Kutej, Lukas (2021)
Numerische Modellierung der Aerodynamik der PKW-LKW Überholvorgänge mittels wirbelauflösender Turbulenzmodelle.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019674
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Überholung eines LKW von einem PKW ist aus strömungsmechanischer Sicht ein äußerst komplizierter, mit einer Reihe an Strömungserscheinungen charakterisierender Vorgang, der ohne entsprechende Vorkenntnisse nicht erfolgreich zu lösen ist. Bevor eine Strömungssimulation des Überholvorgangs durchgeführt wird, muss zuerst die Problematik der Fahrzeugumströmung verstanden und, folgend, ein numerisch relevantes Simulationsmodell ausgewählt werden. Eines der primären Ziele der vorliegenden Arbeit stellt daher die Erfassung der prädiktiven Leistungsfähigkeiten, der Glaubwürdigkeit und Zuverlässigkeit der wirbelauflösenden Modellierungsstrategie samt entsprechendem numerischen Verfahren in einer solch komplexen Strömungssituation dar. Am Anfang der vorliegenden Arbeit wurde anhand eines vereinfachten Modells der BMW 5er Reihe im Maßstab 1:2,5 eine Gitterstudie bezüglich der Einflüsse der räumlichen und zeitlichen Auflösung auf die Ergebnisgüte durchgeführt. Im Rahmen dieser "Muss-Studie" lässt sich relativ zügig die Empfindlichkeit der Simulationsergebnisse auf unterschiedliche Gitteranordnungen und Gittergrößen untersuchen. Die Ergebnisse werden untereinander verglichen. Anschließend wird ein geeignetes Gitter ausgewählt, das möglichst weniger Zellen beinhaltet, aber zugleich eine entsprechende Ergebnisqualität sicherstellt. Mit der resultierenden Gittereinstellung wurde anschließend ein detailliertes (unter Anderem bzg. des Unterbodens) BMW 5er Fahrzeugmodell vernetzt und simuliert. Das im Windkanal der BMW AG durchgeführte Referenzexperiment, mit dem die Simulationsergebnisse verglichen wurden, behandelt zuerst ein isoliert stehendes PKW-Modell (1:2,5) der BMW 5er Reihe, danach aber auch einen "quasi stationären" Überholvorgang indem acht feste Positionen des PKW relativ zu LKW abgebildet wurden. Dabei wurde eine Anströmung mit und ohne Grenzschichtabsaugung simuliert. Schließlich wurde eine Straßenmessung des Überholvorgangs mit sich bewegenden reellen Fahrzeugen durchgeführt, die numerisch aber auch im Modellmaßstab nachgebildet wurde. All diese Fälle wurden entsprechend den experimentell betätigten operativen Bedingungen numerisch simuliert. Die Grenzschichtabsaugung wird durch passende Randbedingungen dargestellt. Ein dynamischer Überholvorgang auf der Straße wird durch ein sich deformierendes und bewegendes Gitter, entsprechend der auf dem sog. "space conservation law" basierten Methode reproduziert. Die PKW – LKW Wechselwirkung bei der statischen und dynamischen Betrachtung bringt unterschiedliche Effekte mit sich, die einen entsprechenden Einfluss auf die Luftwiderstandsbeiwerte und Momente haben, was auch näher diskutiert wurde. Numerisch wurden zwei Betrachtungen hinsichtlich des zu berücksichtigenden Strömungsgebietes verfolgt: zum einen wurde das in der Form eines regulären Hexaeders gestaltete Rechengebiet mit entsprechend definierten Einlass-, Auslass- und Symmetrierandbedingungen adoptiert und zum anderen wurde ein Rechengebiet gestaltet, das die exakte Form und die Abmessungen des Windkanals nachbildet. Wie angedeutet stellt ein adäquates Turbulenzmodell im Rahmen eines dazu passenden Simulationsmodus einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Die Arbeit an der Entwicklung der sog. hybriden RANS/LES (Reynolds-Averaged Navier-Stokes / Large-Eddy-Simulation) Modellen hat eine hohe Intensivierung in den letzten Jahren erfahren. Die im hohen Maße komplexen, die instationäre Fahrzeugaerodynamik charakterisierenden, interreagierenden strömungsmechanischen Mechanismen unter voll-turbulenten Bedingungen stellen eine hohe Anforderung an Turbulenzmodellierung. Aus diesem Grund wurde ein fortgeschrittenes, wandnahes, auf dem Konzept der Wirbelviskosität basiertes, RANS Viergleichungsmodell adoptiert, das im Rahmen der sog. wirbelauflösenden PANS Methode (Partially-Averaged Navier Stokes) die Dynamik der residualen, nicht-aufgelösten Turbulenz beschreibt. Das Modell stellt eines der Modellierungs-Highlights des auf der numerischen Methode der Kontrollvolumina basierten Codes FIRE der AVL List GmbH (Graz, Austria) mit dem alle Berechnungen durchgeführt wurden. Vergleichend dazu wurden auch reine sowohl stationäre als auch instationäre RANS Berechnungen durchgeführt. Bei der Auswertung der Simulationsergebnisse stehen vor allem die Verteilung des Oberflächendruckes und sich daraus ergebenden aerodynamischen Kräfte im Fokus, die in der Form deren Beiwerte und wirkenden Momente dargestellt sind. Das sind die Merkmale, die das aerodynamische Verhalten der Fahrzeugkonfiguration samt der Fahrzeugstabilität am treffendsten bestimmen. Die Fähigkeit der PANS Methode, die fluktuierende Turbulenz zu einem entsprechenden Level zu erfassen, wird gegenüber den konventionellen RANS-Berechnungen auch in der Qualität der gewonnenen Ergebnisse reflektiert. Die PANS Ergebnisse zeigen ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Die Ergebnisinterpretation wird durch die Darstellung und Diskussion der momentanen und zeitlich-gemittelten Strömungsfelder (Flächen der konstanten Werte der Strömungsgrößen; Visualisierung der Wirbelstruktur durch das Q-Kriterium) in deren Gesamtheit bereichert. Die Ergebnisdarstellung wurde durch entsprechende Analysen zur Qualitätssicherung der gewonnenen Ergebnisse aus der Sicht der eigentlichen numerischen Methode (wie z.B. der Genauigkeit der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung) sowie der korrekten Erfassung der Physik der Turbulenz (u.A., das Verhältnis der charakteristischen Gitterweite zum Kolmogorov’schen Längenmaßstab) begleitet.

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