DE3406718A1 - Verfahren zum erzeugen eines koerpers mit gegenueber einem ausgangskoerper geringerem stroemungswiderstand - Google Patents

Description

Audi

Ingolstadt, den 9. Februar 1984 -2 AUDI NSU AUTO UNION

IP 1896 DrBa/Lie ~^ ' Aktiengesellschaft

Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Technische Gebilde, beispielsweise Flugzeuge, Schiffe oder Automobile, die sich unter Überwindung eines Strömungswiderstandes vorwärts bewegen, stellen meist einen Kompromiß dar, der aus der gleichzeitigen Erfüllung mehrerer Ziele resultiert. Ein Automobil beispielsweise muß einen Nutzraum von bestimmter Gestalt und Mindestgröße haben und darf dabei nur möglichst wenig Verkehrsfläche beanspruchen. Gleichzeitig soll das Automobil einen möglichst geringen Luftwiderstand haben, was einerseits eine möglichst geringe Querschnittsfläche und andererseits eine sehr große Länge bedeuten würde. Bei der Entwicklung des Automobils geht man daher meistens den Weg, daß man einen Ausgangskörper schafft, welcher den vorgegebenen Nutzraum umschließt und bestimmte Aggregate aufnimmt.Dieser Ausgangskörper wird dann im Windkanal unter ständiger iterativer Formänderung optimiert, bis er einen zufriedenstellend geringen Luftwiderstand hat, ohne daß seine Gebrauchstüchtigkeit leidet oder seine Herstellbarkeit durch zu komplexe Formen zu aufwendig wird. Die iterative Formverbesserung ist außerordentlich aufwendig, da jede von Hand erfolgende Änderung am Ausgangskörper, die durch Wegnehmen von Material und durch zusätzliche Anbauteile erreicht wird, in ihrer Auswirkung auf den Luftwiderstand vermessen werden muß, woraufhin dann eine erneute Formänderung erfolgt usw.

Das geschilderte Verfahren der in erster Linie experimentell-empirischen Formoptimierung findet überall dort Anwendung, wo der Luftwiderstand primär durch Wirbelbildungen, d.h. durch turbulente Strömungen

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verursacht wird. Bei rein laminaren Strömungen, \i/ie sie bei Flugzeugen oder speziellen Experimentierfahrzeugen in erster Linie vorliegen, können hinsichtlich des Strömungswiderstandes optimierte Körper mit Hilfe mathematischer Methoden weitgehend vorausberechnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das mit vermindertem experimentellen Aufwand die Erzeugung eines Körpers mit geringem Strömungswiderstand insbesondere in den Fällen ermöglicht, in denen der Strömungswiderstand in erster Linie durch Wirbelbildung induziert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der gezielten Ausnutzung vor allem von drei Effekten:

- Jn einer Strömung befindliche Teilchen setzen sich in Staubereichen der Strömung auf einem in der Strömung befindlichen Körper ab bzw. auf einem Körper befindliche Teilchen bleiben in Staubereichen liegen.

- Von der Strömung mitgeführte Teilchen werden in "Totwassergebieten", das sind Gebiete hinter Ablösungen, in denen die Strömung zur Körperoberfläche hin dreht, auf der Körperoberfläche abgelagert. Aufgrund dieses Effektes verschmutzen beispielsweise die Rückseiten von Kraftfahrzeugen mit ausgeprägter Heckverwirbelung sehr stark.

- Die Strömung nimmt auf dem Körper abgelagerte Teilchen umso stärker mit, je schneller ihre Geschwindigkeit an der Körperoberfläche ist.

Die drei genannten Effekte führen dazu, daß sich aus einem umströmten Ausgangskörper mit Hilfe von Teilchen, die auf diesem Ausgangskörper abgeschieden werden bzw. von diesem abgetragen werden, selbsttätig ein hinsichtlich des Strömungwiderstandes optimierter Körper ausbildet, Die Dichte der Teilchen, die Geschwindigkeit der Strömung sowie die Adhäsion der Teilchen auf der Körperoberfläche bzw. der Teilchen untereinander müssen dabei aufeinander abgestimmt' sein. Zur

Ablagerung von Teilchen in Staupunktbereichen kann mit Teilchen mit gegenüber dem Strömungsmedium verhältnismäßig großer Dichte gearbeitet v/erden. Wenn dagegen Bereiche des Ausgangskörpers optimiert u/erden sollen, die Wirbelbildung hervorrufen, sollte mit Teilchen gearbeitet werden, deren Dichte nur möglichst wenig über der des strömenden Mediums liegt, damit die Teilchen der Strömung unmittelbar folgen. Selbstverständlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig oder hintereinander mit unterschiedlichen Teilchenarten gearbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Optimieren von Körpern in Luftströmungen, beispielsweise zum Optimieren von Automobilformen, zum Optimieren von Körpern in Wasserströmungen, beispielsweise Schiffen, aber auch Unterwasserbauten usw.

Zum Optimieren von Körpern oder Oberflächen in Luftströmungen eignen sich beispielsweise Schneekristalle bei Temperaturen um 0°, da die Kristalle dann gegenüber zahlreichen Oberflächen eine verhältnismäßig gute Haftung aufweisen. Wegen dieser Struktur haften die Schneekristalle auch unter sich verhältnismäßig gut.

Der Anspruch 2 kennzeichnet eine Durchführungsform des Verfahrens, bei dem die auf dem Ausgangkörper abzusetzenden Teilchen der Strömung beigegeben werden. Auf dem Ausgangskörper werden dabei mit Hilfe der Teilchen Oberflächenbereiche aufgebaut, die zusammen mit den freibleibenden Oberflächenbereichen den Körper mit geringerem Strömungswiderstand bilde np.

Der Anspruch 3 kennzeichnet eine Durchführungsform des Verfahrens, bei dem der Körper mit geringerem Strömungwiderstand durch Abtragen von Teilchen mit Hilfe der Strömung erzeugt wird.

Der Anspruch 4 kennzeichnet eine Durchführungsform des Verfahrens gemäß dem Anspruch 3, bei dem durch Erhöhen der Strömungsgeschwindig-

keit ganz gezielt so lange gearbeitet M/ird, bis ein Körper mit vorgegebenen Randbedingungen entsteht.

Mit dem Merkmal des Anspruchs 5 wird erreicht, daß der Körper in vorbestimmten Bereichen mit Bereichen des Ausgangkörpers übereinstimmt. Solche Bereiche können beispielsweise Bereiche sein, die aufgrund gesetzlicher Vorschriften festgelegt sind, beispielsweise die Scheiben von Kraftfahrzeugen.

Der Anspruch 6 kennzeichnet eine Durchführungsform des Verfahrens, bei der iterativ gearbeitet wird. Dies kann notwendig sein, wenn bestimmte Bereiche des zu erzeugenden Körpers vorbestimmte Formen haben müssen, beispielsweise der rückwärtige Sichtbereich eines Rückspiegels.

Gemäß dem Anspruch 7 wird mit Teilchen gearbeitet, die aneinander und an der Oberfläche des Körpers haften. Die Hafteigenschaften und die Strömungsgeschwindigkeit müssen aufeinander abgestimmt sein.

Gemäß dem Anspruch 8 wird vorteilhafterweise mit einer Luftströmung gearbeitet. Auch das Arbeiten mit Flüssigkeitsströmungen ist möglich, wobei dann vorteilhafterweise mit Teilchen gearbeitet wird, die in der Flüssigkeit Dispersionen oder Emulsionen bilden.

Der Anspruch 9 kennzeichnet eine Durchführungsform gemäß dem Anspruch 8, die hinsichtlich der Durchführung besonders einfach ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 10 können die gemäß dem Anspruch 9 der Luftströmung zugeführten Teilchen mit definierten klebrigen Eigenschaften versehen werden. Bei einer abgeänderten Durchführungsform des Verfahrens kann der Luftströmung auch unmittelbar eine die Teilchen enthaltende Lösung zugeführt werden. Wenn in Luftströmungen mit Flüssigkeit gearbeitet wird, benutzen diese auch die Körperoberfläche, was das Absetzen der Teilchen günstig beeinflußt. Es kann mit Styroporteilchen, Sägemehlteilchen u« a. m. gearbeitet werden.

Gemäß dem Anspruch 11 kann als Flüssigkeit zum Klebrigmachen der Teilchen in einfacher Weise Zuckerlösung verwendet werden.

Der Anspruch 12 kennzeichnet ein Ausführungsbeispiel zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dars

Fig. 1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens,

Fig. 2 verschiedene Stadien beim Durchführen des Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 weist ein an sich bekannter Windkanal einen Austrittsdiffusor 1 und einen Einlaßdiffusor 2 auf, zwischen denen die Meßstrekke liegt. In der Meßstrecke ist eine Plattform 4 angeordnet, auf der sich ein Meßobjekt 6 befindet. Die Meßplattform 4 ist mit nicht dargestellten Meßeinrichtungen versehen, mit Hilfe derer die von der vom Austrittsdiffusor 1 zum Eintrittsdiffusor 2 strömenden Strömung am Meßobjekt 6 einwirkenden Kräfte gemessen werden.

Stromoberhalb des Austrittsdiffusors 1 befindet sich eine Vorrichtung, mit der in die Strömung Teilchen eingebracht werden können. Diese Teilchen werden in einem Vorratsbehälter 8 mit Hilfe einer Pumpe 10 entnommen und durch eine Leitung 12 hindurch einer in der Strömung befindlichen Austrittsdüse 14 zugeführt. Als solche Teilchen eignen sich beispielsweise Teilchen aus hochdisperer Kieselsäure, die mit vorgebbarer Teilchengröße lieferbar sind oder Teilchen aus fein zerkleinertem Styropor. Als Pumpe 10 eignet sich jede zum Fördern von fließfähigem Festgut verwendbare Pumpe, beispielsweise Schneckenförderer.

Um die Teilchenoberflächen in definierter Weise klebrig zu machen, befindet sich neben der Düse 14 eine weitere Düse 16, aus der eine Flüssigkeit austritt, die die Oberfläche der aus der Düse 14 austre-

tenden Teilchen ebenso wie die Oberfläche des Meßobjektes 6 klebrig macht. Diese Düse 16 wird von einer Pumpe 18 aus einem Vorratsbehälter 20 heraus beschickt.

Je nach Ausbildung des gesamten Windkanals und Art der verwendeten Teilchen können diese Teilchen in der umlaufenden Luftströmung verbleiben oder können mit Hilfe eines vor den Antriebspropellern befindlichen Filters ausgefiltert und dann dem Vorratsbehälter 8 wiederum zugeführt werden.

Gemäß Fig. 2a befindet sich auf der Meßplattform 4 als Meßobjekt zunächst ein Grundkörper, dessen Gestalt so ist, daß bestimmten festliegenden Randbedingungen Rechnung getragen ist. So nimmt der Grundkörper 22 die Insassen und den Motor auf und weist ein ausreichend großes Gepäckvolumen auf. Außerdem ist der Grundkörper bereits mit Rädern, Achsen und weiteren Aggregaten versehen.

Wenn der Grundkörper 22 gemäß Fig. 2a nun von der Strömung angeströmt wird, lagern sich die Teilchen im vorderen Staubereich 24 und in den wirbelnden Bereichen hinter der vorderen Oberkante 26, über der Windschutzscheibenkante 28, im Heckscheibenbereich 30 sowie hinter dem Heck 32 ab. Als Hüllfläche entsteht ein Körper 34, mit gegenüber dem Grundkörper 22 deutlich vermindertem Strömungswiderstand.

Der Körper 34 ist häufig als Form für das zu entwickelnde Kraftfahrzeug nicht ohne wesentliche Änderungen zu verwenden, da einzelne Oberflächenbereiche gesetzlichen oder konstruktiven Bedingungen nicht entsprechen. Die Oberfläche des Körpers 34 wird daher zunächst verfestigt, beispielsweise durch Tränken mit einer Harzlösung. Die durch die gesetzliche oder konstruktive Randbedingungen festgelegten Oberflächenbereiche werden dann durch Abtragen der abgesetzten Teilchen von Hand geformt, beispielsweise der Windschutzscheibenbereich mit der Motorhaubenkontur, die für ein ausreichendes Sichtfeld erforderlich ist, der Heckfensterbereich mit Kofferraumoberkante und der Unterbodenbereich für ausreichende Bodenfreiheit. Anschließend wird der so gebil-

dete Körper gemäß Fig. 2c nochmals angeströmt und mit Hilfe von Teilchen optimiert.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, gestattet das Verfahren in außerordentlich rascher und umfassender Weise das Erzeugen von strömungsoptimierten Formen, da die Form sich mit Hilfe der Strömung selbst optimiert bzw. ausbildet. Das Verfahren kann zur Verbesserung des Luftwiderstandes von Gesamtfomen verwendet werden. Es läßt sich nutzbringend auch zur Optimierung von Teilbereichen eines Körpers, wie Anbauteilen, Unterbodenbereichen usw. einsetzen.

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Claims (11)

Audi Ingolstadt, den 9. Februar 1984 AUDI NSU AUTO UNION IP 1896 DrBa/Lie Aktiengesellschaft Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringeren Strömungswiderstand, bei dem der Ausgangskörper von einer zumindest stromoberhalb des Ausgangskörpers weitgehend laminaren Strömung angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet , daß mit Hilfe der Strömung auf dem Ausgangskörper Teilchen abgelagert u/erden, und daß die Hüllfläche der Teilchen gegebenenfalls zusammen mit nicht mit Teilchen beschichteten Oberflächenbereichen des Ausgangskörpers die Oberfläche des Körpers mit gegenüber dem Ausgangskörper geringerem;. Strömungswiderstand bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen der Strömung beigegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangskörper vor dem Anströmen mit den Teilchen bedeckt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangskörper mit einer Strömung mit zunehmender Geschwindigkeit angeströmt wird bis Bereiche des Ausgangskörpers, die Oberflächenbereiche des Körpers mit geringerem Strömungswiderstand bilden sollen, von Teilchen frei werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangskörper in Bereichen, die Oberflächenbereiche des Körpers mit geringerem Strömungswiderstand bilden sollen, mit einer Oberfläche ausgebildet wird, an der die Teilchen nicht haften.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß von dem Körper mit gegenüber dem Ausgangskörper verringertem Strömungswiderstand an wenigstens einem vorbestimmten Bereich Teilchen abgetragen werden und daß aus dem so gebildeten Ausgangkörper ein neuer Körper mit gegenüber dem Ausgangskörper verringertem Strömungswiderstand erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß Teilchen verwendet werden, die aneinander und an der Oberfläche des Körpers haften.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömung eine Luftströmung ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Luftströmung stromoberhalb des Ausgangkörpers aus hochdisperser Kieselsäure bestehende Teilchen zugesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Luftströmung stromoberhalb des Ausgangskörpers eine die Teilchen klebrig machende Flüssigkeit zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit eine wäßrige Zuckerlösung ist.