Publication details
Abstracts and keywords
Zmniejszenie oporu aerodynamicznego stanowi jeden z głównych obszarów umożliwiających obniżenie kosztów eksploatacji i ograniczenie wpływu pojazdów na środowisko, bez względu na rodzaj napędu. Niniejsza rozprawa koncentruje się na problematyce oporu aerodynamicznego pojazdów komercyjnych o prostopadłościennym kształcie nadwozia. Problem naukowy, który został rozwiązany w ramach tej pracy, polegał na znalezieniu skutecznego sposobu na zmniejszenie oporu aerodynamicznego oraz redukcję mocy napędowej wymaganej do utrzymania stałej prędkości pojazdu ciężarowego. Autor przedstawił opracowaną i opatentowaną przez siebie metodę aktywnego sterowania opływem, polegającą na wytwarzaniu dodatkowej bariery powietrznej, która oddziela tył pojazdu od powstających za nim turbulencji i stref obniżonego ciśnienia. Podstawą działania zaproponowanego systemu aerodynamicznego jest zmiana paradygmatu dotyczącego wykorzystania strumieni powietrza jako źródła siły. Zamiast ich bezpośredniego wykorzystania do wytwarzania siły odrzutu dopędzającej pojazd, strumienie są używane do neutralizacji siły oporu działającej na strefę tylną pojazdu. W pracy zaprezentowano proces weryfikacji zaproponowanego rozwiązania za pomocą komputerowej mechaniki płynów, który został przeprowadzony w trzech etapach. Pierwszy etap obejmował wykonanie modelu opływu lekkiego samochodu ciężarowego, który służył jako model referencyjny do analiz i wyznaczenia sił aerodynamicznych. Drugi etap polegał na eksploracji różnych wariantów geometrycznych i przepływowych głównych podzespołów systemu aerodynamicznego oraz wyznaczeniu optymalnych konfiguracji. W trzecim etapie wybrane konfiguracje zostały zastosowane w modelu opływu pojazdu ciężarowego, a następnie opór aerodynamiczny zmodyfikowanych pojazdów został porównany z modelem referencyjnym. Uzyskane wyniki wskazują na skuteczność zaproponowanej metody na poziomie przewyższającym możliwości współczesnych rozwiązań pasywnych. W określonych warunkach siła generowana za pomocą spiętrzeń strumieni przewyższa teoretyczną siłę ciągu tych strumieni. Efekt ten jest potęgowany na pojeździe, gdzie uzyskano blisko dwukrotnie większą sprawność poprzez ograniczanie oporu za pomocą bariery powietrznej względem teoretycznej siły ciągu strumieni powietrza wykorzystanych do jej wytworzenia. Z perspektywy energetycznej, główne wyzwanie stanowi sposób doprowadzania powietrza do zasilania systemu aerodynamicznego. Pobieranie powietrza powinno odbywać się w taki sposób, aby zmniejszać opór aerodynamiczny w innych strefach pojazdu, w szczególności w strefie czołowej, gdzie następuje spiętrzenie powietrza. Przeprowadzone badania i obliczenia wykazały, że pobieranie powietrza z tej strefy jest teoretycznie możliwe i korzystne, jednak dokładny sposób realizacji tego procesu wymaga dalszych badań. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na możliwość praktycznego zastosowania nowej technologii, otwierając nowe perspektywy w dziedzinie aerodynamiki pojazdów użytkowych. Kontynuacja badań może przyczynić się do znaczącej poprawy efektywności energetycznej pojazdów użytkowych, redukcji emisji CO2 oraz obniżenia kosztów eksploatacji, co ma istotne znaczenie w kontekście obecnych globalnych dążeń do zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska.
Reduction of aerodynamic drag is one of the primary areas enabling the reduction of operating costs and the environmental impact of vehicles, regardless of the type of propulsion system. This dissertation focuses on the issue of aerodynamic drag in commercial vehicles with a rectangular body shape. The scientific problem addressed in this work involved finding an effective way to reduce aerodynamic drag and the propulsion power required to maintain a constant speed of a truck. The author presented a method of active flow control developed and patented by themselves, which involves creating an additional air barrier that separates the rear of the vehicle from the turbulence and low-pressure zones formed behind it. The proposed aerodynamic system is based on a paradigm shift regarding the use of air streams as a source of force. Instead of directly using them to generate thrust that propels the vehicle, the streams are used to neutralize the drag force acting on the rear zone of the vehicle. The verification process of the proposed solution was conducted through computational fluid dynamics (CFD) in three stages. The first stage involved creating a flow model of a light truck, which served as a reference model for analysis and determination of aerodynamic forces. The second stage focused on exploring various geometric and flow variants of the main components of the aerodynamic system and determining optimal configurations. In the third stage, the selected configurations were applied to the flow model of the truck, and the aerodynamic drag of the modified vehicles was compared with the reference model. The results indicate the effectiveness of the proposed method, surpassing the capabilities of contemporary passive solutions. Under certain conditions, the force generated by the air stream pileups exceeds the theoretical thrust of these streams. This effect is amplified in the vehicle, where nearly double the efficiency was achieved by reducing drag with an air barrier compared to the theoretical thrust force of the air streams used to create it. From an energy perspective, the main challenge lies in the method of delivering air to power the aerodynamic system. Air intake should be conducted in such a way as to reduce aerodynamic drag in other zones of the vehicle, particularly in the frontal zone, where air stream pileups occur. The conducted research and calculations demonstrated that air intake from this zone is theoretically possible and beneficial however, the exact implementation of this process requires further study. The results of the conducted research indicate the practical applicability of the new technology, opening new perspectives in the field of commercial vehicle aerodynamics. Continued research may significantly improve the energy efficiency of commercial vehicles, reduce CO2 emissions, and lower operating costs, which is of significant importance in the context of current global efforts towards sustainable development and environmental protection.
