Anwendungen für Mehrphasen-CFD am Fahrzeugexterieur

In der Automobilindustrie werden einphasige Strömungssimulationen seit vielen Jahren zur Aerodynamik- und Aeroakustikentwicklung eingesetzt. Sie gewähren einen detaillierten Einblick in das Strömungsfeld und helfen bei der Optimierung des Luftwiderstands und des Innenraumpegels in frühen Phasen des Fahrzeugentwicklungsprozesses. Daneben spielen zweiphasige Strömungssimulationen eine zunehmende Rolle, z. B. bei der Funktion der Scheibenwischer, der Sichtfreihaltung von Scheiben, der Reinigung von Sensoren oder dem Abtropfen von Regenwasser beim Öffnen von Türen und Klappen. Solche Mehrphasenströmungen sind jedoch weitaus komplexer und weniger gut verstanden. BMW arbeitet zusammen mit der TU Darmstadt an der Weiterentwicklung von Simulationsmethoden zur frühzeitigen Analyse und Auslegung des externen Wassermanagements.

Im vorliegenden Beitrag werden drei Anwendungsfälle mit zweiphasigen Strömungen betrachtet. Der erste Anwendungsfall umfasst die Beaufschlagung der Frontscheibe mit Regenwasser, dessen Verdrängung durch die Scheibenwischer und das Abfließen des Wassers. Beim zweiten Anwendungsfall wird das Ablaufverhalten von Regenwasser am stehenden Fahrzeug berechnet und überprüft, ob und wie das Wasser beim Öffnen der Heckklappe in den Fahrzeuginnenraum abtropft. Der letzte Anwendungsfall betrifft die Reinigung von Sensoren zur Fahrzeugumfeldüberwachung im Rahmen des teil-, hoch- und vollautomatisierten Fahrens. Damit das Reinigungsmedium jederzeit effizient seinen Zweck erfüllt, wird das Sensorreinigungssystem simulativ optimiert. Für alle drei Anwendungsfälle werden die zugrundeliegenden Methoden erläutert, Simulationsergebnisse präsentiert und ein Abgleich mit experimentellen Daten zur Validierung durchgeführt.

In the automotive industry single-phase flow simulations have been used during the aerodynamic and aeroacoustic development for years. They provide a detailed insight into the flow field and help to optimize drag and interior noise level in early stages of the vehicle design process. However, two-phase flow simulations play an increasing role, e.g. to optimize the function of windshield wipers, the wetting of windows, the cleaning of sensors or the dripping of rainwater while opening doors and flaps, and these flows are much more complex and less understood. BMW is working together with TU Darmstadt on the improvement of simulation methods for early analysis and design of external water management.

In this article three applications involving two-phase flows are considered. The first application pertains to the impact of rainwater on the windshield, its displacement by the wipers and the draining of the water. In the second application, the drainage behavior of rainwater on a stationary vehicle is studied, in particular whether and how the water drips into the vehicle interior when the tailgate is being opened. The last application concerns the cleaning of sensors which monitor the surroundings of a vehicle in the context of partially, highly and fully automated driving. To ensure that the cleaning fluid efficiently fulfils its purpose at all times, the sensor cleaning unit is optimized using simulations. For all three applications the underlying methods are explained, simulation results are presented, and a comparison with experimental data for validation is performed.