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

1 - Giriş

Bir çok endüstri dalında bir ürünün performansının daha ürün tasarım sürecindeyken bilinmesi oldukça önemlidir. Böylece ürünün artan performans isteklerini karşılayıp karşılamadığı daha tasarım aşamasında görülebilir, probleme sebep olan etkenler bu aşamada ortadan kaldırılabilir ve optimize edilmiş ürün piyasaya sürülerek ürünün rekabet gücünü ve müşteri memnuniyetini artırma imkanına sahip olunabilir.

Otomotiv endüstrisi de diğer endüstri dalları gibi bir çok konuda geçmişe nazaran çok daha talepkar performans istekleri ve tasarım hedefleriyle karşı karşıya kalmaktadır. Bu alanlardan bazıları

. Sanal tasarım yöntemleriyle tasarım süresinin kısaltılması,
. Klasik içten yanmalı motorlarda silindir içindeki akışın ve yanmanın anlaşılarak yakıt tüketiminin düşürülmesi,
. Kaput altı sıcaklık dağılımının detaylı bir şekilde incelenerek arzu edilen şekle getirilmesi,
. İyi bir aerodinamik karakteristiğe sahip yeni ve alımlı tasarımlar yapılması,
. Daha düşük sürükleme katsayılarına erişirken düşük bileşen sıcaklıklarının, kabin görüş açıklığının ve buna benzer kritik diğer özelliklerin korunması,
. Akış kaynaklı gürültünün azaltılması, iç iklimlendirme sistemlerinin optimizasyonu ve solar etkilerin kontrolü vasıtasıyla sürüş konforunun artırılması,
. Çevre dostu ve kompakt araçlar tasarlamak,
. Klasik içten yanmalı motorlara yakıt pili gibi alternatifler geliştirmek,

olarak belirtilebilir. Firmalar ve mühendisler bu amaçla değişik araçların yardımına başvurmuş ve bu araçları hem tasarım sürecini kısaltmak hem de problemin fiziğini daha iyi anlamak amacıyla kullanmışlardır. Akış ve ısı transferi problemlerinin sanal ortamda çözülmesine olanak sağlayan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri bu araçların başında gelmektedir.

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) / Computational Fluid Dynamics (CFD) ve diğer CAD/CAM tasarım teknikleri 1980'li yıllarda doğdu ve hızlı bir şekilde otomotiv firmaları tarafında kullanılmaya başlandı. Bahsedilen zaman dilimindeki yavaş bilgisayarlar, gerçeği tam olarak yansıtamayan geometriler ve fiziksel altyapısı yetersiz kodlar, otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin kullanım alanını nispeten kısıtlı tutarken günümüzde bu durumun tamamen değiştiği rahatlıkla söylenebilir.

Günümüzde dünya çapındaki bir çok otomotiv firmasında ve bu firmaların yan sanayinde HAD yöntemleri tasarım sürecinin bütünleşik bir parçası olan bir tasarım aracı olarak kullanılmaktadır. Uzun yıllar boyunca yapılan testler ve edinilen tecrübeler firmaları HAD yöntemlerini daha aktif bir şekilde kullanılarak tasarım sürecini kısaltılma, simülasyonlar vasıtasıyla herhangi bir ürünü tasarım aşamasındayken optimize etme ve oldukça pahalı ve zaman alıcı olan deneylerin ve prototip üretme işlemlerinin minimize etme yoluna yönlendirmiş ve bunun sonucu olarak bir çok alanda akış modellenmesi ve ısı transferi konusunda yapılan çalışmaların sayısında büyük bir artış gözlenmiştir. Ayrıca bilgisayar konusundaki gelişmeler ve yüksek performanslı donanıma düşük maliyetlerle sahip olma imkanı milyonlarca elemana sahip modellerle yapılan analizleri günlük bir iş haline getirmiştir.

Makalede amacımız bu konuda yapılan çalışmalara bazı örnekler göstermek ve otomotiv sektöründe HAD yöntemlerinin ne şekilde ve hangi problemler için kullanılabileceği konusunda bir miktar bilgi vermektir.

2 - Otomotiv sektöründeki HAD çalışmaları

Yukarıda da belirtildiği gibi HAD yöntemleri ile silindir içi akış problemlerinden araç dış aerodinamiği veya kaput altı ısı transferine kadar çok çeşitli problemlere çözüm bulmak olasıdır. Aşağıda değişik problemlerin hepsi için FLUENT isimli Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı kullanılmıştır.

Dış aerodinamik ve aeroakustik:

Dış aerodinamik araç üreticileri için her zaman önemini korumuştur. Sürükleme katsayısının düşürülmesi yakıt tüketimine ve aracın performansına doğrudan etki ederken akış kaynaklı gürültü seviyesinin azaltılması da özellikle yüksek süratlerde sürüş konforunu artırmaktadır. Bu nedenle bu konularda yapılmış bir çok çalışma bulunabilir. Şekil 1. de Opel firması tarafından Astra modeli için yapılan bir akış analizinden alınmış bir resmi görebilirsiniz.

Şekil 1. Opel Astra etrafındaki yapılmış akış analizi.
Araç üzerindeki statik basınç dağılımı ve akım çizgileri görülebilir.

Bu tip bir analizle araç etrafındaki ve/veya/altındaki basınç dağılımı, hız dağılımı detaylı olarak hesaplanıp sürükleme katsayısı gibi önemli değerler yüksek bir hassasiyetle saptanabilir. Böylece gerekli optimizasyonlar sanal ortamda rahatlıkla yapılabilir. Bu tip analizlerde izlenen yöntemi ise Şekil 2 de görebilirsiniz. Burada Opel firmasının böyle bir analiz için ne tip işlemler yaptığı ve ne kadar süre harcadığı görülebilir.

Şekil 2. Opel Astra analizi için yapılan işlemler ve süreleri.