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1. Einleitung
2. Strömungsmechanische Grundlagen
3. Aerodynamisches Fahrzeugdesign
4. Motorkühlung
5. Lüftung und Klimatisierung
6. Abgasturbolader
7. Akustische Grundlagen
8. Ausgewählte akustische Problemstellungen
9. Simulationstechnik
10. Windkanaltechnik
− Bauarten
− Windkanalkorrekturen
− Besonderheiten im Fahrzeugbau
− aerodynamische und akustische Messtechnik
− weitere Aspekte
10. Windkanaltechnik- Übersicht
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BAUARTEN
Eiffel-Kanal
• benannt nach ersten französischen Windkanal von Alexandre-Gustave Eiffel (1909)
• Unterscheidungsmerkmal: offene Luftführung
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Bildquelle: Uni Braunschweig, Institut für Strömungsmechanik
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Göttinger Bauart
• benannt nach ersten deutschen Windkanal von Ludwig Prandtl in Göttingen (1908)
• Unterscheidungsmerkmal: geschlossene Luftrückführung
• in der Automobilindustrie Stand der Technik
10. Windkanaltechnik- Bauarten
Bildquelle: Uni Siegen, Lehrstuhl für Strömungsmechanik (Prof. Foysi)
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Vorteile der Göttinger Bauart
• keine Austrittsverluste, daher kleinerer Motor sowie geringere Betriebs- und Stromanschlusskosten
• unabhängig von Störungen durch die Wetterlage, z.B.
− Wind
− Turbulenzgrad
− Druck- und Temperaturschwankungen
− Lärm
− Verschmutzung
• Druck und Temperatur bei entsprechendem Aufwand einstellbar
Nachteile der Göttinger Bauart
• aufwändige Konstruktion für Luftrückführung � hohe Baukosten
• Reibverluste heizen geschlossenen Luftstrom auf � Kühlung erforderlich
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• offene Messstrecke (Stand der Technik im Fahrzeugbau)
− Scherschicht am Strahlrand verkleinert zunehmend den Stahlkern, daher Begrenzung der nutzbaren Strahllänge
− Luftstrahl weitet sich, daher Geschwindigkeitsverlust im Strahl
• geschlossene Messstrecke
− Ausbildung von Grenzschichten an den Rändern, daher Begrenzung des nutzbaren Strahls
− Verdrängungseffekt durch Prüfkörper, daher Geschwindigkeitserhöhung im Strahl
• stromlinienförmige Messstrecke
− Versuch, die Vorteile von offener und geschlossener Messstrecke zu vereinen
− Stromlinienkontur gilt aber nur für einen bestimmten Prüfkörper, daher können nur ähnliche Geometrien untersucht werden oder die Stromlinienkontur muss anpassbar sein („adaptive Messstrecke“)
10. Windkanaltechnik- Bauarten
Messstreckenbauarten und deren Probleme bei der Simulation realer Strömungsverhältnisse
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Bildquelle: A. Hennig, „Eine erweiterte Methode zur Korrektur von Interferenzeffektenin Freistrahlwindkanälen für Automobile“, Springer Fachmedien, 2017
Gestaltung einer offenen Messstrecke
Düse
• Ziel: niedriger Turbulenzgrad und gleichförmiges Stromfeld
• beides wird durch ein hohes Kontraktionsverhältnis
zwischen Vorkammer und Düsenaustritt positiv beeinflusst
• für niedrige Turbulenz werden zudem wabenförmige Gleichrichter in der Vorkammer platziert
• Düsenform sollte so gestaltet sein, dass sich keine Ablösungen und nur kleine Grenzschichten bilden
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VK
D
A
Aκ =
DüseKollektor Diffusor
AD
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AK
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Bildquelle: A. Hennig, „Eine erweiterte Methode zur Korrektur von Interferenzeffektenin Freistrahlwindkanälen für Automobile“, Springer Fachmedien, 2017
Kollektor
• eintretende Luftmenge durch Scherschicht am Strahlrand größer als Luftmenge am Düsenaustritt
• in der Folge kommt es zu Rückströmungen in das Plenum, zu einer Weitung des Freistrahls und zu einem positiven Druckgradienten in Strömungsrichtung
• um dies zu vermeiden, werden Lüftungsschlitze verbaut („Breather“)
Diffusor
• Ziel: Weitung des Querschnitts, daher Reduktion der Geschwindigkeit und letztlich der Druckverluste in den anschließenden Rohren
• Öffnungswinkel darf nicht zu groß sein, sonst Strömungsablösung
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DüseKollektor Diffusor
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LMS
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WINDKANALKORREKTUREN
Geschwindigkeitskorrekturen
• Geschwindigkeit wird mittels Kalibrierkurve ermittelt:
• durch verschiedene Interferenzen herrscht jedoch am Fahrzeug effektive eine andere Geschwindigkeit
• gemäß der Mercker-Wiedemann1 Korrekturmethode wird aus der gemessenen Geschwindigkeit v
∞,Messung die effektive Geschwindigkeit v
∞berechnet:
• für den effektiven Staudruck ergibt sich dann
• alle Beiwerte (z.B. cW) werden mit den Effektivwerten berechnet
10. Windkanaltechnik- Windkanalkorrekturen
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q k p q
v q
∆
ρ
∞ ∞
∞ ∞
=
=
( : Staudruck)
( )Messung
Messung
1 i, i i
i,
vv v
v
∆ε ε∞ ∞∞
= + =∑ mit den Korrekturtermen
( ) ( )2 22 2
Messung Messung1 12 2
, i , ii i
q v v qρ ρ ε ε∞ ∞ ∞ ∞= = + = +∑ ∑
1 Mercker, E.,Wickern, G.,Wiedemann, J.: „Contemplation of Nozzle Blockage in Open Jet Wind-Tunnels in View of Different „Q“ Determination Techniques. SAE-paper 970136, 1997
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Korrektur der Strahlaufweitung
• Strahl weitet sich im Windkanal stärker, als dies bei freier Anströmung der Fall wäre
• dadurch sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε < 0)
• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AD
Korrektur der Düsenversperrung
• Aufstaugebiet ragt in Düse hinein
• durch Verdrängungseffekte erhöht sich die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε > 0)
• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AD sowie der relative Abstand zwischen Testobjekt und Düse
10. Windkanaltechnik- Windkanalkorrekturen
Bildquelle: A. Hennig, „Eine erweiterte Methode zur Korrektur von Interferenzeffektenin Freistrahlwindkanälen für Automobile“, Springer Fachmedien, 2017
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Bildquelle: A. Hennig, „Eine erweiterte Methode zur Korrektur von Interferenzeffektenin Freistrahlwindkanälen für Automobile“, Springer Fachmedien, 2017
Korrektur der Strahlablenkung
• je näher das Testobjekt an der Düse ist, desto stärker wird der Strahl abgelenkt
• durch die Ablenkung sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε < 0)
• entscheidend ist der relative Abstand zwischen Testobjekt und Düse
Korrektur der Kollektorversperrung
• Nachlaufgebiet ragt in Kollektor hinein
• durch Verdrängungseffekte erhöht sich die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε > 0)
• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AK sowie der relative Abstand zwischen Testobjekt und Kollektor
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Druckkorrekturen
• auch ohne Testobjekt bildet sich in der Messstrecke ein Druckgradient
• Druckverlauf wird im leeren Windkanal gemessen, dann zwei Möglichkeiten zur Nutzung dieser Information:
1. Testobjekt muss richtig platziert werden und darf nicht zu groß sein
2. Korrektur der gemessenen Drücke/Kräfte um den zusätzlichen Druckgradienten
10. Windkanaltechnik- Windkanalkorrekturen
Bildquelle: T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016
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BESONDERHEITEN IM FAHRZEUGBAU
Besonderheit 1: Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Fahrbahn
• Realität: Luft und Fahrbahn stehen, haben also identische Geschwindigkeit
• Windkanal: Luft strömt mit Geschwindigkeit v∞
, beim Boden ist dies nicht möglich� dadurch bildet sich im Windkanal eine Grenzschicht, die in der Realität nicht vorhanden ist
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
LaminareGrenzschicht
Übergangs-bereich
TurbulenteGrenzschicht
ViskoseUnterschicht
v∞
vx vx
δ 1(x
)
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Maßnahmen zur verbesserten Nachbildung der Bodenströmung (1): Grenzschichtabsaugung
• Auffüllung des Geschwindigkeitsdefizits in der Grenzschicht durch Absaugung durch den Boden
• Absauggeschwindigkeit steigt linear mit v∞
(wg. Ähnlichkeit) und sinkt mit der Wurzel der Reynoldszahl (wg. Grenzschichtdicke)
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
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Reyv v∞≈
v∞
v∞
v∞
δ1(x)
Bildquelle: Wiedemann, J.: Kraftfahrzeug-Aerodynamik´, Universität Stuttgart, 2004
Bildquelle:Aerdynamics Lab, University of Liege, 2017
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Maßnahmen zur verbesserten Nachbildung der Bodenströmung (2): Ausblasen
• tangentialer Luftstrahl wird in Grenzschicht eingebracht
• Ausblasgeschwindigkeit ca. sieben Mal höher als v∞
• kurzfristig negative Verdrängungsdichte, die sich aber wieder abbaut
• wird in Windkanälen oft der Absaugung nachgelagert
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
Bildquelle: Wiedemann, J.: Kraftfahrzeug-Aerodynamik´, Universität Stuttgart, 2004
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Besonderheit 2: Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Fahrbahn
• Realität: Fahrzeug bewegt sich mit Geschwindigkeit v∞
, der Boden steht
• Windkanal: Fahrzeug steht, d.h. der Boden müsste sich mit v∞
bewegen� kann mit Laufbändern näherungsweise realisiert werden
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
Bildquelle: http://www.roadandtrack.com
Bildquelle: https://www.autoevolution.com
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Ausführungen der Bandtechnik
• ein großes Band am genauesten, aber
− teuer
− Probleme mit der Fahrzeugfesselung
− Probleme bei der Auftriebsbestimmung
• daher Alternativen:
− 5-Band: vier Randaufstandspunkte und ein langes Band in der Mitte
− 7-Band: zwei weitere Bänder für höhere Gesamtbandbreite an Fahrzeugfront („T-Belt“)
− 9-Band: zwei weitere Bänder für höhere Gesamtbandbreite am Fahrzeugheck
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
Bildquelle: www.invetr.com
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Besonderheit 3: Relativgeschwindigkeit der Räder
• Realität: Bei den Räder ist der translatorischen Bewegung mit v∞
eine rotatorische überlagert
• Windkanal: Räder müssen bei stehendem Fahrzeug angetrieben werden� geht nur in Kombination mit Band/Rolle
Zusammenfassung der fahrzeugspezifischen Windkanalmodifikationen
• Grenzschichtabsaugung
• Tangentiale Ausblasung
• Bänder
• Raddreheinheiten
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
Bildquelle:
Potthoff, J., Wiedemann, J.: „Die Straßenfahrt-Simulation in den IVK-Windkanälen – Ausführung und erste Ergebnisse“ 5. Internationales Stuttgarter Symposium, 2003
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Beispiel zur Wichtigkeit der richtigen Relativgeschwindigkeiten (1)
• ohne Grenzschichtabsaugung wird ein zu niedriger cW -Wert, aber ein zu hoher cA -Wert gemessen
• ohne Rotation der Räder wird ein zu hoher cW -Wert und ein zu hoher cA -Wert gemessen
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
+ Grenzschicht-absaugung
+ Band + rotierende RäderkonventionellerWindkanal
Bildquelle:
T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016
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Beispiel zur Wichtigkeit der richtigen Relativgeschwindigkeiten (2)
10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau
Bildquelle: T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016
• nicht nur die Absolutwerte, auch die Änderungen gegenüber einem Basisdesign ändern sich bei unzureichender Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeiten
• daher kann der Einfluss von Optimierungsmaßnahmen fehlgedeutet werden
Beispiel zur Wichtigkeit der richtigen Relativgeschwindigkeiten (3)
• gemessener cW -Wert steigt, je aufwendiger das Bandsystem am Fahrzeugboden ist
• nach Wiedemann ergeben sich für eine Mittelklasselimousine folgende Abweichungen bezüglich des cW -Werts:
− 5-Band: ∆cW = 0,007
− 7-Band: ∆cW = 0,003
− 9-Band: ∆cW = 0,002
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AERODYNAMISCHE UND AKUSTISCHE MESSTECHNIK
Druckmessung
• statische Druckbohrung
+ geringe Störung der Strömung
- Fahrzeug wird durch Bohrungen geschädigt
• Flachdrucksonden („Wanzen“)
+ zerstörungsfrei
- Störung der Strömung, vor allem in gewölbten Bereichen
10. Windkanaltechnik- aerodynamische und akustische Messtechnik
Druckbohrung in Sonde, die auf das Testobjekt aufgeklebt wird
Druckbohrung im Testobjekt selbst (Beispiel Tragflügel)
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Geschwindigkeitsmessung (1)
• Prandtlrohr
+ einfach und günstig
- zu träge für die Messung von Turbulenz
- Rohr muss genau in Strömungsrichtung ausgerichtet werden(die aber im Allgemeinen nicht bekannt ist)
• Fünflochsonde
+ wie gut die Sonde in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, geht direkt aus den Messwerten hervor
- aufwändiger als Prandtlrohr
- zu träge für die Messung von Turbulenz
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Geschwindigkeitsmessung (2)
• Hitzdrahtanemometrie
+ sehr hohe Abtastrate möglich, daher auch für Turbulenzmessung geeignet (dafür müssen die Wolfram-Drähte aber sehr dünn sein, ca. 2,5 bis 10 µm)
- aufwändiger als Prandtlrohr/Fünflochsonde
- Drähte gehen leicht kaputt
• Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Particle Image Velocimetry (PIV)
+ sehr hohe Abtastrate möglich, daher auch für Turbulenzmessung geeignet
+ berührungslos � keine Beeinflussung des Stromfelds
- aufwändig, teuer
- für PIV müssen Partikel in das Stromfeld eingebracht werden
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Akustikmessung
• Mikrophone messen akustische Druckschwankungen als Wechselspannung
• besondere Mikrophonanordnungen im Fahrzeugbau
− Kunstkopf mit Mikrophon im Ohr� menschliches Empfinden besser nachgebildet
− Hohlspiegelmikrophon oder Mikrophonarray� Lokalisierung von Schallquellen
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WEITERE ASPEKTE
Modellwindkanäle
• spielen besonders in der Entwicklungsphase eine wichtige Rolle
• alle dimensionslosen Größen (z.B. cW) sind auf die Großausführung übertragbar, wenn Reynoldszahl Re und Machzahl Ma konstant gehalten werden; beides ist jedoch nicht gleichzeitig möglich
• bei kleinen Reynolds- und Machzahlen sollte eher die Reynoldszahl konstant gehalten werden, bei großen Reynolds- und Machzahlen sollte eher die Machzahl konstant gehalten werden, denn
� für hohe Reynoldszahlen stellt sich zunehmen eine Sättigung des Reynoldszahleffekts ein
� der Einfluss der Kompressibilität spielt erst bei Ma > 0,3 eine relevante Rolle
10. Windkanaltechnik- weitere Aspekte
Revl
ν= Ma
v
c=
Bildquelle:
Wiedemann, J., Ewald, B.: “Turbulence Manipulation to Increase Effective Reynolds Numbers in Vehicle Aerodynamics“ ,AIAA Journal 27(6), 763–769 (1989)
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Turbulenz
• mit zunehmenden Verkehr steigt auf der Straße der Turbulenzgrad
• Straßenverhältnisse lassen sich im Windkanal z.B. durch oszillierende Platten simulieren
• viele Experimente werden aber bewusst bei (unrealistisch) niedrigen Turbulenzgraden durchgeführt
� besser Vergleichbarkeit (Turbulenz wird nicht einheitlich beschrieben und ist schwer auf verschiedenen Windkanälen reproduzierbar)
� bessere Katalogdaten bezüglich Akustik, Fahrzeugstabilität, etc..
10. Windkanaltechnik- weitere Aspekte
Bildquelle: T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016
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Wägetechnik
• dient zur Bestimmung der integralen Kräfte und Momente
• Waage und Modell müssen verbunden werden, z.B. durch
− Ausleger
− Schwellerhalterung
• Waage befindet sich entweder im Modell oder im Boden des Windkanals
10. Windkanaltechnik- weitere Aspekte
Bildquelle:T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016
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Deutsch-Niederländischer Windkanal „DNW LLF“
• größter europäischer Windkanal, in dem Fahrzeuge getestet werden
• wird auch von Kunden aus anderen Industriezweigen genutzt
• Göttinger Bauart, offene oder geschlossene Messtrecke
• Düsenquerschnitt 8 x 6 m2, Messstreckenlänge 20 m, Messgeschwindigkeiten bis 80 m/s(bei offener Messstrecke)
• bis zu 40 MW Antriebsleistung
• ach für Akustikexperimente geeignet
10. Windkanaltechnik- weitere Aspekte
Bildquelle: www.dnw.aero