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Numerische Modellierung der Aerodynamik der PKW-LKW Überholvorgänge mittels wirbelauflösender Turbulenzmodelle

Kutej, Lukas (2021):
Numerische Modellierung der Aerodynamik der PKW-LKW Überholvorgänge mittels wirbelauflösender Turbulenzmodelle. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019674,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Numerische Modellierung der Aerodynamik der PKW-LKW Überholvorgänge mittels wirbelauflösender Turbulenzmodelle
Language: German
Abstract:

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

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Computational modeling of the aerodynamics of the car-truck overtaking process by means of eddy-resolving turbulence models From the fluid mechanics point of view, overtaking a truck by a car is an extremely complex process, characterized by a multiplicity of flow phenomena and cannot be successfully solved without a prior knowledge. Before a flow simulation of the overtaking maneuver is carried out, the problem of the flow around the vehicle must first be understood and, subsequently, a numerically relevant simulation model must be selected. One of the primary goals of the present work is therefore the checking of the predictive capabilities, credibility and reliability of the adopted eddy-resolving modeling strategy in connection to the corresponding numerical procedure in such a complex flow situation. Preliminary, a grid study has been carried out by means of computing a somewhat simplified BMW 5 series car model (down-scaled to 1:2.5) regarding the effects of spatial and temporal resolution on the quality of results. As part of this "must study", the sensitivity of the simulation results to different grid arrangements and grid sizes can be examined relatively fast. The results obtained are mutually compared. A suitable grid is then selected that contains as few cells as possible, but ensuring at the same time an adequate results quality. The resulting grid setting was then adopted and a simulation accounting for a detailed BMW 5-series car geometry (among other things regarding the underbody) has been performed. The reference experiment, carried out in the BMW AG wind tunnel, with which the simulation results have been compared, considered at first an isolated single BMW 5-series vehicle model, but then also a "quasi-stationary" overtaking process, in which eight fixed positions of the car relative to the truck were mapped. A flow was simulated with and without accounting for the boundary layer suction. Finally, a road measurement of the overtaking process with moving real vehicles was carried out, which was also numerically reproduced on a model scale. All these cases were numerically simulated according to the experimental operating conditions. The boundary layer suction is represented by a suitable boundary condition. A dynamic overtaking maneuver on the road is reproduced by utilizing the code feature dealing with a deforming and moving grid, in accordance with the method based on the so-called "space conservation law". The car-truck interactions in the static and dynamic considerations possess different effects having a corresponding influence on the drag coefficients and moments, which was also discussed in more detail. Numerically, two considerations were pursued with regard to the flow domain to be taken into account: on the one hand, the calculation domain designed in the form of a regular hexahedron with appropriately defined inlet, outlet and symmetry boundary conditions was adopted and, on the other hand, a flow domain was designed coinciding exactly with the shape and dimensions of the wind tunnel. As indicated above, an adequate turbulence model in the context of a suitable simulation strategy represents an important part of this work. The work on the development of the so-called hybrid RANS/LES (Reynolds-Averaged Navier-Stokes / Large-Eddy simulation) models experienced great intensification in recent years. The highly complex, interacting fluid mechanics phenomena that characterize the transient vehicle aerodynamics under fully turbulent conditions put high demands on turbulence modeling. For this reason, an advanced RANS four-equation model, based on the concept of eddy viscosity, was adopted, which describes the dynamics of the unresolved residual turbulence in the context of the so-called eddy-resolving PANS method (Partially-Averaged Navier Stokes). The model represents one of the modeling highlights of the FIRE code by the AVL List GmbH (Graz, Austria), which is based on the finite-volume numerical method, and with which all calculations were carried out. For comparison purposes, both stationary and unsteady RANS calculations were carried out. With respect to the results evaluation, the main focus was on the distribution of the surface pressure and the resulting aerodynamic forces, which are interpreted in the form of their coefficients and acting moments. These are the properties that most directly determine the aerodynamic behavior of the vehicle configuration including vehicle stability. The capability of the PANS method in capturing the fluctuating turbulence to a corresponding level, is reflected in the quality of the results obtained, when compared to the outcome of conventional RANS calculations. The PANS results show a high degree of agreement with the experimentally determined data. The interpretation of the results is further enriched by the presentation and associated discussion of the instantaneous and time-averaged flow fields (iso-surfaces; vortex visualization through the Q criterion) in their entirety. The presentation of the results was accompanied by corresponding quality assessments with respect to the numerical method accuracy (such as the order of the spatial and temporal discretization) as well as to the correct capturing of the physics of the turbulence (in regard, among other things, to the relationship between the characteristic grid spacing and the Kolmogorov's length scale).

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXIV, 246 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 22 Oct 2021 07:07
Last Modified: 22 Oct 2021 07:08
DOI: 10.26083/tuprints-00019674
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-196742
Referees: Jakirlic, Prof. Dr. Suad ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Refereed: 4 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19674
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