Potentialabschätzung zur Luftwiderstandsreduktion am stumpfen Körper durch Maßnahmen der Strömungsbeeinflussung

Abstract

Durch die Zielvorgabe der Fahrzeughersteller, den Kraftstoffverbrauch zu senken, steht die Fahrzeugaerodynamik vor der Herausforderung, den Luftwiderstand weiter zu reduzieren. Um diese Zielsetzung zu erreichen, werden neue oder verbesserte Ansätze benötigt. Der Luftwiderstand eines Fahrzeugs ist maßgeblich vom Druck am Heck abhängig, dieser wird als Basisdruck bezeichnet. Der Basisdruck im Nachlauf des Fahrzeugs wird ganz wesentlich durch die dortigen Strömungsgeschwindigkeiten und deren Schwankungsbreiten geprägt. Eine Beeinflussung dieser Größen stellt somit einen naheliegenden Ansatz dar, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Eingriffe in dieses Strömungsgebiet durch die aktive Strömungsbeeinflussung fanden in der Forschung im vergangenen Jahrzehnt zunehmendes Interesse. Bei der aktiven Strömungsbeeinflussung wird in der Strömung an einer definierten Stelle, z. B. durch Ausblasen, ein gezielter Energieeintrag erzeugt. Dieser kann im Optimalfall mit minimalem Aufwand die gewünschte Wirkung erzielen. Dadurch eröffnet sich eine vielversprechende Möglichkeit, ohne Eingriff in die Formgebung, respektive die Funktionalität des Fahrzeugs, den Luftwiderstand zu reduzieren. Für einen effizienten Einsatz am Fahrzeug sind aber noch verschiedene Fragen zu klären. Eine entscheidende Frage ist, wie groß die maximal erzielbare Luftwiderstandsreduktion durch eine derartige Beeinflussung ist. Ein Ansatz zur Abschätzung des Potenzials der aktiven Strömungsbeeinflussung zur Luftwiderstandsreduktion von Fahrzeugen existiert bislang nicht. Um Betrachtungen für ein Potential der Luftwiderstandsreduktion an stumpfen Körpern zu erlauben, werden Konzepte von Ablösung, dem damit verbundenen Totwasser, Geschwindigkeitsschwankungen im Totwasser, sowie kohärenten Strukturen benötigt. Die Strömung um einen umströmten Körper oder ein Fahrzeug kann der Geometrie an Stellen von zu starken Verjüngungen nicht folgen und löst somit an einer Ablösestelle oder Ablösekante ab. Stromab der Ablösestelle treffen die abgelösten Luftströmungen wieder aufeinander und grenzen das Totwassergebiet ab. Das Totwassergebiet wird nicht direkt durchströmt. Dennoch wird Energie von der Umströmung auf das Totwassergebiet übertragen. Diese Energieübetragung erfolgt durch Reibung und Turbulenz. Am Ende der Prozesse, die mit dieser Energieübertragung verbunden sind, steht die Dissipation. Somit stellt die Übertragung der Strömungsenergie an das Totwasser einen Verlust an effektiv nutzbarer Antriebsenergie dar. Dieser Verlust wird im Luftwiderstand reflektiert, der von der dissipierten Energie der Strömung im Totwasser abhängt. Der überwiegende Teil des Luftwiderstands stumpfer Körper wird durch Druckwiderstände verursacht. Reibungsfreie Grenzlösungen - die ausschließlich die Kraftübertragung durch Druckkräfte berücksichtigen - für stumpfe Körper stimmen gut mit experimentellen Werten überein. Dies zeigt, der überwiegende Anteil des Luftwiderstands dieser Körper wird durch Druckwiderstände verursacht. Als stumpfer Körper wird bei einem Fahrzeug somit der überwiegende Anteil des Luftwiderstands durch Druckwiderstände verursacht. Diese ergeben sich aus der Integration der Drücke über Flächenanteile senkrecht zur Fahrtrichtung. Da Heck und Bug die größten Flächenanteile senkrecht zur Fahrtrichtung aufweisen, ist der Druckwiderstand maßgeblich von der Druckdifferenz zwischen diesen beiden Regionen geprägt. Dadurch wird ein möglichst hoher Basisdruck angestrebt, um den Luftwiderstand so niedrig wie möglich zu halten. Das Niveau des Basisdrucks spiegelt sämtliche Strömungsverluste für die effektiv nutzbare Antriebsenergie des Totwassers wider. Die Strömung im Totwassergebiet lässt sich durch zeitlich und örtlich feste Wirbeln, sowie in dreidimensionalen Geschwindigkeitsschwankungen charakterisieren. Die Geschwindigkeits­schwankungen im Totwasser spielen eine bedeutende Rolle bei der Übertragung von Strömungsenergie zwischen Umströmung und Totwasser. Außerdem manifestieren sie sich auch als Druckschwankungen. Die Geschwindigkeitsschwankungen im Totwasser steigern den drucksenkenden Einfluss des Ablösegebiets auf die Basis und tragen damit zum Luftwiderstand bei. Häufig lassen sich vom Totwasser abschwimmenden Wirbelstrukturen (oder kohärente Strukturen), die eine Wirbelablösung repräsentieren, als Teil dieser Geschwindigkeits­schwankungen charakterisieren. Im Sonderfall einer ebenen Strömung erfolgt eine Interaktion der wechselseitigen Wirbelablösung gegenüberliegender Ablösekanten, die als die Kármánsche Wirbelstraße bekannt ist. Die Frequenz dieser Wirbelablösung liegt bei Srh = f∙h / u ≈ 0.25. Srh ist hierbei die Strouhal-Zahl, f die dimensionsbehaftete Frequenz, h die Höhe des stumpfen Körpers und u die Anströmgeschwindigkeit. Durch eine senkrecht zur Querströmungsrichtung der ebenen Strömung angeordnete Trennplatte im Totwasser wird die Interaktion der Wirbel und somit die Kármánsche Wirbelstraße vollständig unterbunden. Damit wird der Luftwiderstand stark reduziert. Um den Anteil der kohärenten Strukturen an den Verlusten in der Strömung zu beurteilen, müssen deren Anteile an den Geschwindigkeitsschwankungen in der Strömung betrachtet werden. Diese Arbeit befasst sich mit der möglichen Basisdruckänderung, die durch die Reduktion von Geschwindigkeitsschwankungen im Totwasser des Fahrzeugs mit Hilfe von Beeinflussungsmaßnahmen erreicht werden kann. Dazu wird eine neue Perspektive des bekannten Zusammenhangs von Bernoulli vorgeschlagen, durch den Druck und Geschwindigkeit an einem Ort miteinander verknüpft sind. Unter dieser Perspektive wird der nach Bernoulli berechnete Druck in der Strömung an der Ablösestelle, als der erreichbare Basisdruck bei vollständiger Vermeidung von Geschwindigkeitsschwankungen im Totwasser betrachtet. Somit liefert die Differenz zum gemessenem Basisdruck (der tiefer liegt) eine Abschätzung der möglichen Basisdruckanhebung. Dies ergibt eine Vorgehensweise für eine Vorhersage der Luftwiderstandsreduktion, bei Vermeidung aller Geschwindigkeits­schwankungen im Totwasser des Fahrzeughecks. Zusätzlich wird eine Erweiterung dieser Vorgehensweise zur Abgrenzung des Einflusses unterschiedlicher kohärenter Strukturen auf den Basisdruck vorgeschlagen. Die Erweiterung basiert auf Zerlegungsalgorithmen zur Differenzierung unterschiedlicher kohärenter Strukturen als Anteil an den gesamten Geschwindigkeitsschwankungen und ermöglicht die Abschätzung der möglichen Basisdruck­anhebung durch Vermeidung gewählter kohärenter Strukturen von Geschwindigkeits­schwankungen. Diese Abschätzung erfolgt sowohl am Fall eines stumpfen Körpers in ebener Strömung als auch an einem SAE-Vollheck Fahrzeugmodell. In beiden Fällen stehen die Beschreibung und der Einfluss kohärenter Strukturen auf den Basisdruck im Vordergrund. Der Großteil der Untersuchungen wurde experimentell realisiert. Begleitend wurden Daten aus numerischen Simulationen verwendet. In der ebenen Strömung um einen stumpfen Körper lässt sich durch Einsatz einer im Totwasser senkrecht zur Querströmungsrichtung der ebenen Strömung angeordneten Trennplatte eine deutliche Reduktion der Geschwindigkeitsschwankungen erzielen. Zudem wird die tatsächliche Basisdruckanhebung durch eine aktive Strömungsbeeinflussung mit „Synthetic Jets“ an den Ablösekanten untersucht, bei der auch der Einfluss weiterer Einflussparameter, wie die Grenzschichtdicke an der Ablösestelle und der Reynolds-Zahl betrachtet wird. „Synthetic Jets“ werden durch periodische Wechsel von Ausblasen und Ansaugen an Öffnungen erzeugt, wodurch im zeitlichen Mittel ein Strahl vorliegt. Die Geschwindigkeitsschwankungen im Ablösegebiet der ebenen Strömung ohne Trennplatte sind im Vergleich zu allen anderen untersuchten Strömungen in dieser Arbeit hoch, der resultierende Basisdruck ist niedrig. Durch Einsatz einer Trennplatte können diese Schwankungen deutlich reduziert, der Basisdruck um bis zu 80%, relativ zum eben umströmten, stumpfen Körper ohne Trennplatte angehoben werden. Dies entspricht einer Luftwiderstands­reduktion. Die Basisdruckanhebung, die mit der in dieser Arbeit vorgestellten Vorgehensweise zur Abschätzung für die Vermeidung von Schwankungen im Totwasser prognostiziert wird, liegt bei 58%, bezogen auf den eben umströmten, stumpfen Körper ohne Trennplatte. Diese abgeschätzte Basisdruckanhebung des stumpfen Körpers in ebener Strömung fällt geringer aus, als die tatsächlich erreichte Basisdruckanhebung durch den Einsatz einer Trennplatte. Die Differenz lässt sich durch die Beeinträchtigung der Geschwindigkeit an der Ablösestelle durch die Druckgradienten im Nachlauf erklären, die in der Strömung ohne Trennplatte viel höher sind als mit Trennplatte. Wie eigene Messungen im Rahmen dieser Arbeit zeigen, sind die Situation im Strömungsfeld und die resultierenden Drücke an der Basis in der ebenen Strömung stark von eher stochastischen, turbulenten Schwankungen geprägt. Diese lassen eine klare Identifikation der kohärenten Strukturen in der Wirbelablösung nur durch eine Zerlegung der Geschwindigkeits-, bzw. der Druckschwankungen mit der Methode der „Proper Orthogonal Decomposition“ (POD) zu. Über 60% der so zerlegten Schwankungen im Strömungsfeld und an der Basisfläche lassen sich auf die charakteristische Form der Wirbelablösung der Kármánschen Wirbelstraße zurückführen. Die Spektren des Basisdrucks geben die dimensionslosen Frequenzen dieser Wirbelablösung (Srh = 0.25) mit einer breitbandigen Spitze, sowie tieffrequente Schwankungen (Srh < 0.1) wieder. Eine weitere Zerlegung durch die Spektren des Druckpunkts der Basis zeigt, dass die tieffrequenten Schwankungen ausschließlich durch Störungen durch die Dislokation der Wirbel, senkrecht zur Betrachtungsebene, verursacht werden. Da die Dislokationen somit ebenso der Kármánschen Wirbelstraße zuzuordnen sind, lässt sich die mögliche Basisdruckanhebung durch die Unterdrückung der Kármánschen Wirbelstraße inklusive der Dislokationen auf 23% bis 56%, relativ zum eben umströmten, stumpfen Körper ohne Trennplatte abschätzen. Dabei ist der Umfang der Basisdruckanhebung im betrachteten Bereich (45.000 ≤ Reh ≤ 90.000) nicht von der Reynolds-Zahl (die als charakteristische Länge die Höhe h des stumpfen Körpers verwendet) Reh sondern von der Grenzschichtdicke abhängig. Bei dickerer Grenzschicht sind größere Anhebungen des Basisdrucks erreichbar. Eine Basisdruckanhebung, die durch die Schwächung der Kármánschen Wirbelstraße hervorgerufen wird, kann durch den Einsatz von „Synthetic Jets“ realisiert werden. Die Basisdruckanhebung wird in dieser Arbeit durch Synchronisierung der Wirbelablösefrequenz in der oberen und unteren Scherschicht mit der Frequenz der „Synthetic Jets“ erzielt. Eine optimale Synchronisierung der Wirbel wird bei Frequenzen erzielt, die in der Größenordnung der Wirbelablösefrequenz der Kármánschen Wirbelstraße sind, aber nicht zu nahe an dieser Frequenz liegen. Dabei können im Rahmen dieser Arbeit Basisdruckanhebungen von maximal 28%, bezogen auf den eben umströmten, stumpfen Körper ohne Trennplatte, erreicht werden. Da die Ausbildung der Kármánschen Wirbelstraße hierbei nicht vollständig unterdrückt wird, kann der abgeschätzte Maximalwert nicht erreicht werden. Die größtmöglich erreichbare Basisdruckanhebung ist hierbei von der Grenzschichtdicke abhängig, wie es auch aus der Abschätzung der möglichen Basisdruckanhebung in dieser Arbeit hervorgeht. Die Sensitivität der Strömung für die Synchronisation steigt mit zunehmender Grenzschichtdicke. Gleichzeitig sind die Anteile der Kármánschen Wirbelstraße an der Schwankungsenergie höher. Durch die so bewirkte Abschwächung der Kármánschen Wirbelstraße und die Synchronisation selbst reduzieren sich auch die Schwankungen der tieffrequenten Dislokation. Die Messwerte dieser Arbeit weisen am SAE-Vollheckmodell im Vergleich zum stumpfen Körper in ebener Strömung höhere Basisdrücke und niedrigere Geschwindigkeits­schwankungen auf. Mit bis zu 50% möglicher Basisdruckanhebung, bezogen auf den unbeeinflussten Basisdruck, wird jedoch eine vergleichbar große Veränderung festgestellt, wie sie bei einem stumpfen Körper in ebener Strömung durch die Abschätzung der Vermeidung von Schwankungen erfasst wird. Aus den Spektren aus Strömungsfeldmessungen der Scherschicht, sowie aus den POD-Analysen des Strömungsfelds und des Basisdrucks gehen zwei kohärente Strukturen als dominante Geschwindigkeitsschwankungen hervor. Dies ist einerseits die Wirbelablösung (bei Srh ≈ 0.2) und andererseits ein vergleichsweise tieffrequentes Flattern (Srh < 0.1). Die Wirbel­ablösung spielt sich mäanderförmig im oberen Teil des Totwassers ab. Beim Flattern wird der Nachlauf seitlich ausgelenkt. Da Flattern sowohl als tieffrequente Bewegung als auch bei der Wirbelablösung auftritt, sind die Prozesse nicht eindeutig voneinander trennbar. Eine Verknüpfung dieser Prozesse, wie bei der Dislokation der Kármánschen Wirbelstraße, kann deshalb auf Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit weder belegt noch ausgeschlossen werden. Basierend auf den Messungen im Rahmen dieser Arbeit lässt sich der Basisdruck, bei getrennter Betrachtung der kohärenten Strukturen, durch Vermeidung der Wirbelablösung um bis zu 14% und bei Vermeidung des Flatterns um bis zu 22% anheben. Bezogen auf den Luftwiderstand entspräche dies einer Reduktion um 11%, respektive 16%, relativ zum SAE-Vollheckmodell, ohne Beeinflussungsmaßnahmen. Nach der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Abschätzung zur Vermeidung von kohärenten Strukturen, wäre bezogen auf das Flattern verknüpft mit der Wirbelablösung eine Basisdruckanhebung von bis zu 44% und demzufolge eine Luftwiderstandsreduktion bis zu 34%, relativ zum SAE-Vollheckmodell, ohne Beeinflussungs­maßnahmen möglich. Eine Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl kann im betrachteten Bereich (600000 ≤ Reh ≤ 1400000) nicht festgestellt werden. Im Vergleich mit den dokumentierten kohärenten Strukturen an anderen Vollheckfahrzeug­typen und axialsymmetrischen stumpfen Körpern lässt sich eine starke Geometrieabhängigkeit hinsichtlich der Schwankungsanteile von kohärenten Strukturen vermuten. Deshalb ist bei anderen Vollheckfahrzeugtypen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen, mit höheren möglichen Basisdruckanhebungen zu rechnen. Trotzdem zeigen die Erkenntnisse der kohärenten Strukturen am SAE-Vollheckmodell, dass dokumentierte Konzepte der aktiven Strömungsbeeinflussung auf das SAE-Vollheck oder vollheckähnliche Fahrzeugtypen (inklusive Nutzfahrzeuge) übertragen werden können. Dies betrifft die aktive Strömungs­beeinflussung der Wirbelablösung am axial­symmetrischen stumpfen Körper, sowie an anderen Fahrzeugvollheckmodellen. Außerdem stellen auch Beispiele der aktiven Strömungsbeeinflussung der Bi-Stabilitäten, übertragen auf das Flattern, eine vielver­sprechende Möglichkeit dar, den Luftwiderstand zu reduzieren. Dies zeigt mit welchen Maßnahmen bei Vollheckfahrzeugen und Nutzfahrzeugen der Luftwiderstand durch die Beeinflussung von kohärenten Strukturen reduziert werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei auch auf, in welchem Umfang mit einer Reduktion des Luftwiderstands zu rechnen ist. Zur Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen, für die Beeinflussung kohärenter Strukturen, ist im Einzelfall eine Abstimmung und Optimierung der jeweiligen Fahrzeugform notwendig. Die Werte der möglichen Luftwiderstandsreduktion bieten eine nützliche Orientierung für eine solche Abstimmung und Optimierung.