Jungmann, Jens (2020)
Eine experimentell validierte Methodik zur numerischen Simulation und Analyse des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Personenkraftwagen bei realitätsnaher, querdynamischer Fahrzeuganregung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011646
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die aerodynamische Fahrzeugentwicklung erfolgt heutzutage ausschließlich bei statistisch stationärer Anströmung, wobei die Pkw-Längsachse parallel zur Hauptströmung ausgerichtet ist. Bei alltäglichen Straßenfahrten bewirken natürliche Windböen oder Strömungsfelder weiterer Fahrzeuge jedoch statistisch instationäre Anströmbedingungen, die oftmals eine querdynamische Reaktion des Pkw hervorrufen. Die strömungsmechanischen Effekte und deren Auswirkungen auf das fahrdynamische Fahrzeugverhalten können bisher nicht zuverlässig in Prüfständen oder numerischen Simulationen abgebildet werden. Aus diesem Grund soll in der vorliegenden Arbeit eine validierte, virtuelle Methodik zur Berechnung, Analyse und Optimierung des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Pkw bei realitätsnaher Fahrzeuganregung entwickelt werden.

Vorrausetzung für eine erfolgreiche Methodikentwicklung ist ein zuverlässiger Strömungslöser, weshalb zu Beginn die Simulationsgüte verschiedener numerischen Verfahren bewertet wird. Dazu werden Windkanalexperimente mit einem gerade und unter Schiebewinkel statistisch stationär angeströmten DrivAer-Fahrzeugmodell durchgeführt. Die Validierung der entsprechenden Simulationen erfolgt mit Hilfe einer Vielzahl an Mess- und Strömungsgrößen, was eine umfassende Beurteilung der Simulationsgüten ermöglicht. Auf Basis der generierten Daten wird eine auf dem k-ω-SST-Modell basierende IDDES-Methode als präferiertes Verfahren ausgewählt und daraufhin deren Eignung zur Berechnung statistisch instationärer Fahrzeugumströmungen untersucht. Dazu werden Windkanalexperimente mit dynamisch umgelenkter Kernströmung durchgeführt. Die entsprechende Strömungssimulation weist eine sehr gute Übereinstimmung mit der im Prüfstand ermittelten Fahrzeugreaktion auf, womit die k-ω-SST-IDDES zur Berechnung statistisch instationärer Strömungsphänomene geeignet ist. Durch einen Wechsel der Simulationsumgebung wird ferner aufgezeigt, dass die Umlenkung der Anströmung im Windkanal eine Interaktion zwischen Windkanalscherschicht und Pkw bedingt. Infolgedessen sollte diese Versuchsmethodik nicht zur Bewertung des aerodynamischen Fahrzeugverhaltens herangezogen werden.

Da die Methodikentwicklung mit einem Realfahrzeug erfolgen soll, werden die gewonnen Kenntnisse zur Gestaltung von Strömungssimulationen auf eine BMW 328iA Limousine übertragen. Zur Validierung des Simulationsaufbaus werden Versuche durchgeführt, bei denen das Fahrzeug gerade und mit einem Schiebewinkel in der Messstrecke des Windkanals platziert ist. Die experimentellen Daten weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit den entsprechenden Simulationsergebnissen auf. Infolgedessen kann das aerodynamische Modell der Limousine uneingeschränkt für die weiteren Untersuchungen verwendet werden.

Neben einer signifikanten Anregung in Fahrzeugquerrichtung soll der zur Methodikentwicklung herangezogenen Lastfall eine alltägliche Relevanz bei Straßenfahrten aufweisen. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Arbeit das aerodynamische und fahrdynamische Verhalten der BMW 328iA Limousine beim Überholen eines Sattelkraftfahrzeugs untersucht. Dazu wird die am Pkw während des Manövers angreifende Luftkraft in einer Strömungssimulation bestimmt. Die Zeitverläufe der aerodynamischen Anregung werden anschließend einem Zweispurmodell aufgeprägt und so die fahrdynamische Reaktion der Limousine berechnet. Im hinteren Bereich des Sattelkraftfahrzeugs wirken auf den Pkw eine positive Seitenkraft und ein negatives Giermoment. Dementsprechend bedingt die Interaktion der Fahrzeugumströmungen eine zum Lkw gerichtete Fahrzeugreaktion. Bei weiterem Voranschreiten des Manövers verzeichnet die aerodynamische Anregung einen Richtungswechsel, der auf Höhe des Führerhauses in die jeweiligen, globalen Extremwerte resultiert. Infolgedessen weist der Pkw im vorderen Bereich des Sattelkraftfahrzeugs eine maximale Gierrate und laterale Geschwindigkeit auf, wobei die fahrdynamischen Zustandsgrößen eine Lkw-abwendende Richtung besitzen.

Um die Güte der Simulationen und somit der virtuellen Methodik zu beurteilen, werden Validierungsversuche mit der BMW 328iA Limousine und dem Sattelkraftfahrzeug durchgeführt. Die experimentell ermittelte Fahrzeugreaktion und Strömungstopologie weisen während des gesamten Manövers eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen auf. Folglich gewährleistet die Methodik eine hohe Zuverlässigkeit, womit deren Entwicklung erfolgreich abgeschlossen ist.

Im Anschluss an die Methodikentwicklung werden grundlegende Parameter und Einflussfaktoren des Überholvorgangs simulativ untersucht, um so das Verständnis der physikalischen Wirkmechanismen zu erhöhen. Im Rahmen der Studien wird aufgezeigt, dass eine kostenintensive Ensemblemittelung des statistisch instationären Manövers durch die Betrachtung ausgewählter Bereiche der Fahrzeugreaktion umgangen werden kann. Durch die sukzessive Variation des anfänglichen lateralen Abstands und der Pkw-Geschwindigkeit wird ferner deren Auswirkung auf das aerodynamische und fahrdynamische Verhalten der Limousine herausgestellt. Bei den Untersuchungen bedingt ein geringerer Fahrzeugabstand einen betragsmäßigen Anstieg der extremalen Anregung und Reaktion des Pkw. Die Fortbewegungsgeschwindigkeit beeinflusst neben dem Betrag auch die Wirkdauer der angreifenden Luftkraft. Dadurch weist die Limousine bei der niedrigsten Längsgeschwindigkeit die geringsten Extremwerte der Seitenkraft und des Giermoments, aber gleichzeitig die stärkste Fahrzeugreaktion auf. Des Weiteren wird der Einfluss der Pkw-Heckgestalt auf das Überholmanöver untersucht. Dabei wird aufgezeigt, dass Finnen im Bereich der C-Säulen eine Verbesserung und eine mittige Heckfinne eine Verschlechterung des querdynamischen Verhaltens der Limousine bewirken. Als souveränste Maßnahme geht eine Vollheckkontur aus den Studien hervor.

Für einen abschließende Betrachtung werden die vier Heckvarianten in einer straßenähnlichen Umgebung bei zeitlich konstantem Schiebewinkel simuliert. Bei den quasistationären Untersuchungen treten abweichende Tendenzen und Rangfolgen im Vergleich zu dem statistisch instationären Lastfall auf. Aufgrund der rein aerodynamischen Betrachtungsweise ist ferner die Beurteilung der Varianten bei einer gegenläufigen Entwicklung von Seitenkraft und Giermoment sehr eingeschränkt. Aus diesen Gründen sollte das querdynamische Fahrzeugverhalten nicht mit Hilfe generischer Ersatzversuche, sondern an dem zu optimierenden Lastfall, bei Betrachtung von aerodynamischer Anregung und fahrdynamischer Fahrzeugreaktion, untersucht werden.

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