DE3605603A1

DE3605603A1 - Verfahren zur aerodynamischen untersuchung von als massstaeblich verkleinerte modelle vorliegenden, umstroemten und teilweise durchstroemten fahrzeugen

Info

Publication number: DE3605603A1
Application number: DE19863605603
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl Ing Dr Wiedemann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1986-02-21
Filing date: 1986-02-21
Publication date: 1987-08-27
Also published as: DE3605603C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur aerodynamischen Untersuchung von als maßstäblich verkleinerte Modelle vorliegenden, umströmten und teilweise durchströmten Fahrzeugen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Neu- und Weiterentwicklung von Fahrzeugen, z. B. auch Personenkraftfahrzeugen, geht das Bemühen unter anderem stets dahin, diese unter Berücksichtigung auch anderer Kriterien soweit als möglich strömungsgünstig zu gestalten, da ab einer gewissen Fahrtgeschwindigkeit der Luftwiderstand die den Kraftstoffverbrauch bestimmende Verlustgröße darstellt. Eine Optimierung des Luftwiderstandsbeiwertes (c_w-Wert) ergibt sich sowohl aus einer strömungsgünstigen Umströmung der Fahrzeugkarosserie als auch aus einer entsprechend günstigen zumindest teilweisen Durchströmung verschiedener Fahrzeugaggregate, insbesondere im Motorraum, wo die Luft vorwiegend der Kühlung, d. h. der Abfuhr von Prozeßwärme dient.

Ein diesbezüglich wesentliches Aggregat innerhalb des Motorraumes ist beispielsweise bei wassergekühlten Kraftfahrzeugen der vom Fahrtwind angeströmte bzw. durchströmte Kühler mit seinen Lamellen.

Eine optimale Meßwertermittlung bei der aerodynamischen Untersuchung solcher Kraftfahrzeuge ist möglich, wenn diese im Maßstab 1 : 1 in einem Windkanal erprobt und untersucht werden. Andererseits hat es sich aber bei der Neuentwicklung und für verschiedene Anwendungsfälle als sehr sinnvoll erwiesen, die Fahrzeuge als im Maßstab wesentlich reduzierte Modelle in einem entsprechend dimensionierten Windkanal zu testen. Diese labormäßige Untersuchung ist wesentlich kostengünstiger und erlaubt zum anderen eine flexiblere Arbeitsweise, insbesondere ist es dabei auf besonders einfache Weise möglich, Gestaltungsänderungen zu verwirklichen.

Es hat sich in der Praxis als sinnvoll herausgestellt, z. B. Personenkraftfahrzeugmodelle im Maßstab 1 : 4 zu verwenden. Grundsätzlich birgt aber die Übertragung der dabei ermittelten Meßwerte auf die Betriebsbedienungen für die Personenkraftfahrzeuge in Originalgröße gewisse Schwierigkeiten, d. h. Meßunsicherheiten in sich. Der oben bereits genannten c_w-Wert ist insbesondere bei entsprechend geformten Körpern wie beispielsweise eine Fahrzeugkarosserie abhängig von der Reynoldszahl (Re).

Gemäß dem Reynolds′schen Ähnlichkeitsgesetz sind Strömungen um zwei geometrisch ähnliche Körper physikalisch nur dann ähnlich, wenn in beiden Fällen der Wert gleich ist, wobei V eine kennzeichnende Geschwindigkeit, beispielsweise die Windkanalgeschwindigkeit, L eine typische Körperabmessung von ν die kinematische Zähigkeit des Mediums (Luft) darstellt. Nun ist es aber bei einem im Maßstab um das vierfache reduzierten Modell nicht ohne weiteres möglich, die Windkanalgeschwindigkeit um diesen Faktor zu erhöhen. Es ergeben sich deshalb Reynoldszahlen in der Größenordnung von Re = 2,5 × 10⁶ bis Re = 10⁷. Es hat sich aber diesbezüglich als günsig erwiesen, daß gerade in diesem Bereich bei umströmten Körpern nur eine geringe, d. h. vernachlässigbare Abhängigkeit des c_w-Wertes von der Reynoldszahl gegeben ist.

Anders dagegen verhält es sich bei durchströmten Körpern, deren Innenströmung einer Rohrströmung vergleichbar ist, wie dem eingangs erwähnten Kühler innerhalb des Motorraumes. Dort sind diese Abhängigkeiten sehr wohl gegeben, so daß bei einfacher Maßstabsreduzierung solcher teilweise durchströmter Bauteile eine Meßwertverfälschung aufgrund von unterschiedlichen Strömungstypen (laminar bzw. turbulent) die Folge wäre. Eine Folge wäre auch, daß eine ebenfalls von o. g. Sachverhalten sich ableitende Optimierung hinsichtlich der Abmessungen des für ein bestimmtes Fahrzeug vorgesehenen Kühlers oder der Luftaustrittsfläche aus dem Motorraum nicht erreichbar wäre.

Die dimensionslose Kennzahl ζ _K, für die die Beziehung gilt, kennzeichnet den "tatsächlichen Gesamt-Druckverlust" der Luft beim Durchströmen des Kühlers und ist im Bereich Re = 2,5 × 10⁶ bis Re = 10⁷ in starkem Maße abhängig von der Reynoldszahl. Die Kennzahl ζ _K läßt sich bei einem Kühler in Originalgröße leicht ermitteln und wird üblicherweise vom Lieferanten dieses Aggregates angegeben und zwar in Abhängigkeit von der Reynoldszahl. Danach läßt sich auch der zugehörige Luftwiderstandsbeiwert (Δ c _w) des Kühlers bestimmen. In o. g. Beziehung ist Δ p _G der Gesamt- Druckverlust der Luft, ρ ist ihre Dichte und V _K ihre theoretische Durchtrittsgeschwindigkeit durch den Kühler.

Es ist nun die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verfahrensweise bei der aerodynamischen Untersuchung von als maßstäblich verkleinerte Modelle vorliegenden Fahrzeugen mit integrierten, teilweise durchströmten Aggregaten aufzuzeigen, die es erlaubt, das aerodynamische Zusammenwirken meßtechnisch exakt zu erfassen und demzufolge die Bauteile sowie ihre Anordnung zueinander optimal zu gestalten.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorgehensweise gelöst, wie sie den Merkmalen des Patentanspruches 1 entnommen werden kann.

Die Verwendung eines universell einsetzbaren Simulationsmodelles bietet neben der Lösung der gestellten Aufgabe den weiteren Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, dieses auch für andere Fahrzeuge zu verwenden, auch wenn die dort zum Einsatz kommenden Kühler anders dimensioniert sein sollten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines solchen Simulationsmodelles zur Durchführung des Verfahrens zur aerodynamischen Untersuchung ist aus Patentanspruch 5 entnehmbar. Damit kann auf besonders einfache Weise und mit wenigen Handgriffen der auf Modellmaßstab reduzierte "tatsächliche Druckverlust" des in dem betreffenden Kraftfahrzeug zum Einsatz kommenden Kühlers eingestellt werden. Weitere Vorteile leiten sich aus den Unteransprüchen sowie der nachstehenden Figurenbeschreibung ab.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt im einzelnen in

Fig. 1 den vorderen Bereich eines Personenkraftfahrzeuges mit einem schematisiert eingezeichneten Kühler, einer Luftführung mit Kühlluftaustrittsfläche und den maßgeblichen Kenngrößen,

Fig. 2 ein Diagramm, das die auf ein bestimmtes Flächenverhältnis reduzierte Beziehung zwischen dem Δ c _w-Wert und dem Druckverlustparameter durch den Kühler wiedergibt und

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäß eingesetzten Simulationsmodelles.

Fig. 1 zeigt den vorderen Bereich beispielsweise eines Personenkraftfahrzeuges (1) mit einem in dessen Motorraum (2) eingesetzten Kühler (3). In einem Windkanal werden insofern verschiedene Fahrtgeschwindigkeiten simuliert, als ein mittels eines Gebläses (22) erzeugter Luft-Volumenstrom (4) mit einer entsprechenden Anströmgeschwindigkeit auf das Personenkraftfahrzeug (1) gerichtet wird. Die wesentlichen Kenndaten am Eingang (5) des Kühlers (3) sind dessen Luft-Eintrittsfläche (A _K) die dort herrschende Anströmgeschwindigkeit (V _K) des Fahrtwindes sowie der innerhalb des Kühlers (3) sich ergebende tatsächliche Druckverlust ζ _K, der durch eine dimensionslose Kennzahl anzugeben ist, wie sich aus der bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnten Beziehung ergibt.

Die wesentlichen Kenndaten am stilisiert dargestellten Luftaustritt (23) aus dem Motorraum des Kraftfahrzeuges sind die dort herrschende Kühlluftaustrittsgeschwindigkeit (V _A) sowie die zur Verfügung stehende Luftaustrittsfläche A _A an der Karosserie oder am Unterboden. Die Spantfläche (A _X), d. h. die Fläche, die das projizierte Schattenprofil des Personenkraftfahrzeuges (1) in Fahrtrichtung ergibt, ist eine weitere Kenngröße zur Ermittlung des aufgrund nachstehender Beziehungen sich ergebenden Einstellwertes für den tatsächlichen Druckverlust ζ _K in einem gemäß der Erfindung anstelle des eigentlichen Kühlers (3) einzusetzenden Simulationsmodell (7).

Eine Beziehung zwischen dem Luftwiderstandsbeiwert Δ c _w des Kühlers (3) und dem absoluten Druckverlust z _K ergibt sich unter Berücksichtigung der Parameter A _K und A _A wie dies aus Fig. 2 entnommen werden kann. Der auf die Beziehung reduzierte Δ c _w-Wert ist bei gegebener Fahrzeuggeometrie eine allgemeine Funktion des auf die Beziehung erweiterten absoluten Druckverlustes ζ _K. Da diese Abhängigkeit jedoch insbesondere bei komplizierten Kühlluftführungen nicht von vorneherein bekannt ist, kann bei gegebenem ζ _K ein besonders günstiger Wert

(A _A/A _K)_opt

experimentell ermittelt werden. Sowohl hierfür, als auch für weiterreichende, z. T. eingangs bereits erwähnte Versuchs- und Optimierungszwecke dient das erfindungsgemäß eingesetzte Simulationsmodell (7).

In Fig. 3 schließlich ist schematisiert ein solches Simulationsmodell (7) dargestellt, welches anstatt des im Maßstab verkleinerten eigentlichen Kühlers (3) in das Personenkraftfahrzeugmodell eingesetzt wird. Das Simulationsmodell (7) ist ein kanalförmiges Gebilde, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt und ähnelt in seinem grundsätzlichen Aufbau sehr den Einrichtungen zur Ermittlung eines Volumenstromes mit Hilfe des Wirkdruckverfahrens. Mit dem Ziel, damit einen definierten Druckverlust zu erzeugen, wird eine Querschnittverengung in Form eines Schiebers (8) eingebaut, der manuell oder motorisch betätigt durch eine Öffnung (9) des Simulationsmodelles (7) mehr oder weniger in dessen Inneres hineinbewegt werden kann, wobei der Schieber (8) durch Führungen (12) geführt ist. Beidseitig des Schiebers (8) erweitert sich der Querschnitt des Simulationsmodelles (7) düsen- bzw. diffusorförmig (11, 13) um die Strömungsverhältnisse zu verbessern. Die Einströmseite (Pfeil 14) weist eine entsprechende Eingangsquerschnittsfläche (A _S) auf. Unmittelbar hinter der Einströmöffnung erstreckt sich ein Gleichrichter (15), der vorzugsweise als Wabengleichrichter ausgeführt ist, über die gesamte Fläche. Ihm kommt in erster Linie die Aufgabe zu, den einfallenden Luft-Volumenstrom in der Weise zu beeinflussen, daß eventuell vorhandene Drallströmungen oder sonstige Luftströmungen mit andersartig gerichteten Richtungskomponenten gleichgerichtet werden. Ein danach eventuell noch vorhandenes Ungleichgewicht, d. h. Störungen des Geschwindigkeitsprofiles (16) werden durch nachgeschaltete, gleichmäßig über den Querschnitt des Simulationsmodelles (7) verteilt angeordnete Strömungwiderstände in Form von engmaschigen Sieben (17) beseitigt. Zur Bestimmung der Druckdifferenz an dem als Schieber (8) ausgeführten Drosselorgan ist ein Differenzdruckmesser (nicht dargestellt) vorzusehen, der den herrschenden Luftdruck im Innern des Simulationsmodelles (7) an den gekennzeichneten Meßstellen (18, 19) entnimmt. Der dem Schieber (8) nachgeschaltete, in den Querschnittsflächen (A _S) der Einströmseite (14) entsprechende Auslaß ist, wie bereits erwähnt, als Diffusor (13) ausgebildet und weist letztendlich einen weiteren Gleichrichter (20) sowie diesem nachgeschaltete engmaschige Siebe (21) auf.

Es muß dabei eine Kalibrierung in der Weise erfolgen, daß mittels weiterer Druckmeßstellen (24, 25) der Gesamtdruckverlust Δ _PG als Funktion des mit einer hier nicht dargestellten Meßeinrichtungen zu bestimmenden Volumenstromes ermittelt wird.

So kann jeder Stellung des Schiebers (8) genau ein Wert des dimensionslosen Druckverlustes ζ _K zugeordnet werden. Außerdem erhält man aus der Kalibrierung den Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz an den Meßstellen (18, 19) und dem Volumenstrom.

Besonders hervorzuheben ist dabei, daß aufgrund der Maßnahmen zur Strömungsgleichrichtung (15, 17, 20, 21) die Druckmessung an den Meßstellen (18, 19) unabhängig von den Zuström- und somit von den Einbauverhältnissen des Simulationsmodelles (7) ist und daher genau wie unter den Kalibrierungsbedingungen erfolgen kann.

Das vorbeschriebene Simulationsmodell (7) kann mittels entsprechender Halterungen (nicht dargestellt) in das Personenkraftfahrzeugmodell (1) eingesetzt werden und dann mit Hilfe des Schiebers (8) der tatsächliche Druckverlust ζ _K des ersetzten, dem Maßstab des Personenkraftfahrzeugmodelles (1) angepaßten Kühlers (3) eingestellt werden.

Dabei sollten sinnvollerweise die in der Größe gleichen Ein- bzw. Austrittsquerschnittsflächen (A _S) des Simulationsmodelles (7) der maßstäblich reduzierten Kühlerfläche (A _K) sowie die Luftaustrittsfläche am Personenkraftfahrzeugmodell (A _AM) maßstäblich reduziert der Kühlluftaustrittsfläche des Originals (A _AO) entsprechen.

Sollte aber insbesondere die Querschnittsfläche (A _S) des Simulationsmodelles (7) nicht der entsprechenden Fläche (A _K) eines im Maßstab reduzierten Kühlers (3) entsprechen, so ist aufgrund der universellen Abhängigkeit nach Fig. 2 eine Berücksichtigung der Größenunterschiede bei der Einstellung der Kennzahl des tatsächlichen Druckverlustes (ζ _K) für Modellgröße des Kühlers (3) nach folgender Beziehung auf einfach Weise möglich.

Aus Fig. 2 ergibt sich die Forderung:

Wenn nach wie vor gilt: d. h. die Luftaustrittsflächen (die größenmäßig nicht bekannt sein müssen) zu den Spantflächen bei Modell und Original im selben Verhältnis zueinander stehen (geometrische Ähnlichkeit), dann ist

Dabei bedeutet
ζ _KM = tatsächlicher Druckverlust des Kühler-Simulators beim Modell
ζ _KO = tatsächlicher Druckverlust des Original-Kühlers
A _AO = Kühlluftaustrittsfläche bei Originalgröße
A _KO = Kühlerfläche bei Originalgröße
A _AM = Kühlluftaustrittsfläche beim Modell
A _XO = Spantfläche des Personenkraftfahrzeuges bei Originalgröße
A _XM = Spantfläche des Personenkraftfahrzeuges bei Modellgröße

Claims

1. Verfahren zur aerodynamischen Untersuchung von als maßstäblich verkleinerte Modelle vorliegenden, umströmten und teilweise durchströmten Fahrzeugen mit integrierten Fahrzeugaggregaten in einem Windkanal, insbesondere zur aerodynamischen Untersuchung des Durchströmungsverhaltens der integrierten Fahrzeugaggregate, dadurch gekennzeichnet,

1.1. daß ein maßstäblich verkleinertes Aggregat (3) durch ein Simulationsmodell (7) ersetzt wird.
1.2 dessen tatsächlicher Druckverlust (ζ k) als dimensionslose Kennzahl für den inneren Luftwiderstand einstellbar ist und,
1.3 daß unter Berücksichtigung von Querschnitts- und Maßstabsrelationen von zu ersetzendem Aggregat (3) und Simulationsmodell (7) eine Anpassung des tatsächlichen Druckverlustes (ζ k) erfolgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ein- bzw. Austrittsquerschnittsfläche (A _S) des Simulationsmodelles (7) einer maßstäblich reduzierten Aggregatefläche (A _K) und einer Kühlluftaustrittsfläche (A _AM) am Fahrzeugmodell maßstäblich reduziert einer Kühlluftaustrittsfläche (A _AO) am Fahrzeuge in Originalgröße entsprechen.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unterschiedlichen Querschnittsflächen (A _S, A _K) von Simulationsmodell (7) und im Maßstab reduziertem Aggregat (3) bei der Einstellung des tatsächlichen Druckverlustes (ζ) eine Anpassung nach folgender Beziehung erfolgt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im vorderen Bereich eines Personenkraftfahrzeuges (1) im Motorraum angeordneter Kühler (3) durch das Simulationsmodell (7) ersetzt wird.

5. Simulationsmodell zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses als kanalförmiges Gebilde ausgeführt ist und zur Erzeugung eines Druckverlustes eine einstellbare Querschnittsverengung (8) aufweist, wobei zu beiden Seiten der Querschnittsverengung (8) das Simulationsmodell jeweils als Düse bzw. Diffusor (11, 13) ausgebildet ist und im Bereich der Querschnittsverengung (8) Differenzdruckentnahmestellen (18, 19) vorgesehen sind.

6. Simulationsmodell nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Querschnittsverengung ein in Führungen (12) manuell oder motorisch betätigbarer Schieber (8) vorgesehen ist.

7. Simulationsmodell nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen jeweils ein vorzugsweise als Wabengleichrichter ausgeführter Gleichrichter (15, 20) sowie jeweils in Strömungsrichtung nachgeschaltete Strömungswiderstände in Form von engmaschigen Sieben (17, 21) über den jeweiligen Querschnitt des Simulationsmodelles (7) reichend vorgesehen sind.

8. Simulationsmodell nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen weitere Druckmeßstellen (24, 25) zur Kalibrierung vorgesehen sind.