Diplomi insinööri Tapio Koisaari

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Konetekniikan osasto Juha Nyholm Raskaan kaluston aerodynamiikan kehittäminen Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi insinöörin tutkintoa varten. Espoo 5.12.2006 Valvoja: Ohjaaja: Professori Matti Juhala Diplomi insinööri Tapio Koisaari

Tiivistelmä TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tekijä Juha Nyholm DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Työn nimi Raskaan kaluston aerodynamiikan kehittäminen Päivämäärä 5.12.2006 Sivumäärä 82 Osasto Professuuri Valvoja Ohjaaja Konetekniikan osasto Kon 16 Auto ja työkonetekniikka Professori Matti Juhala Diplomi insinööri Tapio Koisaari Työn tarkoituksena on tutkia raskaan kaluston aerodynaamisen kehityksen tilaa ja tutustua maaliikennekulkuneuvoihin vaikuttaviin aerodynaamisiin ilmiöihin. Työssä perehdytään ilmanvastusvoiman syntymekanismeihin raskaan kaluston ajoneuvojen kannalta ja käydään läpi kuorma ja linja autojen eri muotojen vaikutus. Kuormaauton ilmanohjaimien ja sivuhelmojen vaikutukset ja toiminta selvitetään. Avainasemassa raskaan kaluston aerodynamiikan parantamisessa on ajoneuvon etu ja takapään muotoilu. Etupään kulmat tulisi pyöristää, jonka jälkeen suurin osa ajoneuvon ilmanvastuksesta syntyy auton takapään vaikutuksesta. Takapään muotoilua voidaan parantaa pyöristämällä kulmat ja viistämällä kattoa ja kylkiä. Työssä esitellään keskeisimmät tutkimus ja mittaustavat. Tuulitunnelikokeiden tekeminen on perinteisesti käytetyin tutkimusmenetelmä, mutta CFD laskenta yleistyy jatkuvasti tietokoneiden kehittyessä. Ilmanvastusta voidaan mitata kokeellisesti myös rullauskokeilla. Työhön sisältyy myös kokeellinen osuus, jossa tehtiin tuulitunnelimittauksia pikavuorolinja auton pienoismallilla. Mittauksissa pyrittiin selvittämään erilaisten keulaja perämuotojen vaikutusta ajoneuvon ilmanvastuskertoimeen ja sivuvoimaan. Mittauksissa käytettiin neljää erilaista keulaa ja kolmea erilaista perää, joista koottiin erilaisia yhdistelmiä kaikkiaan kymmenen kappaletta. Sivutuulen vaikutuksen simuloimiseksi kaikkia muotoja ajettiin eri kulmilla virtaukseen nähden 25 asteeseen asti. Mittaustuloksista nähtiin, että keulan pyöristäminen madaltaa ilmanvastusta selvästi, mutta tuulilasin kallistuksella ei saada huomattavaa etua. Perien osalta tuloksista nähtiin, että kulmien pyöristäminen pienentää vastuskerrointa selkeästi ja perän viistäminen lisäksi suippomaiseksi alentaa vastuskerrointa jo erittäin paljon. Yksittäisistä muodoista parhaaksi osoittautuikin juuri suippomainen perä. Sivutuuliherkkyyden kannalta olennaisen sivuvoiman kannalta tuloksista nähtiin, että peräpään muotoilulla on suurempi vaikutus kuin etupään muotoilulla. 1

Abstract HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Author Juha Nyholm ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Title of the thesis Development of Heavy Vehicle Aerodynamics Date 5. December 2006 Number of pages 82 Department Professorship Supervisor Instructor Department of Mechanical Engineering Kon 16 Automotive Engineering Professor Matti Juhala Tapio Koisaari, M.Sc. (Tech.) The purpose of this thesis is to research the aerodynamics of heavy vehicles and to study the aerodynamic occurrences which interact with ground vehicles. In this thesis the formation of aerodynamic forces in heavy vehicles and effects of the different shapes of trucks and coaches are familiarized. In addition, the influence and function of truck wind deflectors and side skirts is examined. In heavy vehicles, the most important factor as regards to aerodynamics is the body design in the front and the rear ends. If the corners in the front end are rounded, the rear end produces most of vehicle s drag. The form of the rear end can be improved by rounding the corners or chamfering the edges in the rear part of the roof and sides. The most important research and measuring methods are also introduced in this thesis. Traditionally, the most widely used way to study aerodynamics has been wind tunnel measurements, but CFD calculations have become more common as computer technology evolves. Measuring of the drag force can also be performed by rolling tests. In the experimental part of this thesis, wind tunnel measurements with a coach scale model were made. The target was to compare the effect of different front and rear end shapes. The interest was in the drag coefficients and side forces that the different shapes produced. Four different front ends and three different read ends were used. From these parts, a total of ten combinations were made and each of them was tested in different angles up to 25 degrees to simulate side wind effect. Results show that rounding the front end lowers the drag coefficient, but tilting the windscreen backwards has only little effect. Rounding was also effective in the rear end, but the overall best shape was rear end which was both chamfered and rounded. Results also show that the rear end has more influence when minimizing the side force under side wind conditions than front end. 2

Alkulause Alkulause Diplomityö tehtiin Teknillisen Korkeakoulun Autotekniikan laboratoriolla 1.6. 5.12.2006 välisenä aikana. Kiitän työn valvojaa professori Matti Juhalaa ohjauksesta ja neuvoista. Samoin kiitän työn ohjaajaa assistentti Tapio Koisaarta neuvoista ja ajatuksista joita hän on prosessin aikana esittänyt. Erityisesti kiitän Tapiota mielenkiinnosta työtäni kohtaan. Lisäksi kiitän laboratorioinsinööri Panu Sainiota avusta, ohjeista ja työhöni liittyvien käytännön asioiden hoitamisesta. Kiitän myös kaikkia muita TKK:n Autolaboratorion henkilökuntaan kuuluvia miellyttävästä ja virikkeellisestä työilmapiiristä. Työssä tehtiin tuulitunnelimittauksia, jotka suunniteltiin yhdessä Kabus Oy:n henkilökunnan kanssa. Haluankin kiittää johtaja Martti Tommolaa, tuotekehityspäällikkö Tommi Mutasta ja Niklas Löfbergiä sekä muita projektiin osallistuneita Kabus Oy:n työntekijöitä työhön osallistumisesta ja pienoismallin valmistamisesta. Tuulitunnelimittaukset tehtiin 3. 6.10.2006 Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratoriossa. Kiitän laboratorioinsinööri Mikko Korhosta tiedoista, neuvoista ja materiaalista sekä mahdollisuudesta mittausten suorittamiseen. Lisäksi kiitän laboratoriomestari Tarja Matsuoita tuulitunnelin käytöstä ja muita projektiin osallistuneita Aerodynamiikan laboratorion työntekijöitä. Tutkimusinsinööri Kimmo Erkkilää VTT:ltä haluan kiittää materiaalin toimittamisesta ja kiinnostuksesta työtäni kohtaan. Lisäksi kiitän kehityspäällikkö Kimmo Nykästä Transpoint Oy Ab:sta häneltä saamistani tiedoista. Erityisesti kiitän äitiäni Sirkkaa ja isääni Artoa, jonka olisin toivonut ehtivän näkemään tämän työn, sekä tietenkin Maria. Espoossa 5.12.2006 Juha Nyholm 3

Sisällysluettelo Sisällysluettelo Alkulause... 3 Symboliluettelo... 6 Nomenclature... 7 1. Johdanto... 8 2. Virtausmekaniikan perusteita... 9 2.1. Fluidien ominaisuudet... 9 2.1.1. Kaasujen yleinen tilanyhtälö... 9 2.1.2. Viskositeetti... 9 2.2. Rajakerrosteoriaa... 10 2.2.1. Virtauksen irtoaminen... 11 2.3. Reynoldsin luku... 12 2.4. Bernoullin yhtälö... 12 2.5. Patopiste ja paine... 13 3. Ajoneuvon aerodynamiikka... 14 3.1. Aerodynaamiset voimat... 14 3.1.1. Ilmanvastus... 14 3.1.2. Noste... 16 3.1.3. Sivutuulen vaikutukset... 16 3.2. Ajoneuvon virtauskenttä... 19 3.2.1. Ulkoinen virtaus... 19 3.2.2. Sisäinen virtaus... 20 3.2.3. Moottorin ilmavirtaus... 21 3.2.4. Virtauskenttä pyörien ympärillä... 21 4. Aerodynamiikan tutkimusmenetelmät... 23 4.1. Tuulitunnelikokeet... 23 4.1.1. Tuulitunnelin rakenne... 23 4.1.2. Mittaaminen... 24 4.1.3. Tuulitunnelin mittalaitteet... 26 4.2. Laskennalliset menetelmät... 30 4.2.1. Laskenta... 32 4.3. Tiekokeet... 33 4.3.1. Rullauskokeet... 33 5. Hyötyajoneuvojen aerodynamiikan parantaminen... 35 5.1. Kuorma autot... 35 5.1.1. Ohjaamon muotoilu... 36 5.1.2. Ilmanohjaimet ohjaamon katolla ja sivuissa... 38 5.1.3. Vetoauton ja perävaunun väli... 41 5.1.4. Sivuhelmat... 42 5.1.5. Kuormatilan muotoilu... 43 5.1.6. Sivutuuliominaisuudet... 44 5.2. Linja autot... 45 5.2.1. Keulan muotoilu... 45 5.2.2. Perän muotoilu... 47 5.2.3. Sivutuuliominaisuudet... 48 4

Sisällysluettelo 6. Vesiroiskeiden ja sumun vähentäminen... 50 6.1. Vesiroiskeiden ja sumun synty... 50 6.2. Lokasuojien toiminta... 51 6.3. Vesisumun vähentäminen aerodynaamisesti... 53 7. Linja auton pienoismallin tuulitunnelikokeet... 55 7.1. Tutkimuksen kohde... 55 7.1.1. Tuulitunnelimalli... 56 7.2. Koejärjestely... 58 7.2.1. Tuulitunneli... 58 7.2.2. Mittalaitteet... 59 7.3. Tuulitunnelimittaukset... 60 7.3.1. Valmistelevat toimenpiteet... 60 7.3.2. Mittaukset... 62 7.4. Kokeiden tulokset... 62 7.4.1. Tulosten käsittely... 64 7.4.2. Ilmanvastuskertoimet... 66 7.4.3. Sivuvoima... 69 8. Yhteenveto ja suositukset... 72 Lähteet... 74 Liitteet... 77 Liite 1: Kuvia linja auton pienoismallista... 77 Liite 2: Käytössä olevien tuulitunnelien tietoja... 82 5

Symboliluettelo Symboliluettelo A = otsapinta ala [m 2 ] A m = pienoismallin otsapinta ala [m 2 ] A N = mittatilan poikkipinta ala [m 2 ] c = virtausnopeus [m/s] C = mittatilan efektiivinen poikkipinta ala [m 2 ] c d = ilmanvastuskerroin [] E = kylläisen höyryn paine [Pa] F i = ilmanvastusvoima [N] F n = nousuvastus [N] F r = mekaaniset vastusvoimat [N] F tot = kokonaisvastusvoima [N] g = patopaine [Pa] H = korkeus [m] H m = pienoismallin korkeus [m] I 0 = rullaavan akselin hitausmomentti [kgm 2 ] I d = vetävän akselin ja voimansiirron hitausmomentti [kgm 2 ] L = pituus [m] L k = mittatilan poikkipinta alan kehäpituus [m] L m = pienoismallin pituus [m] m = ajoneuvon massa [kg] m = massavirta [kg/s] Ma = Mach:n luku [] n = ainemäärä [mol] p = paine (staattinen) [Pa] p 0 = kokonaispaine [Pa] p a = ilmakehän paine [Pa] p dyn = dynaaminen paine [Pa] R = moolinen kaasuvakio [J/(mol K)] r 0 = rullaavan pyörän dynaaminen vierintäsäde [m] r d = vetävän pyörän dynaaminen vierintäsäde [m] Re = Reynoldsin luku [] T = lämpötila [ C] U = suhteellinen kosteusprosentti [] V = tilavuus [m 3 ] v = ajonopeus [m/s] v 0 = tuulennopeus [m/s] V m = pienoismallin tilavuus [m 3 ] = mäen kaltevuuskulma [ ] 3 = rajakerroksen paksuus mittatilassa [m] s = mittatilan seinämien kiinteä kuriste w = pienoismallin vanaveden aiheuttama kuriste = blockage ratio [] = dynaaminen viskositeetti [Ns/m 2 ] = kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s] = ilman tiheys [kg/m 3 ] = liukukulma [ ] 6

Nomenclature Nomenclature CFD Coast Down DPIV Ground Plane Hill Rolling LES NVH PIV RANS Splash Spray Yaw Angle Computational Fluid Dynamics Rullauskoe tasaisella Digital Particle Image Velocimetry Maataso Rullauskoe mäessä Large Eddy Simulation Noise, Vibration and Harshness Particle Image Velocimetry Reynolds Averaged Navier Stokes Renkaan synnyttämä vesiroiske Renkaan nostattama vesisumu Liukukulma 7

1. Johdanto 1. Johdanto Tämä diplomityö tehtiin osana Motivan Rastu tutkimushanketta. Rastu, eli raskas ajoneuvokalusto: turvallisuus, ympäristöominaisuudet ja uusi tekniikka, on kuuden tutkijaosapuolen hanke, joka ajoittuu vuosiin 2006 2008. Hankkeen sisällä diplomityö sijoittuu TKK:n ja VTT:n vetämään ajoneuvotekninen kehitystyö osatehtävään. Maantienopeuksissa kuorma ja linja autojen ilmanvastus kasvaa suurimmaksi vastusvoimaksi. Perinteisesti raskasta kalustoa ei ole suunniteltu aerodynamiikan ehdoilla ja näiden ajoneuvojen aerodynamiikan kehittämisellä voidaankin saada huomattavia parannuksia energiatehokkuuteen. Koska raskaan kaluston ajoneuvokohtaiset vuosittaiset ajosuoritteet ja polttoaineenkulutus ovat henkilöautoja huomattavasti korkeampia, kehittyy myös esimerkiksi 10 prosentin vähennyksestä polttoaineen kulutukseen huomattavan suuri säästö tarkasteltaessa litraa autoa kohden. Mikäli lisäksi tarkastelussa huomioidaan raskaan kaluston ajoneuvojen lukumäärä, voidaan asiassa nähdä jopa kansantaloudellisia merkityksiä. Aerodynamiikalla voidaan myös vaikuttaa myönteisesti ajettavuuteen ja turvallisuuteen. Oikealla muotoilulla voidaan sivutuulen vaikutuksia vähentää ja vesisumun syntymistä sekä leviämistä ehkäistä. Tämä työ jakautuu karkeasti kahteen osaan; kirjallisuustutkimukseen ja kokeelliseen osioon. Alkuosan kirjallisuustutkimuksessa käydään läpi virtausopin peruskäsitteitä, aerodynaamisia ilmiöitä ja voimia. Lisäksi esitellään ajoneuvon virtauskenttä ja ajoneuvon eri osien vaikutus ympärillä kulkevaan virtaukseen. Alkuosassa selvitetään myös ajoneuvotyypeittäin kuorma ja linja autojen muotojen ja yksityiskohtien vaikutusta syntyvään ilmanvastus ja sivuvoimaan. Lisäksi alkuosassa käsitellään vesisumun syntymiseen ja leviämiseen vaikuttavat asiat ja perehdytään vesisumun ehkäisemiseen käytettäviin keinoihin. Kokeellisessa osiossa on raportoituna työn puitteissa tehdyt tuulitunnelimittaukset ja niiden tulokset. Tuulitunnelimittaukset tehtiin pikavuorolinja auton 1:10 pienoismallilla ja tarkoituksena oli selvittää erilaisten keula ja perämuotojen vaikutusta ilmanvastuskertoimeen ja syntyneeseen sivuvoimaan. Lähtökohtaisesti tuulitunnelimittaukset olivat tyypiltään vertailevia, joissa pyrittiin vain löytämään eroja eri muotojen väliltä ja arvioimaan erojen suhteellista suuruutta. Koska mittausjärjestelyn tarkkuus ja toiminta eivät olleet etukäteen riittävän hyvin tiedossa, ei absoluuttisia vastuskertoimia ollut edes tarkoitus määrittää. Tarkkuutta vähentävänä tekijöinä olivat pienoismallin vähäiset yksityiskohdat ja kiinteän maatason käyttäminen. Tuloksissa vastuskertoimet on kuitenkin laskettu, sillä tunnelista saatu mittausdata vaikutti siihen riittävän tarkalta. Työn lopussa käsitellään mittauksissa saadut tulokset ja niitä verrataan kirjallisuustutkimuksessa saatuihin tietoihin. Yhteenvedossa on myös suosituksia, jotka on laadittu työssä esitettyjen tietojen pohjalta. 8

2. Virtausmekaniikan perusteita 2. Virtausmekaniikan perusteita Virtausmekaniikka on kontinuumimekaniikan osa alue, joka tutkii nesteiden ja kaasujen käyttäytymistä. Aerodynamiikka on puolestaan eräs virtausmekaniikan ala, joten perehdyttäessä aerodynamiikkaan voidaan tarkastelu aloittaa tutustumalla yleisemmällä tasolla virtausmekaniikan aihealueeseen. Pohjimmiltaan ilman virtauksen pisteestä toiseen synnyttää aina pisteiden välillä vallitseva paine ero. 2.1. Fluidien ominaisuudet Fluidi on yleisnimitys aineelle, jossa molekyylit voivat liikkua vapaasti toistensa suhteen. Fluideja ovat kaasut, nesteet ja plasmat. Nesteet ovat paineen vaikutuksen alla lähes kokoonpuristumattomia ja kaasut puolestaan kokoonpuristuvia fluideja. Fluideille on tyypillistä, että ne eivät voi kantaa pienintäkään jatkuvasti vaikuttavaa leikkausjännitystä, eikä niissä voi esiintyä vetojännityksiä. Koska tässä työssä tehtävässä virtausmekaanisessa pohdinnassa kaasu on väliaineena, keskitytään myös ominaisuuksien selvittelyssä lähes ainoastaan kaasuihin./1/ Ilman ominaisuudet määräytyvät sen koostumuksen mukaan, joka on likimain 78 % typpeä, 21 % happea ja muita kaasuja sekä vesihöyryä noin 1 %. Edellä esitetyt prosenttiosuudet kuvaavat tilavuutta./2/ 2.1.1. Kaasujen yleinen tilanyhtälö Nesteiden tiheys riippuu vain hyvin vähän vallitsevasta paineesta tai lämpötilasta, mutta kaasuilla nämä riippuvuudet ovat huomattavasti suuremmat. Ihannekaasun tiheyden riippuvuus paineesta ja lämpötilasta voidaan kuvata seuraavasti;/1/ p = ρrt, (1) jossa p on paine, on tiheys, R on kaasuvakio ja T vallitseva lämpötila. Toisaalta tiedetään, että; n ρ =, (2) V jossa n on ainemäärä ja V on tilavuus. Nyt kaavoista (1) ja (2) saadaan; pv = nrt, (3) joka on kaasujen yleinen tilanyhtälö. Ilmakehän paine merenpinnan tasolla on 1 bar, kun lämpötila on 15 C ja tiheys 1,2 kg/m 3. Moolisen kaasuvakion R arvo on 8,314510 J/(mol K)./28/ 2.1.2. Viskositeetti Viskositeetti on fysikaalinen suure, joka kuvaa fluidin kykyä vastustaa muodonmuutosta. Viskositeetin suuruus riippuu fluidin sisäisestä kitkasta, eli molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta. Kullakin fluidilla on sille ominainen dynaaminen viskositeetti, joka on riippuvainen lämpötilasta. Kinemaattinen viskositeetti voidaan 9

2. Virtausmekaniikan perusteita puolestaan määrittää kaavalla;/5/ µ ν =. (4) ρ Viskositeetilla on merkittävä vaikutus kitkallisen virtauksen rajakerroksen syntymiseen. Viskositeetti myös aiheuttaa kitkavastusta virtaukseen joka etenee kiinteän pinnan yli. Mitä suurempi viskositeetti aineella on, sitä paksumpaa aine on. Toisin sanottuna: mitä suurempi viskositeetti väliaineella on, sitä vaikeampi kiinteää kappaletta on kuljettaa sen läpi./2/ 2.2. Rajakerrosteoriaa Fluidin virratessa kiinteän pinnan yli on nopeasti etenevän virtauksen ja paikallaan olevan tasopinnan välillä alue, jossa virtauksen nopeus kasvaa eksponentiaalisesti siirryttäessä etäämmälle pinnasta. Tätä virtauskentän osaa kutsutaan rajakerrokseksi. Lähestyttäessä pintaa rajakerroksen virtausnopeus laskee kohti nollaa ja siirryttäessä etäämmälle pinnasta uloimman osan nopeus taas lähestyy varsinaisen virtauksen nopeutta. Virtauksen nopeusjakauma rajakerroksessa on esitetty kuvassa 1./3/ Kuva 1. Virtausnopeus rajakerroksessa./3/ Rajakerroksen paksuuteen vaikuttavat pinnan epätasaisuudet, virtaavan fluidin viskositeetti, paine sekä virtausnopeus. Rajakerros myös paksunee pinnan epätasaisuuksien vaikutuksesta virtauksen edetessä pinnan yli. Rajakerros paksunee, sillä virtaus hidastuu menettäessään kineettistä energiaansa pintakitkan vaikutuksesta /2/. Virtaviivaisesti muotoillun henkilöauton etupäässä 100 kilometrin tuntinopeudella rajakerros on tyypillisesti muutamia millimetrejä paksu, mutta takapäässä rajakerros voi olla jo useita senttimetrejä /4/. Pinnan epätasaisuuden vaikutus rajakerroksen paksuuteen on esitetty kuvassa 2./3/ 10

2. Virtausmekaniikan perusteita Kuva 2. Pinnanlaadun vaikutus rajakerroksen paksuuteen./3/ Alkuvaiheessa rajakerros on aina laminaarinen, mutta kasvaessaan riittävästi se tulee epästabiiliksi ja muuttuu turbulenttiseksi. Pistettä, jossa virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi, kutsutaan transitiopisteeksi. Turbulenttinen rajakerros on paksumpi kuin laminaarinen ja se aiheuttaa enemmän vastusta, sillä pintakitka on suurempi /4/. Virtausnopeuden kasvattaminen siirtää transitiopistettä edemmäksi esimerkiksi auton katolla. Aivan tason pinnan läheisyydessä virtaus säilyy kuitenkin aina laminaarisena. Eri virtaustyyppien esiintyminen rajakerroksessa on esitetty kuvassa 3./1/ Kuva 3. Laminaarinen ja turbulentti virtaus rajakerroksessa./1/ 2.2.1. Virtauksen irtoaminen Virtauksen kulkiessa pinnan yli voi samanaikainen nopeuden lasku ja paineen nousu kääntää virtauksen suunnan aivan pinnan tuntumassa, eli rajakerroksen hitaimmassa osassa, päinvastaiseksi eli tulosuuntaan. Tällöin pinnalle syntyy pyörre ja virtaus pyrkii irtautumaan pinnasta. Virtauksen irtoamiselle on lisäksi edellytys, että virtauksen ja pinnan välillä esiintyy kitkaa. Tämä edellytys toteutuu reaalimaailmassa poikkeuksetta. Liian aikaisin ja pyörteillen irronnut virtaus aiheuttaa aerodynaamisen vastusvoiman huomattavaa kasvua. Kuvassa 4 on havainnollistettu virtauksen irtoaminen lentokoneen siiven päältä, kun kohtauskulma kasvaa liian suureksi./1/ Kuva 4. Virtauksen irtoaminen lentokoneen siiveltä kohtauskulman ollessa liian suuri./1/ 11

2. Virtausmekaniikan perusteita Laminaarinen virtaus on selvästi herkempi irtoamaan pinnasta kuin turbulenttinen virtaus. Tästä syystä turbulenttisen rajakerroksen yli kulkeva virtaus saadaan myötäilemään ajoneuvon pinnan muotoa paremmin. Tähän perustuu muun muassa Golfpallon pinnan kuvioiminen painanteilla. Näin ollen on tilanteita, jolloin turbulenttinen rajakerros on haluttu laminaarisen sijaan suuremmasta pintakitkasta huolimatta. Transitiopisteen sijaintiin voidaan vaikuttaa esimerkiksi pinnanlaadun muutoksilla. Henkilöautoissa rajakerros paksunnetaan usein keinotekoisesti takakulmissa, jotta varsinainen virtaus saadaan kääntymään auton taakse paremmin. Paksuntaminen voi tapahtua esimerkiksi lisäämällä takavalojen laseihin sopivaa epätasaisuutta./4/ 2.3. Reynoldsin luku Reynoldsin luku on dimensioton suhdeluku, joka kuvaa virtauksen luonnetta. Pieni Reynoldsin luku kuvaa laminaarista virtausta ja vastaavasti suuri luku turbulenttista virtausta. Reynoldsin luku määritetään kaavalla; /5/ clρ Re =, (5) µ jossa c on virtausnopeus ja L virtausta luonnehtiva pituus, yleensä siis kappaleen pituus tai muu dimensio. Maaliikennekulkuneuvojen kohdalla L voi joskus olla myös esimerkiksi kappaleen tehollinen halkaisija. Yhtälö (5) voidaan edelleen muuntaa kaavan (4) avulla muotoon: VL Re =. (6) v Ajoneuvon aerodynamiikkaa tutkittaessa on virtausnopeus ajoneuvon etenemisnopeus, mikäli tuuli ei vaikuta tilanteeseen ja virtausta luonnehtiva pituus puolestaan on ajoneuvon pituus. Tuulen vaikutusta on käsitelty tarkemmin luvussa 3.1.3. Kahta virtausta voidaan pitää ominaisuuksiltaan ja vaikutuksiltaan vastaavanlaisina, mikäli niiden Reynoldsin luvut vastaavat toisiaan. Tämä ominaisuus on hyödyllinen, mikäli esimerkiksi mitattava kappale on liian suuri mitattavaksi tietyssä tuulitunnelissa. Tällöin kappaleesta voidaan valmistaa tunneliin sopiva pienoismalli ja Reynoldsin luku korjataan kohdalleen virtausnopeutta nostamalla. Jos pienoismalli on mittakaavassa 1:4, nähdään yhtälöstä (6) että virtausnopeuden tulee olla nelinkertainen jotta Reynoldsin luku saadaan samaan arvoon. Aerodynaamisia voimia voidaan määrittää myös vedessä. Tällöin mallia yleensä vedetään seisovan veden poikki. Koska veden viskositeetin ja tiheyden suhde on noin 15 kertainen ilman vastaavaan nähden, nähdään kaavasta (5) että veden ollessa väliaineena riittää virtausnopeudeksi viidestoistaosa alkuperäisestä nopeudesta./4/ 2.4. Bernoullin yhtälö Virtausopissa erittäin hyödyllinen kaava on niin sanottu Bernoullin yhtälö, jonka laati Daniel Bernoulli (1700 1782). Bernoullin yhtälö on; /1/ 1 2 p 0 = p + ρ c = vakio, (7) 2 12

2. Virtausmekaniikan perusteita jossa on tiheys ja c on virtausnopeus. Näin ollen p 0 on kokonaispaine, p on staattinen paine ja 2 1 c 2 on dynaaminen paine. Bernoullin yhtälön mukaan kokonaispaine p 0 kuvaa virtauksen energiaa, joka koostuu paine energiasta ja kineettisestä energiasta /2/. Energian säilyvyyden vuoksi kokonaispaine on siis vakio koko virtauskentän alueella, mikäli häviöt jätetään huomioimatta./1/ 2.5. Patopiste ja paine Kun virtauskentässä tarkastellaan kahta eri pistettä, voidaan Bernoullin yhtälö kirjoittaa muotoon; /1/ 1 1 p 1 + ρ c1 = p2 + ρc2 = p0. (8) 2 2 Virtauksen kohdatessa kiinteän esteen, on virtauskentässä aina piste P, jossa virtausnopeus c on nolla. Tällöin piste P on niin kutsuttu patopiste ja pisteessä vallitseva paine p on patopaine. Patopiste on esitetty kuvassa 5. Patopisteessä virtaus on luovuttanut kaiken kineettisen energiansa staattiseksi paineeksi /2/. Patopaineen suuruus alisoonisessa virtauksessa on vallitsevan kokonaispaineen suuruinen; kun virtausnopeus c on nolla, saadaan kaavasta (7); p = p 0. Kuva 5. Patopiste P virtauksen kohdatessa kiinteän esteen./1/ 13

3. Ajoneuvon aerodynamiikka 3. Ajoneuvon aerodynamiikka 3.1. Aerodynaamiset voimat Edetessään ajoneuvo syrjäyttää ilmaa työntämällä sitä ylös katolle, alleen ja kyljilleen. Ajoneuvon etuosan muotoilu määrittää, miten ilmavirta ohjautuu kuhunkin suuntaan. Ajoneuvon eri osiin osuva ja eri suuntiin ohjautuva ilmavirta aiheuttaa ajoneuvon koriin voimavaikutuksia. Aerodynaamiset voimat ja momentit suuntineen on esitetty kuvassa 6. Voimat voivat olla paine ja kitkavoimia. Painevoimat voivat aiheuttaa kaiken suuntaisia voimia ja siten synnyttää nostetta, ilmanvastusta ja myös sivuvoimia. Kitkavoimat puolestaan synnyttävät voimaa vain virtauksen kulkusuunnassa, eli ne synnyttävät pääasiassa ilmanvastusta. Kulkusuuntaan nähden vinolla pinnoilla kitkavoimat voivat kuitenkin synnyttää myös nostetta ja sivuvoimaa. Koska ajoneuvot ovat yleensä symmetrisiä kulkusuuntaansa nähden, on syntyvien aerodynaamisten sivuvoimien summa nolla, mikäli sivutuulta ei esiinny./4/ Kuva 6. Ajoneuvoon vaikuttavat aerodynaamiset voimat ja momentit suuntineen. Kuvassa x ja z akselien suunnat ovat normaaliin käytäntöön nähden päinvastoin./6/ 3.1.1. Ilmanvastus Mekaniikan ensimmäisen peruslain mukaan kappale pyrkii säilyttämään liiketilansa, ellei mikään voima pyri muuttamaan tätä liiketilaa. Tämän lain mukaan siis ajonopeuteen kiihdytetty ajoneuvo pyrkii säilyttämään nopeutensa, ellei jokin voima vaikuta siihen. Reaalimaailmassa ajoneuvo kohtaa kuitenkin voimia, jotka pyrkivät estämään ajoneuvon etenemistä. Suurimmat näistä voimista ovat renkaiden vierintävastus ja ilmanvastus. Myös kaikki liikkuvat osat, kuten pyörivät laakerit synnyttävät kitkaa ja aiheuttavat siten vastusvoimia. Renkaiden vierintävastus on hitaissa nopeuksissa suurin ajovastus ja se pysyy likimain vakiona nopeudesta riippumatta. Ilmanvastus puolestaan kasvaa suhteessa nopeuden toiseen potenssiin ja näin ollen suurissa nopeuksissa se onkin suurin vastusvoima. Henkilöauton vierintä ja ilmanvastus ajonopeuden suhteen on esitetty kuvassa 7. Kuorma auton vastaavat kuvaajat on esitetty kuvassa 8. Kuvaajista nähdään, 14

3. Ajoneuvon aerodynamiikka että suomalaisissa maantienopeuksissa, 80 100km/h, korkean ilmanvastuskertoimen omaavien henkilöautojen ja kuorma autojen ilmanvastusvoiman suuruus ylittää vierintävastuksesta aiheutuvan voiman. Mikäli raskaalla kalustolla ajonopeus olisi 110 kilometriä tunnissa, kuluisi etenemiseen vaadittavasta energiasta jo noin 65 prosenttia ilmanvastusvoiman vaikutuksen voittamiseen /7/. Kuva 7. Henkilöauton ilmanvastus ja vierintävastus nopeuden funktiona./3/ Kuva 8. Kuorma auton ilmanvastus ja vierintävastus nopeuden funktiona./8/ 15

3. Ajoneuvon aerodynamiikka Ilmanvastusvoima määritetään kaavalla;/9/ 1 ( ) 2 Fi = ρ cd A v + v0, (9) 2 jossa on ilman tiheys, c d on ajoneuvon ilmanvastuskerroin, A on ajoneuvon otsapinta ala, v on ajoneuvon etenemisnopeus ja v 0 tuulen nopeus ajoneuvon etenemissuunnassa. Termi v 0 on positiivinen, mikäli ajoneuvo etenee vastatuuleen ja negatiivinen mikäli ajoneuvo etenee myötätuuleen. Tuulen vaikutusta ilmanvastukseen on käsitelty tarkemmin kappaleessa 3.1.3. Kaavasta nähdään, että ilmanvastusvoima kasvaa suhteessa ajonopeuden toiseen potenssiin. Näin ollen kaavan tekijöistä ajonopeudella on suurin merkitys ilmanvastusvoiman suuruuteen. Perusperiaatteena ajoneuvon muotoilussa voidaan pitää, että ajoneuvon keulan tulisi siirtää ilmaa sivusuunnassa mahdollisimman sulavasti, kylkien tulisi pitää ilmavirtaus mahdollisimman hyvin kiinni pinnassa ja perän puolestaan tulisi ohjata ilmavirta mahdollisimman jouhevasti täyttämään ajoneuvon takana olevaa alipainealuetta. Ajoneuvon matkalla virtauksen tulisi siis seurata ajoneuvon muotoa mahdollisimman tarkasti ja ajoneuvon loppuessa virtauksen tulisi irrota pinnasta mahdollisimman hyvin. 3.1.2. Noste Noste on pystysuuntainen voima, joka syntyy kappaleen ylä ja alapinnan välisestä paine erosta. Perusperiaatteena voidaan pitää, että ajoneuvo toimii kuin lentokoneen siipi (kuvat 4 ja 12). Kappaleen yli ohjautuva ilmavirta etenee nopeammin, kuin kappaleen ali kulkeva virtaus. Virtausopin mukaisesti nopeampi virtaus aiheuttaa alhaisemman paineen, eli kappaleen yläpuolella vallitsee matalampi paine kuin alapuolella. Paine ero puolestaan synnyttää kappaleeseen ylöspäin suuntautuvan voiman./3/ Nosteen merkitys korostuu suurilla nopeuksilla. Kilpa ja urheiluautojen aerodynaamisessa suunnittelussa noste on ehkä suurimpia mielenkiinnon kohteita. Näissä autoissa nostevoima pyritään kääntämään negatiiviseksi, eli synnyttämään niin sanottua downforce:a. Henkilöautoissakin nosteen vaikutukset huomioidaan lähinnä varmistamalla, ettei auto tule vaarallisen epävakaaksi suurissa nopeuksissa. Nostevoimat ovat nopeudesta riippuvaisia ja ajonopeuden noustessa saattaa henkilöauton tasapaino etu ja taka akselin välillä muuttua runsaastikin. Raskaalla kalustolla nosteella ei ole voimana merkitystä, sillä syntyvän nostevoiman suuruus on verrattain pieni ajoneuvon massaan nähden. Suunnittelussa tulisikin tällöin pyrkiä mahdollisimman pienen nostevoiman synnyttämiseen, sillä nosteen energia otetaan aina ajoneuvon liikeenergiasta. 3.1.3. Sivutuulen vaikutukset Sivutuulen vaikutus on tärkeä tekijä ajoneuvon aerodynamiikan kannalta. Luonnontuuli on äärimmäisen monimutkainen virtausilmiö, jossa virtauksen nopeus ja suunta voivat vaihdella huomattavasti lyhyen ajan sisällä tai verrattain lyhyellä matkalla. Tuulen suuntaan ja voimakkuuteen vaikuttavat suuresti maastonmuodot, rakennukset ja metsien sekä avoimien alueiden vaihtelut. Tuulen vaikutukset korostuvat avoimilla paikoilla kulkevilla pengerretyillä teillä, silloilla ja aukeiden reuna alueilla. Mikäli tuulen suunta ei ole täysin ajoneuvon etenemissuunnan suuntainen tai vastainen, ei 16

3. Ajoneuvon aerodynamiikka myöskään ajoneuvon kohtaama virtaus ole etenemissuunnan mukainen./10/ Ajoneuvon etenemisestä aiheutuvan virtauksen ja tuulen yhteisvaikutus voidaan määrittää vektoriopin avulla, kuten kuvassa 9 on esitetty. Kuvassa 9 symboli kuvaa liukukulmaa, eli tuulen suuntavektorin ja ajoneuvon etenemissuunnan välistä kulmaa. Sivutuulen vaikutus ajoneuvon kohtaaman virtauskentän suuntaan ja voimakkuuteen on esitetty kuvassa 10. Kuva 9. Sivutuulen vaikutuksen selvittäminen vektoriopin avulla./5/ Mikäli sivutuulta ei esiinny, on ajoneuvon otsapinnan projektio virtaukseen nähden symmetrinen ja virtauksen aiheuttama voima kohdistuu suoraan ajoneuvon pituusakselille. Mikäli ajoneuvo puolestaan etenee sivutuulen vaikutuksessa, ei otsapinnan projektio ole symmetrinen eikä virtauksen aiheuttama voima kohdistu ajoneuvoon sen pituusakselin suunnassa. Tässä tapauksessa virtauksen aiheuttama voima synnyttää momentin, joka pyrkii kiertämään autoa. Tämä momentti pyrkii siis kääntämään ajoneuvoa vinoon kulkusuuntaansa nähden. Jotta ajoneuvo etenisi haluttuun suuntaan myös sivutuulen vaikutuksessa, tulee sivutuulen aiheuttamaa korin kääntymistä kompensoida ohjauskulmalla. Tämä on kuljettajalle rasittavaa, varsinkin kun otetaan huomioon luonnontuulen puuskaisuus. Raskaalla kalustolla yleinen ongelma on myös sivutuulen aiheuttaman voiman painopisteen sijoittuminen korkeammalle kuin ajoneuvon kallistusakseli, jolloin momentti pyrkii kallistamaan autoa. Myös tuulivoiman painopisteen mahdollinen sijoittuminen ajoneuvon kallistusakselin alapuolelle pyrkii kallistamaan autoa, mutta tällöin momenttivaikutus jää verrattain pieneksi, sillä normaaleissa kulkuneuvoissa kallistusakseli sijaitsee niin alhaalla että momenttivarsi ei yksinkertaisesti voi muodostua kovin pitkäksi. 17