Tarım traktörlerinde aerodinamik direnç katsayısının deneysel ve sayısal olarak belirlenmesi
An experimental and numerical investigation of aerodynamic resistance coefficient in agricultural tractors
Yazar: HANİFİ KÜÇÜKSARIYILDIZ
Danışman: PROF. DR. KAZİM ÇARMAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering ; Ziraat = Agriculture

Özet:
Kara taşıtlarında yakıt tüketiminin azaltılmasına yönelik çalışmaların bir kısmı aerodinamik performans üzerinedir. Teknolojik gelişim ve değişen yasal düzenlemeler çerçevesinde, tarım traktörlerinin yetenekleri ve hızları giderek artmaktadır. Bu gelişmelere paralel olarak karayolu taşımacılığında, 70 km/h hızlara kadar çıkabilen yeni nesil tarım traktörleri yaygın bir biçimde görülmektedir. Taşıtlarda aerodinamik özellikler genel performansı, yakıt tüketimini, ivmelenmeyi, yol tutuşunu, çevreyi, gürültüyü ve konforu etkilemektedir. Dolayısıyla karayolu taşımacılığına karşılık gelen hızlarda, tarım traktörlerinin ve benzer forma sahip taşıtların aerodinamik dirençlerinin incelenmesi gerekmektedir.
Bu tez çalışmasında günümüzde yaygın olarak kullanılan bir tarımsal traktörün katı modeli oluşturulmuş ve aerodinamik incelemesi yapılmıştır. Bu amaçla traktörde; logaritmik burun, geleneksel burun ve balina burun olmak üzere 3 farklı burun geometrisi belirlenmiştir. Bu geometrilerin 5o'den 20o'ye kadar 5o'lik artışlarla 4 farklı kabin ön cam eğim açısına sahip modelleri oluşturulmuştur. Daha sonra oluşturulan bu farklı traktör geometrilerinin 1:13 ölçekli modelleri üretilmiştir. Böylece traktörde farklı burun şekillerinin ve ön cam geometrilerinin aerodinamik açıdan incelenmesi hedeflenmiştir. Rüzgâr tünelinde yapılan deneysel çalışmada 13 farklı traktör modeli kullanılmıştır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak, temel modelin tam boyuttaki basınç dağılımı incelenmiştir. Ayrıca ölçekli temel traktör modelinin deneysel ve sayısal sonuçları karşılaştırılarak, doğrulama yapılmıştır.
Aerodinamik direnç katsayısı (CD), incelemede kullanılan traktör modelleri için yaklaşık 0.72 olarak bulunmuştur. Rüzgâr tünelinde yapılan deneysel çalışmaların sonuçları değerlendirildiğinde CD katsayısı, burun tipi ve ön cam eğim açısına bağlı olarak %1-3 arasında değiştiği tespit edilmiştir. En düşük aerodinamik direnç, logaritmik burunlu ve 10o ön cam eğim açısına sahip traktör modelinde elde edilmiştir. Temel traktör modelinde kullanılan kabin, platformlu traktöre göre ön izdüşüm alanını %30.02 artırmaktadır. Ön izdüşüm alanındaki bu artışa karşılık; aerodinamik direnç kuvvetini düşük hızda %6, orta ve yüksek hızda %3 artırırken, CD katsayısında %21.08'lik azalmaya neden olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Some of the studies on reducing the fuel consumption of land vehicles refer to aerodynamic properties. Within the framework of technological development and changing legal regulations, the capabilities and speeds of agricultural tractors are gradually increasing. In parallel with these developments, new generation agricultural tractors capable of speeds up to 70 km/h are widely seen in road transport. Aerodynamic features of vehicles affect overall performance, fuel consumption, acceleration, handling, environment, noise, and comfort. Therefore, it is necessary to investigate the aerodynamic resistance of agricultural tractors and similarly shaped vehicles at speeds corresponding to road transport.
In this thesis, a solid model of a widely used agricultural tractor was created and aerodynamic analysis was carried out. For this purpose, 3 different nose geometries were determined as logarithmic nose, conventional nose and whale nose. Models of these geometries with 4 different cab windscreen inclination angles with 5o increments from 5o to 20o were created. Subsequently, 1:13 scale models were made of these different tractor geometries. Thus, it is aimed to investigate different nose shapes and windscreen geometries in terms of aerodynamics. In the experimental study conducted in the wind tunnel, 13 different tractor models were used. Using Computational Fluid Dynamics (CFD), the full-size pressure distribution of the base model was analysed. In addition, experimental and numerical results of the scaled basic tractor model were compared and validated.
The coefficient of aerodynamic resistance (CD) was found to be approximately 0.72 for the tractor models used in the study. When the results of the experimental studies carried out in the wind tunnel were evaluated, it was found that the CD coefficient varied between 1 and 3% with nose type and windscreen inclination angle. The lowest aerodynamic resistance was obtained for the tractor model with logarithmic nose and 10o windscreen inclination angle. The cab used in the base model of the tractor increases the front projection area by 30.02% compared to the platform tractor. The cab used in the base model of the tractor increases the front projection area by 30.02% compared to the platform tractor. It was determined that the aerodynamic drag force increased by 6% at low speed, 3% at medium and high speed, and the CD coefficient decreased by 21.08%.