Ağır ticari bir araçta kabin yapısının aerodinamik direnç üzerindeki etkisi
Aerodynamic drag effect of cabin structure in a heavy commercial vehicle
Yazar: CEMAL DİNÇER AKTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aerodinamik kuvvet = Aerodynamic force ; Ağır taşıtlar = Heavy vehicles ; Ticari araçlar = Commercial vehicles

Özet:
Yük taşımacılığı, dünya çapındaki ticari malların taşınmasının fiziksel sürecidir. Deniz aşırı taşımacılıkta gemiler ön plana çıksa da karayolu taşımacılığında ağır ticari araçlar önemli bir paya sahiptir. Son 10 yıldır Avrupa kıtasındaki karayolu taşımacılığının yaklaşık %75`inde ağır ticari araçlar görev almaktadır. Yük taşımacılığı ile transfer edilen her bir ürün fiyatına aynı zamanda taşımacılık masrafları da yansıtılmaktadır. Bu sebeple küresel anlamdaki ticari faaliyetlerde yük taşımacılığı maliyetlerini azaltmak evrensel bir amaçtır. 
Yük taşımacılığı sektöründeki ağır ticari araçlar her gün yüzlerce kilometre yol almaktadır. Günümüzde içten yanmalı motor kullanan bu araçların sebep olduğu CO2 salınımı Avrupa Birliğindeki toplam CO2 salınımının %6`sını, karayolu ulaşımından kaynaklanan salınımın ise %25`ini oluşturmaktadır. Dünya çapında her geçen gün artan taşımacılık faaliyetleri CO2 salınımı için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. CO2 salınımının ortaya çıkaracağı iklim krizinin önlenmesi amacıyla Avrupa Birliği tarafından ağır ticari araçlar için ilk karbon salınımı yönetmeliği 2019 yılında yürürlüğe girmiştir. Buna göre araç üreticilerinin önümüzdeki 5 ve 10 yıl içerisinde ürettikleri araçların CO2 salınımlarını %15 ve %30 olarak kademeli bir şekilde azaltması gerekmektedir. Bu nedenle araç üreticilerine büyük bir sorumluluk düşmektedir. 
Ağır ticari araçların CO2 salınımında birkaç farklı parametre etkilidir. İçten yanmalı motor karakteristiği, yuvarlanma direnci ve aerodinamik direnç bunların önde gelenleridir. Hareket esnasında aracın maruz kaldığı tüm direnç kuvvetleri düşünüldüğünde araç hızı arttıkça aerodinamik direncin etkisinin de arttığı görülmektedir. Ayrıca sıfır CO2 salınımına sahip araçların güç tüketiminin azaltılması için de aerodinamik direncin azaltılması öncelikler arasındadır. Bu nedenle ağır ticari vasıtalarda aerodinamik direnç kuvvetinin azaltılması için birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalar içerisinde aynı zamanda treyler yapısı da incelenmektedir. Treyler yapısının incelendiği çalışmalarda genel olarak treyler üzerine eklenen parçalar ile aerodinamik direncin azaltılması hedeflenmektedir. Ancak eklenen bazı parçalar kaza güvenliği için tehdit oluşturmakta ve konteyner tipi treylerlerin gemilerde istiflendiği sırada daha fazla yer kaplamalarına sebep olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı araç kabini üzerindeki iyileştirme çalışmaları daha ön plandadır.
Avrupa ve Amerika kıtalarındaki farklı uzunluk yönetmeliklerinden dolayı farklı ülkelerde kullanılan kamyonların kabin türleri de birbirinden farklıdır. Amerikan yönetmeliklerine göre taşınan yükün uzunluğu bir sınıra bağlanmıştır. Avrupa yönetmeliklerinde ise kabinin önünden treylerin arkasında kadar olan kamyon-treyler ikilisinin toplam uzunluğu limitleri aşmamalıdır. Bu durum iki farklı kabin tipinin oluşmasına sebep olmuştur. Amerika kıtasında kullanılan kamyonlarda motor aracın ön kısmında bir çıkıntı gibi paketlenmektedir. Ayrıca kabin içerisinde sürücüler için oluşturulan yaşam alanı da oldukça geniştir. Bu tip kabinler geleneksel kabin olarak adlandırılır. Avrupa kıtasında kullanılan kamyonlarda ise uzunluk sınırları sebebi ile motor kabinin altına paketlenmektedir. Ayrıca treylere serbest bir hareket imkanı sağlanması için araç kabini ile treyler arasındaki boşluk da bir limite bağlıdır. Bu tip kabinler de motor üstü kabin olarak adlandırılır. Motor üstü kabinler, uzunluk sınırları sebebi ile geleneksel kabinlere göre daha kaba ve köşeli tasarımlara sahiptirler. Motor üstü kabinler tasarımlarından dolayı geleneksel kabinler göre daha yüksek aerodinamik dirence maruz kalmaktadır. Bu sebeple motor üstü kabinler aerodinamik anlamda gelişime daha çok ihtiyaç duymaktadır. Günümüzde motor üstü kabine sahip kamyonların aerodinamik direncinin azaltılması için araçlara çeşitli parçalar eklenmektedir. Bu amaçla araç tavanına ve yan duvarlara eklenen kapama parçaları araç ile treyler arasındaki boşluğa hava girişini engelleyerek aerodinamik fayda sağlanmaktadır. Ancak araç üzerine eklenen parçalar ile elde edilecek aerodinamik kazanç sınırlıdır. Aerodinamik direncin daha da azaltılması için kabin tasarımında değişiklik yapılması kaçınılmazdır. Bu amaçla motor üstü kabine sahip araçların belirli sınırlar dahilinde geleneksel kabin gibi uzatılması güncel bir araştırma konusudur.
Bu çalışmada kamyon kabini üzerinde yapılacak yenilikçi tasarımlar ile aerodinamik direncin azaltılması ve daha çevreci araç tasarımlarına öncülük edilmesi için HAD analizlerinden yararlanılmıştır. Tez çalışmasında kullanılan HAD yöntemlerinin doğruluğu literatür çalışmaları kullanılarak ispatlanmıştır. Bu amaçla basitleştirilmiş bir kamyon modeli üzerinde 3 farklı türbülans modeli kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonuçları deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Literatürde aynı kamyon modeli için farklı türbülans modelleri ile yapılan çalışmalar da karşılaştırmalara dahil edilmiştir. Bu karşılaştırmalar kapsamında öncelikle Cd değerleri incelenmiştir. Ek olarak belirli bir araç yüzeyindeki basınç dağılımları da farklı türbülans modelleri kullanılarak hesaplanmış ve literatür çalışmaları ile karşılaştırılmıştır. Doğrulama çalışmaları neticesinde detaylı kamyon modelinde kullanılacak sayısal ağ yapısına ve türbülans modeline karar verilmiştir. 
Çalışmada ağır ticari bir aracın aerodinamik karakteristiğinin incelenmesi ve geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla yapılacak HAD analizlerinde Ford Otosan tarafından geliştirilip üretilen ve 2016 yılında yollara çıkan Ford F-max aracı kullanılmıştır. Ford F-max aracı için detaylı bir geometrik model oluşturulmuş ve kalite parametrelerine uygun sayısal ağ yapısı örülmüştür. Aracın aerodinamik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla burunlu kamyon kavramı ele alınmıştır. Mevcut araç kabinin uzatılarak burunlu kamyon tasarımının elde edilebileceği 3 farklı kabin oluşturulmuştur. Burada araç üzerinde yapılacak değişikliklere farklı kabinlerin vereceği cevaplarında incelenmesi hedeflenmiştir. İncelenen farklı araç kabinlerinden ilki referans modeldir. İkincisinde, aracın ön camı dikleştirilmiştir, sonuncusunda ise aracın ön camı dikleştirilirken ve A-sütununda da kavisli bir yapı incelenmiştir. Kabin üzerinde köklü değişiklikler yapılsa da üç farklı kabin için HAD analizleri neticesinde elde edilen CD değerlerine bu değişiklikler yansımamıştır. HAD sonuçları incelendiğinde araç üzerinde yapılan değişiklikler ön cam ve A-sütunu civarında iyileştirme sağlarken aracın farklı bölgelerinde mevcut durumu kötüleştirmiştir. Bu nedenle araç üzerindeki farklı parçaların aerodinamik direnç üzerindeki etkileri de 3 farklı kabin için incelenmiştir. Bu amaçla ilk olarak ön camın üst kısmında bulunan güneşlik parçası modellerden çıkarılmıştır. Güneşliksiz model sonuçları incelendiğinde, cam dikleştirme tasarımının cam üzerindeki basıncı azaltırken güneşlik üzerindeki basıncı arttırdığı tespit edilmiştir. Farklı kabin tasarımları ile elde edilebilecek aerodinamik faydanın güneşlikten dolayı gölgelendiği belirlenmiştir. Ardından benzer şekilde yan aynaların etkisi incelenmiştir. Yolcu araçlarında yan aynalar araç etrafında akış ayrılmalarına sebep olan bir parçadır ve yolcu araçlarından aynaların çıkartılması genel olarak aerodinamik direnci iyileştirici etki göstermektedir. Ancak kamyon gibi kaba cisimlerde yan aynalar akışı yönlendirici bir etki gösterebilmektedir. Nitekim aynasız model sonuçları incelendiğinde de benzer çıktılar alınmıştır. Mevcut A-sütunu tasarımı ile aynaların sökülmesi aracın aerodinamik direncini oldukça yükseltmiştir. Bunun aksine kavisli A-sütunu tasarımına sahip üçüncü kabin modelinde aracın aerodinamik direnci ciddi bir düşüş göstermiştir. Çalışmalar neticesinde araç üzerine parça eklenmesi ya da çıkarılmasının aerodinamik dirence etkisi araç kabinine göre farklılık gösterdiği görülmüştür. Bu nedenle sabit bir kabin tasarımında araç üzerine ilave edilecek parçalar ile sağlanacak aerodinamik faydanın bir sınır vardır. Son olarak üç farklı kabin tasarımında kabinler uzatılarak burunlu kamyon kavramının etkileri incelenmiştir. Kabin uzatma araç etrafındaki akış dağılımını olumlu etkileyerek üç kabinin de aerodinamik direncini azaltmıştır. Üç farklı kabin üzerinde yapılan çalışmalar ile oluşturulan tasarım havuzu incelenmiş ve her bir değişikliğin faydalı etkisini içerek nihai bir model yaratılmıştır. Oluşturulan nihai modelde güneşlik ve yan ayna parçalarına yer verilmemiştir. Buna karşın uzatılmış kabin üzerinde dikleştirilmiş cam ve kavisli A-sütunu bir arada incelenmiştir.

Abstract:
Freight transportation is the physical process of moving commodities around the world. Although ships come to the forefront in overseas transportation, heavy commercial vehicles have an important share in road transportation. For the last 10 years, heavy commercial vehicles have been involved in approximately 75% of road transport in the European continent. Transportation costs are also reflected in the price of each product transferred by freight transportation. For this reason, it is a universal goal to reduce freight transportation costs in global commercial activities.
In the freight transport sector, heavy commercial vehicles travel hundreds of kilometers every day. Today, the CO2 emissions caused by these vehicles which are using internal combustion engines are 6% of the total CO2 emissions in the European Union and 25% of the emissions from road transport. Increasing transportation activities around the world, CO2 emissions pose a great threat to the environment. In order to prevent the climate crisis caused by CO2 emissions, the first carbon emission regulation for heavy commercial vehicles was put into effect in 2019 by the European Union. According to regulation, vehicle manufacturers should gradually reduce the CO2 emissions of their vehicles by 15% and 30% in the next 5 and 10 years. For this reason, vehicle manufacturers have a great responsibility.
Several different parameters are effective in the CO2 emission of heavy commercial vehicles. Internal combustion engine characteristics, rolling resistance and aerodynamic resistance are the leading ones. Considering all the resistance forces that the vehicle is exposed to during movement, it is seen that the effect of aerodynamic resistance increases as the vehicle speed increases. In addition, reducing aerodynamic resistance is among the priorities in order to reduce the power consumption of vehicles with zero CO2 emissions. For this reason, there are many studies to reduce the aerodynamic drag force in heavy commercial vehicles. In these studies, the trailer structure is also examined. In studies examining the trailer structure, it is generally aimed to reduce the aerodynamic resistance with the parts added to the trailer. However, some added parts pose a threat to safety and cause to take up more space when stacked on ships for container type trailers. For these reasons, improvement works on the vehicle cabin are more prominent.
Due to the different length regulations in the European and American continents, the cabin types of the trucks used in different countries are also different from each other. According to American regulations, the length of the trailer transported is tied to a limit. In European regulations, the total length of the truck-trailer pair from the front of the cabin to the back of the trailer must not exceed the limits. This situation has led to the formation of two different cabin types. In trucks used in the Americas, the engine is packaged like a protrusion on the front of the vehicle. In addition, the living space created for the drivers in the cabin is quite wide. This type of cabin is called conventional cabin. In trucks used in the European continent, the engine is packaged under the cabin due to the length limits. It also depends on a limit in the space between the vehicle cabin and the trailer to allow free movement of the trailer. This type of cabin is also called a Cab over Engine. Over-engine cabins have rougher and more cornered designs than conventional cabins due to their length limits. Due to their design, cab over engine cabins are exposed to higher aerodynamic resistance than conventional cabins due to their design. For this reason, over engine cabins need more aerodynamic development. Today, various parts are added to the vehicles in order to reduce the aerodynamic resistance of trucks. For this purpose, the closure pieces added to the vehicle roof and side walls prevent air entry into the space between the vehicle and the trailer, thus providing aerodynamic benefit. However, the aerodynamic gain to be obtained with the parts added to the vehicle is limited. To further reduce aerodynamic drag, changes in cabin design are inevitable. For this purpose, it is a current research topic to elongate the vehicles with an engine cabin like a conventional cabin within certain limits.
In this study, CFD analyses were used to reduce aerodynamic resistance and pioneer more environmentally friendly vehicle designs with innovative designs to be made on the truck cabin. The accuracy of the CFD methods used in the thesis study has been proven by using literature studies. For this purpose, CFD analyzes were performed using 3 different turbulence models on a simplified truck model. Study results were compared with experimental data. Studies with different turbulence models for the same truck model in the literature are also included in the comparisons. Within the scope of these comparisons, first of all, Cd values were examined. In addition, pressure distributions on a given vehicle surfaces were calculated using different turbulence models and compared with literature studies. As a result of the validation studies, the mesh structure and turbulence model to be used in the detailed truck model were decided.
In this study, it is aimed to examine and develop the aerodynamic characteristics of a heavy commercial vehicle. For this purpose, Ford F-max vehicle, which was developed and produced by Ford Otosan and hit the roads in 2016, was used in CFD analysis. A detailed geometric model has been created for the Ford F-max vehicle and mesh structure has been built in accordance with the quality parameters. In order to improve the aerodynamic characteristics of the vehicle, the concept of the elongated cabin was discussed. By extending the existing vehicle cabin, 3 different cabins were created in which the elongated cabin design can be achieved. Here, it is aimed to examine the responses of different cabins to the changes to be made on the vehicle. The first of the different vehicle cabins examined is the reference model. In the second, the vehicle's windshield angle was increased, in the latter, a curved A-pillar structure was examined while the vehicle's windshield angle was increased. Although radical changes were made on the cabin, these changes were not reflected in the CD values obtained as a result of CFD analyses for three different cabins. When the CFD results are examined, the changes made on the vehicle provide improvements around the windshield and A-pillar, while different parts of the vehicle are worsening the current situation. For this reason, the effects of different parts on the vehicle on aerodynamic resistance were also examined for 3 different cabins. For this purpose, first of all, the sun visor part on the upper part of the windshield was removed from the models. When the results of the model without the sun visor were examined, it was determined that the vertical windshield angle design increased the pressure on the sun visor while reducing the pressure on the windshield. It has been determined that the aerodynamic benefit that can be obtained with different cabin designs is shaded by the sunshade. Then, the effect of the side mirrors was similarly examined. Side mirrors in passenger vehicles are a part that causes flow separations around the vehicle, and removing mirrors from passenger vehicles generally decreases aerodynamic resistance. However, in rough objects such as trucks, side mirrors can have a directing effect on the flow. As a matter of fact, similar outputs were obtained when the results of the mirrorless model were examined. With the current A-pillar design, removing the mirrors has greatly increased the vehicle's aerodynamic drag. On the contrary, in the third cabin model with the curved A-pillar design, the aerodynamic resistance of the vehicle decreased significantly. As a result of the studies, the effect of adding or removing parts on the vehicle on the aerodynamic resistance varies according to the vehicle cabin. For this reason, there is a limit to the aerodynamic benefit that can be achieved with the parts to be added to the vehicle in a fixed cabin design. Finally, the effects of the nose truck concept are examined by extending the cabins in three different cabin designs. The cabin extension has positively affected the flow distribution around the vehicle, reducing the aerodynamic resistance of all three cabins. The design pool created by the studies on three different cabins was examined and a final model was created by including the beneficial effects of each change. Sun visor and side mirror parts are not included in the final model created. On the other hand, vertical windshield angle and curved A-pillar were studied together on the elongated cabin.