Magazin. Strömungssimulation und Produktentwicklung im Radsport

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2 2 Aerodynamik bringt s auch im Radsport! Im Radsport kämpfen Hochleistungssportler um wenige Sekunden Vorsprung um zu gewinnen. bionic surface technologies leistet einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Effizienz und zum Erfolg der Athleten. Erfahren Sie hier mehr über den Einsatz von Strömungssimulationen im Radsport bis hin zur Produktentwicklung mit dem Hersteller UVEX! Heute wirkt die Tour [de France] wie die Formel 1 des Radsports: Im Windkanal getestetes Material, perfekt vorbereitete und abgeschirmte Athleten alles scheint berechnet. Christian Prudhomme, Direktor der Tour de France Im Hochleistungsradsport ist der Unterschied zwischen Sieger und Verlierer oft nur wenige Sekunden groß. Die Sportler geben alles um zu gewinnen und das Ziel jedes einzelnen ist es, schneller und besser zu sein als die Konkurrenten. Bei gleichen körperlichen Voraussetzungen entscheidet immer öfter das perfekte Sportmaterial. Die Effizienz des Sportgeräts tritt dabei immer mehr in den Vordergrund. Eine Möglichkeit die Effizienz im Rahmen des Reglements zu steigern, sind aerodynamische Innovationen. Der Sportler muss bei hohen Geschwindigkeiten gegen enorm hohe Windwiderstände ankämpfen, da der Luftstrom durch den Radfahrer und sein Fahrrad gehindert wird. Somit tritt der geringste Fahrwiderstand auf, wenn der Fahrer und sein Rad einen möglichst stromlinienförmigen Körper bilden. Werden diese Widerstände reduziert, kann der Radfahrer mit gleichem Energieverbrauch eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Durch die Sitzposition des Sportlers und das Material seiner Ausrüstung kann die Reduktion der Windwiderstände erfolgen. Um diese Form zu erreichen, investieren viele Profisportler in aerodynamische Tests und versuchen, das Beste aus ihrem Material zu machen. Viele Radsportler benutzen deshalb aerodynamische Helme, sogenannte Aerohelme. An der Entwicklung von noch aerodynamischeren Helmen ist die Firma UVEX sehr interessiert und beteiligt. Viele Kunden aus dem Leistungssport vertrauen diesem Unternehmen und seinen innovativen Produkten. In Zusammenarbeit mit bionic surface technologies wurden bestehende Helme auf verschiedene Arten aerodynamisch getestet und nach Auswertung der Ergebnisse auch verbessert und weiterentwickelt. bionic surface technologies (BST) hat sich im Bereich der Strömungsanalysen spezialisiert und verwendet numerische Strömungsmechanik, auch CFD (computational fluid dynamics) genannt. Durch Strömungssimulationen wird deutlich, welche Bereiche des Aerohelmes aerodynamisch optimierbar sind. Um schon vorhandene Helme zu optimieren, wurden diese im Windkanal getestet. Die auf den Radfahrer wirkenden Kräfte wurden ohne Helm und mit zwei verschiedenen Helmen analysiert. Das Ziel dieser Messungen war die Beantwortung der Frage, ob durch aerodynamische Veränderungen Fortschritte erzielt werden. Diese Frage konnte ganz klar beantwortet werden, da

3 3 die Unterschiede in den Ergebnissen sehr deutlich zu erkennen waren. Wie erwartet spielt die Aerodynamik des Helmes eine große Rolle und es können noch Optimierungen durchgeführt werden. Doch auch der Einfluss der Helmposition beziehungsweise der Kopfstellung des Radfahrers wurde deutlich. Daraus lässt sich schließen, dass Helminnenströmungen und der Wärmetransport berücksichtigt. In Folge wird eine optimale Kühlung des Kopfes des Radfahrers garantiert. Durch die Analyse des Radfahrers mit und ohne Helm konnte die Widerstandsreduktion berechnet werden. Durch Verwendung eines Aerohelmes wird der Widerstand um bis zu 0,9 N reduziert. Bei einer Optimierung der Helme ist eine noch größere Reduktion möglich. Der Radfahrer muss dadurch gegen weniger Widerstand ankämpfen und kann seine Geschwindigkeit erhöhen oder seine Kraft sparen. Die Ergebnisse der CFD- Simulation waren den Ergebnissen aus dem Windkanal generell sehr ähnlich. Die Aerodynamik der Helme ist, wie im Windkanal schon beobachtet, sehr stark von der Position des Helmes am Fahrer abhängig. Ein optimaler Helm hat jedoch positionsunabhängig eine gute Widerstandsreduktion. Beide Aerohelme zeigen aerodynamisches Verbesserungspotenzial. Veränderungen wie Abrundungen, Konturüberarbeitungen oder Belüftungsoptimierung können vorgenommen werden um die Helme noch aerodynamischer zu gestalten. Deutlich wurde auch ein großes Optimierungspotential bei den Helmen, wenn Seitenwind herrscht. Die Helminnenströmung ist ein aerodynamisch günstiger Helm nicht optimal wirken kann, wenn die richtige Kopfhaltung nicht eingehalten wird. In der obigen Abbildung ist die Strömung mit Hilfe einer Rauchlanze im Vergleich zur Computersimulation dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse der Versuche im Windkanal wurden für die nachfolgenden CFD Simulationen verwendet. Für die CFD Simulation wurde ein dreidimensionaler Scan des Radfahrers und des Aerohelmes angefertigt. Die Strömungen von zwei unterschiedlichen Aerohelmen wurden mittels CFD ermittelt. Durch die CFD-Berechnung war die Identifikation von Ablösezonen und Staupunkten an den verschiedenen Helmen möglich. An den Staupunkten kann die Luft nicht optimal strömen und Druckwiderstand wird erzeugt. Der Radfahrer muss gegen mehr Widerstand ankämpfen und büßt Energie oder Geschwindigkeit ein. In den Simulationen wurden auch die aerodynamisch schon gut entwickelt und bedarf wenig Veränderung. Wichtig bei allen aerodynamischen Optimierungen ist, dass der Helm immer die Körperumströmung positiv

4 4 Vom Material her ist sicher noch einiges drin. Vor allem was die Aerodynamik betrifft. Riccardo Zoidl, Gesamtsieger der Österreichrundfahrt 2013 beeinflusst. Jede Veränderung am Helm sollte immer in Anbetracht des Gesamtsystems Rad, Aeroposition und Helm durchgeführt werden. Durch die Erkenntnisse aus den Windkanaltests und den Strömungsvisualisierungen konnten verbesserte Prototypen entwickelt werden. Aus diesen Prototypen entwickelte die Firma UVEX dann einen neuen Aerohelm. Der UVEX race 6 ist ein Helm mit ausgeklügelter Bauweise, der aus hochwertigem Carbon besteht. In Windkanaltests schnitt dieser Helm eindeutig besser ab als vergleichbare Helme. Außerdem ist die Belüftung des race 6 optimiert worden, sodass der Radfahrer das Projekt EDAero (EveryDayAerodynamics). Hier wurde ein neuer Sprinthelm entwickelt. Die Optimierung der Belüftung und die Optimierung ein angenehmes Tragegefühl erleben kann. Der UVEX race 6 kann in der obenstehenden Abbildung betrachtet werden. Jedes eingesparte Watt und jede Sekunde Vorsprung zählt und durch aerodynamische Optimierungen ist schon mancher Radfahrer schneller im Ziel gewesen. Auch der UVEX race 6 kommt zum Einsatz und so mancher Profisportler hat schon von den aerodynamischen Veränderungen profitiert. Ein anderes gemeinsames Projekt mit UVEX war der Aerodynamik standen im Mittelpunkt. Der Wärmestrom wurde mittels CFD-Simulationen berechnet und so konnte die optimale Kühlung erreicht werden. Marcel Kittel, mehrfacher Tour de France Etappensieger war ebenso in die Entwicklung des Sprinthelmes involviert. Das Ergebnis: eine perfekte Zusammenarbeit und ein perfektes Produkt! Impressum bionic surface technologies GmbH Brockmanngasse Graz AUSTRIA - Phone The content and all parts of this document are protected by copyright. Copyright by bionic surface technologies GmbH

5 5 Nicht nur im Radsport sind Strömungssimulationen von bionic surface technologies gefragt. Gesamtfahrzeugsimulation Die Strömungsdynamik eines Fahrzeuges hat einen großen Einfluss auf Akustik, Fahrkomfort und Effizienz. Außerdem kann durch Strömungssimulationen die Sicherheit gesteigert werden. Schnelle und anschauliche CFD-Simulationen von einem gesamten Fahrzeug helfen, den großen Kontext der Strömungen zu analysieren und besser verstehen zu können. Forschung Wir verstehen uns nicht als reine CFD-Anwender, sondern arbeiten aktiv an der Weiterentwicklung und Verbesserung unseres strömungstechnischen Know-Hows. Dazu entwickeln wir mit Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie neue, noch effizientere Wege, um Strömungssimulationen zu bewerkstelligen. Kontaktieren Sie uns einfach bei Interesse an unseren laufenden Forschungsprojekten! Mikrofluidik Nicht nur bei großen Anwendungen spielen Strömungssimulationen eine wichtige Rolle, auch im Mikro- und Nanometerbereich kommen Strömungssimulationen zum Einsatz. Die gleichmäßige Verteilung von Molekülen auf Oberflächen ist ein ganz neues Gebiet, wo CFD- Berechnungen zum Einsatz kommen. Diese Moleküle strömen über die Oberfläche und jedes Molekül sollte eine möglichst gleiche Verweildauer haben. Durch CFD-Simulationen und die nachfolgenden geometrischen Veränderungen kann eine optimale Verteilung gewährleistet werden. Flugzeugdesign CFD-Simulationen unterstützen Sie im Flugzeugdesign. Wenn es um äußeres Design und aerodynamische Veränderungen oder um die bestmögliche Belüftung des Innenraums geht, sind wir Ihr Partner im Flugzeugdesign. Als Dienstleister liefern wir schnelle und zuverlässige Ergebnisse und unterstützen Sie optimal in ihrer Produktentwicklung. Akustik Die Entstehung von Lärm zu analysieren und in Folge dessen Lärm auch zu vermeiden, ist ein großes Anwendungsgebiet der Strömungssimulation. CFD-Berechnungen spielen in der Aeroakustik eine bedeutende und zentrale Rolle. In den verschiedensten Bereichen kann Lärm untersucht werden und bei vielen Anwendungen eine Optimierung des Geräuschpegels erwirkt werden. Unter anderem wurde bereits der akustische Einfluss eines Seitenspiegels auf den Innenraum, die Optimierung einer Rasenmäherschneidegeometrie und die Optimierung von Windradakustik erfolgreich durchgeführt.

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