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Die Optimierung des Luftwiderstands in der Fahrzeugaerodynamik unter Anwendung der Adjungiertenmethode

Behnsch, Martin (2021):
Die Optimierung des Luftwiderstands in der Fahrzeugaerodynamik unter Anwendung der Adjungiertenmethode. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017608,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Die Optimierung des Luftwiderstands in der Fahrzeugaerodynamik unter Anwendung der Adjungiertenmethode
Language: German
Abstract:

Die Aerodynamikentwicklung eines Kraftfahrzeugs ist ein komplexer Vorgang, der eine Vielzahl von Aufgaben und Zielen umfasst. Sie muss unter anderem einen möglichst niedrigen Luftwiderstandsbeiwert zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs erzielen sowie die Kühlluftzufuhr für wichtige Komponenten des Fahrzeugs sicherstellen. Infolge eines hohen technologischen Fortschritts sind die erforderlichen Optimierungen bestehender und die Entwicklung neuer aerodynamischer Maßnahmen sehr herausfordernd. Zum Zweck der Optimierung genutzte Entwicklungswerkzeuge sollten daher flexibel und ressourcenschonend einsetzbar sein. Für solche Werkzeuge können gradientenbasierte Methoden eine sehr gute Grundlage darstellen. Als eine dieser Methoden bietet die Adjungiertenmethode die Vorteile, dass die Ermittlung der Gradienten nicht von der Anzahl der Parameter oder Variablen abhängt, welche eine zu optimierende, aerodynamische Form beschreiben und dass die Zielgrößen bzw. Zielfunktionen sehr variabel wählbar sind. Damit bietet sie ein großes Potential für Anwendungen in der Fahrzeugaerodynamik. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Untersuchung adjungierter Turbulenz im kontinuierlichen Adjungiertenverfahren. Dazu werden die Adjungiertengleichungen zu zwei Turbulenzmodellen im Strömungslöser OpenFOAM implementiert und auf eine vereinfachte, dreidimensionale durchströmte Geometrie angewendet. Den Abschluss dieser Untersuchung bildet die Optimierung dieser Geometrie, einmal unter Anwendung eines der adjungierten Turbulenz-Modelle und zum Vergleich unter Anwendung des Frozen-Turbulence-Ansatzes. Schließlich folgt noch die Diskussion der daraus resultierenden Ergebnisse. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Anwendung eines kontinuierlichen Adjungiertenverfahrens mit dem Frozen Turbulence-Ansatz auf einen skalierten Modellmessträger eines BMW F20 mit dem Ziel, die ermittelten Sensitivitäten durch Versuche im Windkanal zu validieren. Dazu wird zunächst ein geeignetes CFD-Setup entwickelt. Anschließend werden die damit ermittelten Sensitivitäten dazu genutzt, in einer CAE-Umgebung Optimierungsmaßnahmen durch Morphing der Außenhaut des Modellmessträgers zu entwickeln. Die daraus resultierenden Formen werden anschließend durch ein 3D-Druckverfahren gefertigt. Schließlich wird der Modellmessträger in einer finalen Versuchsreihe im AEROLAB der BMW Group sowohl in seiner Ausgangskonfiguration als auch mit den montierten Optimierungsmaßnahmen vermessen, um die daraus resultierende Differenz des Luftwiderstands zu erfassen. Trotz der Beschränkung auf relativ kleine Formänderungen der Außenhaut infolge der Maßnahmen reduziert sich der Luftwiderstand des Messträgers bei einer signifikanten Zahl der final untersuchten Fälle, was auch im Anschluss daran durchgeführte CFD-Simulationen für eine Vielzahl der Maßnahmen bestätigen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The aerodynamic development of a motor vehicle is a complex process that encompasses a variety of tasks and objectives. Among other things, it must achieve the lowest possible air drag to reduce fuel consumption and ensure the cooling air supply for important components of the vehicle. As a result of high technological progress, the necessary optimizations of existing and the development of new aerodynamic measures are very challenging. Development tools used for optimization should be flexible and resource-conserving. For such tools, gradient-based methods can be a very good basis. As one of these methods, the adjoint method offers the advantage that the determination of gradients does not depend on the number of parameters or variables that describe the aerodynamic form to optimize and that the objective functions can be selected variably. Hence it offers great potential for application in vehicle aerodynamics. The first part of this work deals with the study of adjoint turbulence in the continuous adjoint method. For this purpose, the adjoint equations for two turbulence models are implemented in the flow solver OpenFOAM and applied to a simplified, three-dimensional flow geometry. The conclusion of this study is the optimization of this geometry, once using one of the adjoint turbulence models and once for comparison the Frozen Turbulence approach. Finally, there is the discussion of the results. The second part of the work involves the application of a continuous adjoint method with the Frozen Turbulence approach to a scaled model of a BMW F20 with the aim of validating the determined sen-sitivities by wind tunnel tests. For this purpose, at first a suitable CFD setup is developed. Subsequently, the sensitivities determined are used to develop optimization measures in a CAE environment by morphing the shell of the model. The resulting forms are then produced using a 3D printing process. Finally, in a final series of tests in the BMW Group's AEROLAB, the model is investigated both in its initial configuration and with the mounted optimization measures in order to detect the resulting difference in drag. Despite the limitation to relatively small shape changes of the outer skin as a result of the measures, the air resistance of the model is reduced in a significant number of the investigated cases, which is also confirmed by subsequent CFD simulations for a large number of measures.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ix, 115 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 23 Apr 2021 06:57
Last Modified: 23 Apr 2021 06:57
DOI: 10.26083/tuprints-00017608
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176080
Referees: Jakirlić, Apl. Prof. Suad and Gauger, Prof. Dr. Nicolas R. and Schütz, Hon.-Prof. Thomas
Refereed: 14 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17608
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