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Eine experimentell validierte Methodik zur numerischen Simulation und Analyse des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Personenkraftwagen bei realitätsnaher, querdynamischer Fahrzeuganregung

Jungmann, Jens (2020):
Eine experimentell validierte Methodik zur numerischen Simulation und Analyse des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Personenkraftwagen bei realitätsnaher, querdynamischer Fahrzeuganregung.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011646,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Eine experimentell validierte Methodik zur numerischen Simulation und Analyse des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Personenkraftwagen bei realitätsnaher, querdynamischer Fahrzeuganregung
Language: German
Abstract:

Die aerodynamische Fahrzeugentwicklung erfolgt heutzutage ausschließlich bei statistisch stationärer Anströmung, wobei die Pkw-Längsachse parallel zur Hauptströmung ausgerichtet ist. Bei alltäglichen Straßenfahrten bewirken natürliche Windböen oder Strömungsfelder weiterer Fahrzeuge jedoch statistisch instationäre Anströmbedingungen, die oftmals eine querdynamische Reaktion des Pkw hervorrufen. Die strömungsmechanischen Effekte und deren Auswirkungen auf das fahrdynamische Fahrzeugverhalten können bisher nicht zuverlässig in Prüfständen oder numerischen Simulationen abgebildet werden. Aus diesem Grund soll in der vorliegenden Arbeit eine validierte, virtuelle Methodik zur Berechnung, Analyse und Optimierung des aerodynamischen und fahrdynamischen Verhaltens von Pkw bei realitätsnaher Fahrzeuganregung entwickelt werden.

Vorrausetzung für eine erfolgreiche Methodikentwicklung ist ein zuverlässiger Strömungslöser, weshalb zu Beginn die Simulationsgüte verschiedener numerischen Verfahren bewertet wird. Dazu werden Windkanalexperimente mit einem gerade und unter Schiebewinkel statistisch stationär angeströmten DrivAer-Fahrzeugmodell durchgeführt. Die Validierung der entsprechenden Simulationen erfolgt mit Hilfe einer Vielzahl an Mess- und Strömungsgrößen, was eine umfassende Beurteilung der Simulationsgüten ermöglicht. Auf Basis der generierten Daten wird eine auf dem k-ω-SST-Modell basierende IDDES-Methode als präferiertes Verfahren ausgewählt und daraufhin deren Eignung zur Berechnung statistisch instationärer Fahrzeugumströmungen untersucht. Dazu werden Windkanalexperimente mit dynamisch umgelenkter Kernströmung durchgeführt. Die entsprechende Strömungssimulation weist eine sehr gute Übereinstimmung mit der im Prüfstand ermittelten Fahrzeugreaktion auf, womit die k-ω-SST-IDDES zur Berechnung statistisch instationärer Strömungsphänomene geeignet ist. Durch einen Wechsel der Simulationsumgebung wird ferner aufgezeigt, dass die Umlenkung der Anströmung im Windkanal eine Interaktion zwischen Windkanalscherschicht und Pkw bedingt. Infolgedessen sollte diese Versuchsmethodik nicht zur Bewertung des aerodynamischen Fahrzeugverhaltens herangezogen werden.

Da die Methodikentwicklung mit einem Realfahrzeug erfolgen soll, werden die gewonnen Kenntnisse zur Gestaltung von Strömungssimulationen auf eine BMW 328iA Limousine übertragen. Zur Validierung des Simulationsaufbaus werden Versuche durchgeführt, bei denen das Fahrzeug gerade und mit einem Schiebewinkel in der Messstrecke des Windkanals platziert ist. Die experimentellen Daten weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit den entsprechenden Simulationsergebnissen auf. Infolgedessen kann das aerodynamische Modell der Limousine uneingeschränkt für die weiteren Untersuchungen verwendet werden.

Neben einer signifikanten Anregung in Fahrzeugquerrichtung soll der zur Methodikentwicklung herangezogenen Lastfall eine alltägliche Relevanz bei Straßenfahrten aufweisen. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Arbeit das aerodynamische und fahrdynamische Verhalten der BMW 328iA Limousine beim Überholen eines Sattelkraftfahrzeugs untersucht. Dazu wird die am Pkw während des Manövers angreifende Luftkraft in einer Strömungssimulation bestimmt. Die Zeitverläufe der aerodynamischen Anregung werden anschließend einem Zweispurmodell aufgeprägt und so die fahrdynamische Reaktion der Limousine berechnet. Im hinteren Bereich des Sattelkraftfahrzeugs wirken auf den Pkw eine positive Seitenkraft und ein negatives Giermoment. Dementsprechend bedingt die Interaktion der Fahrzeugumströmungen eine zum Lkw gerichtete Fahrzeugreaktion. Bei weiterem Voranschreiten des Manövers verzeichnet die aerodynamische Anregung einen Richtungswechsel, der auf Höhe des Führerhauses in die jeweiligen, globalen Extremwerte resultiert. Infolgedessen weist der Pkw im vorderen Bereich des Sattelkraftfahrzeugs eine maximale Gierrate und laterale Geschwindigkeit auf, wobei die fahrdynamischen Zustandsgrößen eine Lkw-abwendende Richtung besitzen.

Um die Güte der Simulationen und somit der virtuellen Methodik zu beurteilen, werden Validierungsversuche mit der BMW 328iA Limousine und dem Sattelkraftfahrzeug durchgeführt. Die experimentell ermittelte Fahrzeugreaktion und Strömungstopologie weisen während des gesamten Manövers eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen auf. Folglich gewährleistet die Methodik eine hohe Zuverlässigkeit, womit deren Entwicklung erfolgreich abgeschlossen ist.

Im Anschluss an die Methodikentwicklung werden grundlegende Parameter und Einflussfaktoren des Überholvorgangs simulativ untersucht, um so das Verständnis der physikalischen Wirkmechanismen zu erhöhen. Im Rahmen der Studien wird aufgezeigt, dass eine kostenintensive Ensemblemittelung des statistisch instationären Manövers durch die Betrachtung ausgewählter Bereiche der Fahrzeugreaktion umgangen werden kann. Durch die sukzessive Variation des anfänglichen lateralen Abstands und der Pkw-Geschwindigkeit wird ferner deren Auswirkung auf das aerodynamische und fahrdynamische Verhalten der Limousine herausgestellt. Bei den Untersuchungen bedingt ein geringerer Fahrzeugabstand einen betragsmäßigen Anstieg der extremalen Anregung und Reaktion des Pkw. Die Fortbewegungsgeschwindigkeit beeinflusst neben dem Betrag auch die Wirkdauer der angreifenden Luftkraft. Dadurch weist die Limousine bei der niedrigsten Längsgeschwindigkeit die geringsten Extremwerte der Seitenkraft und des Giermoments, aber gleichzeitig die stärkste Fahrzeugreaktion auf. Des Weiteren wird der Einfluss der Pkw-Heckgestalt auf das Überholmanöver untersucht. Dabei wird aufgezeigt, dass Finnen im Bereich der C-Säulen eine Verbesserung und eine mittige Heckfinne eine Verschlechterung des querdynamischen Verhaltens der Limousine bewirken. Als souveränste Maßnahme geht eine Vollheckkontur aus den Studien hervor.

Für einen abschließende Betrachtung werden die vier Heckvarianten in einer straßenähnlichen Umgebung bei zeitlich konstantem Schiebewinkel simuliert. Bei den quasistationären Untersuchungen treten abweichende Tendenzen und Rangfolgen im Vergleich zu dem statistisch instationären Lastfall auf. Aufgrund der rein aerodynamischen Betrachtungsweise ist ferner die Beurteilung der Varianten bei einer gegenläufigen Entwicklung von Seitenkraft und Giermoment sehr eingeschränkt. Aus diesen Gründen sollte das querdynamische Fahrzeugverhalten nicht mit Hilfe generischer Ersatzversuche, sondern an dem zu optimierenden Lastfall, bei Betrachtung von aerodynamischer Anregung und fahrdynamischer Fahrzeugreaktion, untersucht werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Conventional aerodynamic vehicle development customarily takes place with statistically stationary inflow, with the car's longitudinal axis in parallel to the main flow. However, typical on-road conditions are quite different with natural wind gusts and flow fields of other vehicles causing statistically unsteady flow conditions, which often generate a lateral dynamic reaction of the car. The fluid mechanical effects and their impact on the vehicle's driving dynamics cannot be reliably reproduced on test stands or with numerical simulations. In this work, the development and validation of a virtual methodology is presented for the calculation, analysis and optimization of the aerodynamic and driving dynamic behaviour of passenger cars under realistic vehicle excitation. As a prerequisite to develop a virtual methodology, the simulation quality of different numerical methods is initially evaluated to establish a reliable flow solver. For validation, statistically stationary wind tunnel experiments are performed with a DrivAer vehicle model in straight and yaw angle flow conditions. The validation of the corresponding simulations is based on measurements of numerous flow variables, which enables a comprehensive assessment of the simulation quality. On this basis, an IDDES method based on the k-ω-SST model is selected and its suitability for the calculation of statistically unsteady vehicle flows is then evaluated. For validation, wind tunnel experiments with dynamically deflected core flow are carried out. The corresponding numerical simulations show a very good agreement with the vehicle reaction forces determined from the wind tunnel. By changing the numerical simulation conditions, it is shown that the deflection of the core flow in the wind tunnel causes an interaction between the wind tunnel shear layer and the vehicle. Consequently, this methodology is not suitable to evaluate the aerodynamic vehicle behaviour since it does not mimic on-road conditions. Since the methodology development should be carried out with a real vehicle, the knowledge gained for the design of numerical simulations is transferred to a BMW F30 328iA sedan. To validate the simulation setup, wind tunnel experiments are carried out with the vehicle placed straight and at yaw. There is good correlation between the experiments and simulations. Therefore, the aerodynamic model of the sedan can be used for further investigations. In addition to simulating the lateral excitation of a vehicle due to aerodynamics, the methodology should be applicable to everyday driving conditions. Therefore, the study examines the aerodynamic and vehicle driving dynamics behaviour of a BMW 328iA sedan while overtaking an articulated semi-trailer truck in parallel. The temporal course of the aerodynamic excitation is then used as simulation input into a two-track vehicle model to calculate the driving response of the sedan. When the vehicle is adjacent to the rear end of the trailer, there is a positive side force and a negative yaw moment acting on the car. Accordingly, the interaction of the vehicle flow fields causes a vehicle reaction directed towards the truck. As the manoeuvre progresses, the direction of the aerodynamic excitation changes pushing the sedan away and is strongest when the car is level with the truck's cab. Ahead of the truck, the car experiences a maximum yaw moment and side force, whereas the vehicle reaction is directed away from the truck. In order to assess the quality of the simulations and thus of the virtual methodology, validation experiments are carried out with the BMW 328iA sedan and the semi-trailer truck. The experimentally determined vehicle reaction and the flow topology are in a very good agreement with the simulation results throughout the maneuver. Consequently, the methodology provides a high level of reliability, ensuring that its development has been successfully completed. Following the methodology development, basic parameters and influencing factors of the overtaking process are investigated in simulations in order to increase the understanding of the physical mechanisms. The studies show that a cost-intensive ensemble averaging of the statistically unsteady manoeuvre can be avoided by examining selected areas of the vehicle's dynamic reaction. The effect on the aerodynamic and driving behaviour of the sedan is examined by successively varying the initial lateral distance and the overtaking velocity. Decreasing the distance to the truck increases in the magnitude of the aerodynamic excitation and dynamic reaction. In addition to changing the magnitude of the aerodynamics forces, the overtaking velocity also influences the duration in which these forces act upon the sedan. As a consequence, at the slowest overtaking velocity, the sedan has the lowest extreme values of side force and yaw moment, but the driving dynamic reaction of the car is the strongest. Furthermore, the influence of the passenger vehicle's rear geometry on the overtaking manoeuvre is investigated. Results from the study show, that fins in the C-pillar region improve the vehicle stability, while a single central rear fin causes a deterioration of the lateral dynamic behaviour. The most stable vehicle behaviour is observed for a squareback geometry. For a concluding observation, the four vehicle variants are simulated at temporally constant yaw. In comparison to the statistically unsteady overtaking manoeuvre, deviating tendencies and rankings occur in the quasi-stationary studies. In addition, the evaluation of variants with opposing developments of side force and yaw moment using a conventional aerodynamic approach is very limited. Therefore, the lateral dynamic vehicle behaviour should not be investigated on the basis of generic conventional tests, but should be optimized using a realistic scenario which considers the aerodynamic excitation and vehicle dynamic response.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 15 Jul 2020 12:48
Last Modified: 16 Jul 2020 07:13
DOI: 10.25534/tuprints-00011646
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-116468
Referees: Jakirlic, Apl. Prof. Suad and Schäfer, Prof. Dr. Michael and Schütz, Hon.-Prof. Thomas
Refereed: 11 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11646
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