üçgenleri
• Tahmini fan gürültü seviyesidir.

Bir boyutta yapılacak optimizasyonlardan sonra fanın tüm değerlerinin hesabı Fanpal programında tamamlanılır.

İkinci aşamada fanın çizimi yapılmalıdır. Axcent programı Fanpal datalarını kullanarak fanı otomatik olarak çizebilmektedir (Şekil 2). Daha sonra fan kanadına fan gürültüsünü azaltacak yeni şekiller verilebilinir.

 

Şekil 1. Fan Performans Eğrileri

Şekil 2. Fan çizimi ve fana şekil verilmesi

3. CFD Analizleri

Fanların CFD analizini yapabilmek için, bir rüzgar tüneline koymak gerekir. Bu tüneller standartlarda tariflidir (Örneğin, AMCA 210). Fanın geometrisi Axcent programından Fluent'in çizim programı olan Gmbit'e aktarılır. Fanlar standartlara uygun modellemesi Gambit programında yapılarak, fanın CFD modeli çıkartılır (Şekil 3).

Şekil 3. Fan CFD modeli çizimi

Daha sonra rüzgar tünelindeki fanın ağ tabakası oluşturulur. Bu işlem için de Gambit programı kullanılır (Şekil 4). Eksenel fanları periyodik olduğu için iki kanat arasını modellemek yeterli olacaktır. Sayısal ağ tabakası oluştururken dikkat edilmesi gereken, kanat yüzeyine sınır tabakası kullanılması gerekir. Bu sayede fanın performans değerleri hassas bir şekilde elde edilir.

Şekil 4. Fanın sayısal ağı

Fanın sayısal ağ tabakası oluşturduktan sonra, fan modeli Fluent'e transfere edilir ve burada sınır koşulları tanımlanır. Fanlarda sınır koşulu olarak girişte debi veya basınç, çıkışta basınç, fanın dönüş devri ve akışkan özellikleri programa girilir. Sınır koşulu olarak girişe 0 Pascal, çıkışa 0 Pascal tanımladığımızda, fan performans eğrisinin debi eksenini kestiği noktayı bulmuş oluruz. Fan eğrisinin diğer noktalarını elde etmek için geri basıncı arttırarak analizleri tekrarlamamız gerekir.

Şekil 5'de, Fluent'de analizi yapılmış bir fan üzerindeki statik basınç dağılımı Şekil 6'da hız dağılımı görülmektedir. Fanın motora bindirdiği yük ise kanat üzerindeki statik basıncın yüzey integralini alarak kanada binen kuvveti, bu kuvvetin, fan merkezine göre momentini alarak hesaplanabilir.

Şekil 5. Fan statik basınç dağılımı

Şekil 7. Fan hız dağılımı

4. Sonuç

Yapılan bu çalışmada, bir radyatör fanın Fanpal, Axcent yazılımları ile tasarlanmış ve Fluent yardımı ile gerçek hayatta nasıl çalıştığı hesaplanmıştır. Daha sonra içlerinden seçilen en iyi bir fanın prototipi yapılıp deneyleri tamamlanmıştır. Elde edilen sonuçlar Şekil 8'de verilmiştir.

Şekil 8. Analiz sonuçlarının deneylerle kıyaslanması

 
Yazılımlar sayesinde bir fanın performans eğrilerini sanal ortamda prototip veya kalıp yaptırmadan çıkarmak, farklı alternatifleri denemek, motor-fan ilişkisini kurmak mümkün olmuştur ve yapılan 1 prototip ile istenilen fan elde edilmiştir. Bu sayede gereksiz prototip imalatı ve gereksiz kalıp maliyeti olmamıştır.