Berechnungen zur instationären Fahrzeugumströmung bei Seitenwind

Autor(en): Zens, Kentaro TU München, 03. September 2010 Seiten: 114 Auflage: 1 Aufl. Band: 38 Sprache: DE ISBN-10: 3869554509 ISBN-13: 9783869554501 Zugeordnete Fachbereiche: AUDI Dissertationsreihe | Maschinenbau-und Verfahrenstechnik Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 18,18 € 17,27 € In den Warenkorb eBook (2807.6 kB) 18,18 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Üblicherweise wird die Seitenwindempfindlichkeit eines Fahrzeugs in Versuchen im Windkanal
oder an einer Seitenwindanlage ermittelt. Da hierzu häufig Prototypen verwendet
werden, erfolgen diese Versuche und Messungen zu einem späten Zeitpunkt im Produktentstehungsprozess.
Oft ist es dann jedoch zu spät und zu teuer, eventuell nötige Verbesserungen
in die Fahrzeugform einzubringen. Um hier zu einem frühen Zeitpunkt bereits
belastbare Aussagen über Fahrzeugeigenschaften zu erlangen, setzt die Fahrzeugentwicklung
vermehrt auf virtuelle Verfahren zur Eigenschaftsfrüherkennung. In der Aerodynamik
hat sich hierfür vor allem die numerische Strömungsberechung (CFD: Computational Fluid
Dynamics) etabliert. Bislang ist es allerdings nicht möglich, genaue Vorhersagen über die
Aerodynamik und Strömungsbedigungen bei Schräganströmung und bei Fahrt unter Seitenwindeinfluss
zu treffen. Zwar existieren der Fachliteratur zufolge Untersuchungen zu solchen
Simulationen, jedoch werden darin meistens erhebliche Vereinfachungen getroffen, sodass
eine übertragbarkeit der Ergebnisse in die reale Fahrzeugentwicklung strittig ist. Da dem
Berechnungsverfahren eine zentrale Rolle für den Erfolg der Simulationen zukommt, erfolgt
zunächst ein überblick zu verfügbaren Berechnungsverfahren. Im Folgeschritt werden diese
Verfahren erstmalig nach objektiven Gesichtspunkten bewertet und das am besten geeignete
ausgewählt, welches sich besonders zur Berechnung von Schräganströmung und Seitenwind
eignet.
Im Anschluss wird das ausgewählte Verfahren anhand von Windkanalmessungen validiert.
Dazu wird die Aerodynamik eines Serienfahrzeugs mit denselben Randbedingungen
berechnet, wie sie im Windkanal vorliegen. Durch den Einsatz einer speziellen Vernetzungsstrategie
für das Rechenvolumen und angepasster Randbedingungen kann dieses Fahrzeug
mit angemessenem Ressourceneinsatz dann erfolgreich bei Schräganströmung berechnet werden.
Der Fokus der Analyse ist das instationäre Verhalten der Umströmung, da verschiedene
Untersuchungen zeigen, wie es die Fahrdynamik, das Fahrerverhalten und nicht zuletzt dessen
subjektives Urteil beeinflusst, wie ein Fahrzeug zur Seitenwindempfindlichkeit bewertet wird.
Zu diesem Zweck werden zwei aerodynamisch unterschiedliche Varianten eines Versuchsfahrzeugs
bei Schräganströmung berechnet und verglichen. Von den beiden Varianten ist bekannt,
dass eine davon subjektiv als seitenwindempfindlicher bewertet wird als die zweite, jedoch bei
verschiedenen Messungen und Versuchen objektiv kein nennenswerter Unterschied zwischen
ihnen festgestellt werden kann. Die zeitlich gemittelten Berechnungsergebnisse bestätigen
diese Messungen: Die beiden Varianten verhalten sich nahezu gleich, jedoch sind signifikante
Unterschiede der Strömungstopologie im Zeitbereich (ohne Mittelung) erkennbar. Sie können
über das statistische Werkzeug der Standardabweichung quantifiziert werden. Eine genaue
Zuordnung der Schwankungen zu bestimmten Frequenzbereichen, die fahrdynamisch und für
die subjektive Beurteilung relevant sind, erfolgt anschließend unter Zuhilfenahme von
Passfiliiiterung und spektraler Leistungsdichte. Auf diese Weise ist zum ersten Mal möglich, unter
stationären Bedingungen kritische Bereiche, welche die Seitenwindempfindlichkeit maßgeblich
beeinflussen, zu lokalisieren und deren Relevanz zu bewerten.
Der zweite Berechnungsteil behandelt die Möglichkeiten, Seitenwindsituationen virtuell
nachzustellen, wie sie bei der Fahrt auf der Straße unter natürlichen Bedingungen auftreten.
Im ersten der beiden Szenarien, die hier vorgestellt werden, wird das Ein- und Ausfahren
aus einem Seitenwindgebiet nachempfunden. Ein erneuter Vergleich der zwei Fahrzeugvarianten,
die bereits unter stationären Bedingungen gegenübergestellt wurden, zeigt unter
diesen Bedingungen nur geringe Unterschiede in den Fahrzeugreaktionen: Seitenkraft- und
Giermomententwicklung, die im Allgemeinen zur Seitenwindbewertung herangezogen werden,
fallen für die beiden Varianten beinahe zusammen. Diese Beobachtungen decken sich
wiederum mit Versuchen, in denen die Reaktionen der beiden Fahrzeuge bei der Vorbeifahrt
an einer Seitenwindanlage gemessen wurden und die daher das Pendant zur berechneten
Situation darstellen.
Im zweiten Szenario wird die Situation analysiert, bei der das Fahrzeug von einer plötzlich
auftretenden Böe getroffen wird. Stellt man diesmal die Fahrzeugreaktionen der beiden Varianten
gegenüber, sind deutliche Unterschiede auszumachen. Das maximale Giermoment des
Modells, das auch im Feldversuch besser bewertet wird, liegt signifikant unter dem des zweiten,
d. h. der Fahrer müsste in diesem Fall weniger korrigierend eingreifen. Dieser Unterschied
resultiert hauptsächlich aus dem zeitlich veränderten Verlauf der Seitenkraft, der durch die
unterschiedliche aerodynamische Modifikation bestimmt wird. Diese Wirkung kann deshalb
bei stationären Versuchen nur unzureichend bestimmt werden.
Der Unterschied zwischen stationärer Schräganströmung, wie sie im Windkanal eingesetzt
wird, und dem zeitlich veränderlichen Seitenwindverhalten, wie es zumeist auf der Straße unter
natürlichen Windbedingungen vorgefunden wird, ist Schwerpunkt im letzten Abschnitt.
Dort wird gezeigt, dass die Annahmen, die aus stationären Versuchen stammen, nur bedingt
das zeitabhängige Verhalten erklären. Da die Umströmung erst nach einer bestimmten
Dauer konstanter Verhältnisse einen eingeschwungenen Zustand erreicht, ist auch bis dahin
die weit verbreitete Annahme ungültig, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Seitenkraft
und Anströmwinkel besteht. Er ist vielmehr direkt abhängig vom zeitlichen Verlauf der
Seitenkraft, also von deren Amplitude und Steigung. Da jedoch Messfahrten auf der Straße
zeigen, dass sich der stationäre Zustand nur in seltenen Ausnahmefällen einstellt, kann somit
das unterschiedliche Urteil der subjektiven Bewertung der beiden vorgestellten Varianten erkl
ärt werden. Um die genaueste Vorhersage zum Seitenwindverhalten eines Fahrzeugs schon
in der frühen Entwicklungsphase treffen zu können, muss seine instationäre Aerodynamik
analysiert werden.