Flödesdynamik ger koll på bränsleförbrukningen

Bilar behöver i dag certifieras för bränsleförbrukning och utsläpp. Petter Ekman visar i sin doktorsavhandling hur biltillverkare kan spara stora resurser genom att beräkna hur däckmönster, fälgar och dragkrok påverkar bränsleförbrukningen.

Petter Ekman, IEI Förenklade flödesdynamiska beräkningar ger en korrekt bild av turbulensen runt bilen, visar Petter Ekman i sin avhandling. Magnus Johansson

Vägtransporterna ökar och utsläppen av växthusgaser från transportsektorn ökar. Även om vi i skulle lyckas få helt fossilfria transporter är det av stor vikt att få ner energiförbrukningen för fordon av alla slag. För en personbil står luftmotståndet för minst 50 procent av bränsleförbrukningen och än mer i höga hastigheter då luftmotståndet ökar med kvadraten på fordonets hastighet.

Ny lagstiftning har trätt i kraft, WLTP, Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure, som innebär att när du köper en bil ska du också få veta vilken bränsleförbrukning fordonet har, alternativt räckvidden för en elbil. Det är här Petter Ekmans forskning kommer in, hans forskning vid avdelningen mekanisk värmeteori och strömningslära handlar om hur biltillverkare med hjälp av virtuella aerodynamiska analyser kan förenkla och snabba upp certifieringen av bilens bränsleförbrukning.

Turbulens hanteras i beräkningarna

– Bränsleförbrukningen påverkas av faktorer som vilka fälgar kunden har valt, vilka däck och däckmönster och om bilen ska ha dragkrok, för att ta några exempel. En Volvo XC90 kan teoretisk konfigureras i 300 000 olika varianter och även om bara 200 av dem är realistiska val som kräver certifiering tar det stora resurser från biltillverkaren, säger han.

Certifieringen kan ske i vindtunnel, vilket tar lång tid och är dyrt, via testkörning på väg - mindre noggrant, och ett tredje alternativ är att använda datorbaserade flödesdynamiska analyser, CFD (Computational Fluid Dynamics).
 Turbulensen visas med två olika beräkningsmetoder. Foto Illustration Petter EkmanDet som ställer till det i de datorbaserade beräkningarna är turbulensen, det vill säga alla de luftvirvlar av olika storlek som omger fordonet. Bra modeller kräver att turbulensen kan hanteras i beräkningarna, att beräkningarna blir noggranna och att den noggrannheten behålls även om det görs förändringar på bilen. Beräkningarna behöver också fungera i en industriell process.

Genvägar fungerar

Den mest noggranna metoden är att lösa upp turbulensen genom att fånga in varje virvel för sig, men det kräver så många beräkningstimmar i en superdator att det blir praktiskt ogenomförbart. Det Petter Ekman har undersökt i sin avhandling är hur mycket beräkningarna kan förenklas utan att tappa noggrannheten.
– Vi har försökt hitta genvägar genom att använda modeller av turbulensen nära ytan där virvlarna är små och lösa upp de större virvlarna en bit ifrån, säger han.

I en av avhandlingens artiklar har han med hjälp av en referensmodell, en av branschen framtagen virtuell konceptbil kallad DrivAer, visat att beräkningstiden kan minskas med Petter Ekman, IEIPetter Ekman Foto Magnus Johanssonhela 90 procent bara genom att ta lite större steg i tiden när man räknar på hur virvlarna rör sig.

– I avhandlingen visar jag att det går göra beräkningarna i CFD med ett fåtal procents minskad noggrannhet. Det går till och med så bra att vi kan börja ifrågasätta experiment. Lagstiftningen trycker på så det är viktigt att biltillverkarna kan räkna både noggrant och snabbt och här är CFD är ett bra hjälpmedel eftersom de kan lita på beräkningarna, säger Petter Ekman.

Timmerbilar och transportfordon

I tidigare artiklar i avhandlingen beskriver han också hur flödesberäkningar med CFD kan bidra till designändringar som kraftigt kan minska bränsleförbrukningen för såväl timmerbilar som mindre transportfordon. Se länkar nedan.

Forskningen har bedrivits i samarbete med svensk fordonsindustri och har finansierats av bland andra Energimyndigheten och forskarskolan vid Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling. Beräkningarna har utförts vid Nationellt Superdatorcentrum, NSC, vid LiU.

Petter Ekman försvarade sin avhandling den 5 maj. Efter disputationen vill han helst fortsätta och fördjupa sin forskning, men ett arbete inom beräkningsmetodik i industrin lockar också.

Important factors for accurate scale-resolving simulations of automotive aerodynamics, Petter Ekman, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Linköpings universitet 2020.
Handledare: professor Matts Karlsson

Turbulensen runt en bil med olika tidssteg. Illustration: Petter Ekman

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Relaterade nyheter
Visa/dölj innehåll

Forskning och utbildning
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll