Instation¨are Aerodynamik von Kraftfahrzeugen: ¨ Aerodynamik bei Uberholvorgang und b¨oigem Seitenwind
Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universit¨at 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 m¨ undlichen Pr¨ ufung: 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
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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:
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Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner dreij¨ahrigen T¨atigkeit als Doktorand im Bereich Aerodynamik der BMW AG, M¨ unchen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Jochen Mayer f¨ ur die unternehmensseitige Betreuung meiner Arbeit. Die dreij¨ahrige Zusammenarbeit war ¨außerst lehrreich und durch seinen umfangreichen Erfahrungsschatz konnte die Arbeit in die richtige Richtung gelenkt werden. Nicht unerw¨ahnt bleiben soll auch die sehr positive Atmosph¨are, die zum Gelingen der Arbeit wesentlich beigetragen hat. F¨ ur die universit¨are, wissenschaftliche Betreuung der Arbeit m¨ochte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea bedanken. Die zahlreichen Diskussionen und konstruktiven Vorschl¨age haben die Arbeit enorm bereichert. ¨ Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann m¨ochte ich f¨ ur die freundliche Ubernahme des Koreferats danken. Des Weiteren m¨ochte ich mich bei den gesamten Kollegen bedanken, die durch zahlreiche Diskussionen, Verbesserungs- und Korrekturvorschl¨age die Arbeit vorangebracht haben. Namentlich erw¨ahnt seien hier Herr Dipl.-Ing. Holger Mauch, Herr Dr.-Ing. Rainer Demuth, Herr Dipl.-Ing. Philipp Buck und Herr Dipl.-Ing. Udo Raupenstrauch. Auch m¨ochte ich mich bei den von mir betreuten Praktikanten und Diplomanden f¨ ur deren Beitrag zur Arbeit bedanken. Abschließend danke ich nat¨ urlich meiner Familie f¨ ur die Unterst¨ utzung w¨ahrend 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 selbst¨andig 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 Ahnlichkeitszahlen . . . 1.1.4 Schwankungsbreite . . . . . . . . . . . . 1.1.5 Charakteristische Gr¨oße der Anstr¨omung 1.1.6 Aerodynamische Admittanz . . . . . . . 1.2 Aktueller Stand des Wissens . . . . . . . . . . . 1.2.1 Statistisch station¨are Anstr¨omung . . . . 1.2.2 Instation¨are Anstr¨omung . . . . . . . . . 1.2.3 Atmosph¨arische Str¨omung . . . . . . . . 1.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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 Druckd¨ampfung 2.3 Geschwindigkeitsmessung . . . . . . . . . 2.3.1 F¨ unflochsonde . . . . . . . . . . . 2.4 Auftriebsmessung . . . . . . . . . . . . . 2.5 Weitere Messgr¨oßen . . . . . . . . . . . . 2.6 Fehlerabsch¨atzung . . . . . . . . . . . .
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39 39 41 45 46 50 52 52 52 53
¨ 3 Uberholvorgang 3.1 Windkanalmessungen, Maßstab 1:2.5 3.1.1 Ungest¨orte Anstr¨omung . . . 3.1.2 Schr¨aganstr¨omung . . . . . . 3.2 Straßenmessungen, Maßstab 1:1 . . .
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55 56 57 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 B¨ oen 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, Instation¨are 4.3 Diskussion und Zusammenfassung . . . . .
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68 75 83 86
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89 90 90 94 101 103 109 111 116
5 Zusammenfassung und Ausblick 119 5.1 Eingef¨ uhrte neue Ans¨atze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Literatur
121
A Erg¨ anzende Versuchsergebnisse ¨ A.1 LKW-Uberholvorgang . . . . A.1.1 Windkanalmessungen . A.1.2 Straßenmessungen . . A.2 Seitenwind und B¨oen . . . . A.2.1 Straßenmessung . . . . A.2.2 Windkanalmessung . .
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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 .
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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 D¨ usenfaktor 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 Windkanald¨ use Druck im Staupunkt, Gesamtdruck Druck in der Windkanalvorkammer Staudruck Staudruck bei leerer Meßstecke Lochradius Resonator Fahrzeuggeschwindigkeit Fahrzeuggeschwindigkeit LKW resultierende Anstr¨omungsgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit x-Komponente der Anstr¨omung nach Abbildung 1.2 y-Komponente der Anstr¨omung nach Abbildung 1.2 Koordinate in Fahrzeugl¨angsrichtung 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
[-]
Fahrzeugstirnfl¨ache Betrag des Spektrenanteiles aus Fouriertransformation Schlauchquerschnitt nach Gleichung 2.5 Projizierte Fahrzeugoberfl¨ache in x-z-Ebene Konstante Kraft mit i=x,y,z Kraft in i bei station¨arer Anregung mit i=x,y,z Kraft in i bei instation¨arer Anregung mit i=x,y,z Fahrzeugl¨ange LKW Fahrzeugl¨ange PKW Links kritische Wellenl¨ange nach Gleichung 3.2 kritische Wellenl¨ange nach Gleichung 3.1 Machzahl nach Gleichung 1.12 Moment um i mit i=x,y,z Moment um i bei station¨arer Anregung mit i=x,y,z Moment um i bei instation¨arer Anregung mit i=x,y,z Spezifische Gaskonstante Kreuz- / Autokorrelation nach Gleichung C.10 Reynoldszahl nach Gleichung 1.9 Rechts Leistungsdichtespektrum der Gr¨oße x Strouhalzahl nach Gleichung 1.10 Seitenwindstabilit¨at nach Gleichung 4.7 Seitenwindstabilit¨at nach Gleichung 4.8 Temperatur ¨ Ubertragungsfunktion Resonanzvolumen nach Gleichung 2.5 Geschwindigkeit V in der Referenzh¨ohe z relative Koordinate in Fahrzeugl¨angsrichtung Signal im Frequenzbereich, Fouriertransformation von x(t) Gesamt¨ ubertragungsverhalten Aerodynamisches Admittanz nach Gleichung 4.1 und Gleichung 4.2 ¨ Mechanisches Ubertragungsverhalten
6 β β βw η ρ ρxx ρxy ν κ σx μx CAN FSO LDS PDF RAMA RANS SB SWA SWS TGS ¨ UV WDF WK
[◦ ] [◦ ] [◦ ] Ns [m 2] [kg/m3 ] [-] [-] 2 [ ms ] [-] [-] [-]
Anst¨omungswinkel, Schiebewinkel unkorrigierter Anstr¨omungswinkel, Schiebewinkel Windrichtung dynamische Viskosit¨at Luftdichte Autokorrelation der Gr¨oße x(t) Kreuzkorrelationskoeffizient kinematische Viskosit¨at Adiabatenkoeffizient Standardabweichung der Gr¨oße 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 Seitenwindstabilit¨at nach Gleichung 4.7 Turbulence Generation System ¨ Uberholvorgang Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion Windkanal
