Simulation Simulation sorgt für freie Sicht nach hinten

Autor / Redakteur: Jonathan Jilesen / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

In der Entwicklung können die Ingenieure damit die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf den Kraftstoffverbrauch und gleichzeitig auf die Heckverschmutzung bewerten.

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3D-Simulation können die Entwickler gleichzeitig die aerodynamische Effizienz des Fahrzeugs verbessern und die Verschmutzungsneigung am Heck verringern.
3D-Simulation können die Entwickler gleichzeitig die aerodynamische Effizienz des Fahrzeugs verbessern und die Verschmutzungsneigung am Heck verringern.
(Bild: Exa)

Kundenwünsche und gesetzliche Anforderungen im Hinblick auf geringen Kraftstoffverbrauch von Pkw rücken die Fahrzeug-Aerodynamik mehr in den Mittelpunkt. Bei SUVs führt das zu niedrigeren Fahrzeughöhen, glatteren Unterböden und dem Einziehen von Seitenwänden, Dach und Unterboden am Fahrzeugheck, dem sogenannten „Boat-Tailing“. Aber all dies kann die Verschmutzungsneigung am Fahrzeugheck erhöhen und so Sicherheit und Ästhetik beeinträchtigen. Zwar können Schmutz und Wasser von diesem Bereich des Fahrzeugs nicht vollständig ferngehalten werden, allerdings lässt sich die Verunreinigung des Hecks durch die Strukturierung der hinteren Nachlaufströmungen des Fahrzeugs kontrollieren. Mit einer 3D-Simulation können die Entwickler gleichzeitig die aerodynamische Effizienz des Fahrzeugs verbessern und die Verschmutzungsneigung am Heck verringern.

Sicherheit durch Rückfahrkameras

Rückfahrkameras sind eine wichtige Sicherheitseinrichtung. In den USA kommt es durchschnittlich zu 210 Todesfällen durch Rückfahrunfälle jährlich, daher sind dort Kameras für alle sogenannten Light Vehicles gesetzlich vorgeschrieben. Strenge Regeln definieren ihr Sichtfeld mit einer Größe von 3 x 6 m hinter dem Fahrzeug, was am kostengünstigsten mit einer Kamera in der Mitte des Hecks in der Nähe des Nummernschilds erreicht wird.

Simulation ist physikalischen Tests überlegen

Physikalische Tests allein können das Problem der Kameraverschmutzung nicht lösen. Untersuchungen auf der Straße erfordern einen fahrbaren Prototyp, der zumeist erst spät im Entwicklungszyklus verfügbar ist, wenn das Design schon festgelegt ist. Klimakanalerprobungen können die Realbedingungen auf der Straße wie vorgelagerte Verwirbelungen oder Turbulenzen bei Gierbewegungen nicht erfassen, die die Fahrzeugverschmutzung beeinflussen können.

Lösung zur Vorausberechnung der Verschmutzung

Aufgrund dieser Einschränkungen ist die Simulation die einzig tragfähige Option. Power-Flow von Exa bietet eine validierte Lösung zur Vorausberechnung der Verschmutzung des Fahrzeughecks: Anhand hochgenauer Strömungsberechnungen liefert das Tool eine genaue Simulation der realen Straßenbedingungen inklusive vorgelagerter Turbulenzen und Gierbewegungen. In der Entwicklung können die Ingenieure damit die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf den Kraftstoffverbrauch und gleichzeitig auf die Heckverschmutzung bewerten.

Beispiel Heckdiffusor

Der hintere Diffusor hat im Allgemeinen die Aufgabe, die Nachlaufströmung am Fahrzeugheck zu optimieren, indem er den Luftstrom kanalisiert, der den Unterboden verlässt, um ihn an den Abwind vom Dach anzupassen. Dazu vergrößert er die Druckerholung am hinteren Stoßfänger, indem er die Strömung verlangsamt, die an der Unterbodenoberfläche des Fahrzeugs anliegt.

Eine Anpassung der Form des Diffusors und des Dachspoilers kann eine ausgewogene untere Nachlaufströmung mit optimaler Druckerholung bewirken. In einer gut ausgeglichenen Strömung sind die oberen und unteren Wirbel der hinteren Nachlaufströmung in Stärke und Größe etwa gleich. Demgegenüber führt ein Design, bei dem die obere Strömung dominiert, dazu, dass der obere Wirbel die Strömung zu stark vom Dach herunterzieht. Dadurch wird die Dynamik der Nachlaufströmung erhöht, was den Luftwiderstand des Fahrzeugs verschlechtert. Im mehr ausbalancierten Szenario versetzen die oberen und unteren Wirbel den ab- und aufwärtsgerichteten Strom im gleichen Maße in Drehbewegung und leiten dabei die Strömung in Richtung der hinteren Fläche, was die Gesamtdruckerholung unterstützt.

Alternativlösungen dank Simulation

Simulationen bieten eine Möglichkeit, innovative Alternativlösungen zu finden. Im vorliegenden Beispiel wurde der Diffusor besser abgestimmt und produziert eine ausgewogene Nachlaufströmung. Die Optimierung des Strömungswiderstands macht zwar nur ein halbes Prozent des Gesamtluftwiderstands aus: Ein kleiner Unterschied, der aber einen großen Einfluss auf die Struktur der Nachlaufströmung hat. Beim Fahrzeug links wird mehr Luft die unter dem Fahrzeug in Richtung des Nummernschildbereichs geleitet, wo die Rückfahrkamera ist.

Simulation von Ursache und Wirkung

Die Simulation mit Power-Flow kann Ursache und die Wirkung im Zusammenspiel von Aerodynamik und Verschmutzung darstellen, indem sie die Bewegung einzelner Partikel im aufgewirbelten Wasser verfolgt. Die Bahn eines Teilchens reicht vom Reifen, wo es zum ersten Mal emittiert wurde, bis zum Fahrzeugheck. Diese Simulationen helfen, wichtige Strömungsstrukturen und die Oberflächen des Fahrzeugs zu identifizieren, die die Bewegungsbahn der Teilchen beeinflussen. Dadurch wird ein komplexeres Bild als durch eine zeitlich gemittelte Strömung erzeugt, da die Teilchen einer zufälligen Bewegung in der Strömung folgen, bevor sie die Oberfläche des Fahrzeugs erreichen.

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Anhand der Simulation wird deutlich, dass nur sehr wenige Partikel von der hinteren Nachlaufströmung erfasst werden. Die meisten werden weiter nach hinten transportiert und verlassen den Bereich der fahrzeugnahen Strömung. Wenn man nur die interessierenden Teilchen betrachtet, erkennt man, dass die Partikel, die ihre Richtung umkehren und sich dem Fahrzeugheck nähern, sehr leicht sind und einen Durchmesser von etwa 1/10 mm haben. Schwerere Partikel sind nicht in der Lage, ihre Richtung zu ändern, und leichtere neigen dazu, dem fahrzeugnahen Luftstrom zu folgen und nicht an der Oberfläche anzuhaften.

Verbindung zwischen Strömung und Partikelbahn

Auf diese Weise können Verbindungen zwischen den Strömungsstrukturen und der Bahn der Partikel hergestellt werden. Im vorliegenden Beispiel werden die Teilchen stark von der unteren Ecke der Basisnachlaufströmung beeinflusst. Durch eine Visualisierung anhand einer Iso-Oberfläche in der Nachlaufströmung, die Bereiche mit hohen Energieverlusten zeigen, lassen sich die Strömungswirbel der Basisnachlaufströmung kenntlich machen. Die Unterseite des Ringwirbels wird in der Mitte nach oben gequetscht, wodurch die Strömung, die sich um diesen Wirbel herum bewegt, von der Mitte des Fahrzeugs nach außen gerichtet wird.

Auswirkungen der konstruktionsänderungen

Wenn die Unterseite des Wirbels mehr parallel zum Boden gewesen wäre, eine Form, die als aerodynamischer angesehen wird, wäre die Luft, die von der Unterseite des Fahrzeugs kam, auf die Mitte des Fahrzeugs gerichtet worden. Partikel, die sich von den Reifen des Fahrzeugs kommend dem Ringwirbel nähern, werden vom Luftstrom erfasst und zurück in Richtung des Fahrzeugshecks geleitet. Partikel, die tiefer in den Wirbelkern eindringen, können ein paar Mal um den Kern zirkulieren, bevor sie austreten und entweder entweichen oder sich auf dem Fahrzeugheck ablagern.

Die Änderungen am Diffusor, die den Luftwiderstand verringerten und die Verschmutzung der Fahrzeugrückfläche erhöhten, führten zu einem verstärkten unteren Wirbel in der hinteren Nachlaufströmung. Durch den stärkeren unteren Wirbel wurde die Unterseite des hinteren Wirbelrings abgeflacht und mehr Luft mit Schmutzpartikeln vom Unterboden des Fahrzeugs auf die Rückfahrkamera geleitet. Durch die Rückkehr zum alten Diffusordesign und die Fokussierung des Basisdrucks auf die unteren hinteren Ecken kann der Kameraregion mit minimaler Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch relativ klar und sauber gehalten werden.

Optimieren mit Power-Flow

Mithilfe der für das Problem wichtigen Oberflächen und Strömungsstrukturen, die durch Power-Flow identifiziert wurden, erhalten Ingenieure eine Vorstellung, wie man die Verschmutzungsgefahr bei nur minimaler Erhöhung des Luftwiderstands reduzieren kann. Aber das Testen alternativer Entwürfe nach der sogenannten Trial-and-Error-Methode (Versuch und Irrtum) allein kann es schwierig machen, die beste Lösung zu finden. Computergestützte Optimierungsmethoden sind effizienter und können Abhängigkeiten über mehrfache Änderungen hinweg besser beschreiben. Die Optimierungslösung von Power-Flow schafft einen Designraum mit vielen realisierbaren Änderungen. Sie berücksichtigt optische Design-Ziele ebenso wie Konstruktionseinschränkungen, wie sie beispielsweise durch die Fertigung vorgegeben sind. Das hilft Aerodynamik-Ingenieuren dabei, das Fahrzeugentwicklungsteam mit besseren Ergebnissen, wie optimalen Parameterkombinationen, „Was-wäre-wenn“-Szenarien und Einschätzungen für jede Design-Veränderung, zu unterstützen. (mz)

* Ph.D. Jonathan Jilesen, Technischer Leiter Applikation Verschmutzung und Wassermanagement, Exa

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