Die Katze auf dem Sprung

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In drei Schritten zum Ziel

An der Hochschule Coburg konnte für diese Entwicklung auf neueste Verfahren und modernste Ressourcen zurückgegriffen werden. Neben Ansys Workbench und darauf aufbauender Simulationssoftware stand dem Renn-Team ein moderner Motorprüfstand zur Verfügung, um die Entwicklungen vor den Fahrversuchen zu überprüfen.

Airbox beeinflusst Motorverhalten

Das Ansprechverhalten des Motors, d.h. bei welcher Drehzahl welches Drehmoment entwickelt wird, wird maßgeblich von der Gestaltung der Airbox beeinflusst. Ist die Strömung in der Airbox ungünstig, d.h. ist die Strömung stark verwirbelt und abgelöst, erhöht sich der Gesamtwiderstand und der maximale Massenstrom im System bzw. durch den Restriktor wird entsprechend reduziert. Das Ergebnis: Der Motor reagiert langsam und entwickelt nicht das gewünschte Drehmoment.

Iterativer Entwicklungsprozess

Die Erstdimensionierung lässt sich bereits nach den Gesetzen der Gasdynamik berechnen, so dass das Ansaugsystem rein theoretisch den größtmöglichen Massenstrom entwickelt. Im Restriktor herrscht dann der sogenannte kritische Zustand, die Machzahl ist gleich eins. Eine genaue Überprüfung und Bestimmung des tatsächlichen Massenstroms im Ansaugsystem ist nur mittels der numerischen Strömungssimulation mit Ansys CFX möglich, da die theoretische Gasdynamik weder Ablösungen noch dreidimensionale und viskose Effekte der Strömung vorhersagen kann.

Die Entwicklung der Airbox erfolgte somit in drei Schritten:

• Im ersten Schritt wurde das System auf der Grundlage der Gleichungen für die theoretische Gasdynamik komplett durchgerechnet und als solches in einem Excel-Tool abgebildet. Für einen gegebenen Massenstrom sind hier Größen wie die Machzahl, Enthalpie, die Dichteänderung und der entsprechende Flächenverlauf von Bedeutung. Die berechneten Hauptabmessungsdaten wurden dann an das CAD-System Solidworks übergeben, um das Volumenmodell zu erzeugen.

• Die eigentliche Optimierung per Simulation erfolgte dann in Ansys Workbench. Über die CAD-Schnittstelle wurde ein Parametermodell in der Workbench erzeugt. Nach Erstellung einer Variantentabelle – der sogenannten Tabelle der Konstruktionspunkte (Design Points) – erledigt die Workbench zunächst die Arbeit alleine. Bei jedem neuen Parametersatz oder Design Point werden diese Daten über die Ansys-Solidworks-Schnittstelle ans CAD-System übergeben und dann die neue Geometrie generiert. Diese wird dann automatisch an die Workbench zurückgegeben.

• Die Ansys Workbench übernimmt dann die Gittergenerierung und die Lösung über den CFD Solver ganz eigenständig. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle vorgegebenen Varianten und Design Points abgearbeitet sind. Die Vorgehensweise in der Workbench ist also äußerst effektiv und bedienerfreundlich.

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