Yüksek hızlı araçlar için silecek sisteminin aerodinamik optimizasyonu
Aerodynamic optimisation of wiper system for high speed vehicles
Yazar: SÜLEYMAN EMRE AK
Danışman: PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aerodinamik kuvvet = Aerodynamic force ; Kaldırma kuvveti = Lift force ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Araç silecek sistemi kötü hava şartlarında sürücünün görüşünü arttırmak için geliştirilmiş önemli bir güvenlik ekipmanıdır. Silme işleminin gerçekleşebilmesi için silecek kolunun cama doğru belirli bir kuvvetle bastırılması gerekir. Artan araç hızıyla bu baskı kuvveti, ters yönde oluşan aerodinamik kaldırma kuvveti yüzünden azalır ve silme işlemi bozulmaya başlar. Aerodinamik kaldırma kuvvetlerini yenmek için silecek geometrisinde değişiklikler yapılmıştır. Günümüzdeki standart silecek sistemleri 160 km/h araç hızına kadar çalışabilmektedir. Bu projede Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yardımıyla 240 km/h araç hızına kadar güvenli  çalışabilecek bir silecek prototipi geliştirilmiştir. 
Üç boyutlu orijinal silecek geometrisi Teklas A.Ş.'den alınmıştır. Yapılan analizler Ansys-Fluent ticari yazılımı ile türbülanslı, sıkıştırılamaz ve zamandan bağımsız Şekilde modellenmiştir. Yapılan analizlerin daha kısa sürede tamamlanması için basitleştirilmiş bir akış hacmi yaratılmıştır. Bu akış hacminde aracın kaputunu ve ön camını temsil eden iki eğimli plaka ve silecek süpürgesi yer almaktadır. Sayısal sonuçların çözüm ağından bağımsız hale getirmek için farklı eleman sayılı çözüm ağları denenmiştir ve uygun olan çözüm ağı ile analizler yapılmıştır.
Yarım araç modeli kullanılarak sürücü ve yolcu tarafındaki silecek süpürgesi ve silecek kolu  performansı incelenmiştir. Yapılan analizlerde silecek sistemine etkiyen kaldırma kuvvetinin silecek kollarından geldiği görülmüştür, dolayısıyla silecek süpürgelerindeki baskı kuvvetini arttırarak silecek sisteminin toplam kaldırma kuvvetinin azaltılmasına çalışılmıştır.
Yeni silecek modelleri elde etmek için silecek geometrisinin üç parçası  incelenmiştir. Bunlar silecek rüzgârlığının profili, silecek yüksekliği ve silecek rüzgârlığı ile metal parça arasında kalan bağlantı yeridir. Silecek rüzgârlığının profili değiştirilirken rüzgârlık üzerinde oluşan vorteks yapısını azaltarak basıncın arttırılması hedeflenmiştir. Bununla birlikte rüzgârlık üzerinde maksimum basınç noktasının silecek süpürgesini bastırmak için daha iyi bir yere çekilmesi amaçlanmıştır. Bunları sağlayan profil bulunduktan sonra silecek rüzgârlığının arka kısmı geriye çekilerek daha fazla rüzgârlık alanı oluşturulmuş ve  kaldırma kuvveti daha da  azaltılmıştır. İncelenen ikinci geometrik parametre silecek yüksekliğidir. Bu analizlerde toplam yüksekliği 16 ile 19 mm arasında değişen silecek geometrileri test edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda silecek yüksekliğinin artması kaldırma kuvvetini azaltmış ve 18 mm yükseklikteki silecekten itibaren baskı kuvveti görülmüştür. 
Yapılan üçüncü inceleme bağlantı şeklidir. Burada silecek rüzgârlığı ile metal parça arasına bir bağlantı yapılması ile kaldırma kuvvetinin azalması sağlanmıştır. Rüzgârlık ile metal parça arasında yapılan bu bağlantı rüzgârlık üzerindeki vorteks yapısını azaltarak basıncı arttırmıştır. Yapılan üç geometrik analizden sonra en iyi performansı gösteren özellikler birleştirilerek yeni silecek prototipleri oluşturulmuştur. İlk olarak 19 mm yüksekliğe sahip silecek geometrisinin profili değiştirilmiştir. Sonra bu yeni elde edilen silecek geometrisi üçüncü tip bağlantı şekliyle birleştirilmiştir.
Yeni elde edilen silecek geometrileri detaylı analizlerde incelenmiştir. İlk olarak orijinal geometri ve bir tane modifiye edilmiş geometri hızın değişiminin aerodinamik kuvvetlere olan etkisini incelemek için kullanılmıştır. Bu analizlerde beklenildiği üzere hız arttıkça direnç ve kaldırma kuvvetlerinin arttığı görülmüştür. 
Yapılan ikinci analiz basitleştirilmiş modelde silecek süpürgesine açı verilerek yapılmıştır. Bu analizlerde orijinal geometri ve elde edilen üç farklı modifiye edilmiş geometri kullanılmıştır. Bu analizlerde modifiye edilmiş geometrilerin tüm silecek açıları için orijinal geometriden daha iyi performans verdiği görülmüştür. Son olarak modifiye edilmiş geometriler yarım araç modeli üzerinde analiz edilmiştir. En iyi silecek geometrisi için sürücü tarafında 4,8 N iyileştirme yapılarak silecek sisteminde 1,1 N baskı kuvveti yaratılmıştır.
Modifiye edilmiş geometrilerin analizinden sonra iyi performans gösteren silecek geometrisi kalıba uygun hale getirilerek üretilmiştir. Yeni üretilen silecek geometrisi için ön cam üzerinde X-sensör ekipmanıyla yüzey baskı kuvveti dağılımı bulunmuştur. Burada farklı açılar için silecek süpürgesinin yüzey baskı kuvvetleri ölçülmüştür. Bu testlerden sonra yeni silecek geometrisi Almanya'da Stuttgart Üniversitesi FKFS'de bulunan (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart) termal rüzgâr tünelinde silme testlerinden geçirilmiştir. Testler sonucunda, yeni silecek geometrisi orijinal geometriye göre çok daha iyi sonuçlar göstermiştir ve yapılan sayısal analizler görsel olarak doğrulanmıştır.

Abstract:
Windshield wipers are developed to improve visibility during inclement weather and belong to standard safety equipments. A conventional wiping system of a vehicle consists of three components, namely motor and mechanism, wiper arm and wiper blade. The wiper arm transfers the movement to the wiper blade and cleaning is achieved by wiping water and dirt from the windscreen by a blade rubber. In order to wipe water and dirt from the windshield, the wiper blade should be forced onto the windshield with a specified force. The necessary force is obtained by a spring mechanism within the arm. As the velocity of the vehicle increases, the pressing force decreases due to the controverse aerodynamic forces occurring on the wiper arm and blade. As the lift force increases, the necessary force cannot be created to wipe the windshield. In order to minimize the aerodynamic lift force, an alternative force in the opposite direction of the lift force is needed. To beat the aerodynamic lift force acting on the wiper system, new wiper geometries are designed.  Current standard products are capable of keeping the wiper performance around 160 km/h but for high-class vehicles, the manufacturers require 240 km/h or more on rainy days. In this project a new wiper prototype which can operate at around 240 km/h vehicle speed is developed with help of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis.
3D original wiper geometry is acquired from TEKLAS A.Ş. The flow over the windshield wiper and spoiler is simulated by a commercial flow solver (ANSYS-Fluent). Flow is modeled by the finite-volume based, incompressible, turbulent, steady flow solver. The flow is assumed to be still incompressible as the local Mach number is around 0.2, thus compressibility effects are ignored. Realizable k-ε turbulence model is used with enhanced wall functions as already used by many researchers in their studies. To reduce the computational cost a simplified geometry is used. The hood and windshield of the car is assumed as two slightly curved surfaces and only wiper blades are taken into account. To obtain reliable numerical results, several meshes with different number of elements are tested to show mesh-independence.
After analysis on simplified model, original wiper geometry is taken to analysis on a half car model. The 3D computational domain consists of a half car model, wiper blades and wiper arms for both driver and passenger sides. The driver side wiper blade has a length of 600 mm and angle of 30° with the horizontal. Passenger side wiper blade has a length of 450 mm and angle of 45° with the horizontal. In this analysis it is observed that the lift force acting on the wiper system is caused by the wiper arms. For this reason increasing the down force on the wiper blades is decided to eliminate total lift force acting on the wiper system.
To create a new wiper model, wiper geometry is investigated in three sections, which are spoiler profile, height of the wiper and connection between metal part and spoiler of the wiper. While modifying the spoiler curvature increasing the pressure above spoiler is aimed. To do that vortex structure above the spoiler should be reduced. Also another matter is having the maximum pressure point in a more desired position to press wiper blade down. The best profile tried here reduced lift force by almost one third compared with the original profile. Then a further design is proposed where the spoiler is slightly swept back which increases the frontal surface of the spoiler leading to a considerable reduced lift force. The second property investigated is height of the wiper blade. In this analysis wiper heights varying from 16 mm to 19 mm are investigated. It is seen that increasing the wiper height helps to decrease the lift force. Even in the analysis of the wipers with 18 and 19 mm of height, down force is acquired. A new approximation in preventing the vortex structure occurring between the metal part of the wiper and spoiler is changing the connection type between them. Three connection types are suggested. All of the modifications are found to be useful in preventing the vortex structure between the metal part and the spoiler. However the third connection type is the most effective case since it not only prevents the vortex occurring on the connection location but it also eliminates the main vortex structure on the top of the spoiler. As a result this modification provides pressing force.
Original geometry has 16.6 mm height and the connection type between metal part and the spoiler is designed in a way that the metal part has sharp edges. Wiper 9_1_1 has a larger spoiler curvature than original geometry but their heights and connection types are the same. Wiper 3_5_1 has a height of 19 mm. Its spoiler curvature and connection type are identical to Wiper 9_1_1. Wiper 3_5_3 has same height and spoiler curvature as Wiper 3_5_1. The only difference between Wiper 3_5_1 and 3_5_3 is the connection type. In Wiper 3_5_3, the metal part and the spoiler are connected in a way that the metal part becomes a blunt body.
The new acquired wiper geometries are investigated in further analysis. First of them is effect of the velocity on the aerodynamic forces. Original geometry and one new geometry (Wiper 3_5_1) are taken to this analysis. Five different inlet velocities are tried varying from 160 km/h to 240 km/h with an interval of 20 km/h. It is seen that reducing the inlet velocity reduces both drag and lift forces. Second analysis done in this section is effect of the angle on the aerodynamic forces. Five different blade angles are investigated varying for 10° to 50° with an interval of 10°. Original geometry and three new modified geometries are used in this analysis. For all four wiper profiles, it is observed that the variation of the drag coefficient with respect to blade angle displays the same characteristics. Drag coefficients decrease gradually by the increase of the angle. Lift coefficients reveal same variation characteristics up to the angle of 50° .At 20° angle minimum lift coefficients are obtained for all four wiper models. At 40° angle maximum lift coefficient is obtained for the wiper models with a height of 16.6 mm and finally at 50° angle maximum lift coeffcient is achieved for 19 mm high wipers. For all blade angles the modified wiper geometries have lower lift coefficients than the lift coeffcient of the original wiper geometry. Lastly the modified wiper geometries are investigated on the half car model. Three different inlet velocities are used which are 160, 200 and 240 km/h. At 240 km/h inlet velocity there is 3.7 N of lift at the driver side for the original geometry. Wiper 9_1_1 decreases lift force to 2.3 N at the driver side. Wipers with 19 mm height cause down force on the wiper system. A down force of 1.1 N for the Wiper 3_5_3 and a down force of 0.7 N for Wiper 3_5_1 are  calculated. 
After numerical investigations a new wiper model is created which is suitable for molding. After the production pressing force distribution of the new geometry is obtained with X-sensor equipment for different blade angles. Wiper prototype is tested in Stutgart, FKFS instute's thermal wind tunnel to reveal it's performance. Soiling tests are performed. Water droplets with fluorescent agent are added to the air flow and made visible using UV- light. Experiments are done  at wind-tunnel velocities varying between 160 and 240 km/h. Satisfactory results are achieved with the wind tunnel tests and the numerical solutions are validated qualitatively.