CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

Op de openbare weg is een bus een massief, stomp object dat zich door een zee van lucht duwt. Terwijl het beweegt, glijdt de lucht niet simpelweg langs; de lucht drukt tegen de voorkant, raast over het dak en worstelt om de lege ruimte achter de achterzijde op te vullen. Deze strijd creëert een kracht die aerodynamische weerstand wordt genoemd, die werkt als een onzichtbare hand die het voertuig naar achteren trekt. Om in beweging te blijven, moet de motor harder werken, waardoor er meer brandstof wordt verbruikt en er meer kooldioxide in de atmosfeer vrijkomt. Voor grote voertuigen zoals bussen, die vaak tientallen passagiers vervoeren, is deze weerstand een grote kostenpost, zowel qua geld als qua milieu-impact. In veel delen van de wereld, met name in Ethiopië, worden bussen vaak gebouwd door passagierscarrosserieën op vrachtwagenchassis te monteren. Hoewel dit praktisch is, resulteert deze methode vaak in blokkige, rechthoekige vormen die vreselijk zijn in het snijden door de wind. De lucht raakt de platte voorkant en blijft steken in turbulente wervelingen aan de achterzijde, waardoor energie wordt verspild die anders aan beweging zou kunnen worden besteed.

Onderzoekers weten al lang dat het gladder maken van deze vormen kan helpen. Net zoals een zwemmer een gestroomlijnde kap draagt om de weerstand in het water te verminderen, kunnen voertuigen worden uitgerust met apparaten die de lucht geleidelijker laten passeren. Deze studie richtte zich op een specifiek, veelvoorkomend busmodel dat in Ethiopië wordt gebruikt en stelde een eenvoudige vraag: konden specifieke toevoegingen aan het dak en de achterkant van de bus de luchtweerstand aanzienlijk verlagen? Het team heeft deze ideeën niet getest op een echte weg, maar in plaats daarvan een krachtige computersimulatie gebruikt. Ze bouwden een digitale versie van de bus en plaatsten deze in een virtuele windtunnel, een wiskundige ruimte waar ze konden zien hoe de lucht rond het voertuig stroomde bij verschillende snelheden. Door de vorm van de bus in de computer te veranderen — door een gebogen stuk op het dak toe te voegen en een plat paneel aan de achterzijde — konden ze precies meten hoeveel gemakkelijker het voor de lucht werd om langs de bus te stromen.

De onderzoekers testten twee belangrijkste soorten toevoegingen. De eerste was een dakspoiler (roof fairing), een gebogen structuur die op het dak van de bus is gemonteerd en de vorm van een vliegtuigvleugel nabootst, specifiek de helft van een ontwerp dat bekend staat als een NACA 0012-airfoil. De tweede was een achterpaneel (rear tail plate), een plat paneel dat onder een lichte hoek aan de achterkant van de bus is bevestigd, ontworpen om de lucht weer soepeler te laten samenvloeien nadat deze over het voertuig is gepasseerd. Ze probeerden deze apparaten in verschillende maten en hoeken, waarbij de simulatie werd uitgevoerd op snelheden van 60, 80 en 100 kilometer per uur. Het doel was om de specifieke combinatie te vinden die de minste hoeveelheid weerstand zou creëren, waardoor er dus de minste hoeveelheid brandstof nodig is om de bus in beweging te houden.

De resultaten lieten zien dat beide toevoegingen werkten, maar dat één optie duidelijk superieur was. De dakspoiler bleek het meest effectieve hulpmiddel te zijn. Wanneer de onderzoekers een dakspoiler met een specifieke lengte van 0,5 meter installeerden, gecombineerd met een lichte hervorming van de voorzijde van de bus, daalde de luchtweerstand drastisch. Bij een snelheid van 60 kilometer per per uur werd de weerstand met bijna 28 procent verminderd. Terwijl de bus versnelde naar 100 kilometer per uur, werd de reductie iets groter en bereikte bijna 29 procent. Het achterpaneel hielp ook, maar het effect was kleiner; zelfs in de beste configuratie slaagde het er slechts in de weerstand met ongeveer 25 procent te verminderen bij de hoogste snelheden. De simulaties onthulden dat de dakspoiler werkte door de lucht langer aan de bovenkant van de bus te houden, waardoor het chaotische wervelen werd voorkomen dat normaal gesproken optreedt wanneer lucht van een stom oppervlak loslaat.

Deze verminderingen in luchtweerstand vertalen zich direct in besparingen in de echte wereld. Omdat de bus minder weerstand ondervindt, hoeft de motor minder hard te werken. De studie berekende dat met de beste configuratie van de dakspoiler, een bus die met 100 kilometer per uur rijdt, bijna 10 liter brandstof per uur zal besparen vergeleken met de standaard, ongewijzigde bus. Bij een lagere snelheid van 60 kilometer per uur was de besparing nog steeds aanzienlijk, namelijk meer dan 2 liter per uur. Over het verloop van een jaar, uitgaande van een bus die acht uur per dag rijdt, tellen deze besparingen zich op tot duizenden liters diesel. Deze vermindering in brandstofverbruik betekent ook een substantiële daling van de CO2-emissies. Voor een enkele bus die de dakspoiler gebruikt, schatte de studie dat het de uitstoot van meer dan 60 ton kooldioxide per jaar kan voorkomen bij hoge snelheden, een cijfer dat een betekeniselijke bijdrage levert aan schonere lucht.

De onderzoekers waren zorgvuldig om te vermelden dat deze cijfers afkomstig zijn van computersimulaties, en niet van het rijden met een fysieke bus op een snelweg. Het digitale model werd gecontroleerd aan de hand van bestaande windtunnelgegevens om te garanderen dat het accuraat was, en de resultaten waren consistent met wat ingenieurs verwachten te zien. Hoewel de studie niet elke mogelijke vorm of grootte heeft getest, identificeerde het een duidelijke winnaar onder de geteste opties: een bescheiden, 0,5 meter lange gebogen dakspoiler. Dit bevinding suggereert dat voor de blokkige bussen die gebruikelijk zijn in Ethiopië en soortgelijke regio's, een relatief eenvoudige en goedkope aanpassing kan leiden tot grote verbeteringen in brandstofefficiëntie en milieu-impact. Het werk laat zien dat zelfs voor voertuigen die oorspronkelijk niet met het oog op aerodynamica zijn ontworpen, kleine veranderingen in hun vorm een groot verschil kunnen maken in hoe zij interageren met de lucht om hen heen.