Der Anteil des Kühlluftwiderstandes am gesamten aerodynamischen Widerstand eines Kraftfahrzeuges beträgt circa 10%, wobei je nach Fahrzeuggattung und -hersteller deutliche Abweichungen vorhanden sind. Zur Reduktion dieses beträchtlichen Anteils müssen zunächst die physikalischen Aspekte verstanden werden, um anschließend eine aerodynamische Optimierung vornehmen zu können. Dazu stehen im Wesentlichen experimentelle Untersuchungen, theoretische Ableitungen sowie numerische Simulationen zur Verfügung. Um eine Strömungsberechnung produktiv einsetzen zu können, muss diese ausgiebig validiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Windkanalumgebung mitmodelliert, da ein Einfluss des Windkanals auf die Messwerte vorhanden ist. Durch die Simulation der realen Randbedingungen kann damit auf ein Korrigieren der Beiwerte verzichtet werden. In dieser Umgebung wurde schließlich ein numerischer Prozess aufgesetzt, welcher ein automatisiertes Berechnen von komplexen Fahrzeuggeometrien mit Motorraumdurchströmung ermöglicht. Der im Motorraum befindliche, druckverlusterzeugende Modellkühler wurde in der numerischen Simulation als poröses Medium dargestellt und validiert. Die Anforderungen an die Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation im Widerstandsbeiwert von 5% konnte für eine Vielzahl an Fahrzeugkonzepten erreicht werden. Nach diesem zufriedenstellenden Abgleich wurden die numerischen Simulationen und auch die experimentellen Daten verwendet, um physikalische Zusammenhänge aufgrund der Kühlluft herauszuarbeiten. So wurde ein lineares Verhalten zwischen Kühlluftwiderstand und Kühlluftmassenstrom festgestellt. Die Steigung der Geraden unterscheidet sich hierbei je nach Fahrzeugytp und Kühlluftführung. Neben den integralen wurden auch lokale Messungen vorgenommen. Dabei konnte ein Druckanstieg an der Fahrzeugfront aufgrund der Kühlluft identifiziert werden. Dieser ergibt sich aus der reduzierten umströmten Luftmasse, was auch mithilfe potenzialtheoretischer Überlegungen nachgewiesen werden konnte. Die Druckerhöhung trägt maßgeblich zum Kühlluftwiderstand bei. Zusätzlich konnte analysiert werden, dass die austretende und mit der Außenumströmung interagierende Kühlluft einen Totaldruckverlust aufweist, welcher sich bis weit in den Nachlauf fortpflanzt. So konnte gezeigt werden, dass ein Kühlluftauslass am glatten Unterboden eine Art virtuellen Spoiler generiert, welcher verblockend auf die Unterbodenströmung wirkt und teilweise zu ei ner Schräganströmung der Räder mit entsprechenden widerstandserhöhenden Folgen wirken kann. Ebenso übt das Austreten der Kühlluft aus den vorderen Radhäusern einen Einfluss auf den Nachlauf aus. Derrotatorisch abschwimmende Wirbel interferiertjedoch unterschiedlich für verschiedene Nachlaufwirbelsysteme, beispielsweise von Stufenheck- oder Kombiheckfahrzeugen. Daraus können unterschiedliche Kühlluftwiderstände entstehen. Schlussfolgernd aus den beschriebenen Phänomenen wurde ein Fahrzeug vorgestellt, welches durch einen Kühlluftauslass aus der Motorhaube zusammen mit einem glatten Unterboden eine deutliche widerstandsreduzierende Gesamtkonfiguration darstellt. Der Auslass aus der Motorhaube wirkt sich positiv auf den Kühlluftwiderstand aus. Des weiteren sind die Kühlluftauslassinterferenzen entkoppelt von der Unterbodenströmung, womit der Gesamtgewinn durch den glatten Unterboden auch am Fahrzeug mit Motorraumdurchströmung umgesetzt werden kann.
Aerodynamische Optimierung der Kühlluftdurchströmung von Kraftfahrzeugen
Ingenieurwissenschaften ; 1-188
2012
188 Seiten, Bilder, Tabellen, 161 Quellen
Theses
German
Kraftfahrzeug , Fahrzeugaerodynamik , Kühlluft , Karosserieluftführung , Durchströmung , Motorraum , Optimierungsverfahren , Windkanalprüfung , numerische Strömungssimulation , Kühler , mathematische Modellierung , Luftwiderstand , Wirbel (Strömung) , Unterboden , Radgehäuse , Stufenheck , Kombiwagen , Nachlaufströmung
Aerodynamische Streben für Unterbodenverkleidungen von Kraftfahrzeugen
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