Aerodynamik von Hochleistungsfahrzeugen. Gliederung.

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1 WS10/11 Folie 5.1 Hochleistungsfahrzeugen. Gliederung. 1. Einführung (Typen, Rennserien) 2. Aerodynamische Grundlagen 3. Aerodynamik und Fahrleistung 4. Entwicklung im Windkanal 5. Entwicklung mit CFD 6. Flügelelemente 7. Fahrzeugfront / -heck, Unterboden und Diffusor 8. Motorfrischluft / -kühlung, Bremsenkühlung 9. Leitbleche, Rad-/Radhaus 10. Rekord-/ und Serienfahrzeuge https://www.aer.mw.tum.de/?id=200

2 WS10/11 Folie 5.2 Ziele von CFD Simulationen. 1. Vorauswahl von vielversprechenden Konzepten. Konzepte, die in Hardware aufwendig umzusetzen sind, werden in Simulationen auf ihre Potential hin untersucht. Keine hochgenauen Simulationsergebnisse notwendig. Geringe Turnaround-Zeit erwünscht. Einfache Auswertung von Änderungen ( Deltas ) der Kraftbeiwerte ( Excel-Tabelle ). 2. Analyse und Verständnis von Konfigurationen und Wechselwirkungen. Simulationen werden detailliert ausgewertet, um die Wirkungsweise von Maßnahmen zu deren Optimierung zu verstehen. Druckverteilungen und Strömungsstrukturen müssen genau ermittelt werden. Aufwendige Auswertung mit lokalen Kräften, Kräften auf Komponenten und Visualisierungen von Strömungsgrößen auf Oberflächen und im Raum (kann teilweise automatisierte ( gescripted ) werden).

3 WS10/11 Folie 5.3 Ziele von CFD Simulationen. 3. Optimierung von Komponenten Simulationen dienen der Optimierung von Komponenten oder dem Gesamtfahrzeug: Hochgenaue Simulationen (Modellierung der Straßenfahrt). Ggf. Kopplung mit Tools zur Simulation von Strahlung/Wärmeleitung ( Thermal Management ), Strukturbewegung/-verforung (Fluid-Struktur Interaktion). Ggf. Simulation mit Sub-Modellen (Front- / Heckflügel, Bremsenkühlung). Ggf. Kopplung mit mathematischen Optimierungs-Tools und Tools zur Netzverformung ( Morphing ) oder Neuvernetzung ( Remeshing ).

4 WS10/11 Folie 5.4 Kommerzielle CFD Codes. Lattice Boltzmann Methoden Finite Volumen Verfahren PowerFLOW STAR-CD CFX GNU GPL OpenFOAM

5 WS10/11 Folie 5.5 Kommerzielle CFD Codes. Finite Volumen Verfahren Lösung der Erhaltungssätze für Masse Impuls und Energie in einem Kontrollvolumen: Navier-Stokes Gleichungen (NSG) bzw. Reynoldsgemittelte Navier-Stokes Gleichungen (RANS) mit Turbulenzmodellen. Transiente oder stationäre Lösungsverfahren. Lösung für inkompressible oder kompressible Strömungen. Lattice-Boltzmann Verfahren (Bsp.: PowerFLOW) Berechnung von Teilchendistributionen innerhalb von diskreten Zellen: Zustände setzen sich aus diskreten Richtungen und diskreten Geschwindigkeiten. Zustandsänderungen durch Teilchenkollisionen oder Interaktion mit Oberflächen. Modellierung der kleinen turbulenten Skalen. Inhärent transiente Betrachtung. Kompressible Strömungen (derzeit) bis zu Ma < 0,4. Konvergenz immer gewährleistet.

6 WS10/11 Folie 5.6 Turbulenz. Modellierung der Turbulenz bei Finite Volumen Verfahren: Bei heutigem Stand der Rechnerleistung ist Direkte Numerische Simulation (DNS) nur bei kleinen Reynoldszahlen möglich. Turbulente Strukturen werden daher modelliert und nicht räumlich und zeitlich aufgelöst. Lösung der reynoldsgemittelten NSG (RANS) mit Turbulenzmodell. Ansatz über Modellierung der Wirbelviskosität bei isotroper oder schwach nichtisotroper Turbulenz. Beispiele: k-ε Modell mit Wandfunktion (logarithmisches Wandgesetz); ohne und mit Einfluss eines Druckgradienten. Low-Reynolds k-ε Modell ohne Wandfunktion. RNG k-ε Modell. k-ω Modell und Kombination zwischen k-ω und k-ε Modell (SST-Modell). Aufwändiger Ansatz über Reynoldsspannungsmodelle bei nicht isostroper Turbulenz.

7 WS10/11 Folie 5.7 Simulationsprozess. Konstruktion CAD- Geometrie Geometrieaufbereitung / -vereinfachung Zu berechnende Geometrie Vernetzung Oberflächennetz Volumennetz Randbedingungen, Initialisierung, Numerische Parameter Simulationsdatei (Case File) Zerlegung für Parallelrechner Simulation Simulationsergebnis Ergebnisse einzelner Knoten Auswertung Aerodynamische Beiwerte Visualisierung Oberflächendaten Visualisierung Fluiddaten

8 WS10/11 Folie 5.8 Modellierung. CFD-Modell: Geometrisch hoch detaillierte CAD und CFD Modelle. Typischerweise bis zu 5 Mio Oberflächendreiecke. Auflösung im Volumen 50 bis 200 Mio. Zellen. Modellierung der Kühler durch poröse Medien (ggf. incl. Wärmeeintrag Dichte). Motorfrischluft dargestellt durch Outlet -Randbedingung. Abgas modelliert durch Inlet -Randbedingung (ggf. Temperatur Dichte). Temperaturen auf ausgewählten Bauteilen (Krümmer) Dichteeinfluss. Laminare Regionen (Frontflügel) können z.z. bei vorgegebener Transitionslinie dargestellt werden. Simulation der Straßenfahrt: Felgendrehung modelliert durch MRF-Modell ( frozen rotor ). Reifendrehung und bewegte Straße kann durch Randbedingung bewegte Wand modelliert werden.

9 WS10/11 Folie 5.9 Modellierung.

10 WS10/11 Folie 5.10 Modellierung.

11 WS10/11 Folie 5.11 Modellierung der Kühler. Die Strömung von Luft und Kühlmittel durch die Kühlermatrix wird nicht geometrisch exakt dargestellt. Zu modellierende Effekte: 1. Druckverlust Modellierung mit Hilfe von porösen Medien. 2. Wärmeeintrag vom Kühlmittel hin zu Kühlluftströmung Darstellung des Wärmeeintrages in die Kühlluft. oder Simulation des Kühlmittelstromes und der Wärmeübergänge zur Kühlluft.

12 WS10/11 Folie 5.12 Modellierung des Druckverlustes im Kühler. Der Druckverlust des Kühlers wird mittels porösen Medien modelliert: Gesetz von Darcy: Der flächenbezogene Durchfluss q ist dem hydraulischen Gradienten (Potentialgefälle) J proportional q = K J mit K: hydraulische Leitfähigkeit Empirisches Gesetz für laminare 1d-Strömung in porösen Medien. Üblicherweise um einen nicht-linearen Term für Trägheitskräfte bei hohen Reynoldszahlen erweitert.

13 WS10/11 Folie 5.13 Modellierung des Druckverlustes im Kühler. Implementierung in PowerFLOW: p x i = ρr i u i mit i = Koordinatenrichtung R i = Widerstand in Richtung i x i = Räumliche Variable in Richtung i u i = Geschwindigkeit in Richtung i ρ = Dichte Beachten: Implementierungen in den verschiedenen CFD-Codes bzgl. der Dichte unterschiedlich!! wobei R i = V i + I i u mit V i = Widerstandskoeffizienzt bzgl. Reibung I i = Widerstandskoeffizienzt bzgl. Trägheit u = Geschwindigkeitsbetrag

14 WS10/11 Folie 5.14 Modellierung des Wärmeintrages durch Kühler. Modellierung des Wärmeeintrags: 1. Adiabater Kühler: ohne Wärmeeintrag. 2. Wärmeeintrag ohne Modellierung des Kühlmittelkreislaufes: Oberflächentemperatur: Durch setzen einer festen Oberflächentemperatur wird das Fluid durch Konvektion erwärmt. Wärmemenge: Es wird die Wärmemenge festgelegt, die dem Fluid übertragen wird. 3. Modellierung des Kühlmittelkreislaufes: Kühlmittelkreislauf wird vereinfacht oder mit Darstellung der einzelnen Schleifen modelliert. Der lokale Wärmeübergang und die Ein- / Austrittstemperaturen werden berechnet. Ansatz liefert auch Kühlmitteltemperatur.

15 WS10/11 Folie 5.15 Modellierung der Felgendrehung. Transformation Globales Referenzsystem <-> LRRF: - Geschwindigkeitstransformation: - Erhaltungssätze werden beim Übergang erfüllt - Zentrifugal- und Corioliskraft werden berücksichtigt Bezeichnungen: Ω LRRF LRRF: Local Rotating Reference Frames MRF: Multiple Reference Frames MFR: Multipe Frames of Reference Global Reference System

16 WS10/11 Folie 5.16 Modellierung der Felgendrehung. Implementierung in PowerFLOW: Lokale drehende Referenzsysteme (Local Rotating Reference Frames) und ein globales ortsfestes Referenzsystem (Global Reference Frame). An der Grenze des LRRF zum globalen Referenzsystem werden beim Diskretisieren zusätzliche Oberflächenelemente erzeugt. An der Grenze wird jeweils ein Flächenelement im LRRF und ein Flächenelement im globalen Referenzsystem erzeugt. Über die zusätzlich erzeugte Elementschicht findet der Informationsaustausch zwischen den unterschiedlichen Gebieten statt.

17 WS10/11 Folie 5.17 Modellierung der Felgendrehung. Verwendung von LRRF Regionen in PowerFLOW: LRRF (nicht die Geometrie) muss rotationssymmetrisch sein, da sich das Netz nicht bewegt. An den beiden Stirnflächen können unterschiedliche Radien verwendet werden (=> Zylinder, Kegelstumpf, Kegel). Die Form des LRRFs muss in PowerCASE erzeugt werden oder durch einen Spline beschreibbar sein. LRRF Gebiete können nicht ineinander verschachtelt werden. LRRF Gebiete können in Serie geschaltet werden (Bedingung: gleiche Rotationsachse).

18 WS10/11 Folie 5.18 Auswertung von Simulationen. Typische Auswertegrößen: Berechnung der aerodynamischen Kräfte für einzelne Fahrzeugkomponenten (Aufteilung der Oberfläche in möglichst viele Teilflächen durch Verwendung von PIDs ). Ermittlung von Massenströmen in definierten Auswerteebenen (Kühlluftein- und Auslässe, Bremsluftschacht, Kontrollebenen am Unterboden). Typische 2d und 3d Visualisierungen: Statischer Druck, Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien auf der Bauteiloberfläche. Totaldruck und Drehung in Schnittebenen. Darstellungen von räumlichen Stromlinien im Fluid, die von Bauteilen oder Kontrollebenen starten bzw. dort enden. Delta -Darstellungen von statischem Druck oder Kräften zweier Konfigurationen auf der Oberfläche. Lokale aerodynamische Kräfte in Schnittebenen des Fahrzeugs oder einzelner Komponenten.

19 WS10/11 Folie 5.19 Umströmung isolierter Heckflügel. Fall Abtrieb (N) Widerstand (N) Ep0 769,2 194,8 Ep1 786,7 188,3 Ep2 873,4 183,8 Ep3 900,1 178,1 Variation der Endkappengröße beeinflusst die Flügelendwirbel und damit induzierten Widerstand und Auftrieb.

20 Vorlesung: Hochleistungs WS10/11 Folie 5.20 Umströmung isolierter Heckflügel. Die Auftriebs- und Widerstandsverteilung in Spannweitenrichtung zeigt den 3d Einfluss der Flügelendkappen. Einfluss der Airbox Am Gesamtfahrzeug simuliert deuten Einbrüche in der Auftriebsverteilung auf eine Störung der Anströmung durch andere Fahrzugkomponenten hin.

21 WS10/11 Folie 5.21 Frontflügel strakes. Luftleitbleche unterhalb des Frontflügels dienen primär der lokalen Erhöhung von Abtrieb: Beschleunigung der Strömung zwischen den strakes. Sekundär findet eine Beeinflussung der Umströmung des gesamten Fahrzeuges statt: Stromlinien deuten auf Ausbildung von Wirbeln hin.

22 WS10/11 Folie 5.22 Frontflügel strakes. Komponente Abtriebsänderung [%] Widerstandsänderung [%] Frontflügel +0,3 +0,1 Frontflügel, Hauptelement +1,0-0,7 Frontflügel, Flap +1,0 +0,7 Frontflügel, Endplatten -3,9-6,9 Total +0,5 +0,1 Body (ohne Räder) -0,4 +0,7 Body, Vorderachse -1,7 - Body, Hinterachse +0,5 - Räder, vorn +50,6 +1,5 Räder, hinten +8,7-2,6 Heckflügel +3,1 +1,9 Heckflügel, Hauptelement +4,1 +3,3 Heckflügel, Flap +2,7 +2,6 Heckflügel, oben vorn +1,0-10,2 Heckflügel unten +1,0-2,6

23 WS10/11 Folie 5.23 Änderungen der statischen Druckverteilung durch Frontflügel strakes. Deutliche Änderung der Druckverteilung am Vorderrad. Höherer Druck am Unterboden deutet auf geringere Geschwindigkeiten und geringeren Massenstrom unterhalb des Fahrzeug hin. Folglich mehr Massenstrom oberhalb des Chassis.

24 WS10/11 Folie 5.24 Änderungen der statischen Druckverteilung. Größerer Unterdruck unterhalb des Heckflügels zeigt bessere Anströmung des Heckflügels. Sowohl Verringerung als auch Erhöhung des Druckes an der Unterseite des Fronflügels.

25 WS10/11 Folie 5.25 Der Effekt von bargeboards. Bargeboards sind primär Luftleitbleche in den Nachläufen des Frontflügels und der Vorderräder.

26 WS10/11 Folie 5.26 Änderungen der aerodynamischen Kräfte. Auswirkungen des Entfernen der bargeboards am Gesamtfahrzeug: Bargeboards erzeugen effizient Abtrieb, verschlechtern die Kühlleistung.

27 WS10/11 Folie 5.27 Aerodynamische Kräfte einzelner Komponenten. Auswirkung des Entfernen der bargeboards auf Flügel und Räder: Bargeboards verringern den Abtrieb an Rädern und Flügeln: Der zusätzliche Abtrieb wird folglich am Chassis erzeugt.

28 WS10/11 Folie 5.28 Änderungen im statischen Druck. Auswirkungen des Entfernen der bargeboards : Das Entfernen der bargeboards führt zur Erhöhung des statischen Drucks an der Seitenwand und am Unterboden.

29 WS10/11 Folie 5.29 Durch bargeboards erzeugte Wirbel. Bargeboards erzeugen durch schräg umströmte Kanten Wirbel, die sich bis unter das Chassis fortsetzen und dort Unterdruck erzeugen.

Aerodynamik von Hochleistungsfahrzeugen. Gliederung.

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