Um schon in einem frühen Stadium der Fahrzeugentwicklung zu einer Aussage über das Seitenwindverhalten eines Fahrzeugs zu kommen, wird dieses im Windkanal gewissen Strömungssituationen unterworfen. Dabei wird zur Darstellung einer durch Seitenwind verursachten Schräganströmung das Fahrzeug relativ zur Strömung um seine Hochachse gedreht. Bei diesem Verfahren wird jedoch die Böigkeit des natürlichen Winds mit ihren zum Teil abrupten Änderungen des Strömungswinkels nicht reproduziert, so dass auch keine Aussage über das instationäre aerodynamische Verhalten des Fahrzeugs gemacht werden kann. Dadurch ist die Relevanz der Bewertung des Seitenwindverhaltens eines Fahrzeugs unter böigem Wind stark eingeschränkt. Ferner treten schon bei gerader, stationärer Anströmung zeitlich veränderliche Kräfte zum Bespiel durch Ablösung am Heck des Fahrzeugs auf, welche aufgrund der Einschränkungen der üblicherweise verwendeten Messtechnik nicht erfasst werden können. Diese Kräfte können jedoch zu einem unruhigen Fahrverhalten führen, das vom Fahrer als Komforteinbuße beanstandet wird, da er durch permanente Lenkkorrekturen das Fahrzeug in der Spur halten muss. In vorliegender Arbeit wird eine neuartige Methode vorgestellt, die diese Nachteile der beschriebenen heutigen Vorgehensweise nicht mehr aufweist und es deshalb möglich macht, das instationäre Verhalten eines Fahrzeugs unter böigem Seitenwind zu quantifizieren. Sie umfasst sowohl die Reproduktion der Böigkeit des natürlichen Winds im Windkanal als auch die Messung der daraus am Fahrzeug angreifenden resultierenden instationären Kräfte und Momente. Zur Beurteilung der instationären Fahrzeugeigenschaften werden erstmalig die Windanregung und die Reaktion des untersuchten Fahrzeugs über eine Ein-/ Ausgangsbeziehung verknüpft. Das heißt, dass im Unterschied zu dem aus der Literatur bekannten quasi-stationären Ansatz ein kausaler Zusammenhang zwischen Windanregung und Reaktion aufgestellt wird, der mit Hilfe der Kohärenz auf seine Gültigkeit überprüft werden kann. Eine Störung des Systems, z. B. durch eine zusätzliche Kraft auf Grund von Ablösung, kann so eindeutig identifiziert werden und wird nicht fälschlicherweise der Windanregung zugeschrieben. Die Beschreibung der Modellreaktion erfolgt einerseits über die aerodynamische Admittanz, die einen dimensionslosen Zusammenhang zwischen gemessenen instationären Kräften und den über einen quasi-stationären Ansatz berechneten Kräften aufstellt. Mit Einführung einer aerodynamischen Übertragungsfunktion wird andererseits die Beschreibung der instationäre Fahrzeugreaktion auf die Windanregung in absoluten Werten ermöglicht und gestattet dadurch erstmals einen objektiven, direkten Vergleich unterschiedlicher Fahrzeuge und Fahrzeugkonfigurationen.

    In today's aerodynamic optimization the crosswind sensitivity of a vehicle is determined from steady state values measured in the wind tunnel. There, the vehicle is rotated with respect to the wind tunnel flow to create an angle of attack. In this approach however, the gustiness that is inherent in natural wind is not reproduced. Therefore, a prediction of the unsteady response of the vehicle to these flow conditions is not possible. This can be a critical issue, because unsteady forces and moments can be larger than those measured under steady-state conditions. Further, unsteady vortex shedding phenomena are also not taken into account. This might be mainly due to the low frequency response of wind tunnel balances and long integration times generally used. However, unsteady vortex shedding can also be a source of varying forces and moments. It is a strongly body shape dependent phenomenon and occurs - for example on models with a critical rear screen angle or rounded rear edges - even under steady, low turbulent conditions. This additional excitation of the vehicle also deteriorates driving comfort since the driver must constantly perform small steering corrections to keep the vehicle on track. The work in hand introduces a new method overcoming the shortcomings of the current steady state approach and makes the quantification of the unsteady aerodynamic response of a vehicle to a crosswind excitation possible. The method consists of the reproduction of the properties of natural stochastic crosswind in the wind tunnel and the measurement of the resulting unsteady forces and moments acting on the vehicle. In addition, an approach based on linear system theory is presented, defining the vehicle as an input-output system with the wind excitation as the input and force or moment as the output of the system. In contrast to the quasisteady approach found in the literature, a causal relationship between crosswind excitation and vehicle reaction is defined and its validity can be verified with the coherence function. A disturbance of the system, e.g. due to an additional force from vortex shedding, can therefore be identified and is not erroneously attributed to the crosswind excitation. The aerodynamic response of the vehicle is for one presented in terms of aerodynamic admittance functions, providing a dimensionless relation between unsteady forces measured with the balance and computed from a steady state approach. For another, an aerodynamic transfer function is introduced, describing the unsteady aerodynamic response in absolute values allowing an objective and direct comparison of different vehicles or vehicle configurations.


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    Titel :

    Eine Methode zur Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs unter böigem Seitenwind


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2012


    Format / Umfang :

    135 Seiten, 77 Bilder, 4 Tabellen, 75 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch