Abstract

The Life Cycle Energy Optimisation (LCEO) methodology aims at finding a design solution that uses a minimum amount of cumulative energy demand over the different phases of the vehicle's life cycle, while complying with a set of functional constraints. This effectively balances trade-offs, and therewith avoids sub-optimal shifting between the energy demand for the cradle-to-production of materials, operation of the vehicle, and end-of-life phases. This work further develops the LCEO methodology and expands its scope through three main methodological contributions which, for illustrative purposes, were applied to a vehicle sub-system design case study. An End-Of-Life (EOL) model, based on the substitution with a correction factor method, is included to estimate the energy credits and burdens that originate from EOL vehicle processing. Multiple recycling scenarios with different levels of assumed induced recyclate material property degradation were built, and their impact on the LCEO methodology's outcomes was compared to that of scenarios based on landfilling and incineration with energy recovery. The results show that the inclusion of EOL modelling in the LCEO methodology can alter material use patterns and significantly effect the life cycle energy of the optimal designs. Furthermore, the previous model is expanded to enable holistic vehicle product system design with the LCEO methodology. The constrained optimisation of a vehicle sub-system, and the design of a subset of the processes which are applied to it during its life cycle, are simultaneously optimised for a minimal product system life cycle energy. In particular, a subset of the EOL processes' parameters are considered as continuous design variables with associated barrier functions that control their feasibility. The results show that the LCEO methodology can be used to find an optimal design along with its associated ideal synthetic EOL scenario. Moreover, the ability of the method to identify the underlying mechanisms enabling the optimal solution's trade-offs is further demonstrated. Finally, the functional scope of the methodology is expanded through the inclusion of shape-related variables and aerodynamic drag estimations. Here, vehicle curvature is taken into account in the LCEO methodology through its impact on the aerodynamic drag and therewith its related operational energy demand. In turn, aerodynamic drag is considered through the estimation of the drag coefficient of a vehicle body shape using computational fluid dynamics simulations. The aforementioned coefficient is further used to estimate the energy required by the vehicle to overcome aerodynamic drag. The results demonstrate the ability of the LCEO methodology to capitalise on the underlying functional alignment of the structural and aerodynamic requirements, as well as the need for an allocation strategy for the aerodynamic drag energy within the context of vehicle sub-system redesign. Overall, these methodological developments contributed to the exploration of the ability of the LCEO methodology to handle life cycle and functional trade-offs to achieve life cycle energy optimal vehicle designs. Livscykelenergioptimerings-metodologin (LCEO) syftar till att hitta en designlösning som använder en minimal mängd av energi ackumulerat över de olika faserna av en produkts (i detta arbete i formen av ett fordon) livscykel, samtidigt som den uppfyller en förutbestämd uppsättning funktionella begränsningar. Genom detta kan avvägningar balanseras effektivt, och därmed undviks suboptimala förskjutningar mellan energibehovet för vagga-till-produktion av material, fordonets användningsfas samt hantering av det uttjänta fordonet, på engelska kallad End-Of-Life (EOL). Detta arbete vidareutvecklar LCEO-metodologin och utvidgar dess omfattning genom tre huvudsakliga metodologiska bidrag, som, för illustrativa syften, har applicerats på en fallstudie av ett fordons sub-systemdesign. En EOL-modell baserad på substitution med korrigeringsfaktorer, är inkluderad för att uppskatta energikrediter och bördor som härrör från hanteringen av det uttjänta fordonet. Flera olika scenarier som beskriver återvinning med olika nivåer av antagen degradering av egenskaper hos de återvunna materialen har definierats, och deras respektive LCEO utfall har jämförts med motsvarande resultat för scenarier baserade på deponering och förbränning med energiåtervinning. Resultaten visar att införandet av en EOL-modell i LCEO-metodologin kan ändra flöden och mönster kring materialanvändning och har en signifikant påverkan på den totala livscykelenergin i de optimala fordonsdesignen Då valet av EOL-modell har signifikans för LCEO utfallet, har de föregående, statiska modellerna kompletterats med en utvidgning mot en mer holistisk systemstudie utifrån LCEO. I denna utvidgning studeras frågor kring optimerade produktsystem, framförallt avseende en delmängd av EOL processernas parametrar som har inkluderats i form av kontinuerliga designvariabler med antagna barriärfunktioner som modellerar deras genomförbarhet. Resultaten visar att LCEO kan användas för att finna den optimala designen av en fordonskomponent tillsammans med dess associerade, ideala, syntetiska EOL-scenario. Dessutom demonstreras metodens förmåga att identifiera de underliggande mekanismer som möjliggör den optimala lösningens avvägningar. För att utöka komplexiteten i de ansatta funktionella begränsningarna har även form-relaterade variabler och aerodynamiska motståndsberäkningar tagits med. I det här fallet används krökningen på den studerade fordonskomponenten som ytterligare en variabel i LCEO analyser, med dess inverkan på det aerodynamiska motståndet och i och med detta variationer i användningsfasens energibehov. I detta fallet har det aerodynamiska motståndet tagits med i analysen genom uppskattning av motståndskoefficienten av en fordonskomponent framtagen genom strömningsmekaniska beräkningar. Denna uppskattning används sedan för att modellera den energi som krävs av fordonet för att övervinna det aerodynamiska luftmotståndet. I detta sammanhang visas också på behovet av en strategi för allokering av den aerodynamiska motståndsenergin hos en sub-komponent i relation till helheten, när fokus ligger på design av ett sub-system hos ett fordon. Resultaten visar att LCEO beskriver den underliggande funktionella synergin mellan de ansatta strukturella och de aerodynamiska kraven. Detta arbete bidrar till att LCEO utvecklas i flera olika avseenden som utgör väsentliga steg mot en pro-aktiv metod som kan hantera livscykel- och funktionella avvägningar i en optimal fordonsdesign ur ett livscykelenergiperspektiv.

Abstract

In a society where environmental noise is becoming a major health and economical concern, sound emissions are an increasingly critical design factor for vehicle manufacturers. With about a quarter of the European population living close to roads with heavy traffic, traffic noise in urban landscapes has to be addressed first. The current introduction of electric vehicles on the market and the need for sound systems to alert their presence is causing a shift in mentalities requiring engineering methods that will have to treat noise management problems from a broader perspective. That in which noise emissions need not only be considered as a by-product of the design but as an integrated part of it. Developing more sustainable ground transportation will require a better understanding of the sound field emitted in various realistic operating conditions, beyond the current requirements set by the standard pass-by test, which is performed in a free-field. A key aspect to improve this understanding is the development of efficient numerical tools to predict the generation and propagation of sound from moving vehicles. In the present thesis, a methodology is proposed aimed at evaluating the pass-by sound field generated by vehicle acoustic sources in a simplified urban environment, with a focus on flow sound sources. Although it can be argued that the aerodynamic noise is still a minor component of the total emitted noise in urban driving conditions, this share will certainly increase in the near future with the introduction of quiet electric engines and more noise-efficient tyres on the market. This work presents a complete modelling of the problem from sound generation to sound propagation and pass-by analysis in three steps. Firstly, computation of the flow around the geometry of interest; secondly, extraction of the sound sources generated by the flow, and thirdly, propagation of the sound generated by the moving sources to observers including reflections and scattering by nearby surfaces. In the first step, the flow is solved using compressible detached-eddy simulations. The identification of the sound sources in the second step is performed using direct numerical beamforming with linear programming deconvolution, with the phased array pressure data being extracted from the flow simulations. The outcome of this step is a set of uncorrelated monopole sources. Step three uses this set as input to a propagation method based on a point-to-point moving source Green's function and a modified Kirchhoff integral under the Kirchhoff approximation to compute reflections on built surfaces. The methodology is demonstrated on the example of the aeroacoustic noise generated by a NACA air inlet moving in a simplified urban setting. Using this methodology gives insights on the sound generating mechanisms, on the source characteristics and on the sound field generated by the sources when moving in a simplified urban environment. I ett samhälle där buller håller på att bli ett stort hälsoproblem och en ekonomisk belastning, är ljudutsläpp en allt viktigare aspekt för fordonstillverkare. Då ungefär en fjärdedel av den europeiska befolkningen bor nära vägar med tung trafik, är åtgärder för minskat trafikbuller i stadsmiljö en hög prioritet. Introduktionen av elfordon på marknaden och behovet av ljudsystem för att varna omgivningen kräver också ett nytt synsätt och tekniska angreppssätt som behandlar bullerproblemen ur ett bredare perspektiv. Buller bör inte längre betraktas som en biprodukt av konstruktionen, utan som en integrerad del av den. Att utveckla mer hållbara marktransporter kommer att kräva en bättre förståelse av det utstrålade ljudfältet vid olika realistiska driftsförhållanden, utöver de nuvarande standardiserade kraven för förbifartstest som utförs i ett fritt fält. En viktig aspekt för att förbättra denna förståelse är utvecklingen av effektiva numeriska verktyg för att beräkna ljudalstring och ljudutbredning från fordon i rörelse. I denna avhandling föreslås en metodik som syftar till att utvärdera förbifartsljud som alstras av fordons akustiska källor i en förenklad stadsmiljö, här med fokus på strömningsgenererat ljud. Även om det aerodynamiska bullret är fortfarande en liten del av de totala bullret från vägfordon i urbana miljöer, kommer denna andel säkerligen att öka inom en snar framtid med införandet av tysta elektriska motorer och de bullerreducerande däck som introduceras på marknaden. I detta arbete presenteras en komplett modellering av problemet från ljudalstring till ljudutbredning och förbifartsanalys i tre steg. Utgångspunkten är beräkningar av strömningen kring geometrin av intresse; det andra steget är identifiering av ljudkällorna som genereras av strömningen, och det tredje steget rör ljudutbredning från rörliga källor till observatörer, inklusive effekten av reflektioner och spridning från närliggande ytor. I det första steget löses flödet genom detached-eddy simulation (DES) för kompressibel strömning. Identifiering av ljudkällor i det andra steget görs med direkt numerisk lobformning med avfaltning med hjälp av linjärprogrammering, där källdata extraheras från flödessimuleringarna. Resultatet av detta steg är en uppsättning av okorrelerade akustiska monopolkällor. Steg tre utnyttjar dessa källor som indata till en ljudutbredningsmodel baserad på beräkningar punkt-till-punkt med Greensfunktioner för rörliga källor, och med en modifierad Kirchhoff-integral under Kirchhoffapproximationen för att beräkna reflektioner mot byggda ytor. Metodiken demonstreras med exemplet med det aeroakustiska ljud som genereras av ett NACA-luftintag som rör sig i en förenklad urban miljö. Med hjälp av denna metod kan man få insikter om ljudalstringsmekanismer, om källegenskaper och om ljudfältet som genereras av källor när de rör sig i en förenklad stadsmiljö. "p"QC 20170425