Methoden und Verfahrensweisen zur experimentellen und numerischen Untersuchung der Fahrzeugverschmutzung machen deutlich, dass wesentliches Verbesserungspotenzial, besonders bei den verfügbaren numerischen Modellansätzen vorhanden ist. Die Erhebung von Daten zum Verschmutzungsgrad von Fahrzeugtypen erfolgt während der späten Entwicklungsphase, am Original in Windkanalversuchen oder Regenfahrten, wobei einfache Messtechniken Verwendung finden. Die verwendeten Messtechniken sind für vielfältige Anwendungen konzipiert und unterscheiden sich aber je nach Messgröße in Qualität und Genauigkeit. So ist beispielsweise die Bestimmung von dynamischen Größen wie der Höhe, Geschwindigkeit oder Wellencharakteristik von Flüssigkeitsfilmen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung stets eine große Herausforderung. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen werden Simulationsmodelle genutzt, um die Bildung von Flüssigkeitsfilmen infolge von Sprayaufprall auf die Fahrzeugoberfläche zu beschreiben. Die Modellansätze beruhen entweder auf Lagranger oder Euler'scher Betrachtungsweise, was für die Verwendung bei der Verschmutzungssimulation mit verschiedenen Vor- und Nachteilen verbunden ist. Viele Modelle versagen jedoch dabei, alle verschmutzungsrelevanten physikalischen Phänomene zu erfassen. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte, die durch eine umfangreiche Literaturstudie gestützt werden, wird das Simulationsmodell von Anderson and Coughlan erweitert, besonders im Hinblick auf eine detaillierte Beschreibung der komplexen Tropfen-Film Interaktion, des Benetzungsverhaltens und des Filmzerfalls. Hierfür werden entsprechende Modelle in den originalen Programmcode integriert und anschließend zur Simulation der Filmströmung an generischen und realistischen Fahrzeugteilgeometrien genutzt. Gleichzeitig erfolgen experimentelle Untersuchungen am Windkanal, die entsprechende Informationen über das Strömungsfeld und die Sprayeigenschaften liefern sollen. Diese dienen zur Definition von Randbedingungen oder können zur Validierung des Filmmodells genutzt werden. Die Filmdicke wird unter Verwendung der bildgebenden Fluoreszenztechnik ermittelt und wird ebenfalls zur Validierung des Filmmodells verwendet. Abschließend werden die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen des Kooperationspartners vom ISM Braunschweig verglichen. Die Qualität und Effektivität der Filmmodellveränderungen werden zusammen mit offenen Fragen diskutiert und veranschaulicht. Alle gesammelten Daten werden in einer Datenbank für die zukünftige Nutzung, zum Beispiel zu weiteren Validierungszwecken hinterlegt.
Recent progress in experimental and numerical methodologies for practical investigations of vehicle soiling associated with water films have been reviewed. It proved the need of improvements, especially for modeling approaches. Knowledge concerning soiling processes and patterns is mainly achieved in real scale wind tunnel tests or on rain test tracks, using simple measurement techniques. Such tests have a broad range of possible applications, but the obtained results strongly vary in quality and accuracy. For instance, measurements of dynamic properties of liquid films, such as height, velocity and wave propagation with high spatial and temporal resolution are still difficult to realize. Complementary to the experimental methods, computational models are used to predict liquid films generated by spray impingement on vehicle surfaces. These modeling approaches rely either on a Lagrangian or a Eulerian reference frame, resulting in advantages and shortcomings for different aspects of vehicle soiling prediction. Most of the models fail to capture all significant physical phenomena involved in vehicle soiling. Based on this observation, which is supported by an extended literature survey, the film model of Anderson and Coughlan [8] was chosen to integrate the most important missing aspects, such as complex droplet-film interaction, wetting phenomena and breakup. Submodels have been implemented in the original code and applied to simulate film flow over generic as well as realistic vehicle geometries. In parallel, complex optical measurements have been carried out in a two-phase wind tunnel. In this manner quantitative data of the flow field and spray properties are acquired as boundary conditions and for model validation. Film thickness measurements have been conducted out as well, using fluorescence imaging. Moreover, this configuration is used for validation of the film model. Finally, simulation and experimental results are compared considering also experimental results from our partners at ISM Braunschweig. The quality and effectiveness of the model improvements are shown and unresolved questions are discussed. All results are gathered in a database and are therefore available as validation material for further computer simulations.
Experimental and numerical investigation of vehicle soiling processes
2012
182 Seiten, Bilder, Tabellen, 167 Quellen
Theses
English
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