10. Windkanaltechnik -Übersicht · • je näher das Testobjekt an der Düse ist, desto stärker wird der Strahl abgelenkt • durch die Ablenkung sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit

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1. Einleitung

2. Strömungsmechanische Grundlagen

3. Aerodynamisches Fahrzeugdesign

4. Motorkühlung

5. Lüftung und Klimatisierung

6. Abgasturbolader

7. Akustische Grundlagen

8. Ausgewählte akustische Problemstellungen

9. Simulationstechnik

10. Windkanaltechnik

− Bauarten

− Windkanalkorrekturen

− Besonderheiten im Fahrzeugbau

− aerodynamische und akustische Messtechnik

− weitere Aspekte

10. Windkanaltechnik- Übersicht

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BAUARTEN

Eiffel-Kanal

• benannt nach ersten französischen Windkanal von Alexandre-Gustave Eiffel (1909)

• Unterscheidungsmerkmal: offene Luftführung

10. Windkanaltechnik- Bauarten

Bildquelle: Uni Braunschweig, Institut für Strömungsmechanik

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Göttinger Bauart

• benannt nach ersten deutschen Windkanal von Ludwig Prandtl in Göttingen (1908)

• Unterscheidungsmerkmal: geschlossene Luftrückführung

• in der Automobilindustrie Stand der Technik


Bildquelle: Uni Siegen, Lehrstuhl für Strömungsmechanik (Prof. Foysi)

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Vorteile der Göttinger Bauart

• keine Austrittsverluste, daher kleinerer Motor sowie geringere Betriebs- und Stromanschlusskosten

• unabhängig von Störungen durch die Wetterlage, z.B.

− Wind

− Turbulenzgrad

− Druck- und Temperaturschwankungen

− Lärm

− Verschmutzung

• Druck und Temperatur bei entsprechendem Aufwand einstellbar

Nachteile der Göttinger Bauart

• aufwändige Konstruktion für Luftrückführung � hohe Baukosten

• Reibverluste heizen geschlossenen Luftstrom auf � Kühlung erforderlich


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• offene Messstrecke (Stand der Technik im Fahrzeugbau)

− Scherschicht am Strahlrand verkleinert zunehmend den Stahlkern, daher Begrenzung der nutzbaren Strahllänge

− Luftstrahl weitet sich, daher Geschwindigkeitsverlust im Strahl

• geschlossene Messstrecke

− Ausbildung von Grenzschichten an den Rändern, daher Begrenzung des nutzbaren Strahls

− Verdrängungseffekt durch Prüfkörper, daher Geschwindigkeitserhöhung im Strahl

• stromlinienförmige Messstrecke

− Versuch, die Vorteile von offener und geschlossener Messstrecke zu vereinen

− Stromlinienkontur gilt aber nur für einen bestimmten Prüfkörper, daher können nur ähnliche Geometrien untersucht werden oder die Stromlinienkontur muss anpassbar sein („adaptive Messstrecke“)


Messstreckenbauarten und deren Probleme bei der Simulation realer Strömungsverhältnisse

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Bildquelle: A. Hennig, „Eine erweiterte Methode zur Korrektur von Interferenzeffektenin Freistrahlwindkanälen für Automobile“, Springer Fachmedien, 2017

Gestaltung einer offenen Messstrecke

Düse

• Ziel: niedriger Turbulenzgrad und gleichförmiges Stromfeld

• beides wird durch ein hohes Kontraktionsverhältnis

zwischen Vorkammer und Düsenaustritt positiv beeinflusst

• für niedrige Turbulenz werden zudem wabenförmige Gleichrichter in der Vorkammer platziert

• Düsenform sollte so gestaltet sein, dass sich keine Ablösungen und nur kleine Grenzschichten bilden


VK

D

A

Aκ =

DüseKollektor Diffusor

AD

v∞

LMS

AK

∆xK

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Kollektor

• eintretende Luftmenge durch Scherschicht am Strahlrand größer als Luftmenge am Düsenaustritt

• in der Folge kommt es zu Rückströmungen in das Plenum, zu einer Weitung des Freistrahls und zu einem positiven Druckgradienten in Strömungsrichtung

• um dies zu vermeiden, werden Lüftungsschlitze verbaut („Breather“)

Diffusor

• Ziel: Weitung des Querschnitts, daher Reduktion der Geschwindigkeit und letztlich der Druckverluste in den anschließenden Rohren

• Öffnungswinkel darf nicht zu groß sein, sonst Strömungsablösung


DüseKollektor Diffusor

AD

v∞

LMS

AK

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WINDKANALKORREKTUREN

Geschwindigkeitskorrekturen

• Geschwindigkeit wird mittels Kalibrierkurve ermittelt:

• durch verschiedene Interferenzen herrscht jedoch am Fahrzeug effektive eine andere Geschwindigkeit

• gemäß der Mercker-Wiedemann1 Korrekturmethode wird aus der gemessenen Geschwindigkeit v

∞,Messung die effektive Geschwindigkeit v

∞berechnet:

• für den effektiven Staudruck ergibt sich dann

• alle Beiwerte (z.B. cW) werden mit den Effektivwerten berechnet

10. Windkanaltechnik- Windkanalkorrekturen

2

q k p q

v q

∆

ρ

∞ ∞

∞ ∞

=

=

( : Staudruck)

( )Messung

Messung

1 i, i i

i,

vv v

v

∆ε ε∞ ∞∞

= + =∑ mit den Korrekturtermen

( ) ( )2 22 2

Messung Messung1 12 2

, i , ii i

q v v qρ ρ ε ε∞ ∞ ∞ ∞= = + = +∑ ∑

1 Mercker, E.,Wickern, G.,Wiedemann, J.: „Contemplation of Nozzle Blockage in Open Jet Wind-Tunnels in View of Different „Q“ Determination Techniques. SAE-paper 970136, 1997

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Korrektur der Strahlaufweitung

• Strahl weitet sich im Windkanal stärker, als dies bei freier Anströmung der Fall wäre

• dadurch sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε < 0)

• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AD

Korrektur der Düsenversperrung

• Aufstaugebiet ragt in Düse hinein

• durch Verdrängungseffekte erhöht sich die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε > 0)

• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AD sowie der relative Abstand zwischen Testobjekt und Düse



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Korrektur der Strahlablenkung

• je näher das Testobjekt an der Düse ist, desto stärker wird der Strahl abgelenkt

• durch die Ablenkung sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε < 0)

• entscheidend ist der relative Abstand zwischen Testobjekt und Düse

Korrektur der Kollektorversperrung

• Nachlaufgebiet ragt in Kollektor hinein

• durch Verdrängungseffekte erhöht sich die effektive Strahlgeschwindigkeit (� ε > 0)

• entscheidend Flächenverhältnis Ax / AK sowie der relative Abstand zwischen Testobjekt und Kollektor


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Druckkorrekturen

• auch ohne Testobjekt bildet sich in der Messstrecke ein Druckgradient

• Druckverlauf wird im leeren Windkanal gemessen, dann zwei Möglichkeiten zur Nutzung dieser Information:

1. Testobjekt muss richtig platziert werden und darf nicht zu groß sein

2. Korrektur der gemessenen Drücke/Kräfte um den zusätzlichen Druckgradienten


Bildquelle: T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016

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BESONDERHEITEN IM FAHRZEUGBAU

Besonderheit 1: Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Fahrbahn

• Realität: Luft und Fahrbahn stehen, haben also identische Geschwindigkeit

• Windkanal: Luft strömt mit Geschwindigkeit v∞

, beim Boden ist dies nicht möglich� dadurch bildet sich im Windkanal eine Grenzschicht, die in der Realität nicht vorhanden ist

10. Windkanaltechnik- Besonderheiten im Fahrzeugbau

LaminareGrenzschicht

Übergangs-bereich

TurbulenteGrenzschicht

ViskoseUnterschicht

v∞

vx vx

δ 1(x

)

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Maßnahmen zur verbesserten Nachbildung der Bodenströmung (1): Grenzschichtabsaugung

• Auffüllung des Geschwindigkeitsdefizits in der Grenzschicht durch Absaugung durch den Boden

• Absauggeschwindigkeit steigt linear mit v∞

(wg. Ähnlichkeit) und sinkt mit der Wurzel der Reynoldszahl (wg. Grenzschichtdicke)


1

Reyv v∞≈

v∞

v∞

v∞

δ1(x)

Bildquelle: Wiedemann, J.: Kraftfahrzeug-Aerodynamik´, Universität Stuttgart, 2004

Bildquelle:Aerdynamics Lab, University of Liege, 2017

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Maßnahmen zur verbesserten Nachbildung der Bodenströmung (2): Ausblasen

• tangentialer Luftstrahl wird in Grenzschicht eingebracht

• Ausblasgeschwindigkeit ca. sieben Mal höher als v∞

• kurzfristig negative Verdrängungsdichte, die sich aber wieder abbaut

• wird in Windkanälen oft der Absaugung nachgelagert


Bildquelle: Wiedemann, J.: Kraftfahrzeug-Aerodynamik´, Universität Stuttgart, 2004

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Besonderheit 2: Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Fahrbahn

• Realität: Fahrzeug bewegt sich mit Geschwindigkeit v∞

, der Boden steht

• Windkanal: Fahrzeug steht, d.h. der Boden müsste sich mit v∞

bewegen� kann mit Laufbändern näherungsweise realisiert werden


Bildquelle: http://www.roadandtrack.com

Bildquelle: https://www.autoevolution.com

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Ausführungen der Bandtechnik

• ein großes Band am genauesten, aber

− teuer

− Probleme mit der Fahrzeugfesselung

− Probleme bei der Auftriebsbestimmung

• daher Alternativen:

− 5-Band: vier Randaufstandspunkte und ein langes Band in der Mitte

− 7-Band: zwei weitere Bänder für höhere Gesamtbandbreite an Fahrzeugfront („T-Belt“)

− 9-Band: zwei weitere Bänder für höhere Gesamtbandbreite am Fahrzeugheck


Bildquelle: www.invetr.com

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Besonderheit 3: Relativgeschwindigkeit der Räder

• Realität: Bei den Räder ist der translatorischen Bewegung mit v∞

eine rotatorische überlagert

• Windkanal: Räder müssen bei stehendem Fahrzeug angetrieben werden� geht nur in Kombination mit Band/Rolle

Zusammenfassung der fahrzeugspezifischen Windkanalmodifikationen

• Grenzschichtabsaugung

• Tangentiale Ausblasung

• Bänder

• Raddreheinheiten


Bildquelle:

Potthoff, J., Wiedemann, J.: „Die Straßenfahrt-Simulation in den IVK-Windkanälen – Ausführung und erste Ergebnisse“ 5. Internationales Stuttgarter Symposium, 2003

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Beispiel zur Wichtigkeit der richtigen Relativgeschwindigkeiten (1)

• ohne Grenzschichtabsaugung wird ein zu niedriger cW -Wert, aber ein zu hoher cA -Wert gemessen

• ohne Rotation der Räder wird ein zu hoher cW -Wert und ein zu hoher cA -Wert gemessen


+ Grenzschicht-absaugung

+ Band + rotierende RäderkonventionellerWindkanal

Bildquelle:

T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016

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• nicht nur die Absolutwerte, auch die Änderungen gegenüber einem Basisdesign ändern sich bei unzureichender Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeiten

• daher kann der Einfluss von Optimierungsmaßnahmen fehlgedeutet werden


• gemessener cW -Wert steigt, je aufwendiger das Bandsystem am Fahrzeugboden ist

• nach Wiedemann ergeben sich für eine Mittelklasselimousine folgende Abweichungen bezüglich des cW -Werts:

− 5-Band: ∆cW = 0,007

− 7-Band: ∆cW = 0,003

− 9-Band: ∆cW = 0,002

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AERODYNAMISCHE UND AKUSTISCHE MESSTECHNIK

Druckmessung

• statische Druckbohrung

+ geringe Störung der Strömung

- Fahrzeug wird durch Bohrungen geschädigt

• Flachdrucksonden („Wanzen“)

+ zerstörungsfrei

- Störung der Strömung, vor allem in gewölbten Bereichen

10. Windkanaltechnik- aerodynamische und akustische Messtechnik

Druckbohrung in Sonde, die auf das Testobjekt aufgeklebt wird

Druckbohrung im Testobjekt selbst (Beispiel Tragflügel)

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Geschwindigkeitsmessung (1)

• Prandtlrohr

+ einfach und günstig

- zu träge für die Messung von Turbulenz

- Rohr muss genau in Strömungsrichtung ausgerichtet werden(die aber im Allgemeinen nicht bekannt ist)

• Fünflochsonde

+ wie gut die Sonde in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, geht direkt aus den Messwerten hervor

- aufwändiger als Prandtlrohr

- zu träge für die Messung von Turbulenz


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Geschwindigkeitsmessung (2)

• Hitzdrahtanemometrie

+ sehr hohe Abtastrate möglich, daher auch für Turbulenzmessung geeignet (dafür müssen die Wolfram-Drähte aber sehr dünn sein, ca. 2,5 bis 10 µm)

- aufwändiger als Prandtlrohr/Fünflochsonde

- Drähte gehen leicht kaputt

• Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Particle Image Velocimetry (PIV)

+ sehr hohe Abtastrate möglich, daher auch für Turbulenzmessung geeignet

+ berührungslos � keine Beeinflussung des Stromfelds

- aufwändig, teuer

- für PIV müssen Partikel in das Stromfeld eingebracht werden


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Akustikmessung

• Mikrophone messen akustische Druckschwankungen als Wechselspannung

• besondere Mikrophonanordnungen im Fahrzeugbau

− Kunstkopf mit Mikrophon im Ohr� menschliches Empfinden besser nachgebildet

− Hohlspiegelmikrophon oder Mikrophonarray� Lokalisierung von Schallquellen


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WEITERE ASPEKTE

Modellwindkanäle

• spielen besonders in der Entwicklungsphase eine wichtige Rolle

• alle dimensionslosen Größen (z.B. cW) sind auf die Großausführung übertragbar, wenn Reynoldszahl Re und Machzahl Ma konstant gehalten werden; beides ist jedoch nicht gleichzeitig möglich

• bei kleinen Reynolds- und Machzahlen sollte eher die Reynoldszahl konstant gehalten werden, bei großen Reynolds- und Machzahlen sollte eher die Machzahl konstant gehalten werden, denn

� für hohe Reynoldszahlen stellt sich zunehmen eine Sättigung des Reynoldszahleffekts ein

� der Einfluss der Kompressibilität spielt erst bei Ma > 0,3 eine relevante Rolle

10. Windkanaltechnik- weitere Aspekte

Revl

ν= Ma

v

c=

Bildquelle:

Wiedemann, J., Ewald, B.: “Turbulence Manipulation to Increase Effective Reynolds Numbers in Vehicle Aerodynamics“ ,AIAA Journal 27(6), 763–769 (1989)

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Turbulenz

• mit zunehmenden Verkehr steigt auf der Straße der Turbulenzgrad

• Straßenverhältnisse lassen sich im Windkanal z.B. durch oszillierende Platten simulieren

• viele Experimente werden aber bewusst bei (unrealistisch) niedrigen Turbulenzgraden durchgeführt

� besser Vergleichbarkeit (Turbulenz wird nicht einheitlich beschrieben und ist schwer auf verschiedenen Windkanälen reproduzierbar)

� bessere Katalogdaten bezüglich Akustik, Fahrzeugstabilität, etc..



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Wägetechnik

• dient zur Bestimmung der integralen Kräfte und Momente

• Waage und Modell müssen verbunden werden, z.B. durch

− Ausleger

− Schwellerhalterung

• Waage befindet sich entweder im Modell oder im Boden des Windkanals


Bildquelle:T. Schütz: „Fahrzeugaerodynamik“, Springer Verlag, 2016

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Deutsch-Niederländischer Windkanal „DNW LLF“

• größter europäischer Windkanal, in dem Fahrzeuge getestet werden

• wird auch von Kunden aus anderen Industriezweigen genutzt

• Göttinger Bauart, offene oder geschlossene Messtrecke

• Düsenquerschnitt 8 x 6 m2, Messstreckenlänge 20 m, Messgeschwindigkeiten bis 80 m/s(bei offener Messstrecke)

• bis zu 40 MW Antriebsleistung

• ach für Akustikexperimente geeignet


Bildquelle: www.dnw.aero

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10. Windkanaltechnik -Übersicht · • je näher das Testobjekt an der Düse ist, desto stärker wird der Strahl abgelenkt • durch die Ablenkung sinkt die effektive Strahlgeschwindigkeit