Abschluss - Bericht

Karosserie II

CFD-Berechnung eines Heckspoilers

von

Norman Henkel 

2004

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung  2

2. Geometrie des Heckspoilers  3

3. Grundlagen der CFD  4
3.1 Allgemeines zur CFD  4
3.2 Methodik der CFD Berechnung  4
3.3 Grundgleichungen  5
3.4 Turbulenzmodell [...]  6
3.5 Finite Volumendiskretisierung in Fluent  7
3.6 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität  11

4. Grundzuge der Aerodynamik  13
4.1 Strömungsvorgänge  13
4.2 Kräfte am Flügel  13
4.3 Dimensionslose Beiwerte  14
4.4 Polardiagramm  14

5. Preprocessing  15
5.1 Geometriegenerierung (CATIA v5R13)  15
5.2 Gittergenerierung und Netzqualität (GAMBIT v2.0)  17
5.3 Randbedingungen (GAMBIT v2.0/FLUENT v6.1)  19

6. Solving (FLUENT v6.1)  

7. Postprocessing (FLUENT v6.1)  23
7.1 Variation des Flap-Anstellwinkel  23
7.2 Variation des Anstellwinkels des Gesamtsystems 

8. Betrachtung der Kräfte an Vorder- und Hinterachse  26

9. Schlussbemerkungen  27

10. Literaturverzeichnis  27

11. Anhang  28
a) Benzing Flügelkoordinaten  28
b) Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen   30
c) Druckkoeffizienten über der Tragflache  41
d) Erläuterung der Verzeichnisse und Dateien  47

Nomenklatur

[...]

1. Einleitung

Dieser Bericht entstand im Praktikum des Wahlpflichtfachs Karosserie 2 im Sommersemester 2004 an der FH Köln. Das Projekt bestand in der Auslegung, Konstruktion und Fertigung eines Heckspoiler für einen BMW M3 (E30). In der vorliegenden Ausarbeitung befasse ich mich mit den numerischen Grundlagen der CFD, der Strömungssimulation und der Auswertung der errechneten Daten. 

Die CFD Simulation befasste sich mit zwei unterschiedlichen Fällen:

1. Der Hauptflügel wurde fixiert und NUR der Flap variiert,

2. das komplette System wird in mehreren Anstellwinkeln berechnet.

Ziel in diesem Projekt war die Berechnung der aerodynamischen Beiwerte der Flügel als Gesamtsystem und die Abhängigkeit der Abtriebskraft und der Widerstandskraft von der Flapposition und von der Positionierung des Gesamtsystems. Zusätzlich wurde eine kurze Abschätzung der veränderten Fahrdynamik getroffen, da die Radaufstandskräfte von besonderer Bedeutung für das Fahrverhalten in der Kurve sind. Durch höhere Anpressdrücke kann hier eine Verbesserung der Rundenzeiten durch höhere Kurvengeschwindigkeiten ermöglicht werden.
Die Entstehung der Flügelgeometrie selbst wird unter Hinweis auf Literaturnachweis 2 nicht näher untersucht.

Im Anhang befinden sich Koordinaten der original Flügelkonfiguration und die Koordinaten der von uns verwendeten Flügel.

2. Geometrie des Heckspoilers

Der Heckspoiler der für unser Projekt verwendet wird besteht aus mehreren Teilen (Multi-Element-Wing): einem Hauptblatt, dem Flap und einer Gurney-Lip die an der Hinterkante des Flap befestigt ist. Im Anhang 11 b) befinden sich die genauen Koordinatendaten der Flügel und die Hauptkonfiguration.

Die Geometrie des Hauptflügels und des Flaps entsprechen der Benzing Konfiguration A1a 1S 35, bzw. Be 122-205 und Be 152-155. Angeordnet sind diese in der 0°- Konfiguration, dies entspricht einer Neigung des Flaps von 23,07°.

Original ist die Benzing Konfiguration um 38,07° gegenüber der Horizontalen gedreht (vergleiche Anhang b)). Es ist jedoch irrelevant ob exakt angeströmt wird mit 38,07° oder ob das System um nur 23,07° gedreht ist und wir mit mit 15° anströmen!

Abb 1. Benzing-Konfiguration A1a 1S 35
[in Downloaddatei enthalten]

Abb 2. Variation des Flaps um 12°
[in Downloaddatei enthalten]

3. Grundlagen der CFD

3.1 Allgemeines zur CFD

Für das Verständnis von Strömungsvorgängen und für die Beurteilung aerodynamischer Eigenschaften von Prototypen gibt es drei verschieden Möglichkeiten: Analytische Methoden, Numerische Methoden und Experimente.

Mittels analytischer Methoden können nur stark eingeschränkte und einfache Geometrien unter der Vorraussetzung idealer Strömungen (keine Reibung) betrachtet werden. Windkanalexperimente sind wegen der großen Vorbereitungs- und Messzeit im Windkanal, als auch wegen der hierfür angefertigten Modelle sehr teuer. Außerdem können hier die realen Verhältnisse (Umwelteinflusse) nicht exakt nachgebildet werden. Neben den beiden oben genannten Punkten haben sich in den letzten Jahren nicht zuletzt durch die rapide Computerentwicklung numerische Verfahren (Computational Fluid Dynamics CFD) durchgesetzt. Mit CFD können komplexe Konfigurationen mit fast allen Randbedingungen berechnet werden. Probleme die im Experiment auftreten, z.B. Maßstabsprobleme bei stark skalierten Modellen, schlechte Simulation der Fahrbahn, können komplett berücksichtigt werden. 

[....]