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Development of a Numerical Methodology for Water Management Simulations of Passenger Cars

Ade, Michael :
Development of a Numerical Methodology for Water Management Simulations of Passenger Cars.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development of a Numerical Methodology for Water Management Simulations of Passenger Cars
Language: English
Abstract:

It is well-known that when driving in rainy conditions the sight of the driver is reduced. As a result, either the risk of accidents rises or a higher concentration, accompanied with an increased stress level, is demanded by the driver. With the aim for an earlier development of appropriate water management concepts in advance of wind tunnel tests, a numerical strategy is elaborated in this study, based on the CFD-Software Star-CCM+. In order to consider both the small scales of interfacial physics and the large length and time scales of a full vehicle, a combination of the different modelling strategies is proposed: Lagrangian Multiphase, Fluid Film and Volume of Fluid. One essential phenomena is splashing due to droplet impingement on wetted surfaces. To enable the development of an impingement model specifically designed for the influencing factors on the wing mirror, spray impingement on a hemisphere is studied fundamentally in a small vertical wind tunnel. Apart from the deposited mass ratio, the primary droplets are characterized by the Phase Doppler technique above the hemisphere and the secondary droplets next to it. By a numerical calculation of the trajectories between measurement location and hemisphere, their direct correlation at the hemispherical surface is determined. Comprehensive investigations are also performed for the aerodynamic force on rivulets located in the boundary layer. Following a theoretical approach for the force calculation, the possibility of considering the dominating form drag force in the two-dimensional Fluid Film model is elaborated. This force is now implemented in Star-CCM+ and can be used to predict the propagation of rivulets on the side window. For different contact angles and wind speeds, very good agreement is achieved with the corresponding wind tunnel tests, where a point injector introduces well-defined rivulets on the side window. Finally, a new state-of-the-art for water management simulations of passenger cars is extensively described for the wing mirror, windshield with wiper, a-pillar and side window and their results are compared with appropriate wind tunnel tests.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Sichtbeeinträchtigung bei Regen mit den negativen Folgen einer erhöhten Unfallgefahr und eines gesteigerten Stressfaktors ist eine alltägliche Erfahrung eines jeden Autofahrers. Mit dem Ziel, geeignete Konzepte künftig bereits vor möglichen Windkanalversuchen zu entwickeln, wird in dieser Arbeit mit der CFD-Software Star-CCM+ eine Simulationsstrategie für das PKW-Wassermanagement erarbeitet. Diese sieht eine kombinierte Anwendung der Mehrphasenmodelle Lagrangian Multiphase, Fluid Film und Volume of Fluid vor, um sowohl die kleinskalige Grenzflächenphysik als auch die großen Längen- und Zeitskalen des Fahrzeugs zu berücksichtigen. Ein wesentliches Phänomen ist das Zerplatzen von Tropfen durch den Aufprall auf benetzte Oberflächen. Für die Entwicklung eines speziell auf die Einflussbedingungen am Außenspiegel abgestimmten Tropfenaufprallmodells wird in einem vertikalen Modellwindkanal der Sprayaufprall auf eine Halbkugel grundlegend untersucht. Neben dem deponierten Wasseranteil werden darin die Primärtropfen über und die Sekundärtropfen neben der Halbkugel mit dem Phasen-Doppler-Verfahren vermessen. Durch eine numerische Trajektorienberechnung zwischen Messpunkt und Halbkugel wird deren direkter Zusammenhang auf der Aufpralloberfläche ermittelt. Außerdem wird die aerodynamische Kraft auf Rinnsale in der Grenzschicht ausführlich behandelt. Neben theoretischen Betrachtungen zur Kraftberechnung wird eine Möglichkeit erarbeitet, wie der hierbei dominierende Anteil des Formwiderstandes im zweidimensionalen Fluid Film Modell berücksichtigt werden kann. Diese mittlerweile in Star-CCM+ implementierte Kraft kann für die Rinnsalberechnung auf der Seitenscheibe eingesetzt werden. Dabei werden für verschiedene Kontaktwinkel und Windgeschwindigkeiten sehr gute Übereinstimmungen mit den im Windkanal unter Verwendung eines Punktinjektors erzeugten Rinnsalen erzielt. Abschließend wird ein neuer Stand der Technik für die Wassermanagementsimulation von Außenspiegel, Windschutzscheibe mit Wischer, A-Säule und Seitenscheibe ausführlich beschrieben und die dabei erzielten Ergebnisse werden mit geeigneten Windkanalversuchen verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 21 Aug 2019 06:48
Last Modified: 21 Aug 2019 06:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88139
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Muzaferija, Prof. Dr. Samir and Roisman, Apl. Prof. Ilia V.
Refereed: 29 May 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8813
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