रोलिंग रोड विंड टनल: ऑटोमोटिव एयरो डेटा के लिए मूविंग ग्राउंड की आवश्यकता क्यों है

सड़क पर, कार चलती है और जमीन स्थिर रहती है। एक विंड टनल में, हवा चलती है और कार तथा जमीन दोनों स्थिर रहते हैं — और यह एक ही व्युत्क्रमण (inversion) टनल के आंकड़ों और वास्तविकता के बीच के अधिकांश अंतर के लिए जिम्मेदार है。

एक रोलिंग रोड विंड टनल इसी अंतर को दूर करने के लिए होती है। ऑटोमोटिव एयरोडायनामिक्स में बाकी सब कुछ — अंडरबॉडी फ्लो, व्हील वेक, कूलिंग ड्रैग, रियर-एंड प्रेशर रिकवरी — ग्राउंड (सतह) को सही करने के बाद ही सटीक हो पाता है।

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1. एक स्थिर फर्श आपके डेटा पर क्या प्रभाव डालता है

एक फिक्स्ड (स्थिर) फर्श के साथ, टनल के फर्श के साथ एक सीमा-परत (boundary layer) विकसित होती है और कार तक पहुँचती है। वाहन के नीचे स्वच्छ, पूर्ण-गति वाली हवा के बजाय, अंडरबॉडी को धीमा और सघन प्रवाह मिलता है। इसके तुरंत बाद तीन परिणाम सामने आते हैं:

• अंडरबॉडी फ्लो गलत होता है। राइड-हाइट संवेदनशीलता, डिफ्यूज़र का प्रदर्शन और फ्लोर-एज भंवर (vortices) सभी उस वेग प्रोफ़ाइल (velocity profile) पर निर्भर करते हैं जो अब वहां मौजूद नहीं है。
• पहिए गलत होते हैं। स्थिर पहिए घूमने वाले पहियों की तुलना में एक अलग वेक (wake) उत्पन्न करते हैं। व्हील और व्हीलहाउस एयरोडायनामिक्स कुल ड्रैग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हो सकते हैं, और इनमें से किसी को भी सही ढंग से प्रस्तुत नहीं किया जाता है。
• वेक गलत होता है। अंडरबॉडी और पहियों से होने वाली त्रुटियां डाउनस्ट्रीम में प्रवाहित होती हैं और बेस प्रेशर को बदल देती हैं — यह वह कारक है जो अधिकांश रोड कारों पर ड्रैग को हावी करता है。

इसका परिणाम गलत कॉन्फ़िगरेशन का एक दोहराने योग्य (repeatable) माप है। सटीकता (fidelity) के बिना दोहराव ही वह कारण है जिससे प्रोग्राम अंततः एक ऐसी कार को ऑप्टिमाइज़ कर बैठते हैं जो केवल टनल में मौजूद होती है।

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2. ग्राउंड सिमुलेशन के चरण

ग्राउंड सिमुलेशन कोई एक विशेषता नहीं है बल्कि चरणों की एक श्रृंखला है, और आधुनिक सुविधाएं इस तरह बनाई जाती हैं कि उन्हें एक-एक करके सक्रिय किया जा सके — इसी तरह आप यह भी मापते हैं कि प्रत्येक चरण का क्या महत्व है। उदाहरण के लिए, IVK टनल्स (इंस्टीट्यूट ऑफ इंटरनल कम्बशन इंजिन्स एंड ऑटोमोटिव इंजीनियरिंग, यूनिवर्सिटी ऑफ स्टटगार्ट) में, इस क्रम को इस प्रकार प्रलेखित किया गया है: कोई ग्राउंड सिमुलेशन नहीं, फिर बाउंड्री लेयर सक्शन, फिर सेंटर बेल्ट, और उसके बाद मिनी-बेल्ट के साथ व्हील रोटेशन।

बाउंड्री लेयर सक्शन (BLS)। अपस्ट्रीम में एक स्कूप और डिस्ट्रीब्यूटेड सक्शन कार तक पहुँचने से पहले फर्श की सीमा-परत को हटा देते हैं। दीवार के पास के प्रवाह को फिर से ऊर्जावान करने के लिए टेंजेंशियल ब्लोइंग (tangential blowing) को जोड़ा जा सकता है। केवल यही त्रुटि के एक बड़े हिस्से को ठीक कर देता है, और यह सबसे सस्ता कदम है।

सेंटर बेल्ट। वाहन की सेंटरलाइन के नीचे एक मूविंग बेल्ट सही सापेक्ष गति (relative motion) प्रदान करती है जहाँ अंडरबॉडी फ्लो होता है。

मिनी-बेल्ट के साथ व्हील रोटेशन। चार छोटी बेल्ट, प्रत्येक पहिये के नीचे एक, पहियों को घुमाती हैं जबकि कार सपोर्ट पर टिकी रहती है। सेंटर बेल्ट के साथ मिलकर यह 5-बेल्ट सिस्टम बनाता है, वह कॉन्फ़िगरेशन जिसका उपयोग आज अधिकांश फुल-स्केल प्रोडक्शन-कार टनल्स करते हैं।

सिंगल वाइड बेल्ट। पूरे वाहन के नीचे एक बेल्ट, जिसमें कार को ऊपर से स्ट्रट्स द्वारा या पहियों के हब रेस्ट्रेंट्स द्वारा पकड़ा जाता है। यह सबसे सटीक सिमुलेशन है और इसकी मांगें भी सबसे अधिक हैं: उच्च बेल्ट गति और शक्ति, कूलिंग, एयर बेयरिंग, सटीक टेंशन कंट्रोल और एक बैलेंस सिस्टम जो बेल्ट के चारों ओर काम करता है। मोटरस्पोर्ट और समर्पित एयरोडायनामिक विकास सुविधाएं इसे प्राथमिकता देती हैं।

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3. ब्लॉकेज: समस्या का दूसरा पहलू

परीक्षण खंड (टेस्ट सेक्शन) में एक कार प्रवाह क्षेत्र के एक महत्वपूर्ण हिस्से को विस्थापित करती है। एक क्लोज्ड (बंद) सेक्शन में, यह स्ट्रीमलाइन्स को सीमित करता है और स्थानीय वेग को बढ़ाता है, जिससे बलों का अधिक आकलन होता है। एक ओपन-जेट सेक्शन में, जेट का विस्तार हो सकता है, लेकिन जेट की सीमा पर एक शीयर लेयर (shear layer) बन जाती है और इसकी अस्थिरता अनुनाद (resonance) पैदा कर सकती है जो परीक्षण खंड में दबाव वितरण को बदल देती है।

इनमें से कोई भी व्यवहार ऐसा दोष नहीं है जिसे समाप्त किया जा सके — दोनों भौतिकी (physics) के नियम हैं जिन्हें सही (correct) किया जाना चाहिए। ऑटोमोटिव अभ्यास Mercker, Wiedemann, Cooper और उनके सहकर्मियों द्वारा विकसित सुधार विधियों (correction methods) पर केंद्रित हो गया है, जो नोजल इंटरफेरेंस, जेट एक्सपेंशन और डिफ्लेक्शन, कलेक्टर इंटरफेरेंस और परीक्षण खंड के साथ स्टैटिक प्रेशर ग्रेडिएंट को ध्यान में रखते हैं, और जिन्हें मापे गए ड्रैग कोएफिशिएंट्स को ऑन-रोड मूल्यों के करीब लाने के लिए सिद्ध किया गया है。

इसका व्यावहारिक निहितार्थ असुविधाजनक और महत्वपूर्ण है: ड्रैग कोएफिशिएंट केवल कार की विशेषता नहीं है। यह कार, टनल, ग्राउंड सिमुलेशन स्थिति और सुधार विधि (correction method) की विशेषता है। इन चारों को जाने बिना एक सुविधा (facility) के Cd की तुलना दूसरी सुविधा के Cd से करना एक आम और महंगी गलती है।

जब कोई आंकड़ा उद्धृत करें, तो कॉन्फ़िगरेशन बताएं। जब कोई आंकड़ा प्राप्त करें, तो इसके बारे में पूछें।

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4. मूविंग ग्राउंड और क्या-क्या संभव बनाता है

एक बार ग्राउंड सिमुलेशन मौजूद होने पर, उसी सुविधा में कई अन्य माप सार्थक हो जाते हैं:

• कूलिंग ड्रैग और थर्मल मैनेजमेंट। फ्रंट इनटेक, हीट एक्सचेंजर स्टैक और इंजन या बैटरी कम्पार्टमेंट के माध्यम से एयरफ्लो केवल सही अंडरबॉडी फ्लो के साथ ही वास्तविक रूप से व्यवहार करता है — जो इलेक्ट्रिक वाहनों पर तेजी से प्रमुख प्रश्न बनता जा रहा है。
• लिफ्ट और बैलेंस डिस्ट्रीब्यूशन। फ्रंट और रियर लिफ्ट, और राइड हाइट के साथ उनका बदलाव, वे आंकड़े हैं जो हाई-स्पीड स्थिरता निर्धारित करते हैं。
• एयरोअकूस्टिक्स (Aeroacoustics)। विंड नॉइज़ (हवा के शोर) के आकलन के लिए फ्लो फील्ड का सही होना और टनल का अपना नॉइज़ फ्लोर कम होना आवश्यक है。
• सॉइलिंग और वाटर मैनेजमेंट। पानी का स्प्रे कहाँ जाता है, यह व्हील रोटेशन पर निर्भर करता है。

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5. सुविधा (Facility) के निहितार्थ

यदि आप ऐसी किसी सुविधा को निर्दिष्ट या अपग्रेड कर रहे हैं, तो ग्राउंड सिमुलेशन सिस्टम डिज़ाइन के एक आश्चर्यजनक हिस्से को संचालित करता है:

• बेल्ट की गति, शक्ति और कूलिंग। घंटों तक सड़क की गति पर चलने वाली बेल्ट गर्मी पैदा करती हैं और सटीक टेंशन तथा ट्रैकिंग कंट्रोल की मांग करती हैं。
• बैलेंस इंटीग्रेशन। फोर्स मेजरमेंट सिस्टम को लोड पाथ को दूषित किए बिना बेल्ट, व्हील रेस्ट्रेंट्स और सक्शन प्लेना (suction plena) के आसपास काम करना होता है。
• सक्शन प्लांट। बाउंड्री लेयर को हटाना एक वास्तविक एयर-हैंडलिंग सिस्टम है, न कि केवल एक स्लॉट。
• सेक्शन ज्योमेट्री और करेक्शन स्ट्रेटेजी। ओपन-जेट या क्लोज्ड सेक्शन एक ऐसा निर्णय है जो यह निर्धारित करता है कि आप किस करेक्शन मेथड के साथ काम करेंगे और आपका डेटा दूसरों के साथ कितना तुलनीय होगा。
• स्केल। रिड्यूस्ड-स्केल टनल्स (आमतौर पर 1:2 से 1:4 के आसपास) प्रति यूनिट ऊर्जा में कहीं अधिक परीक्षण घंटे प्रदान करते हैं और विकास के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, जबकि फुल-स्केल को वैलिडेशन (सत्यापन) के लिए आरक्षित रखा जाता है。

सर्किट आर्किटेक्चर के सामान्य ट्रेड-ऑफ़ यहाँ भी वैसे ही लागू होते हैं जैसे हर जगह — देखें

क्लोज्ड-सर्किट बनाम ओपन-सर्किट टनल्स

और हमारी

विंड टनल प्रकारों की तुलना

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6. पाँच गलतियाँ

• बिना करेक्शन वाले आंकड़ों की तुलना करना। दो टनल्स, दो करेक्शन मेथड्स, एक अर्थहीन तुलना。
• ग्राउंड सिमुलेशन स्थिति के बिना Cd रिपोर्ट करना। "केवल BLS के साथ" और "5-बेल्ट, घूमते पहियों के साथ" एयरोडायनामिक रूप से अलग-अलग कारें हैं。
• प्रेशर ग्रेडिएंट को नज़रअंदाज़ करना। परीक्षण खंड के साथ एक स्टैटिक प्रेशर ग्रेडिएंट एक क्षैतिज उत्प्लावक बल (horizontal buoyancy force) उत्पन्न करता है जो सीधे ड्रैग में दिखाई देता है。
• गलत राइड हाइट पर परीक्षण करना। एयरोडायनामिक लोड राइड हाइट को बदलते हैं, जो एयरोडायनामिक लोड को बदल देता है। स्टैटिक ज्योमेट्री फ्लाइंग ज्योमेट्री नहीं होती है。
• CFD कोरिलेशन विफलताओं को CFD त्रुटियां मानना। अक्सर सिमुलेशन सही होता है और टनल कॉन्फ़िगरेशन वह नहीं होता जो सिमुलेशन ने माना था。

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7. इसे सिस्टम में शामिल करना (Building it in)

ग्राउंड सिमुलेशन कोई एक्सेसरी नहीं है; यह एक ऑटोमोटिव टनल का वह हिस्सा है जो यह तय करता है कि डेटा किसी सड़क वाहन का वर्णन करता है या नहीं। जल्दी तय करें कि आपको किस स्तर की आवश्यकता है — केवल सक्शन, 5-बेल्ट, या सिंगल बेल्ट — क्योंकि प्रत्येक का अर्थ अलग संरचना, शक्ति, कूलिंग और बैलेंस डिज़ाइन है।

हम मापन कार्यक्रम (measurement programme) के इर्द-गिर्द कस्टम टनल्स को डिज़ाइन, निर्मित और कमीशन करते हैं, जिसमें ग्राउंड सिमुलेशन, बैलेंस और इंस्ट्रूमेंटेशन को बाद में जोड़ने के बजाय एयरोडायनामिक कॉन्सेप्ट से ही एकीकृत किया जाता है।

हमें बताएं कि आपको किन वाहनों और गतियों का परीक्षण करना है , और हम आपको एक कॉन्सेप्ट प्रदान करेंगे: सेक्शन का प्रकार, ग्राउंड सिमुलेशन स्तर, ड्राइव पावर और फुटप्रिंट।

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स्रोत और नोट्स

• बाउंड्री लेयर सक्शन, टेंजेंशियल ब्लोइंग और चार व्हील रोटेशन यूनिट्स के साथ 5-बेल्ट रोड सिमुलेशन, और चरण-दर-चरण सक्रियण अनुक्रम (कोई ग्राउंड सिमुलेशन नहीं → बाउंड्री लेयर सक्शन → सेंटर बेल्ट → व्हील रोटेशन): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• ओपन-जेट करेक्शन प्रैक्टिस, जिसमें नोजल इंटरफेरेंस, जेट एक्सपेंशन और डिफ्लेक्शन, कलेक्टर इंटरफेरेंस और स्टैटिक प्रेशर ग्रेडिएंट प्रभाव शामिल हैं: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• ओपन-जेट ऑटोमोटिव टेस्ट सेक्शन में शीयर लेयर अस्थिरता और अनुनाद: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• अनुमानित वाहन एयरोडायनामिक्स पर ग्राउंड सिमुलेशन और ब्लॉकेज अनुपात के प्रभाव: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• लगभग 1:2 से 1:4 की रिड्यूस्ड-स्केल रेंज सामान्य उद्योग अभ्यास को दर्शाती हैं और सुविधा के अनुसार भिन्न होती हैं。
• सुविधा डिज़ाइन मार्गदर्शन TunnelTech की इंजीनियरिंग प्रैक्टिस है।