Behnsch, Martin (2021)
Die Optimierung des Luftwiderstands in der Fahrzeugaerodynamik unter Anwendung der Adjungiertenmethode.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017608
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Aerodynamikentwicklung eines Kraftfahrzeugs ist ein komplexer Vorgang, der eine Vielzahl von Aufgaben und Zielen umfasst. Sie muss unter anderem einen möglichst niedrigen Luftwiderstandsbeiwert zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs erzielen sowie die Kühlluftzufuhr für wichtige Komponenten des Fahrzeugs sicherstellen. Infolge eines hohen technologischen Fortschritts sind die erforderlichen Optimierungen bestehender und die Entwicklung neuer aerodynamischer Maßnahmen sehr herausfordernd. Zum Zweck der Optimierung genutzte Entwicklungswerkzeuge sollten daher flexibel und ressourcenschonend einsetzbar sein. Für solche Werkzeuge können gradientenbasierte Methoden eine sehr gute Grundlage darstellen. Als eine dieser Methoden bietet die Adjungiertenmethode die Vorteile, dass die Ermittlung der Gradienten nicht von der Anzahl der Parameter oder Variablen abhängt, welche eine zu optimierende, aerodynamische Form beschreiben und dass die Zielgrößen bzw. Zielfunktionen sehr variabel wählbar sind. Damit bietet sie ein großes Potential für Anwendungen in der Fahrzeugaerodynamik. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Untersuchung adjungierter Turbulenz im kontinuierlichen Adjungiertenverfahren. Dazu werden die Adjungiertengleichungen zu zwei Turbulenzmodellen im Strömungslöser OpenFOAM implementiert und auf eine vereinfachte, dreidimensionale durchströmte Geometrie angewendet. Den Abschluss dieser Untersuchung bildet die Optimierung dieser Geometrie, einmal unter Anwendung eines der adjungierten Turbulenz-Modelle und zum Vergleich unter Anwendung des Frozen-Turbulence-Ansatzes. Schließlich folgt noch die Diskussion der daraus resultierenden Ergebnisse. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Anwendung eines kontinuierlichen Adjungiertenverfahrens mit dem Frozen Turbulence-Ansatz auf einen skalierten Modellmessträger eines BMW F20 mit dem Ziel, die ermittelten Sensitivitäten durch Versuche im Windkanal zu validieren. Dazu wird zunächst ein geeignetes CFD-Setup entwickelt. Anschließend werden die damit ermittelten Sensitivitäten dazu genutzt, in einer CAE-Umgebung Optimierungsmaßnahmen durch Morphing der Außenhaut des Modellmessträgers zu entwickeln. Die daraus resultierenden Formen werden anschließend durch ein 3D-Druckverfahren gefertigt. Schließlich wird der Modellmessträger in einer finalen Versuchsreihe im AEROLAB der BMW Group sowohl in seiner Ausgangskonfiguration als auch mit den montierten Optimierungsmaßnahmen vermessen, um die daraus resultierende Differenz des Luftwiderstands zu erfassen. Trotz der Beschränkung auf relativ kleine Formänderungen der Außenhaut infolge der Maßnahmen reduziert sich der Luftwiderstand des Messträgers bei einer signifikanten Zahl der final untersuchten Fälle, was auch im Anschluss daran durchgeführte CFD-Simulationen für eine Vielzahl der Maßnahmen bestätigen.

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