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

تهتم هذه الأطروحة بدراسة جزئين مختلفين للمركبة من حيث الديناميكا الهوائية والصوتيات الهوائية. هناك عاملان رئيسيان يحددان كفاءة ورفاهية السيارة: القوى الديناميكية الهوائية المنخفضة وانبعاث الضوضاء المنخفض .يعني معامل السحب الديناميكي الهوائي بمدى سهولة انتقال السيارة في الهواء؛ فكلما انخفضت قيمته، قلّ مقدار الوقود المطلوب لتحريك السيارة للأمام، وقلت مقاومة الهواء التي تواجهها السيارة. يرتبط معامل الرفع الديناميكي الهوائي باستقرار السيارة على الأرض، وكلما كانت القيمة أكثر سلبية زاد استقرار السيارة .علاوة على ذلك، فإن الصوتيات الهوائية تهتم بالضوضاء الناتجة عن تفاعل الهواء مع الجسم، وكلما انخفضت الضوضاء المنبعثة زادت راحة الركوب للركاب.

الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو تحسين أداء الأجزاء من حيث الديناميكا الهوائية والصوتيات الهوائية. العاملان الرئيسيان في حدوث ضوضاء من السيارة هما جزء المرآة ونظام العادم. المطلوب معرفته هو تأثير تغيير اتجاه قاعدة المرآة على الديناميكا الهوائية والصوتيات الهوائية، نظرًا لأنه يمكن توجيه قاعدة المرآة من 0 إلى 90 درجة بالنسبة للمحور الذي يربط المرآة بقاعدتها، فإن موضع الزاوية الأمثل الذي ينتج عنه أقل قوى ديناميكية هوائية وأقل ضوضاء متولدة مطلوب .علاوة على ذلك، يولد أنبوب العادم ضوضاء تؤثر على المشاة القريبين والأشخاص داخل السيارة، ويؤثر أيضًا على القوى الديناميكية الهوائية، نظرًا لأن أنبوب العادم يخرج الغازات، فتتفاعل كتلة المخرج مع الهواء الخارجي وتؤثر على خطوط ضغط الهواء، مما يؤثر على القوى الديناميكية الهوائية للسيارة. لذلك، الهدف هو اختيار نسبة مستوى العادم وارتفاع مستوى أنبوب العادم في الجزء الخلفي من السيارة وتسجيل قيم معامل السحب والرفع وقوى السحب والرفع المتولدة من الجزء، ثم تحليل النتائج لإيجاد أفضل أداء .في كل حالة، تم استخدام تقنيات ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) التي تطبق معايير التشغيل والهندسة المختلفة، باستخدام برنامج ANSYS لمحاكاة كل حالة.

يتم التحقق من صحة النتائج التي تم الحصول عليها من خلال القيم التجريبية الموجودة في الأدبيات. تُظهر النتائج أنه من خلال تغيير اتجاه قاعدة المرآة مع الحفاظ على المنطقة المسقطة ثابتة، لا يوجد تأثير ملحوظ على القوى الديناميكية الهوائية، ولكن هناك تأثير كبير على الصوتيات .علاوة على ذلك، فإن الاتجاه الأمثل لزاوية القاعدة هو θ = 85 ± 3.75 درجة، حيث ينتج عن هذا الموضع أقل الأصوات المتولدة. يحتوي اتجاه قاعدة المرآة على فرق قد يصل إلى 32 ديسيبل في مستوى ضغط الصوت عند مقارنته بزوايا أخرى مثل 45 درجة .بالنسبة لأنبوب العادم، فإن وضعه يلعب دورًا مهمًا. تم وضع أنبوب العادم في مواضع مختلفة بناءً على طراز DrivAer، وتمت دراسة تأثير ذلك على الأداء الديناميكي الهوائي. أظهرت النتائج أنه عند وضع أنبوب العادم على ارتفاع 100 مم (الموضع 5) فوق المؤخرة السفلية للسيارة، فإن معامل السحب يتحسن بنسبة (فرق 0.9%) مقارنة بالطراز الأصلي بدون عادم .كما أن أفضل موضع لتقليل معامل الرفع هو عند ارتفاع يقارب 125 مم (الموضع 6) فوق المؤخرة السفلية، حيث يتحقق فرق بنسبة 7.7%.

تم تجاهل تأثير قاعدة المرآة في الأدبيات السابقة، ولهذا السبب ساهمت هذه الأطروحة في تسليط الضوء على أهميتها من خلال تحديد موضع قياسي يقلل الضوضاء بشكل كبير. يمكن لمصممي السيارات الآن تصميم قاعدة المرآة بناءً على هذه النتائج لتحقيق أفضل أداء صوتي دون التأثير على الأداء الديناميكي الهوائي .كما ساهمت الأطروحة في تحسين السلوك الديناميكي الهوائي من خلال دراسة تأثير نظام العادم وتحديد موضعه الأمثل الذي يقلل من قوى السحب والرفع.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: الصوتيات الهوائية، الديناميكا الهوائية، أنبوب العادم الخلفي، قاعدة المرآة الجانبية، مصادر ضوضاء السيارة.

Download
COinS