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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Geometrie des Heckspoilers
3. Grundlagen der CFD
3.1 Allgemeines zur CFD
3.2 Methodik der CFD Berechnung
3.3 Grundgleichungen
3.4 Turbulenzmodell k-ε
3.5 Finite Volumendiskretisierung in Fluent
3.6 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität
4. Grundzüge der Aerodynamik
4.1 Strömungsvorgänge
4.2 Kräfte am Flügel
4.3 Dimensionslose Beiwerte
4.4 Polardiagramm
5. Preprocessing
5.1 Geometriegenerierung (CATIA v5R13)
5.2 Gittergenerierung und Netzqualität (GAMBIT v2.0)
5.3 Randbedingungen (GAMBIT v2.0/FLUENT v6.1)
6. Solving (FLUENT v6.1)
7. Postprocessing (FLUENT v6.1)
7.1 Variation des Flap-Anstellwinkel
7.2 Variation des Anstellwinkels des Gesamtsystems
8. Betrachtung der Kräfte an Vorder- und Hinterachse
9. Schlussbemerkungen
10. Literaturverzeichnis
11. Anhang
a) Benzing Flügelkoordinaten
b) Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen
c) Druckkoeffizienten über der Tragfläche
d) Erläuterung der Verzeichnisse und Dateien
Zielsetzung & Themen
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die numerische Strömungssimulation (CFD) eines Heckspoilers für einen BMW M3 (E30), um dessen aerodynamische Beiwerte in Abhängigkeit unterschiedlicher Konfigurationen zu berechnen und deren Einfluss auf die Fahrdynamik abzuschätzen.
- Durchführung einer CFD-Simulation mittels Fluent
- Variation von Flap-Anstellwinkeln sowie des Gesamtsystems
- Analyse aerodynamischer Beiwerte (Auftrieb und Widerstand)
- Abschätzung der Auswirkungen auf die Radaufstandskräfte
- Verfahren zur Diskretisierung und numerischen Berechnung
Auszug aus dem Buch
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 (Umwelteinflüsse) 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. Die Genauigkeit der Berechnungsverfahren soll sich selbstverständlich an denen des Windkanals messen können, die heute einen Wert von ∆cw<0,002 erreichen! Daraus folgt, dass CFD-Verfahren über den kompletten Körper die Druck- und Geschwindigkeitsverteilung und auch in Gebieten abgelöster Strömung sehr genau wieder geben müssen, da die Gesamtkräfte durch Integration über die Oberfläche ermittelt werden.
Das Ergebnis einer CFD Rechnung sind die örtlichen Geschwindigkeiten in Größe und Richtung, als auch der Druck.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Vorstellung des Projekts zur numerischen Auslegung und Strömungssimulation eines Heckspoilers für den BMW M3 im Rahmen des Praktikums Karosserie II.
2. Geometrie des Heckspoilers: Beschreibung der verwendeten Multi-Element-Flügelgeometrie inklusive der Flap-Konfiguration basierend auf dem Benzing-Profil.
3. Grundlagen der CFD: Erläuterung der numerischen Methoden, der physikalischen Grundgleichungen, des Turbulenzmodells sowie der Diskretisierungsverfahren.
4. Grundzüge der Aerodynamik: Grundlagen der Strömungsvorgänge am Fahrzeug und Erläuterung der dimensionslosen Beiwerte sowie des Polardiagramms.
5. Preprocessing: Detaillierte Darstellung der CAD-Modellierung in CATIA und der Gittergenerierung (Meshing) mittels GAMBIT.
6. Solving (FLUENT v6.1): Beschreibung des Berechnungsprozesses, der Konvergenzkriterien und der eingesetzten Rechenhardware.
7. Postprocessing (FLUENT v6.1): Auswertung der Simulationsergebnisse durch Variation der Flap-Anstellwinkel und des Gesamtsystems sowie Darstellung in Polardiagrammen.
8. Betrachtung der Kräfte an Vorder- und Hinterachse: Analyse der aerodynamischen Abtriebskräfte und deren Auswirkungen auf die Fahrzeug-Achslasten.
9. Schlussbemerkungen: Einordnung der Ergebnisse und Ausblick auf notwendige Validierungen durch Windkanalmessungen oder Fahrversuche.
Schlüsselwörter
CFD, Strömungssimulation, Fluent, GAMBIT, Heckspoiler, Aerodynamik, Auftriebsbeiwert, Widerstandsbeiwert, Navier-Stokes, Turbulenzmodell, Finite-Volumen-Verfahren, Anstellwinkel, Flap, Fahrdynamik, CAD-Modellierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Es geht um die CFD-gestützte aerodynamische Untersuchung eines modifizierten Heckspoilers für einen BMW M3.
Welche zentralen Themen werden behandelt?
Die Themen umfassen die CFD-Grundlagen, Gittergenerierung, aerodynamische Beiwerte, Strömungssimulation und die fahrdynamische Auswirkung des Abtriebs.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das Ziel ist die Berechnung der aerodynamischen Beiwerte und die Bestimmung der optimalen Konfiguration für den Heckspoiler.
Welche Methode wird zur Berechnung genutzt?
Es wird die Finite-Volumen-Methode innerhalb des kommerziellen CFD-Programms Fluent verwendet.
Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorbereitung der Geometrie (Preprocessing), die numerische Simulation (Solving) und die Auswertung der Druck- und Geschwindigkeitsfelder (Postprocessing).
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie CFD, Strömungssimulation, Finite-Volumen-Verfahren und aerodynamische Beiwerte beschreiben.
Warum wurde ein strukturiertes Gitter in GAMBIT gewählt?
Die Wahl fiel auf ein strukturiertes Gitter, um Rechenzeit zu sparen und eine hohe Auflösung in den für die Grenzschicht kritischen wandnahen Bereichen zu erzielen.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Fahrdynamik?
Der Autor stellt fest, dass der Heckspoiler die Hinterachse belastet, wodurch für eine ausgeglichene Fahrdynamik ein zusätzlicher Frontspoiler zur Reduzierung des Untersteuerns empfohlen wird.
- Quote paper
- Norman Henkel (Author), 2004, CFD-Berechnung eines Heckspoilers, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/29455
