Date of Award

6-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Tariq Darabseh

Abstract

This thesis is concerned with studying two different vehicle parts in terms of aerodynamics and aeroacoustics. Two main factors determine the efficiency and luxury of the vehicle, the low aerodynamic forces and low noise emission. The aerodynamic drag coefficient is concerned with how easy a vehicle can travel through the air; the lower the value, the less fuel is needed to move the vehicle forward and less air resistance the vehicle faces. The aerodynamic lift coefficient is related to vehicle ground stability, and the more negative the value is, the higher the vehicle's stability. Moreover, the aeroacoustics is concerned with noise generated from air interacting with a body, and the lower the noise emitted, the higher the ride comfort of the passengers.
The main objective of this thesis is to optimize the parts' performance in terms of aerodynamics and aeroacoustics. The effect of changing the mirror base orientation on aerodynamics and aeroacoustics is desired. The optimum angle position for the mirror arm that results in the least aerodynamic forces and acoustics is desired. Furthermore, the exhaust pipe generates noise that affects the nearby pedestrians and influences aerodynamic forces. Therefore, the aim is to test nine different height levels for the exhaust pipe on the rear of the vehicle and record the drag and lift coefficient effect on the entire vehicle. The desired optimization is to lower the drag and lift force values and the generated acoustics from the part. The software ANSYS fluent is used for simulating each case.
The results show that by changing the mirror's base while keeping the projected area constant, there is no noticeable effect on the aerodynamic forces but has a significant effect on acoustics. Furthermore, the optimum angle orientation for the base is ~85±3.75 degrees, as this position results in the least acoustics generated. The mirror's base orientation has a significant difference of up to 32 decibels in sound pressure level when comparing them side mirror base at 85 degrees to 45 degrees. The exhaust pipe is added at different heights, and resulting aerodynamic forces are compared with the original model without an exhaust outlet. When the exhaust pipe is placed 100 mm (position 5) above the bottom rear, it results in the lowest drag coefficient value (0.9% difference) compared to the original DrivAer model without an exhaust system. Furthermore, the position for the highest negative lift coefficient is located 125 mm (position 6) above the bottom rear, with a difference of ~7.7%.
The mirror base has been completely ignored and overlooked in the literature. However, this thesis contributed significantly to the base mirror by determining a standard position that results in the lowest acoustics generation. The exhaust system's effect on aerodynamic forces is lacking in studies compared to other vehicle parts. This thesis contributed to the aerodynamic optimization of a vehicle by studying the effect of the exhaust system and determining a design standard position that results in the lowest aerodynamic forces.

Arabic Abstract

تھتم ھذه الأطروحة بدراسة جزأین مختلفین للمركبة من حیث الدینامیكا الھوائیة والصوتیات الھوائیة. ھناك عاملان رئیسیان یحددان كفاءة ورفاھیة السیارة، القوى الدینامیكیة الھوائیة المنخفضة وانبعاث الضوضاء المنخفض. یُعنى معامل السحب الدینامیكي الھوائي بمدى سھولة انتقال السیارة في الھواء، فكلما انخفضت القیمة، كلما قل الوقود المطلوب لتحریك السیارة للأمام وأقل مقاومة الھواء التي تواجھھا السیارة. یرتبط معامل الرفع الدینامیكي الھوائي باستقرار السیارة على الأرض، وكلما كانت القیمة أكثر سلبیة، زاد استقرار السیارة. علاوة على ذلك، فإن الصوتیات الھوائیة تھتم بالضوضاء الناتجة عن تفاعل الھواء مع الجسم، وكلما انخفضت الضوضاء المنبعثة، زادت راحة الركوب للركاب.
الھدف الرئیسي من ھذه الأطروحة ھو تحسین أداء الأجزاء من حیث الدینامیكا الھوائیة والصوتیات الھوائیة. العاملان الرئیسیان في حدوث ضوضاء من السیارة ھما جزء المرآة ونظام العادم. المطلوب معرفته ھو تأثیر تغییر اتجاه قاعدة المرآة على الدینامیكا الھوائیة والصوتیات الھوائیة. نظرًا لأنه یمكن توجیه قاعدة المرآة من 0 إلى 90 درجة بالنسبة للمحور الذي یربط المرآة بقاعدتھا، فإن موضع الزاویة الأمثل الذي ینتج عنه أقل قوى دینامیكیة ھوائیة والصوتیات المتولدة مطلوبة. علاوة على ذلك، یولد أنبوب العادم ضوضاء تؤثر على المشاة القریبین والأشخاص داخل السیارة ویؤثر على القوى الدینامیكیة الھوائیة. نظراً لأن أنبوب العادم یخرج الغازات، تتفاعل كتلة المخرج مع الھواء الخارجي وتؤثر على خطوط ضغط الھواء، مما یؤثر على القوى الدینامیكیة الھوائیة. لذلك، الھدف ھو اختبار تسعة مستویات ارتفاع مختلفة لأنبوب العادم في الجزء الخلفي من السیارة وتسجیل تأثیر معامل السحب والرفع على السیارة بأكملھا. التحسین المطلوب ھو خفض قیم قوة السحب والرفع والصوتیات المتولدة من الجزء. یتم حل كل حالة عددیاً باستخدام تقنیات دینامیكیات الموائع الحسابیة (CFD) التي تطبق معاییر التشغیل والھندسة المختلفة. یتم استخدام برنامج ANSYS بطلاقة لمحاكاة كل حالة.
یتم التحقق من صحة النتائج التي تم الحصول علیھا من خلال القیم التجریبیة الموجودة المقابلة في الأدبیات. تظھر النتائج أنه من خلال تغییر قاعدة المرآة مع الحفاظ على المنطقة المسقطة ثابتة، لا یوجد تأثیر ملحوظ على القوى الدینامیكیة الھوائیة ولكن لھا تأثیر كبیر على الصوتیات. علاوة على ذلك، فإن الاتجاه الأمثل للزاویة للقاعدة ھو ~ 85 ± 3.75 درجة، حیث ینتج عن ھذا الموضع أقل الأصوات المولدة. یحتوي اتجاه قاعدة المرآة على فرق كبیر یصل إلى 32 دیسیبل في مستوى ضغط الصوت عند مقارنتھا بقاعدة المرآة الجانبیة عند 85 إلى 45 درجة. أنبوب العادم له تأثیر ملحوظ على الدینامیكا الھوائیة للسیارة، لذا فإن وضع أنبوب العادم ضروري. یكون الوضع المعتاد للجزء السفلي الخلفي الذي سیتم وضع العادم فیه غیر فعال عند محاكاته على طراز DrivAer، حیث یتم إضافة أنبوب العادم على ارتفاعات مختلفة، ویتم مقارنة القوى الدینامیكیة الھوائیة الناتجة مع النموذج الأصلي بدون مخرج عادم. تم التوصل إلى وضعین لإنتاج أقل قوى دینامیكیة ھوائیة، أحدھما للسحب والآخر للرفع. عندما یتم وضع أنبوب العادم على ارتفاع 100 مم (الموضع 5) فوق المؤخرة السفلیة للسیارة، فإنه ینتج عنه أقل قیمة لمعامل سحب (فرق 0.9 ٪) مقارنة بطراز DrivAer الأصلي بدون نظام عادم. علاوة على ذلك، فإن موضع أعلى معامل رفع سلبي یقع 125 مم (الموضع 6) فوق المؤخرة السفلیة، بفارق ~ 7.7%.
تم تجاھل قاعدة المرآة تماماً وتجاھلھا في الأدبیات القدیمة. ولھذا السبب، فإن ھذه الأطروحة ساھمت بشكل كبیر في المرآة الأساسیة من خلال تحدید موضع قیاسي ینتج عنھ أقل تولید صوتیات الذي لم یتم دراسته من قبل. یمكن لمصممي السیارات الآن تصمیم قاعدة مرآة السیارة بناءً على القیمة التي تم الحصول علیھا في ھذه الأطروحة. تأثیر نظام العادم على القوى الدینامیكیة الھوائیة یفتقر إلى الدراسات مقارنة بأجزاء السیارة الأخرى. ساھمت ھذه الأطروحة في تحسین الدینامیكیة الھوائیة للسیارة من خلال دراسة تأثیر نظام العادم وتحدید موضع قیاسي للتصمیم ینتج عنھ أقل قوى دینامیكیة ھوائیة.

Download
COinS