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Simulation Simulation realistischer Aerodynamik spart Zeit und Kosten

| Autor / Redakteur: David Forbes & Gary Page / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Bei der Aerodynamik von Autos liegt der Fokus stark auf der Reduktion des Luftwiderstands. Wenn Autos leichter werden, werden sie anfälliger für instationäre Ereignisse wie Seitenwind, die sich in einem Windkanal nur sehr schwer nachstellen lassen. Technische Simulationssoftware wie Star-CCM+ können wertvolle Einsichten liefern.

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Ein Forschungsprojekt zeigt, dass die Kopplung der Simulationssoftware Star-CCM+ mit Matlab umfassende und realistische Fahrzeugsimulationen ermöglicht.
Ein Forschungsprojekt zeigt, dass die Kopplung der Simulationssoftware Star-CCM+ mit Matlab umfassende und realistische Fahrzeugsimulationen ermöglicht.
(Bild: Loughborough University)

In diesem Artikel wird eine dynamische Kopplung zwischen der CFD-Simulation in Star-CCM+ und dem Fahrzeughandling sowie Fahrermodellen in Matlab erstellt, um die realistische Bewegung des Fahrzeugs in seiner Federung zu simulieren. Die Arbeit war Teil des Programme for Simulation Innovation (PSI) von Jaguar Land Rover und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

Die Modelle

Für die CFD-Simulation wurde die CAD-Geometrie des generischen PKW-Modells DrivAer eingesetzt (Bild 1). Dieses wurde am Institut für Aerodynamik und Fluidmechanik der Technischen Universität München entwickelt, um aerodynamische Untersuchungen an PKW zu vereinfachen. DrivAer schließt die Lücke zwischen stark vereinfachten Modellen wie den SAE- oder Ahmed-Körpern und hochkomplexen realen Fahrzeugen. Um für reale Anwendungen repräsentativ zu sein, wird das Modell im vollen Maßstab behandelt und enthält rotierende Räder. Das Modell ist aus etwa 20 Millionen Hexaederzellen aufgebaut (Bild 2).

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Das Matlab-Handlingmodell wurde an der Universität Loughborough für den universitätseigenen Fahrsimulator vom Typ Stewart mit in sechs Freiheitsgraden beweglicher Plattform entwickelt. Es ist ein umfassendes und realistisches Dynamikmodell, das das gesamte Fahrwerksystem und die Reaktionen des Fahrers enthält. Ist das Fahrzeug Seitenwind ausgesetzt, können die Resonanzfrequenzen des Autos dazu führen, dass der Fahrer reagiert, wodurch die Fahrzeugbewegung gedämpft oder verstärkt wird. Ein Ziel der Untersuchung ist es, genau diese Frequenzen zu identifizieren, um die Seitenwindstabilität des Wagens zu verbessern.

Kopplung von Star-CCM+ und Matlab

Star-CCM+ und Matlab lassen sich auf verschiedene Weisen koppeln:

  • Bei der ersten Methode wird in Star-CCM+ ein Set von stationären Lösungen bei verschiedenen Gierwinkeln berechnet, mittels Interpolation wird dann eine generische Reaktion auf den Seitenwind definiert. Diese Reaktion wird in das Matlab-Modell eingespeist. Das ist wohl die einfachste Methode, die Reaktion auf Seitenwind abzuschätzen.
  • Die zweite Möglichkeit ist die Durchführung einer transienten CFD-Simulation, was einen transienten Verlauf der Kräfte ergibt, die wiederum in das Handlingmodell eingespeist werden.
  • Die dritte Methode ist eine vollständige Kopplung: Aerodynamische Daten aus der CFD-Simulation werden an das Handlingmodell geschickt und das Handlingmodell liefert im Gegenzug Positionsdaten für jeden Zeitschritt (Bild 3).

Die beiden ersten Methoden werden Einwegkopplung genannt: das System ist nicht geschlossen, die Daten aus dem Handlingmodell – die durchaus die Aerodynamik beeinflussen können – werden nicht in das CFD-System zurückgespeist. Es fand viel Forschung zu beiden Kopplungsarten statt, allerdings ist die Nutzung einer bidirektionalen, geschlossenen Kopplung eher neu. Es muss sich noch erweisen, ob der geringe Aufwand der Einwegkopplung die Ungenauigkeiten aufwiegt oder ob eine volle Kopplung für solche Simulationen notwendig ist.

CFD-Simulation auf HPC-Systemen

In diesem Fall wurde die direkte Kopplung über ein Java-Makro hergestellt, das Star-CCM+ mit Matlab verbindet und den Datenaustausch zu jedem Zeitschritt ermöglicht. Ein großer Vorteil dieser Lösung ist, dass die CFD-Simulation dabei auf einem großen HPC-System laufen kann, während das Matlab-Handlingmodell auf einer lokalen Maschine läuft. Dies macht es möglich, einen Teil der Simulation auf der anderen Seite des Erdballs laufen zu lassen und das Handlingmodell gleichzeitig lokal zu steuern.

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