Demel, Daniel (2021)
Ein Beitrag zur Simulation der Sichtfreihaltung an Personenkraftwagen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017616
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Neben den klassischen Themen der Aerodynamik, wie der Reduktion des Luftwiderstands oder des Geräuschpegels in der Fahrgastzelle, gehört die Sichtfreihaltung zu den aerodynamischen Aufgaben bei der Fahrzeugentwicklung. Die Sicht der Fahrzeugführenden auf die Fahrbahn und das Umfeld sowie die Funktionen diverser Sensoren am Fahrzeug müssen zu jeder Zeit und selbst unter widrigen Wetterverhältnissen sichergestellt werden. Dazu werden sowohl aktive Maßnahmen wie Scheibenwischer oder Reinigungssysteme als auch passive Maßnahmen wie Wasserfang- und -führungskonzepte ausgelegt.

Die Überprüfung der Maßnahmen erfolgt meist experimentell im Umweltwindkanal, in dem verschiedene Wetterszenarien nachgestellt und untersucht werden können. Da zur Durchführung solcher Tests ein Prototyp benötigt wird, finden diese erst in einer späten Fahrzeugentwicklungsphase statt. Zu diesem Zeitpunkt ist jede notwendige Geometrieanpassung äußerst kostenintensiv und nur schwer umzusetzen. Aus diesem Grund und im Zuge von verkürzten Entwicklungszyklen wächst der Wunsch nach einer Methodik zur Simulation des externen Wassermanagements in einer frühen Entwicklungsphase. Zahlreiche Veröffentlichungen verdeutlichen einerseits das enorme Potential von numerischen Simulationen und andererseits den Bedarf an der Weiterentwicklung von Mehrphasenmodellen.

Numerische Strömungssimulationen ermöglichen einen detaillierten Einblick in das Strömungsfeld und helfen beim Auffinden von Optimierungspotentialen, ohne einen physischen Prototyp zu benötigen. Einphasige Strömungssimulationen wurden bereits umfassend validiert und werden heute erfolgreich im Fahrzeugentwicklungsprozess eingesetzt. Mehrphasenströmungen hingegen sind wesentlich komplexer und weniger gut verstanden. Trotz der in den letzten Jahrzehnten enorm gestiegenen Rechenleistung stellen mehrphasige Strömungssimulationen weiterhin eine Herausforderung dar. Das Ziel der Promotion ist neben dem Wissensaufbau im Bereich der Mehrphasensimulationen ein Verfahren zur Abschätzung des externen Wassermanagements in frühen Entwicklungsphasen zu erarbeiten. Zur Realisierung einer solchen Berechnung und zur Berücksichtigung der verschiedenen Längen- und Zeitskalen werden mehrere Mehrphasenmodelle – im Besonderen Lagrange-Partikel, Fluidfilmmodell und Volume-of-Fluid-Methode – miteinander kombiniert.

Eine Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse bei Mehrphasensimulationen ist die korrekte Abbildung der turbulenten Luftströmung. Zur Überprüfung der Güte der Aerodynamiksimulation werden die berechneten Grenzschichtprofile nahe der Seitenscheibe mit Messungen im Windkanal gegenübergestellt. Dabei zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung, zumal das Hauptaugenmerk auf einem sehr kleinen Bereich innerhalb der Simulationsdomain mit dem gesamten Fahrzeug liegt. Die an einem generischen Testfall mit periodisch bewegter Geometrie gewonnenen Erkenntnisse dienen als Basis für die Entwicklung einer Methodik zur realitätsnahen Abbildung der Scheibenwischerbewegung in einer Simulation. Die Bewegung der Scheibenwischer beeinflusst die instationäre Fahrzeugumströmung bis zum Heck, woraus eine geringe Erhöhung des Widerstandsbeiwerts resultiert. Validierungsmessungen im Windkanal mit und ohne Scheibenwischerbewegung bestätigen für verschiedene Anströmgeschwindigkeiten sowohl den Betrag als auch die Richtung der von den Simulationen vorhergesagten Änderung.

Nachdem gezeigt wurde, dass die einphasige Strömungssimulation mit bewegten Scheibenwischern plausible Werte liefert und das Experiment gut abbildet, werden in einem weiteren Zwischenschritt zur gesamtheitlichen Scheibenwischersimulation vom Fahrzeug abgeleitete, mehrphasige Grundlagenexperimente und -simulationen durchgeführt. Hierbei wird die Komplexität reduziert und der Fokus auf ein spezielles Phänomen wie den Filmaufbruch gelegt. Für verschiedene Luftanströmgeschwindigkeiten und Wasservolumenströme wird in einem wasserfesten, vertikalen Windkanal der Filmaufbruch in Rinnsale untersucht. Pro Konfiguration wird der Versuch mehrfach wiederholt, um die Schwankung in den Benetzungsmustern festzuhalten. Durch den Vergleich der grafisch ausgewerteten Benetzungsmuster von Experiment und Simulation können Schwachstellen in den physikalischen Modellen zum Flüssigkeitstransport aufgedeckt und ausgebessert werden. Eine umgesetzte Verbesserung stellt das Verfahren zur Vorgabe eines Kontaktwinkelteppichs auf der Oberfläche dar, womit auch in den Simulationen eine gewisse Streubreite in den Benetzungsmustern erzeugt wird.

Um das Benetzungsverhalten auf der Fahrzeugoberfläche während der Scheibenwischerbewegung zu untersuchen, wird eine definierte Wassereintrittsquelle auf dem Dach des Versuchsfahrzeugs angebracht. Dadurch werden bekannte und in die Simulation übertragbare Randbedingungen geschaffen, die einen qualitativen und quantitativen Abgleich ermöglichen. Die Validierung der Simulationen erfolgt anhand von Benetzungsmustern auf der Front- und Seitenscheibe, Wasserverteilungen und Rinnsalfließgeschwindigkeiten für verschiedene Anströmgeschwindigkeiten und A-Säulengeometrien. Dabei wird eine herausragende Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erzielt. Zuletzt wird die entwickelte Simulationsmethodik hinsichtlich der Eignung zur Vorhersage der Seitenscheibenbenetzung während eines Beregnungsversuchs im Umweltwindkanal analysiert und bewertet. Hierbei wird insbesondere auf die Herausforderungen und die Unterschiede zum bewährten Sichtfreihaltungsversuch eingegangen.

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