Stromungssimulation eines

NACA-Einlasses an Unterboden von

Formelfahrzeugen

Studienarbeit 5.Semester

des Studiengangs Maschinenbau

an der Dualen Hochschule Karlsruhe

von

Nicolai Essig

vorgelegt am: 11. Januar 2015

Betreuer der DHBW: Dr.-Ing. Iris Pantle

Danksagung

Mein großter Dank gilt Frau Dr.-Ing. Iris Pantle von der Falquez, Pantle und Pritz

GbR fur ihre Bereitschaft, diese Studienarbeit zu betreuen und zu unterstutzen. An

dieser Stelle mochte ich mich fur die sehr gute Zusammenarbeit im Projekt und

ihre unermudliche Geduld bei den zahlreichen konstruktiven Gesprachen bedanken.

Durch den standigen Austausch an Informationen und die Diskussion uber Problem-

stellungen konnte das vorliegende Ergebnis erst realisiert werden.

Herrn Jan Grasmannsdorf und Herrn Rishi Patil von der Firma Altair danke ich fur

die Bereitstellung der Software zur Durchfuhrung der Simulationen und ihre Hilfe

bei verschiedensten Fragen hierbei.

I

Eidesstattliche Erklarung

Hiermit erklare ich, dass ich die vorliegende Arbeit ,,Stromungssimulation eines

NACA-Einlasses an Unterboden von Formelfahrzeugen” selbststandig angefertigt

habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrucklich benannten Quellen und Hilfs-

mittel benutzt. Wortlich oder sinngemaß ubernommenes Gedankengut habe ich als

solches kenntlich gemacht.

Oschelbronn, 4. Mai 2015

Ort, Datum Nicolai Essig

II

Inhaltsverzeichnis

Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I

Eidesstattliche Erklarung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II

Abkurzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI

Formelgroßen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

1 Einfuhrung 1

2 Grundlagen CFD 2

2.1 Was ist CFD und wozu dient es? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3 Turbulenzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.4 Netzgenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.5 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.6 Naherungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 NACA-Einlass 11

3.1 Funktionsweise Diffusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Was ist ein NACA-Einlass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3 Geometriedaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4 Warmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 CFD-Rechnung 20

4.1 Problembeschreibung und Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2 Arbeitschritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.1 CAD-Geometrie erstellen & Import . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.2 Problembeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2.3 Netzeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.4 Randbedingungen festlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.5 Netzeinstellungen im Randbereich festlegen . . . . . . . . . . 28

4.2.6 Netzgenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.7 Simulationsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

III

4.2.8 Visualisierung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3 Aufgetretene Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3.1 Auflosung im Randbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.2 Konvergenz der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3.3 Quereinstromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3.4 Anhaufung Netzknoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Ergebnisinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5 Zusammenfassung und Ausblick 44

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

IV

Abkurzungsverzeichnis

CFD Computational Fluid Dynamics

DGL Differentialgleichung

DNS Direkte Numerische Simulation

LES Large-Eddy Simulation

(U)RANS (Unsteady-) Reynolds-Averaged-Navier-Stokes

RNG Re-Normalisation Group

RLZ Realizable

LRR-RS Lander, Reece, Rodi- Reynoldsspannung

2D Zweidimensional

3D Dreidimensional

RB Randbedingung

GMRES Generalized Minimal Residual Method

NACA National Advisory Committee for Aeronautics

NASA National Aeronautics and Space Administration

CAD Computer-Aided Design

V

Abbildungsverzeichnis

2.1 CFD-Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 Vergleich laminare / turbulente Stromung . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Turbulenzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4 RANS-Turbulenzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.5 Vergleich strukturiertes / unstrukturiertes Netz . . . . . . . . . . . . 7

2.6 Beispiel Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.7 Netzfeinheit im Randbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.1 Diffusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Be- und Entluftungsoffnungen am Rennwagen . . . . . . . . . . . . . 12

3.3 NACA-Einlass Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 Bentley EXP Speed 8 mit NACA-Einlass . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.5 NACA-Einlass an Hochgeschwindigkeitsjets . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.6 NACA-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.7 Bestimmung Einlassquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.8 NACA-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.9 Bestimmung Lippengeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.10 Bestimmung Randkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1 NACA-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2 AcuConsole Startfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3 Projekt anlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.4 CAD-Import . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.5 CAD-Import Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.6 Problembeschreibung starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Problemstellung parametrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.8 Losungsstrategie parametrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.9 Problembeschreibung starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.10 CAD-Import Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.11 Speichervorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.12 Navigation Baumstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.13 Flachensichtbarkeit andern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

VI

4.14 ,,Volume Manager” starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.15 ,,Volume Manager” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.16 ,,Surface Manager” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.17 ,,Simple BC Type” aktivieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.18 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.19 RB offnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.20 RB parametrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.21 ,,Boundary Layer Elements”-Menu aufrufen . . . . . . . . . . . . . . 28

4.22 ,,Boundary Layer Elements” parametrieren . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.23 Netzgenerator starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.24 Netzgenerierung Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.25 Flachensichtbarkeit anschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.26 Netzsichtbarkeit ,,solid&wire” anschalten . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.27 AcuSolve starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.28 Solverparameter definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.29 AcuProbe starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.30 ,,Residuals” anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.31 AcuFiledView starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.32 AcuFiledView parametrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.33 AcuFiledView Startfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.34 Background Color andern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.35 Visibility abschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.36 Coordinate Surface starten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.37 Coordinate Surface erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.38 Coordinate Surface Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.39 x-Geschwindigkeit anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.40 Coordinate Surface erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.41 Coordinate Surface Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.42 Erstellen von ,,Seeds” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.43 Stromlininenrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.44 Stromlinien Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.45 Auflosung Randbereich Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.46 Auflosung Randbereich schlecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.47 Auflosung Randbereich gut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.48 Residuals schlecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.49 Residuals ok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.50 Quereinstromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.51 Anhaufung Netzknoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.52 Druck - Ansicht seitlich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

VII

4.53 Geschwindigkeit - Ansicht seitlich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.54 Druck - Stromlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.55 Geschwindigkeit - Stromlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.56 Geschwindigkeit - Ansicht oben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.1 NACA-Einlass mit Warmeubertrager (Skizze) . . . . . . . . . . . . . 45

VIII

Formelgroßen und Einheiten

Große

%

u/v

p

µ

ν

E

τ

V

A1

w1

A2

w2

g

A1,theoretisch

h

b

t

α

bAnfang

xn

yn

∆T

Einheit

cm3

kg

ms

bar

m2

s

N · sm2

J

Nm2

m3

h

cm2

ms

cm2

ms

ms2

cm2

cm

cm

cm

◦

cm

cm

cm

K

Bezeichnung

Dichte

Geschwindigkeit

Druck

dynamische Viskositat

kinematische Viskositat

Energie (dichtebezogen)

Schubspannung

Volumenstrom

NACA-Einlassquerschnitt

Geschwindikeit Einlass

NACA-Auslassquerschnitt

Geschwindikeit Auslass

Erdbeschleunigung

theor. Einlassquerschnitt

NACA-Einlasshohe

NACA-Einlassbreite

NACA-Einlass Lippendicke

NACA-Einlass Rampenwinkel

NACA-Einlass Anfangsbreite

NACA-Randkurve x-Koordinate

NACA-Randkurve y-Koordinate

Temperaturdifferenz

IX

Große

cp

Q

m

A

pstat

T0

T1

Einheit

kJkg ·KkW

kgh

m2

bar

◦C

◦C

Bezeichnung

Warmekapazitat

Warmestrom

Massenstrom

Warmeubertragungsflache

Umgebungsdruck

Temperatur ohne externen Warmeeintrag

Temperatur mit externen Warmeeintrag

X

Kapitel 1

Einfuhrung

Die stetige Optimierung von Formelfahrzeugen hinsichtlich ihrer Aerodynamik

nimmt einen immer großeren Part der Entwicklungstrategie in solchen Rennseri-

en ein. Hierbei ist es nicht nur wichtig, Reibungsverluste zu reduzieren, sondern

auch genugend Zuluft und Fahrzeugabtrieb aufweisen zu konnen. Aufgabe der Zu-

luft ist vor allem die ausreichende Kuhlung verschiedenster Fahrzeugteile (Turbo-

lader, Bremsen etc.) aber auch die Versorgung des Fahrers mit Sauerstoff und die

Kuhlung des Cockpits. Hierbei findet der NACA-Einlass, ein stromungstechnisch

optimierter Lufteinlass, sein Einsatzgebiet. Seine Geometrie beruht auf der leicht

abgeanderten Form eines Diffusors und bewahrt sich durch seine geringen Reibungs-

verluste an der Fahrzeugoberflache. Durch die Stromungssimulation eines NACA-

Einlasses an Unterboden von Formelfahrzeugen soll dessen Einfluss auf die Stromung

beurteilt werden. Zur Realisierung dieser Aufgabenstellung werden zuerst die Grund-

lagen zur CFD-Simulation und anschließend zum NACA-Einlass geklart. Mit die-

sem Grundwissen wird die Berechnung mit geeigneter Software durchgefurt, wor-

auf abschließend eine Ergebnisinterpretation folgt. Ziel der Arbeit ist es, die in der

Theorie beschriebenen stromungstechnischen Eigenschaften des NACA-Einlasses zu

uberprufen und zu bestatigen, da in der Literatur wenig derartige Untersuchungen

bekannt sind. Als Basis fur weitere Studienarbeiten werden weiterhin Grundlagen

zu einer moglichen Simulation mit Warmeeintrag dargestellt. So kann zum Beispiel

die Warmeabfuhr vom Motorraum auf die Kuhlluft in die Berechnung integriert und

somit eine Aussage uber deren Einfluss getroffen werden.

1

Kapitel 2

Grundlagen CFD

Im ersten Kapitel soll eine kurze Einfuhrung in das Thema CFD erfolgen. Hierzu

wird zuerst geklart, was CFD bedeutet, wofur es eingesetzt wird und welche Vor-

und Nachteile es gegenuber alternativen Ansatzen zur Beschreibung der Stromung

besitzt. Anschließend werden die Grundgleichungen der Stromungsmechanik vorge-

stellt, die zur Beschreibung des Fluidverhaltens dienen. Weitere notwendige Grund-

lagen zu Turbulenzmodellen, der Netzgenerierung und den Randbedingungen, die fur

den Umgang mit der Simulationssoftware notig sind, werden nachfolgend behandelt.

Abschließend erfolgt eine kurze Vorstellung von numerischen Naherungsverfahren,

die zur Losung der sich ergebenden Gleichungssysteme verwendet werden konnen.

2.1 Was ist CFD und wozu dient es?

Abbildung 2.1: CFD-Beispiel1

Computational Fluid Dynamics, kurz

CFD, beschreibt die numerische Untersu-

chung von Stromungen in vielen Gebie-

ten. Da gegebene Aufgabenstellungen oft

eine hohe Komplexitat aufweisen und sich

somit sehr schwer oder gar nicht durch

analytische Verfahren und experimentel-

les Vorgehen losen lassen, bedarf es ei-

ner Alternative hierzu. Auch eine Heran-

gehensweise durch empirische Relationen

lasst sich nur auf Basis bereits ermittel-

ter Daten vergleichbarer Untersuchungen

durchfuhren und ist somit auch kein ge-

eignetes Mittel fur eine Vielzahl an Pro-

1Lecheler, Numerische Stromungsberechnung, S.3

2

blemstellungen. Insgesamt sind die beschriebenen Losungsvarianten nur fur spe-

zielle Bereiche der Stromungsberechnung geeignet, woraus sich ein Bedarf einer

adaquaten Alternative ergibt. Zum Einsatz kommt hierbei eine weitere Diszi-

plin der Stromungsmechanik (siehe Abbildung 2.1), die CFD, auch numerische

Stromungsmechanik genannt. Sie zeichnet sich neben der Anwendbarkeit auf vie-

le Aufgabenstellungen weiterhin durch ihre Genauigkeit, eine Zeit- und somit einer

Kostenersparnis aus. Zusatzlich sind verschiedene Variantenuntersuchungen, durch

Anpassungen der Parameter in der verwendeten Software, leicht realisierbar.2

Im konkreten Fall ist der erste Schritt die Problembeschreibung durch die Erhal-

tungssatze der Mechanik (Impuls-, Masse- und Energieerhaltungssatz), die anschlie-

ßend weiter diskutiert werden. Hieraus ergeben sich partielle, nichlineare Differen-

tialgleichungen (DGL), die durch numerische Methoden gelost werden. Hierzu sind

jedoch Randbedingungen und weitere Verknupfungsgleichungen notwendig, auf die

ebenfalls spater eingegangen wird. Generell darf nicht vergessen werden, dass es

sich um eine Annaherung an die exakte Losung handelt, was eine Validierung der

erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich Plausibilitat erfordert.

2.2 Grundgleichungen

Um eine Aussage uber Fluidstromungen tatigen zu konnen, muss zuerst ein Weg ge-

funden werden, wie man deren Verhalten beschreiben kann. Hierzu dienen die funf

physikalischen Erhaltungsgleichungen der Stromungsmechanik, die durch anschlie-

ßende Rechenoperationen eine Aussage uber das Verhalten von zahen, isotropen

Fluiden ermoglicht. Eine weitere Voraussetzung ist die Kenntnis uber die Material-

eingenschaften, die die Stromung beeinflussen, wie z.B. die Dichte, Viskositat etc..

Die Grundlagen der Gleichungen zur Beschreibung der Stromung bilden:

• die Masseerhaltung → Kontinuitatsgleichung

• die Impulserhaltung in x-, y-, und z-Richtung → Impulsgleichung

• die Energieerhaltung → Energiegleichung

Die funf Gleichungen, die sich aus diesen Ansatzen ergeben, werden auch Navier-

Stokes-Gleichungen genannt und bilden ein gekoppeltes, nichtlineares Gleichungs-

system, das die Stromung vollstandig, d. h. auch mit den kleinsten Wirbeln und

Turbulenzen, beschreibt. Es erfolgt hierbei noch eine Unterteilung in kompressible

2Schwarze, CFD-Modellierung, S.3 ff.

3

und inkompressible Fluide, wobei der inkompressible Ansatz eine Vereinfachung des

Gleichungssystems darstellt.3

Kontigleichung kompressibel∂

∂tρ+∇(ρu) = 0 (2.1)

Kontigleichung inkompressibel ∇(u) = 0 (2.2)

Impulsgl. kompr.∂

∂t(ρu) +∇(ρu⊗ u) = −∇p+ µ(∇ ·T ) (2.3)

Impulsgl. inkompr.∂

∂t(u) +∇(u⊗ u) = −1

ρ∇p+ ν(∇ ·T ) (2.4)

Energiegl. kompr.∂

∂t(ρE) +∇(ρEu) = −∇(pu) + µ(∇ ·T ·u) +∇(k∇τ) (2.5)

Da die Anzahl der Gleichungen (funf) nicht zur Losung des gesamten Gleichungssys-

tems aussreicht, mussen weitere Bedingungen herangezogen werden. Zur Vollstandig-

keit werden mindestens eine Zustandsgleichung (enthalt ρ, p, T ) und, je nach Kom-

plexitat, weitere Beziehungen benotigt. (µ(T ) etc.)4

2.3 Turbulenzmodelle

Die Stromung von Fluiden kann grundlegend in zwei Arten unterschieden werden,

die laminare und die turbulente Stromung. Der Unterschied ist in Abbildung 2.2

zu sehen. Laminare Stromungen zeichnen sich durch stromlinienformige Verlaufe

aus, wohingegen turbulente Stromungen durch verschiedene Wirbel diverser Aus-

pragungen gekennzeichnet sind. Die numerische Naherung der oben beschriebenen

Gleichungen stellt prinzipiell mit modernen Rechnern kein Hindernis mehr dar. Eine

Ausnahme sind die eben genannten, turbulenten Stromungen. Das Problem liegt in

der Tatsache, dass bei dieser Art von Stromung selbst die kleinsten Turbulenzen

aufgelost werden mussen. Eine Folge hieraus ist, dass die Volumenelemente des Re-

chennetzes sehr klein sein mussen und somit die Rechenzeit unvertretbar groß ist.

Um dieses Problem zu umgehen, arbeiten heutige CFD-Programme oft mit Vereinfa-

chungen. Sie geben die Physik genau genug wieder, jedoch mit erheblich geringerem

Rechenaufwand. Dabei werden kleinste Turbulenzen nicht aufgelost, sondern durch

geeignete Turbulenzmodelle beschrieben.

3Oertel/Bohle/Dohrmann, Stromungsmechanik, S.202 ff.4Schwarze, CFD-Modellierung, S.55 ff.

4

Abbildung 2.2: Vergleich laminare / turbulente Stromung5

Turbulenzmodelle sind grundlegend in drei Bereiche untergliedert. Absteigend nach

ihrem Rechenaufwand und dem Informationsgehalt sind dies:

• DNS

DNS ist die Abkurzung fur ,,direkte numerische Simulation” und berechnet alle

Turbulenzen bis zur kleinsten Turbulenzgroße (Kolmogorov), wie in Abbildung

2.3 ,,Original” zu sehen ist. Hierzu ist ein extrem feines Netz erforderlich, um

alle Bereiche abbilden zu konnen. Ein enorm großer Rechenaufwand ist die

Folge hieraus, was auch die moglichen Einsatzgebiete deutlich einschrankt.

Der nicht vorhandene Informationsverlust stellt einen großen Vorteil dieser

Methode dar. Der Rechenaufwand verhindert zurzeit jedoch noch einen Einsatz

in großerem Rahmen. Potenzial besitzt diese Variante aber sicherlich bei der

Analyse fundamentaler Problemstellungen.

• LES

Die Large-Eddy-Simulation, kurz auch LES genannt, lost nur die großeren

Wirbel auf. Eine festgelegte Filtergroße grenzt die noch beschriebenen von

den wegfallenden Wirbeln ab (siehe Abbildung 2.3 ,,Filterung”). Durch diese

Vereinfachung gehen jedoch Informationen verloren, die durch ein geeigntes

Modell ersetzt werden mussen, das Subgrid-Scale-Modell. Zur Beschreibung

der Turbulenzen gewinnt LES aufgrund der stetig steigenden Computerleis-

tungen immer mehr an Bedeutung, jedoch erfordert es ein deutlich hoheres

Know-How des Anwenders.

• RANS/URANS

Bei RANS bzw. URANS, was fur (Unsteady-)Reynolds-Averaged-Navier-Stokes-

bzw. Reynolds-gemittelte-Navier-Stokes-Gleichungen steht, handelt es sich um

eine noch grobere Variante. Der Unterschied besteht in der Verwendung modi-

fizierter Navier-Stokes-Gleichungen. Hier werden nur dominante Wirbelstruk-

turen zugelassen, der Rest wird, wie bei der LES-Methode, weggefiltert (sie-

he Abbildung 2.3 ,,Reynolds-Mittelung”). RANS/URANS zeichnet sich durch

5Ebenda S.130

5

eine deutlich geringere Rechenzeit aus, ein Nachteil ist aber sicherlich der In-

formationsverlust, der wieder durch geeignete Modelle ersetzt werden muss.

Diese Art der Turbulenzmodellierung ist aktuell das Standard-Werkzeug bei

CFD-Simulationen.6

Abbildung 2.3: Turbulenzmodelle7

In der nachfolgenden Abbildung 2.4 sind verschiedene, haufig verwendete RANS-

Turbulenzmodelle zu sehen. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird das Spalart-

Allmaras-Modell Verwendung finden, da es gut zur vorliegenden Aufgabenstellung

passt.

Abbildung 2.4: RANS-Turbulenzmodelle8

6Kummel, Technische Stromungsmechanik, S.3127Schwarze, CFD-Modellierung, S.1368Ebenda S.148

6

2.4 Netzgenerierung

Um eine Aussage uber das Verhalten von Fluiden in einem definierten Gebiet tatigen

zu konnen, werden in einer CFD-Simulation die Stromungsgroßen an endlich vielen

Stellen des Stromungsgebietes ermittelt. Dies erfolgt mithilfe der in Kapitel 2.2 vor-

gestellten Navier-Stokes-Gleichungen an konkreten Stellen. Das Rechengitter oder

auch Gitternetz bzw. Mesh genannt, legt die Verteilung der Punkte im Raum bzw.

im Randbereich fest. Die einzelnen Gitterzellen, die verschiedene Geometrien ein-

nehmen konnen, zerteilen das Stromungsgebiet luckenlos und ohne Uberlappung in

ein gesamtes Netz. Die ermittelten Informationen der Zelle werden meist im Zellmit-

telpunkt gespeichert, was auch spater in der Auswertung der Ergebnisse zu sehen

ist. Die Qualitat des Rechengitters ist entscheidend fur das spatere Ergebnis der

Simulation, weshalb hier auch ein besonderes Augenmerk dieser Arbeit liegen soll.

Im schlimmsten Fall kann es durch ein schlechtes Netz zum Scheitern der gesamten

Simulation kommen.

Abbildung 2.5: Vergleich strukturiertes / unstrukturiertes Netz9

Abbildung 2.6: Beispiel Mesh10

9Pantle, Numerische Methoden, S.1810Lecheler, Numerische Stromungsberechnung, S.76

7

Grundlegend konnen die Gitter in zwei Gruppen eingeteilt werden, es sind jedoch

auch Kombinationen hieraus moglich11:

strukturierte Gitter unstrukturierte Gitter

• Einheitliche Topologien

• Vierecke (2D), Hexaeder (3D)

• Weniger Speicherbedarf als

unstrukturierte Gitter

• Weniger Rechenaufwand als

unstrkturierte Gitter

• Keine festgelegte Topologie

• Drei-/Vierecke (2D),

Tetra-/Hexaeder (3D)

• Flexibel einsetzbar/gut bei

komplexen Stromungsgebieten

• Lassen sich automatisch

generieren

• Speicheraufwand & Rechenzeit

hoher als bei strukturierten G.

Zusammenfassend gilt: Das Mesh sollte so fein wie notig und so grob wie moglich

(siehe Abb. 2.6 Bereich 3) sein, um zu hohe Rechenzeiten zu vermeiden. Ebenso ist

eine geschickte Verteilung und Variation der Gittergroße an exponierten Stellen (sie-

he Abb. 2.6 Bereich 1) unerlasslich. Weiterhin muss an Ubergangen, Kanten (siehe

Abb. 2.6 Bereich 2) und vor allem in Grenzschichtbereichen (siehe Abb. 2.7) einer

Stromung die Netzfeinheit deutlich großer als in den umliegenden Bereichen sein, um

die auftretenden, hohen Gradienten richtig abbilden zu konnen. In der vorliegenden

Arbeit wird aufgrund der komplexen Stromungsgebietes ein unstrukturiertes Netz

verwendet.12

Abbildung 2.7: Netzfeinheit im Randbereich13

11Lecheler, Numerische Stromungsberechnung, S.61 ff.12Schwarze, CFD-Modellierung, S.27 ff.13Lecheler, Numerische Stromungsberechnung, S.75

8

2.5 Randbedingungen

Das Thema Randbedingungen spielt eine ebenso wichtige Rolle wie auch die anderen

hier genannten grundlegenden Themengebiete der CFD-Simulation. Sie begrenzen

das Stromungsgebiet und legen verschiedene physikalische Bedingungen fest. Da-

bei muss zuerst ein Grundverstandnis zur betrachteten Problemstellung geschaffen

werden, um sinnvolle Annahmen treffen zu konnen. Werden in dieser Phase Fehler

begangen, hat dies großen Einfluss auf die Qualitat der gesamten Simulation. Zur

optimalen Beschreibung des Fluidverhaltens in den Grenzzonen (meist sind dies ver-

schiedene Randflachen) exisitieren mehrere Ansatze bzw. Randbedingungen (kurz

RB):

• Inflow

Unter Inflow oder auch Einstromrand versteht man die Flache, durch die das

Fluid in den betrachteten Stromungsbereich eindringt. Es mussen verschiedene

Parameter vorgegeben werden, um ausreichend Informationen fur die ab hier

startende Simulation bereitstellen zu konnen. Physikalische Großen konnen

z. B. Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Warmeeintrag oder weitere sein.

• Outflow

Die Outflow- oder auch Abstromrandbedingung ist ahnlich der dem Inflow,

jedoch mit dem Unterschied, dass hier der Bereich, in der die Stromung aus

dem Simulationsgebiet austritt, beschrieben wird.

• Wall (= no slip wall)

Wall ist eine wichtige RB und wird oft an den seitlichen Flachen, parallel zur

Stromungsrichtung, eingesetzt. An diesen Flachen ist die Stromungsgeschwin-

digkeit gleich Null.

• Slip (= slip wall)

Ist die Geschwindigkeit an der Grenzflache zwischen Bauteilgeometrie und

Fluid nicht Null, so wird die Slip-RB verwendet. Sie beschreibt einen gewissen

Slip, also ein Gleiten bzw. Rutschen des Fluides.

• Symmetry

Um die Rechenzeit und auch verschiedene Vereinfachungen der Bauteilgeome-

trie zu erreichen, finden Symmetrien Gebrauch. Sie konnen als Spiegelflachen

angesehen werden. Es muss nur beachtet werden, dass die Symmetrieflachen

eben sind, d. h. keine Welligkeit oder Krummung aufweisen.

Generell gilt es zu erwahnen, dass eine Reduzierung des betrachteten Stromungsge-

bietes durch Bauraumreduktion und Symmetriebedingungen die Rechenzeit deutlich

9

reduzieren. Wird jedoch das Gebiet raumlich zu sehr eingeschrankt, wird die Ent-

faltung der Fluidstromung behindert und das Ergebnis somit verfalscht. Um dieses

Problem zu umgehen, ist es erforderlich, ausreichend Abstand zwischen Rand- und

betrachtetem Bereich zu schaffen. Ein Richtwert ist hierbei ca. dreimal die axiale

Lange der Geometrie. Die Auswahl und der reale Einsatz der verschiedenen RB

werden in Kapitel 4.3.3 anhand der aktuellen Problemstellung veranschaulicht.

2.6 Naherungsverfahren

Zur Losung des Gleichungssystems (Navier-Stokes-Gleichungen) aus Kapitel 2.2 und

unter Berucksichtigung weiterer problemspezifischer Parameter (siehe Kapitel 2.3 -

2.5) wird ein mathematisches Rechenverfahren benotigt. Hierbei konnen verschiede-

ne Naherungsverfahren eingesetzt werden. Da bei der verwendeten Software (Acu-

Solve) keine Auswahl hinsichtlich des Naherungsverfahrens getroffen werden kann,

soll die Beschreibung der moglichen Alternativen nicht weiter verfolgt werden. Ver-

wendung findet im nachfolgenden das GMRES-Verfahren.

10

Kapitel 3

NACA-Einlass

In diesem Kapitel mit dem Thema ,,NACA-Einlass” soll nach Klarung der Funkti-

onsweise eines Diffusors naher auf die Frage eingegangen werden, was ein NACA-

Einlass ist und wie er geometrisch bestimmt ist. Anschließend wird eine Uberschlags-

rechnung zur moglichen Warmeanfuhr bei gegebenen Randbedingungen vorgestellt.

3.1 Funktionsweise Diffusor

Abbildung 3.1: Diffusor14

Ein Diffusor ist ein, sich in Stromungsrichtung vergroßernder Querschnitt (A2 > A1),

der einen Geschwindigkeitsabfall laut der Kontinuitatsgleichung (siehe Gleichung 3.1

und 3.2) verursacht. Dieser hat zur Folge, dass der statische Druck p2 aufgrund der

BERNOULLI-Gleichung (ohne Reibungsverlust) steigt, da sich die Lageenergie nicht

andert und w2 < w1 ist (siehe Gleichung 3.3 und 3.4).15

14Bohl, Technische Stromungslehre, S.13615Ebenda, S.136 ff.

11

V = const = A1 ·w1 = A2 ·w2 (3.1)

w2 =A1 ·w1

A2

(3.2)

ρ · g · z + p+ρ

2·w2 = konst. (3.3)

p2 = p1 +ρ

2(w2

1 − w22) (3.4)

In Fahrzeugen kommen zum Beispiel Diffusoren bei Lufteinlassen im Unterbodenbe-

reich zum Einsatz. Durch die Absenkung des statischen Drucks unter dem Fahrzeug

ensteht zwischen diesem und der Fahrbahn eine Druckdifferenz, wodurch ein Abtrieb

der Wagenoberseite erzeugt wird.16

3.2 Was ist ein NACA-Einlass

Das Themengebiet Aerodynamik nimmt einen immer wichtigeren Teil bei Entwick-

lungsprozessen von Fahrzeugen, Flugzeugen und dergleichen ein. Wurde die Aero-

dynamik zum Beispiel zu Beginn der Rennwagentechnik vernachlassigt, so gewinnt

dieses Entwicklungsinstrument zur Optimierung immer mehr an Bedeutung. Hier-

bei wird nicht nur ein geringer Luftwiderstand angestrebt, sondern der Abtrieb soll

gleichzeitig, zur Haftung der Reifen am Untergrund, moglichst groß gehalten werden.

Abbildung 3.2: Be- und Entluftungsoffnungen am Rennwagen17

16Trzesniowski, Rennwagentechnik, S.15217Hucho, Aerodynamik des Automobils, S.350

12

Der Schwerpunkt bei der Auslegung von Rennfahrzeugen und Flugzeugen liegt nicht

nur darin, die Luft geschickt um das Fahr- bzw. Flugzeug zu fuhren, sondern auch

bei der Warmeabfuhr von Bremsen, Motor etc. sowie der Zuluft von Turbinen

und Fahrern (siehe Abbildung 3.2).18 Aus diesem Grund soll im Nachfolgenden

der NACA-Einlass, welcher auch unter den Namen NACA-Inlet und NACA-Scoop

bekannt ist, vorgestellt werden. Dieser NACA-Einlass wurde bereits 1945 von der

,,National Advisory Committee for Aeronautics”, dem Vorganger der NASA, erfun-

den.19 Es handelt sich hierbei um einen Lufteinlass, der eine spezielle Form eines

Diffusors darstellt (siehe Abbildung 2.3 links). Die Geometrie ist leicht optimiert,

was einige positive Aspekte mit sich bringt. Durch die an den scharfen Seitenkan-

ten aufrollenden Wirbel wird eine einwarts gerichtete Geschwindigkeitskomponente

induziert, d. h. die Luft wird in den NACA-Einlass ,,hineingezogen” (siehe Ab-

bildung 3.3 rechts), was eine Erhohung des Luftdurchsatzes bewirkt. Durch seine

diffusorahnliche Geometrie wird, wie im vorigen Abschnitt 3.1 beschrieben, die Ge-

schwindigkeit reduziert und der statische Druck steigt. Da die Warmeubertragung

bei geringen Stromungsgeschwindigkeiten besser stattfinden kann, ist dies ein wei-

terer positiver Faktor des NACA-Einlasses.

Abbildung 3.3: NACA-Einlass Funktionsweise20

Insgesamt kann der NACA-Einlass als Lufteinlass mit Diffusorwirkung beschrieben

werden, der sich aufgrund seiner Geometrie bzw. Bauweise durch geringe Reibungs-

verluste auszeichnet.21 Dies sind auch die Grunde, wieso er sehr oft bei verschiedens-

ten Fahr- und Flugzeugen an unterschiedlichsten Positionen eingesetzt wurde und

wird (siehe Abbildung 3.4 und 3.5). In Abschnitt 3.3 ist eine geometrische Auslegung

eines NACA-Einlasses zu sehen.

18Trzesniowski, Rennwagentechnik, S.125 ff.19Frick/Davis/Randall/Mossman, Experimental Investigation of NACA Entrances, S.120Hucho, Aerodynamik des Automobils, S.35021Ebenda, S.349 ff.

13

Abbildung 3.4: Bentley EXPSpeed 8 mit NACA-Einlass22

Abbildung 3.5: NACA-Einlass anHochgeschwindigkeitsjets23

3.3 Geometriedaten

Abbildung 3.6: NACA-Geometrie

Zur geometrischen Beschreibung des

NACA-Einlasses gibt es in der Literatur

festgelegte Werte und Berechnungsfor-

meln, die im Folgenden auf das hier be-

trachtete Problem angewendet werden

sollen. Da bei der Aufgabenstellung die-

ser Projektarbeit keine speziellen Vorga-

ben gegeben sind, sollen geeignete An-

nahmen getroffen werden. Im Nachfol-

genden wird die Vorgehensweise bei der

Auslegung vorgestellt.

Vorgehensweise bei der Auslegung von NACA-Einlassen:

1. Bestimmen des Einlassquerschnittes A1,theoretisch

Grundsatzlich wird die NACA-Geometrie durch die geforderte Luftmenge zur

Kuhlung von Bauteilen festgelegt. Diese ergibt sich aus der Warmeuber-

tragungsflache und dem geforderten, abzufuhrenden Warmestrom.24 Aufgrund

der fehlenden Randbedingungen in der Aufgabenstellung wird daher eine An-

nahme uber den benotigten Luftdurchsatz gewahlt. Von dieser Annahme aus-

gehend erfolgen alle weiteren Betrachtungen sowie die Untersuchung uber die

abfuhrbare Warmemenge (siehe Kapitel 3.4). Der gewunschte Lufdurchsatz

22Trzesniowski, Rennwagentechnik, S.16323Frick/Davis/Randall/Mossman, Experimental Investigation of NACA Entrances, S.5624Trzesniowski, Rennwagentechnik, S.130

14

wird mit VLuft = 1250m3

hangenommen. Mit der durchschnittlichen Stromungs-

geschwindigkeit v = 200kmh

ergibt sich der notwendinge Einlassquerschnitt

A1,theoretisch = 70cm2.25 Die Stromungsgeschwindigkeit entspricht der durch-

schnitttlichen Streckengeschwindigkeit eines Formel-1-Rennens auf dem

Nurburgring.26

2. Tatsachlicher Einlassquerschnitt A1 festlegen

Der tatsachliche Einlassquerschnitt A1 wird doppelt so groß wie A1,theoretisch

gewahlt, da der Durchflussbeiwert eines NACA-Einlasses 0, 5 betragt.

A1 = 2 ·A1,theoretisch = 2 · 70cm2 = 140cm2 (3.5)

Abbildung 3.7: Bestimmung Einlassquerschnitt27

3. Einlassgeometrie berechnen

Aus dem soeben bestimmten Einlassquerschnitt ergibt sich mit dem gunstigen

Seitenverhaltnis hb

= 13,5...5,5

die Einlassgeometrie. Es wird ein Verhaltnis von14,5

gewahlt.

25Ebenda, S.125 ff.26RennSportNews.de, Formel1 Rennstrecken27Trzesniowski, Rennwagentechnik, S.130

15

b = 4, 5 ·h (3.6)

A1 = b ·h = 4, 5 ·h ·h (3.7)

h =

√A1

4, 5=

√140cm2

4, 5= 5, 58cm (3.8)

b = 4, 5 ·h = 25, 10cm (3.9)

Abbildung 3.8: NACA-Geometrie28

4. Lippengeometrie bestimmen

Nun ergibt sich mit der errechneten Hohe die Lippendicke t. Diese soll halb so

groß wie h sein.

t = 0, 5 ·h = 0, 5 · 5, 58cm = 2, 79cm (3.10)

Weiterhin ergibt sich hieraus die gesamte Form der Lippe (siehe

Abbildung 3.9).

28Ebenda S.131

16

Abbildung 3.9: Bestimmung Lippengeometrie29

5. NACA-Lange berechnen

Die NACA-Lange folgt aus dem empfohlenen Rampenwinkel α zwischen 5◦

und 11◦. Gewahlt α = 8◦.

l =h+ t

tanα=

5, 58cm+ 2, 79cm

tan8◦ = 59, 56cm (3.11)

6. Einlassbreite bestimmen

In diesem Arbeistschritt wird die Breite am Anfang des NACA-Einlasses be-

rechnet.

bAnfang = 0, 083 · b = 0, 083 · 25, 10cm = 2, 08cm (3.12)

7. Randkurve ermitteln

Der Verlauf der Randkurve wird nun mithilfe der Gleichungen 3.13 und 3.14

und der Abbildung 3.5 festgelegt. Hierbei wird die obere Zeile ,,RAS” verwen-

det.

Abbildung 3.10: Bestimmung Randkurve30

xn = l ·Xn (3.13)

yn =b

2·Yn (3.14)

Zusammenfassend konnen alle Ansichten des NACA-Einlasses mit den benotigten

Parametern der Abbildung 3.8 entnommen werden.31

29Ebenda S.13130Ebenda, S.13131Ebenda, S.130/131

17

3.4 Warmeabfuhr

Wie in Abschnitt 3.2 beschrieben, ist die Aufgabe der Aerodynamik die Reduzie-

rung des Luftwiderstandes, gleichzeitig aber auch die geschickte Luftfuhrung zur

Kuhlung von Bauteilen. Diese Kuhlung soll im Nachfolgenden fur den gegebenen

Anwendungsfall kurz uberschlagen werden, um ein Gefuhl fur die entscheidenen Pa-

rameter zu gewinnen.

Gehen wir von den gleichen Annahmen aus, die schon in fruheren Abschnitten

gewahlt wurden, ergibt sich die folgende Uberschlagsrechnung:

• Warmeaufnahme Luft

Es soll die maximal mogliche Warmeaufnahme bei gegebenem Luftdurchsatz

bestimmt werden. Dies geschieht unter der Annahme eines Temperaturun-

terschiedes von ∆T = 500K. Dies ist bespielsweise ein realistischer Wert

fur die Differenz von Umgebungs- und Motorraumtemperatur. Wichtige Kon-

stanten sind weiterhin die Dichte ρ = 1, 2929 kgm3 und die Warmekapazitat

cp = 1, 0046 kJkg ·K der Luft.32 Der Luftdurchsatz betragt, wie schon in Ab-

schnitt 3.3 angenommen, V = 1250m3

h. Hieraus ergibt sich mit den folgenden

Gleichungen33:

VLuft =m

ρ(3.15)

Q = m · cp ·∆T (3.16)

Q = VLuft · ρ · cp ·∆T

= 1250m3

h· 1, 2929

kg

m3· 1, 0046

kJ

kg ·K· 500K = 225, 49kW (3.17)

• Bestimmung Warmeubertragungsflache

Nun soll die benotigte Warmeubertragungsflache fur den oben berechneten

Warmestrom bestimmt werden. Wichtige Parameter sind hierbei die Durch-

schnittsgeschwindigkeit v = 200kmh

und die NACA-Einlass-Breite b = 25, 10cm,

die ebenfalls in Abschnitt 3.3 angenommen wurden und die Temperaturdiffe-

renz ∆T (siehe oben). Somit folgt aus Gleichung 3.1834 und 3.1935:

32Cerbe/Wilhelms, Technische Thermodynamik, S.36533Ebenda, S.38/6834Ebenda, S.37135Schweizer-fn.de, Warmeubergangskoeffizienten

18

Q = α ·A ·∆T (3.18)

α = 7, 14 · ( v

1ms

)0,78W

m2 ·K(3.19)

A =Q

α ·∆T=

225, 49kW

7, 14 · (200kmh

1ms

)0,78 Wm2 ·K · 500K

= 2, 75m2 (3.20)

Mit der gegebenen Breite des NACA-Einlasses ergibt sich die benotigte Lange

der Ubertragungsflache:

l =A

b=

2, 75m2

25, 10cm= 10, 96m (3.21)

Da das resultierende Ergebnis sehr groß ist und dies in der Praxis nicht umsetz-

bar ware, wird deutlich, warum Warmeubertrager, mit einer Vielzahl von Plat-

ten nebeneinander eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit soll jedoch

mit der vereinfachten Bauform einer einzelnen Platte als Warmeubetrager fort-

gefahren werden.

19

Kapitel 4

CFD-Rechnung

Nachdem in Kapitel eins und zwei die Grundlagen geschaffen wurden, ist Aufga-

be dieses Abschnittes, die CFD-Rechnung zu beschreiben. Zuerst soll eine kurze

Darstellung des Problems erfolgen, worauf anschließend eine Auflistung der hierfur

notwendigen Arbeitsschritte folgt. Diese Schritte beziehen sich auf den Umgang mit

der verwendeten Software AcuSolve und sollen dem Leser die Moglichkeit bieten,

eigenstandig ahnliche Problemstellungen mit dieser Hilfestellung zu bearbeiten.

4.1 Problembeschreibung und Ziel der Arbeit

Aufgabe dieser Arbeit ist die stromungstechnische Untersuchung von NACA-Ein-

lassen an Unterboden von Formelfahrzeugen. Hierzu wurde bereits in Kapitel 3 be-

schrieben, was ein NACA-Einlass ist und wie sich seine Geometrie definiert. Dort

wurden auch die Parameter fur die hier zu untersuchende Variante festgelegt. Ziel

der Untersuchung ist die Klarung der Frage, ob sich die Funktionsbeschreibung in

der Literatur mit den simulierten Ergebnissen decken, wie die Stromung entlang

des NACA-Einlasses generell ausgeformt ist und wie er diese Stromung beeinflusst.

Wie schon in vorigen Kapiteln erwahnt, werden auch in diesem Kapitel Annah-

men getroffen. So wird zum Beispiel die eigentliche Fahrbahn als stehende Flache

angenommen, obwohl sich diese relativ zum NACA-Einlass bewegt. Die Simulati-

on erfolgt mit der Hyperworks-Studentenversion, die kostenlos vom Hersteller Altair

bezogen werden kann. Dies ist ein Softwarepaket, in dem fur das vorliegende Projekt

nur AcuSolve mit seinen Unterprogrammen notwendig sind. Welche dies sind, wird

in den einzelnen Arbeitsschritten erlautert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit soll auch

eine Einfuhrung in den Umgang mit der verwendeten Software sein, damit weiteren

Studienarbeiten eine Starthilfe gegeben ist.

20

4.2 Arbeitschritte

Nachfolgend werden die einzelnen Arbeitsschritte vorgestellt. Es wird darauf hin-

gewiesen, dass das Vorgehen bei solchen CFD-Simulation iterativ erfolgt, d. h.

es wird bei Bedarf auf einen vorherigen Schritt zuruckgegangen, um Parameter an-

zupassen. Zuerst wird das gesamte Vorgehen vorgestellt, worauf anschließend ein

Abschnitt mit aufgetretenen Fehlern und Problemen folgt. Dort werden dann ge-

eignete Verbesserungen aufgezeigt. Bei der nachfolgenden Vorgehensweise sind alle

Probleme des Kapitels 4.3 behoben.

4.2.1 CAD-Geometrie erstellen & Import

Der erste Schritt einer CFD-Simulation besteht in der Modellierung der Korpergeo-

metrie. Dies erfolgt in unserem Fall, aufgrund der Komplexitat, im externen Pro-

gramm SolidWorks. Einfache Geometrien konnen auch oft direkt in den Simulati-

onsprogrammen eingegeben werden. In diesem Besipiel muss aber die Randkurve des

NACA-Einlasses durch eine Kurve mit vielen Kurvenpunkten beschrieben werden.

Ein weiterer wichtiger Punkt, gerade bei der Verwendung einer Studentenversion,

ist die Beschrankung des CAD-Importes auf den Fluidraum. Deshalb soll nicht der

Festkorper, sondern nur sein ,,Negativ” importiert werden, um die Rechenzeit und

die Knotenanzahl (Mesh) gering zu halten. Die Kontenanzahl ist bei der Studen-

tenversion auf 25.000 limitiert. Weiterhin ist es wichtig, die richtige Großenordnung

bei der CAD-Modellierung zu wahlen, um Komplikationen beim Einlesen in das

CFD-Programm zu vermeiden. Nachdem die Geometrie, also das Stromungsgebiet,

in SolidWorks erstellt wurde, sind die folgenden Arbeitsschritte notwendig:

1. Starten von AcuConsole (Abb. 4.1/4.2):

• Start → Programme/Dateien durchsuchen → AcuConsole eingeben und

mit Enter bestatigen

Abbildung 4.1: NACA-Geometrie

21

Abbildung 4.2: AcuConsole Startfenster

2. Projekt anlegen (Abb. 4.3):

• File → New → Navigieren zu Projektordner → Projektname festlegen

→ Speichern

3. CAD-Geometrie importieren (Abb. 4.4/4.5):

• File → Import → Dateityp wahlen → CAD-Datei auswahlen → Offnen

→ Einstellungen wahlen → Ok

Abbildung 4.3: Projekt anlegen

Abbildung 4.4: CAD-Import Abbildung 4.5: CAD-Import Ein-stellungen

22

4.2.2 Problembeschreibung

Die Aufgabe dieses Arbeitsschrittes ist die grundlegende Festlegung der Problem-

stellung. Hierbei werden zum Beispiel die Art der Stromung, der Simulationsname,

das Turbulenzmodell sowie Losungsparameter definiert.

1. Offnen Problembeschreibung (Abb. 4.6):

• ,,PRB” anklicken → Reiter ,,Global” expandieren

Abbildung 4.6: Problembeschreibung starten

2. Problemstellung parametrieren (Abb. 4.7):

• Doppelklick ,,Problem Description” → Einstellungen wahlen

3. Losungsstrategie parametrieren (Abb. 4.8):

• Doppelklick ,,Auto Solution Strategy” → Einstellungen wahlen

Abbildung 4.7: Problemstellung para-metrieren

Abbildung 4.8: Losungsstrategie para-metrieren

23

4.2.3 Netzeinstellungen

Nach Beschreibung der allgemeinen Problemstellung werden nun die Netzparameter

festgelegt, die einen sehr großen Einfluss auf das Simulationsergebnis aufweisen.

Deshalb ist bei diesem Arbeitsschritt besondere Aufmerksamkeit gefordert. Da hier,

wie erwahnt, diverse Probleme auftreten konnen, wird der Einfluss der verwendeten

Parameter nochmals im Kapitel 4.3.1 beschrieben.

1. Offnen Netzbeschreibung (Abb. 4.9):

• ,,MSH” anklicken → Reiter ,,Global” expandieren

Abbildung 4.9: Problembeschreibung starten

2. Problemstellung parametrieren (Abb. 4.10/4.11):

• Doppelklick ,,Global Mesh Attributes” → Einstellungen wahlen

• Reiter ,,Global” minimieren → File → Save

Abbildung 4.10: CAD-Import Einstellungen

Abbildung 4.11: Spei-chervorgang

24

3. Netzeigenschaften Volumen festlegen (Abb. 4.12 - 4.15):

• Reiter ,,Model” und ,,Volumes” expandieren

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Display off” anwahlen

• Rechtsklick ,,Volumes” → ,,Purge” anwahlen

• Rechtsklick ,,Volumes”→ ,,Volume Manager” anwahlen→ Einstellungen

wahlen

• Reiter ,,Volumes” minimieren

• Rechtsklick ,,Volumes” → ,,Display off” anwahlen

Abbildung 4.12: Naviga-tion Baumstruktur

Abbildung 4.13:Flachensichtbarkeitandern

Abbildung 4.14: ,,Volu-me Manager” starten

Abbildung 4.15: ,,Volume Manager”

25

4. Netzeigenschaften Flachen festlegen (Abb. 4.16/4.17):

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Display on” anwahlen

• Reiter ,,Surfaces” expandieren

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Purge” anwahlen

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Surface Manager” anwahlen

• ,,New” anklicken, um neue Flache zu erstellen

• Columns → ,,Simple BC Type” anwahlen

• Doppelklick ,,Surface 1” → Flachenname eintragen → Enter drucken

• Add to → Flachen anwahlen → Done

• ,,Simple BC Type” → Art der Randbedingung wahlen

⇒ Nun zwei weitere Flachen erzeugen und deren Paramter definieren, bis der

,,Surface Manager”, wie in Abbildung 4.16 zu sehen, aussieht.

Abbildung 4.16: ,,Surface Manager”

Abbildung 4.17: ,,Simple BC Type” aktivieren

26

4.2.4 Randbedingungen festlegen

Ziel diese Kapitels ist die richtige Definition der Randbedingungen sowie die Im-

plementierung dieser in der Software. Im Nachfolgenden ist die Art der jeweiligen

Randbedingung beschrieben. Alle nicht explizit aufgefuhrten Flachen sind als ,,Wall”

anzusehen. Obwohl die Seitenflachen nicht diese ,,Wall”-Randbedingung aufweisen,

werden sie als solche angesehen. Die Grunde sind in Kapitel 4.3.3 dargelegt.

Abbildung 4.18: Randbedingungen

• Flache 1: Stromungseintrittsflache / ~v =

120

0

0

/ T0

• Flache 2: Stromungsaustrittsflache / pstat (Umgebungsdruck) / T1

• Flache 3: Stromungsaustrittsflache / pstat (Umgebungsdruck) / T0

• Flache 4: eigentlich bewegte Wand (Fahrbahn)⇒ Annahme: ,,Wall” als Rand-

bedingung

• Flache 5: Warmeeintrag (Q = 225kW )

1. Offnen Randbedingungen (Abb. 4.19):

• ,,BC” anklicken → Reiter ,,Inlet” expandieren

2. Randbedingungen parametrieren (Abb. 4.20):

• Doppelklick ,,Simple Boundary Condition” → Einstellungen wahlen

27

Abbildung 4.19: RBoffnen

Abbildung 4.20: RB parametrieren

4.2.5 Netzeinstellungen im Randbereich festlegen

1. Offnen ,,Boundary Layer Elements”-Einstellungen (Abb. 4.21):

• ,,MSH” anklicken → Reiter ,,NACA” expandieren

2. Boundary Layer parametrieren (Abb. 4.22):

• ,,Surface Mesh Attributes” anwahlen → Einstellungen wahlen

Abbildung 4.21: ,,BoundaryLayer Elements”-Menu aufru-fen

Abbildung 4.22: ,,Boundary Layer Elements”parametrieren

28

4.2.6 Netzgenerierung

1. Netzgenerator starten (Abb. 4.23/4.24):

• Tools → Generate Mesh → Ok

Dem Fenster ,,AcuTail” konnen verschiedene Informationen entnommen wer-

den. Hier konnen zum Beispiel die Anzahl der Netzknoten und der Volumen-

elemte ausgelesen werden. Falls die maximale Knotenanzahl der Studentenver-

sion (25.000 Knoten) uberschritten wird, wird die Netzgerierung abgebrochen.

Abbildung 4.23: Netzgeneratorstarten

Abbildung 4.24: Netzgenerierung Parameter

2. Netzsichtbarkeit andern (Abb. 4.25/4.26):

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Display on” anwahlen

• Rechtsklick ,,Surfaces” → ,,Display Type” → ,,solid&wire” auswahlen

Abbildung 4.25:Flachensichtbarkeit anschalten

Abbildung 4.26: Netzsichtbarkeit ,,so-lid&wire” anschalten

29

4.2.7 Simulationsberechnung

1. Solver starten (Abb. 4.27/4.28):

• Tools → AcuSolve → Ok (eventuell Anspassungen der Einstellungen)

Nun kann der Verlauf der Simulation im Fenster ,,AcuTail”, also der Fortschritt

der einzelnen Iterationsstufen, verfolgt werden.

Abbildung 4.27: AcuSolve startenAbbildung 4.28: Solverparameter defi-nieren

2. Konverenz der Simulation uberprufen (Abb. 4.29/4.30):

• Tools → AcuProbe

• ,,Residual Ratio” expandieren → Rechtsklick ,,All” → Plot All

Der ,,Residual”-Wert sollte vom anfanglich hoheren Wert auf ein Level abfal-

len, das sich zwischen 10−3 und 10−5 befindet. Weiterhin ist es wichtig, dass

dieser Wert nach Erreichen seines Minimums nicht bzw. nur sehr gering wie-

der ansteigt (Beispiel siehe Abschnitt 4.3.2). Mit der Lupe ( ) kann in einen

bestimmten Bereich hineingezoomt werden.

Abbildung 4.29: AcuProbe starten Abbildung 4.30: ,,Residuals” anzeigen

30

4.2.8 Visualisierung der Ergebnisse

Nach nun abgeschlossener Simulation sind die Ergebnisse zwar vorhanden, es be-

darf aber einem Instrument, um diese geeignet darzustellen. Hierzu sollen diverse

einfuhrende Beispiele vorgstellt werden. Leider ist es aufgrund der Fulle an Visua-

lisierungen nicht moglich, alle zu erlautern. Es werden somit nur die Wichtigsten

aufgefuhrt, die auch fur die Verwendung in Kapitel 4.3 notwendig sind. Der Um-

gang mit AcuProbe wurde bereits in Abschnitt 4.2.7 Teil 2 behandelt und wird

deshalb hier nicht weiter beleuchtet. Der Fokus soll vielmehr auf dem Softwaretool

AcuFieldView liegen.

1. AcuFiledView starten (Abb. 4.31 - 4.33):

• Tools → AcuFieldView → Ok

Abbildung 4.31: AcuFiled-View starten

Abbildung 4.32: AcuFiledView parametrieren

Abbildung 4.33: AcuFiledView Startfenster

31

2. Background Color andern (Abb. 4.34):

• View → Background Color → Farbe durch anklicken wahlen → Close

Abbildung 4.34: Background Color andern

3. Geschwindigkeits-/ Druckvektoren anzeigen (Abb. 4.35 - 4.39):

• Fenster ,,Boundary Surface” → Visibility abwahlen

• Visualization Panels → Coordinate Surface → Create

• Coloring ,,Scalar” anwahlen

• Display Type ,,Vectors” anwahlen

• Coordinate Plan ,,x/y/z” nach gewunschter Ebene anwahlen (Druck sicht-

bar)

• Scalar Function → Select → ,,x-velocity” → Calculate (x-velocity sicht-

bar)

Abbildung 4.35: Visibility abschalten

Abbildung 4.36: Coordinate Surfacestarten

32

Abbildung 4.37: Coordinate Sur-face erstellen

Abbildung 4.38: Coordinate Sur-face Einstellungen

Abbildung 4.39: x-Geschwindigkeit anzeigen

4. Werte von Punkten auslesen (Abb. 4.40/4.41):

Das Auslesen von Werten an verschiedenen Punkten soll anhand eines Beispiels

erklart werden. Es handelt sich hier um eine Uberprufung der ,,x-velocity”-

Werte entlang einer Ebene, die zum Beispiel in Abschnitt 4.3.1 benotigt wird.

• Visualization Panels → Point Probe

• Geeigneten x-Wert wahlen (in Stromungsrichtung)

• y-Wert wahlen (Mittelachse des NACA-Einlasses)

• Verschiedene z-Werte eingeben → Calculate → ,,x-velocity”-Werte able-

sen

33

Abbildung 4.40: Coordinate Sur-face erstellen

Abbildung 4.41: Coordinate Sur-face Einstellungen

5. Stromlinien anzeigen (Abb. 4.42 - 4.44):

Ein weiteres hilfreiches Instrument der visuellen Ergebnisdarstellung soll in

diesem Abschnitt erklart werden d. h. eine Anleitung wie man Stromlinien der

Simulation in AcuFieldView anzeigen lassen kann. Dieses Verfahren wird auch

in Kapitel 4.3.3 verwendet. Die Arbeitsschritte sind ahnlich zu den vorigen in

diesem Kapitel, weshalb hier auf einige Abbildungen verzichtet werden kann.

• Vorheriges Fenster (z. B. ,,Coordinate Surface”) → Visibility abwahlen

• Visualization Panels → Streamlines → Create

• Coloring ,,Scalar” anwahlen

• Scalar Function → Select → ,,x-velocity” → Calculate

• Mode → Seed a Surface

• Seeds to Add → Anzahl wahlen (z. B. 100) → Enter drucken

• Auxilary Seed Plane → Show Plane anwahlen → Plane Axis X anwahlen

→ minimalen Wert eingeben

• Flache mit Strg + linke Maustaste anwahlen (im grunen Feld steht: Adjust

”Seeds to add”: value; then press ok.)

• Calculation Parameters → Direction → Both → Calculate

34

Anschließend konnen bzw. mussen weitere ,,Seeds” festgelegt werden. Hierzu

die Position der ,,Auxilary Seed Plane” durch Eingabe eines neuen Wertes

andern und weiter die nachfolgenden Arbeitsschritte durchfuhren.

Abbildung 4.42: Erstellen von ,,Seeds”

Abbildung 4.43: Stromlininenrichtung Abbildung 4.44: Stromlinien Einstel-lungen

4.3 Aufgetretene Probleme

Da es essentiell ist, aufgetretene Probleme zu erkennen und sie eventuell beheben zu

konnen, dient das Kapitel 4.3 der Hilfestellung hierbei. Im Nachfolgenden werden

aufgetretene Probleme kurz vorgestellt, diskutiert und, falls bekannt, eine Erklarung

gegeben. Generell kann bei moglichen Problemen erwahnt werden, dass deren Zahl

durch eine ausgedehnte Untersuchung der Ausgangssituation und der daraus resul-

tierenden, geeigneten Vorgehensweise eine Vielzahl der Fehler verhindert werden

kann. Weiterhin ist es jedoch oft nicht ohne Weiteres moglich, zu beurteilen, ob das

Simuationsergebnis uberhaupt realistisch ist.

35

4.3.1 Auflosung im Randbereich

Die Auflosung der Stromung im Randbereich ist von entscheidender Bedeutung

bei einer CFD-Simulation, da in diesem Gebiet sehr hohe Gradienten, d. h. große

Veranderungen zum Beispiel der Geschwindigkeit, auftreten. Deshalb wird dieser

Bereich sehr hoch aufgelost, um alle Veranderungen wahrnehmen zu konnen. Dies

erfolgt durch eine geeignete, hohe Netzfeinheit.

Abbildung 4.45: Auflosung Randbereich Position

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit wurde der Randbereich zu gering aufgelost, was

durch die Visualisierung des Verlaufs der Geschwindigkeitsvektoren ersichtlich wird.

Hierzu wurden, wie im Abschnitt 4.2.8 beschrieben, die Geschwindigkeistvektoren

auf einer Ebene parallel zum Einstromrand ausgelesen (siehe Abbildung 4.45) und

diese Werte dann, mithilfe von Microsoft Excel, als Kurve dargestellt. In Abbildung

4.46 ist der Kurvenverlauf einer fruhen Simulation der Studienarbeit zu sehen. Es

ist leicht ersichtlich, dass dieser Verlauf nicht die Realitat wiederspiegelt, da die

Kurve zwei Knicke besitzt. Im Gegensatz hierzu ist in Abbildung 4.47 die letzte Si-

mulation abgebildet. Die vorherigen Knicke sind nicht mehr sichtbar, da bei der Be-

rechnung die Netzparamter im Randbereich optimiert wurden, d. h. die Netzfeinheit

erhoht wurde. Bei beiden Abbildungen ist zu sehen, dass die maximale Geschwindig-

keit circa vmax = 58ms

betragt. Dieser Wert liegt nahe der Einstromgeschwindigkeit

vtheor = 200kmh≈ 55, 56m

s. Die Flache unter der dargestellten Kurve muss theoretisch

aquivalent zur Flache vtheor mal Stromungsbreite sein. Der betrachtete Bereich, also

die Postition in Stromungsrichtung, sollte weiterhin so gewahlt werden, dass keine

Beeinflussung der Randbereiche auftritt.

36

Abbildung 4.46: Auflosung Randbe-reich schlecht

Abbildung 4.47: Auflosung Randbe-reich gut

4.3.2 Konvergenz der Simulation

Wie schon im Verlauf der Arbeit beschrieben, kann die Konvergenz der Simulati-

on mithilfe von AcuProbe ermittelt und angezeigt werden (siehe Abschnitt 4.2.7

Teil 2). Dort sind der Umgang mit der benotigten Software sowie die erforderlichen

,,Residual”-Werte beschrieben. In diesem Kapitel soll nur noch kurz aufgezeigt wer-

den, wie solche Werte aussehen konnen. In Abbildung 4.48 ist ein nicht optimaler

,,Residual”-Verlauf zu sehen, da der Wert nach seinem Minimum wieder ansteigt.

Dagegen ist dieses Verhalten in Abbildung 4.49 nicht zu beobachten. Hier sinkt der

Wert stetig, bis er seinen minimalen Wert erreicht hat. Dieser unterste Wert sollte,

wie in Abschnitt 4.2.7 Teil 2 beschrieben, zwischen 10−3 und 10−5 liegen, was jedoch

leider in beiden hier aufgefuhrten Fallen nicht zutrifft. Aufgrund dieses Ergebnisses

sind beide Simulation hinsichtlich ihrer ,,Residuals” als nicht befriedigend einzustu-

fen. Warum dies so ist, konnte leider im Zuge dieser Arbeit nicht weiter verfolgt

werden. Wunschenswert ware eine genauere Untersuchumg dieser Begebenheit in

einer zukunftigen Studienarbeit.

Abbildung 4.48: Residuals schlecht Abbildung 4.49: Residuals ok

37

4.3.3 Quereinstromung

In Kapitel 2.5 ist eine Ubersicht mit allen wichtigen Randbedingungsarten darge-

stellt. Des Weiteren wurden in Abschnittt 4.2.4 die in der vorliegenden Arbeit ver-

wendeten Randbedingungen vorgestellt. Dort wird auch bereits die Problematik der

Seitenflachen, wahrend der Arbeit auch Lateral Surfaces genannt, hinsichtlich ihrer

Randbedingungen erwahnt. Im Nachfolgenden soll kurz erlautert werden, warum die

verwendeten Einstellungen gewahlt wurden.

Abbildung 4.50: Quereinstromung

Die einfachste Art, mit Randbereichen umzugehen, ist die Wall-RB. Da es sich jedoch

bei der untersuchten Stromung um eine Durchstromung zwischen Fahrzeugunterbo-

den und Fahrbahn handelt, kann an den Seitenflachen die eben genannte Bedingung

nicht verwendet werden, da die Stromungsgeschwindigkeit in diesem Bereich nicht

Null ist. Deshalb wurde die Symmetrie-RB gewahlt, da diese die Realitat am besten

abbildet. Hierbei trat jedoch eine asymmetrische Quereinstromung auf, die nicht

der Realitat entsprechen kann (siehe Abbildung 4.50). Im Bereich 1 ist diese einsei-

tige Einstromung aus der linken Symmetrieflache (in Stromungsrichtung gesehen)

zu beobachten. Der Bereich 2 zeigt eine Ruckstromung, also eine Richtungsumkehr.

Generell ist ein solches asymmetrisches Verhalten nicht nachvollziehbar. Deshalb

wurde trotz der genannten Nachteile bzw. Fehler die Wall-RB gewahlt. Hier tritt

die Querein- und die Ruckstromung nicht auf. Sind die Seitenflachen ortlich gesehen

weit genug entfernt vom betrachteten Bereich, ist der Einfluss der Randbedingung

auf diese vernachlassigbar. Warum dieses Problem auftritt, konnte wahrend der Ar-

beit jedoch nicht abschließend geklart werden.

38

4.3.4 Anhaufung Netzknoten

Nach dem Arbeitsschritt Netzgenerierung (siehe Kapitel 4.2.6) wurde ein Netzpro-

blem sichtbar, das hier kurz angesprochen werden soll. In Abbildung 4.51 ist das

erzeugte Netz einer fruhen CFD-Simulation zu sehen. Hierbei trat in den markier-

ten Bereichen eine Anhaufung von Netzknoten auf, welche eine Verfalschung der

Simulationsergebnisse hervorriefen. Um diese Problematik zu umgehen, wurde im

CAD-Modell die sich hier befindliche Kante durch eine Rundung ersetzt. Diese hat

zwar nur einen zu vernachlassigenden Einfluss auf das Simulationsergebnis, sorgt

aber fur eine deutlich homogenere Verteilung der Netzzellen und -knoten. Ob eine

elegantere Losung moglich ware, musste zukunftig durch den Kontakt des Altair-

Supports geklart werden.

Abbildung 4.51: Anhaufung Netzknoten

39

4.4 Ergebnisinterpretation

Zum Abschluss der Studienarbeit soll eine Interpretation der Ergebnisse sowie eine

Uberprufung dieser auf Plausibilitat durch einen Vergleich zur Literatur erfolgen. Da

die Vielzahl der Ergebnisse hier nicht ausfuhrlich dargestellt und erlautert werden

konnen, soll der Fokus auf der Geschwindigkeit und dem Druck im Stromungsgebiet

liegen. Um eine Einschatzung der erhaltenen Großen zu ermoglichen, sind in Ab-

bildung 4.52 und 4.53 Skalen und oberhalb dieser die Maximal- und Minimalwerte

dargestellt, welche auch fur alle weiteren Abbildungen in diesem Kapitel mit der

gleichen, betrachteten Große gultig sind. Bei der Angabe des Drucks handelt es sich

um die Differenz zum Umgebungsdruck. Um die Darstellungen richtig analysieren

zu konnen, muss noch einmal auf das Kapitel 3.1 verwiesen werden, in dem die phy-

sikalischen Grundlagen eines Diffusors erklart sind. Nimmt die Querschnittsflache

zu, so sinkt die Stromungsgeschwindigkeit und der Druck steigt.

Zu Abbildung 4.52:

Betrachtete Große: Druck

Ansicht: Seitlich; Schnitt durch Mittelachse des NACA-Einlasses

• Einstrombereich NACA: Deutlicher Druckabfall am Beginn des NACA-Ein-

lasses (blauer Bereich) und eine leichte Ablosung der Stromung an diesem

Knick.

• NACA-Lippe: Die Lippe bildet den Staupunkt der Stromung, weshalb hier ein

Druckanstieg erfolgt (roter Bereich).

• Auslassflache: Ungefahr gleicher Druck von NACA-Einlass und Auslassflache

zwischen Unterboden und Fahrbahn. Aus der Randbedingung folgt, dass der

Auslassdruck gleich dem Umgebungsdruck ist. Da es sich um den Differenz-

druck handelt, muss der Wert Null sein, was die Simulation auch ergibt.

Abbildung 4.52: Druck - Ansicht seitlich

40

Zu Abbildung 4.53:

Betrachtete Große: Geschwindigkeit

Ansicht: Seitlich; Schnitt durch Mittelachse des NACA-Einlasses

• Einstrombereich NACA: Leichte Stromungsablosung und Wirbel am Ubergang

in den NACA-Einlass (gruner Bereich). Deshalb nimmt die Geschwindigkeit

zu, obwohl die Querschnittsflache zunimmt und der Wert deshalb sinken musste

(roter Bereich). Dort steigt der Wert bis auf 66ms

(Einstromgeschwindigkeit =

55, 56ms

).

• NACA-Bereich: Stromung verlangsamt sich generell. Weiterhin ist eine Ruck-

stromung (blauer Bereich) zu erkennen. Hier bildet sich hochstwahrscheinlich

ein unbeabsichtigter Wirbel, der die Reibungsverluste im Berich zwischen

Fahrbahn und Unterboden erhoht.

• NACA-Lippe: Oberhalb findet eine weitere Stromungsverlangsamung bis zur

Verengung durch die Lippe statt. Danach lost sich die Stromung aufgrund von

Tragheitskraften von der unteren Flache ab. Im Knick des NACA-Einlasses

oberhalb der Lippe findet ebenfalls eine Ablosung statt, sodass hier ein ,,ste-

hendes” Gebiet entsteht.

Unterhalb der Lippe fließt ein Teil der Stromung zwischen Unterboden und

Fahrbahn mit ungefahr gleicher Geschwindigkeit, jedoch ist diese generell ge-

ringer als im Bereich oberhalb. Dies beruht auf der großeren Querschnitts-

flache.

Abbildung 4.53: Geschwindigkeit - Ansicht seitlich

41

Zu Abbildung 4.54 und 4.55:

Betrachtete Große: Druck und Geschwindigkeit

Ansicht: Stromlinien durch gesamten NACA-Einlass

• NACA-Einlass Rander: Wirbelbildung an den Seitenflachen des NACA-Ein-

lasses. Dies ist eine Bestatigung der Literatur, in dem diese Wirbel beschrieben

werden (siehe auch Kapitel 3.2). Sie ziehen die Luft zusatzlich in den NACA-

Einlass.

• Gesamter Bereich: Die Eigenschaften eines Diffusors sind erkennbar. Da der

NACA-Einlass eine modifizierte Variante hiervon darstellt, ist das Simulati-

onsergebnis plausibel. In Stromungsrichtung sinkt die Geschwindigkeit und der

Druck steigt.

Abbildung 4.54: Druck - Stromlinien

Abbildung 4.55: Geschwindigkeit - Stromlinien

Zu Abbildung 4.56:

Betrachtete Große: Geschwindigkeit

Ansicht: Oben; verschiedene Schnitte von unten nach oben

• Die Abbildung weist eine symmetrische Stromung auf, obwohl ein unstruktu-

riertes Netz verwendet wurde.

42

• Bild 1-5: Zeigt den Bereich zwischen Fahrzeugunterboden und Fahrbahn. Es

zeigt sich eine Beeinflussung des gesamten Unterbodenbereichs durch den NACA-

Einlass. Weiterhin ist eine Geschwindigkeitszunahme am Beginn des NACA-

Einlasses zu sehen (roter Bereich).

• Bild 1 und 2: Der blaue Bereich zeigt wieder die Ruckstromung. Diese tritt

zentral unterhalb des NACA-Einlasses auf.

• Bild 4 und 5: Hier zeichnet sich die NACA-Geometrie stark in der Stromung

ab (Dreiecksform ist deutlich zu sehen).

Abbildung 4.56: Geschwindigkeit - Ansicht oben

Zusammenfassend sind die vorgestellten Simulationsergebnisse eine gute Naherung

an die Realitat, was sich durch den Vergleich zur Theorie sowie mit eigenen Uberle-

gungen ergab. Die Validierung, also die Uberprufung auf Richtigkeit der Ergebnis-

se, ist ein essentiell wichtiger Arbeitsschritt bei CFD-Berechnungen. Wahrend der

gesamten Arbeit wurde diese Uberprufung wiederholt durchgefuhrt, um auftretende

Fehler (siehe Kapitel 4.3) zu erkennen und zu beheben. Generell gilt bei der Ergebni-

sinterpretation von CFD-Simulationen besondere Vorsicht, da fehlerhafte Ergebnisse

erkannt werden mussen, um falsche Schlussfolgerungen zu vermeiden.

43

Kapitel 5

Zusammenfassung und Ausblick

Aufgabe dieser Studienarbeit ist die CFD-Simulation eines NACA-Einlasses an Un-

terboden von Formelfahrzeugen. Um diese Problemstellung ausreichend bearbeiten

zu konnen, liegt ein Schwerpunkt auf der Vermittlung von benotigtem Grundwis-

sen. Zur Bereitstellung dieser Grundlagen dienen die Kapitel zwei und drei, die

sich mit allgemeinem Wissen zu CFD-Simulationen beschaftigen und den NACA-

Einlass vorstellen. Die vorliegenden Materialien sollen auch dem noch ungeubten

CFD-Anwender die Moglichkeit geben, ohne Fachwissen erste Simulationen durch-

zufuhren. Auf diesem Credo baut auch das vierte Kapitel auf, welches die Einfuhrung

in die verwendete Software behandelt. Durch die recht ausfuhrlich gehaltenen Er-

klarungen des Softwarepaketes AcuSolve soll dieser Abschnitt eine Art Tutorial fur

ahnliche Aufgabenstellungen darstellen. Um die Ergebnisse der Simulation ausrei-

chend bewerten und interpretieren zu konnen, wird die Verwendung einer Visualisie-

rungssoftware notwendig, hier AcuFieldView. Sie bietet ein sehr breites Nutzungs-

feld, wovon leider nur ein Teil vorgestellt werden konnte. Die Untersuchung von

aufgetretenen Problemen und die Ergebnisinterpretation sollen zum einen zur Vali-

dierung und Interpretation dieser Studienarbeit verwendet werden, weiterhin aber

wieder eine Hilfestellung fur nachfolgende Arbeiten bieten. Bei dieser Interpretation

der Ergebnisse stellte sich auch heraus, dass die Simulation den, in der Literatur

beschriebenen Eigenschaften sehr nahe kommt. Die verwendete Software kann fur

weitere Studienarbeiten weiterempfohlen werden. Durch die automatische Netzge-

nerierung und die vielen voreingestellten Parameter kann schnell eine lauffahige Si-

mulation erzeugt werden. Negativ sind jedoch leider die geringe Anzahl an Tutorials

und Hilfstellungen zur Software zu bewerten.

Zukunftig ware eine weitere Untersuchung des NACA-Einlasses an Unterboden von

Formelfahrzeugen sinnvoll. Hierzu wurden erste Voruberlegungen zur Simulation mit

Warmeeintrag vorgestellt. Es handelt sich hierbei um einen Warmestrom vom Mo-

toraum zur Kuhlluft des NACA-Einlasses oder Ahnlichem. Wie jedoch auch bereits

44

erwahnt, reicht die Ubertragungsflache der hier verwendeten Geometrie (Warmeab-

fuhr uber eine ebene Platte) nicht zur Ausnutzung der gesamten Warmekapazitat

der Luft aus, weshalb ein Warmeubertrager vorgeschlagen wurde. Dieses Bauteil,

das sich durch viele parallele Platten auszeichnet, wird auch im realen Einsatz zur

Warmeabfuhr eingesetzt (siehe Abbildung 5.1). Somit konnte eine zusatzliche Simu-

lation mit einer angepassten Geometrie weitere Erkenntnisse uber das Stromungsver-

halten bringen. Bisher handelt es sich bei allen Betrachtungen um stationare, also

zeitunabhangige, Simulationen, weshalb eine instationare Simulationsreihe ebenfalls

sinnvoll ware um zum Beispiel die Entwicklung von Wirbeln beobachten zu konnen.

Interessant ware auch eine generelle Validierung durch einen Realversuch eines 3D-

gedruckten NACA-Einlasses im Windkanal.

Abbildung 5.1: NACA-Einlass mit Warmeubertrager (Skizze)

Insgesamt soll diese Arbeit die Grundzuge des NACA-Einlasses darlegen, zum an-

deren ein Grundstein fur weitere Studienarbeiten sein. Da die Simulationen dieser

Arbeit nur die Grundlagen darstellen konnen, soll durch die Vorstellung weiterer,

moglicher Simualtionen ein Schritt gezeigt werden, wie eine weitere Annaherung an

reale Einsatzbedingungen (zum Beispiel mit Warmeubertrager) erfolgen kann.

45

Literaturverzeichnis

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XII

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CFD-Modellierung - Grundlagen und Anwendungen, 1.Auflage, Berlin

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(Stand 02.01.2015)

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Trzesniowski, Michael,

Rennwagentechnik - Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme,

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XIII