Instationäre Aerodynamik von Kraftfahrzeugen

Instationäre Aerodynamik von Kraftfahrzeugen:
Aerodynamik bei Überholvorgang und
böigem Seitenwind
Vom Fachbereich Maschinenbau
an der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Michael Schrefl
aus Schladming
Berichterstatter:
Prof. Dr.-Ing. C. Tropea
Mitberichterstatter:
Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann
Tag der Einreichung:
26. November 2007
Tag der mündlichen Prüfung: 22. Januar 2008
Darmstadt 2008
D17
Forschungsberichte Strömungslehre und Aerodynamik
Band 16
Michael Schrefl
Instationäre Aerodynamik von Kraftfahrzeugen:
Aerodynamik bei Überholvorgang
und böigem Seitenwind
D 17 (Diss. TU Darmstadt)
Shaker Verlag
Aachen 2008
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2008
Copyright Shaker Verlag 2008
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8322-7010-0
ISSN 1610-3114
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner dreijährigen Tätigkeit als
Doktorand im Bereich Aerodynamik der BMW AG, München.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Jochen Mayer für die unternehmensseitige Betreuung meiner Arbeit. Die dreijährige Zusammenarbeit war äußerst
lehrreich und durch seinen umfangreichen Erfahrungsschatz konnte die Arbeit in
die richtige Richtung gelenkt werden. Nicht unerwähnt bleiben soll auch die sehr
positive Atmosphäre, die zum Gelingen der Arbeit wesentlich beigetragen hat.
Für die universitäre, wissenschaftliche Betreuung der Arbeit möchte ich mich
bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea bedanken. Die zahlreichen Diskussionen
und konstruktiven Vorschläge haben die Arbeit enorm bereichert.
Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann möchte ich für die freundliche Übernahme des
Koreferats danken.
Des Weiteren möchte ich mich bei den gesamten Kollegen bedanken, die
durch zahlreiche Diskussionen, Verbesserungs- und Korrekturvorschläge die Arbeit
vorangebracht haben. Namentlich erwähnt seien hier Herr Dipl.-Ing. Holger Mauch,
Herr Dr.-Ing. Rainer Demuth, Herr Dipl.-Ing. Philipp Buck und Herr Dipl.-Ing.
Udo Raupenstrauch. Auch möchte ich mich bei den von mir betreuten Praktikanten
und Diplomanden für deren Beitrag zur Arbeit bedanken.
Abschließend danke ich natürlich meiner Familie für die Unterstützung während
des Studiums und der Promotion.
Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit unter der Betreuung von
Prof. Dr.-Ing. C. Tropea nur mit den angegebenen Hilfsmitteln selbständig
angefertigt zu haben.
Darmstadt, den 22. November 2007
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einleitung
4
7
1 Grundlagen und aktueller Stand des Wissens
1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Koordinatensystem . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Aerodynamische Beiwerte . . . . . . . .
1.1.3 Aerodynamische Ähnlichkeitszahlen . . .
1.1.4 Schwankungsbreite . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Charakteristische Größe der Anströmung
1.1.6 Aerodynamische Admittanz . . . . . . .
1.2 Aktueller Stand des Wissens . . . . . . . . . . .
1.2.1 Statistisch stationäre Anströmung . . . .
1.2.2 Instationäre Anströmung . . . . . . . . .
1.2.3 Atmosphärische Strömung . . . . . . . .
1.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
9
10
12
14
14
16
17
21
24
33
36
2 Messtechnik
2.1 Datenaufzeichnung . . . . . . . . . . . .
2.2 Druckmessungen . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Druckaufnehmer . . . . . . . . . .
2.2.2 Bestimmung der Druckdämpfung
2.3 Geschwindigkeitsmessung . . . . . . . . .
2.3.1 Fünflochsonde . . . . . . . . . . .
2.4 Auftriebsmessung . . . . . . . . . . . . .
2.5 Weitere Messgrößen . . . . . . . . . . . .
2.6 Fehlerabschätzung . . . . . . . . . . . .
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39
41
45
46
50
52
52
52
53
3 Überholvorgang
3.1 Windkanalmessungen, Maßstab 1:2.5
3.1.1 Ungestörte Anströmung . . .
3.1.2 Schräganströmung . . . . . .
3.2 Straßenmessungen, Maßstab 1:1 . . .
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66
68
1
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2
INHALTSVERZEICHNIS
3.3
3.2.1 Referenzmessung . . . . . . . . . . .
3.2.2 Variation der Haupteinflussparameter
3.2.3 Vergleich Windkanal-Straße . . . . .
Diskussion und Zusammenfassung . . . . . .
4 Seitenwind und Böen
4.1 Straßenmessungen, Maßstab 1:1 . . . . . .
4.1.1 Zeitliche Betrachtung . . . . . . . .
4.1.2 Spektrale Betrachtung . . . . . . .
4.2 Windkanalmessungen, Maßstab 1:1 . . . .
4.2.1 Methodik . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Spektrale Betrachtung, Admittanz
4.2.3 Spektrale Betrachtung, Instationäre
4.3 Diskussion und Zusammenfassung . . . . .
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Kraftschwankung
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90
90
94
101
103
109
111
116
5 Zusammenfassung und Ausblick
119
5.1 Eingeführte neue Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Literatur
121
A Ergänzende Versuchsergebnisse
A.1 LKW-Überholvorgang . . . .
A.1.1 Windkanalmessungen .
A.1.2 Straßenmessungen . .
A.2 Seitenwind und Böen . . . .
A.2.1 Straßenmessung . . . .
A.2.2 Windkanalmessung . .
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I
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I
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I
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V
. XIV
. XIV
. XVII
B Exa PowerFlow Modell
XXI
B.1 Exa PowerFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
B.2 Modell und Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
C Statistische Grundlagen
C.1 Fouriertransformation . .
C.1.1 Fourier-Serie . . .
C.2 Leistungsdichtespektrum
C.3 Kreuz-/Autokorrelation .
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XXIII
. XXIII
. XXIII
. XXV
. XXV
INHALTSVERZEICHNIS
3
4
Nomenklatur
ci
cf
cmi
cp
c
de
f
fDuese
fn
f0
l
li
[-]
[N/m]
[-]
[-]
[m/s]
[m]
[Hz]
[-]
[-]
[Hz]
[m]
[m]
m
p
p∞
pDuese
pSD
pV orkammer
q
qleer
r
vF zg , vP KW
vLKW
vRes
vw
vx
vy
x
x(t)
[kg]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[m]
[ ms ]
[ ms ]
[ ms ]
[ ms ]
[ ms ]
[ ms ]
[m]
[-]
y
Δy1:1
Δy1:2,5
z
[m]
[m]
[m]
[m]
Kraftbeiwerte mit i=x,y,z nach Gleichung 1.2
Federkonstante nach Gleichung 2.9
Momentenbeiwerte i=x,y,z nach Gleichung 1.3
Druckbeiwert nach Gleichung 1.8
Schallgeschwindigkeit
Verschiebung nach Abbildung 2.7
Frequenz
Düsenfaktor
reduzierte Frequenz nach Gleichung 1.11
Eigenfrequenz
Radstand PKW
Abstand Momentenbezugspunkt-Druckmessstelle i
in x-Richtung
Luftmasse im Resonanzvolumen nach Gleichung 2.5
Druck
Umgebungsdruck
Druck in der Windkanaldüse
Druck im Staupunkt, Gesamtdruck
Druck in der Windkanalvorkammer
Staudruck
Staudruck bei leerer Meßstecke
Lochradius Resonator
Fahrzeuggeschwindigkeit
Fahrzeuggeschwindigkeit LKW
resultierende Anströmungsgeschwindigkeit
Windgeschwindigkeit
x-Komponente der Anströmung nach Abbildung 1.2
y-Komponente der Anströmung nach Abbildung 1.2
Koordinate in Fahrzeuglängsrichtung
Signal im Zeitbereich, Inverse Fouriertransformation
von X(f)
Koordinate in Fahrzeugquerrichtung
seitlicher Abstand PKW zu LKW im Maßstab 1:1
seitlicher Abstand PKW zu LKW im Maßstab 1:2.5
Koordinate in Fahrzeughochrichtung
Nomenklatur
5
A
A
A
Ai
C
Fi
(Fi )f =0
(Fi )f
L
LP KW
Li
LkF y
LkM z
Ma
Mi
(Mi )f =0
(Mi )f
R
Rxy / Rxx
Re
Re
Sxx
Str
SW S
SW S T
T
V
Vz
X
X(f )
XGes
X, Xa
[m2 ]
[Nm],[N],[m/s],[-]
[m2 ]
[m2 ]
[-]
[N]
[N ]
[N ]
[m]
[m]
[-]
[m]
[m]
[-]
[N m]
[N m]
[N m]
[J/kgK]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[N s]
[-]
[◦ C], [K]
[-]
[m3 ]
[m/s]
[m]
[-]
[-]
[-]
Xm
[-]
Fahrzeugstirnfläche
Betrag des Spektrenanteiles aus Fouriertransformation
Schlauchquerschnitt nach Gleichung 2.5
Projizierte Fahrzeugoberfläche in x-z-Ebene
Konstante
Kraft mit i=x,y,z
Kraft in i bei stationärer Anregung mit i=x,y,z
Kraft in i bei instationärer Anregung mit i=x,y,z
Fahrzeuglänge LKW
Fahrzeuglänge PKW
Links
kritische Wellenlänge nach Gleichung 3.2
kritische Wellenlänge nach Gleichung 3.1
Machzahl nach Gleichung 1.12
Moment um i mit i=x,y,z
Moment um i bei stationärer Anregung mit i=x,y,z
Moment um i bei instationärer Anregung mit i=x,y,z
Spezifische Gaskonstante
Kreuz- / Autokorrelation nach Gleichung C.10
Reynoldszahl nach Gleichung 1.9
Rechts
Leistungsdichtespektrum der Größe x
Strouhalzahl nach Gleichung 1.10
Seitenwindstabilität nach Gleichung 4.7
Seitenwindstabilität nach Gleichung 4.8
Temperatur
Übertragungsfunktion
Resonanzvolumen nach Gleichung 2.5
Geschwindigkeit V in der Referenzhöhe z
relative Koordinate in Fahrzeuglängsrichtung
Signal im Frequenzbereich, Fouriertransformation von x(t)
Gesamtübertragungsverhalten
Aerodynamisches Admittanz nach Gleichung 4.1
und Gleichung 4.2
Mechanisches Übertragungsverhalten
6
β
β
βw
η
ρ
ρxx
ρxy
ν
κ
σx
μx
CAN
FSO
LDS
PDF
RAMA
RANS
SB
SWA
SWS
TGS
ÜV
WDF
WK
[◦ ]
[◦ ]
[◦ ]
Ns
[m
2]
[kg/m3 ]
[-]
[-]
2
[ ms ]
[-]
[-]
[-]
Anstömungswinkel, Schiebewinkel
unkorrigierter Anströmungswinkel, Schiebewinkel
Windrichtung
dynamische Viskosität
Luftdichte
Autokorrelation der Größe x(t)
Kreuzkorrelationskoeffizient
kinematische Viskosität
Adiabatenkoeffizient
Standardabweichung der Größe x(t)
Mittelwert von x(t)
Controller Area Network
Full Scale Output
Leistungs-Dichte-Spektrum
Probability Density Function, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
Referenz-Achsmessanlage
Reynold Averaged Navier Stokes
Schwankungsbreite nach Gleichung 1.13
Seitenwindanlage
Seitenwindstabilität nach Gleichung 4.7
Turbulence Generation System
Überholvorgang
Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
Windkanal