Instationäre Aerodynamik von Kraftfahrzeugen
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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 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected] 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 56 57 66 68 1 . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 75 83 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftschwankung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . I . I . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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