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TU Berlin

Inhalt des Dokuments

Aktive Strömungskontrolle

Aerodynamische Widerstandsreduktion eines generischen Fahrzeugmodells

Problemstellung und Ziel

Bei der Umströmung wandgebundener stumpfer Körper (Kraftfahrzeuge, Eisenbahnzüge, Gebäude etc.) treten am Heck des Körpers sehr großräumige Strömungsablösungen auf. Diese Ablösungen führen im Nachlauf des Körpers zu hochgradig dreidimensionalen Strömungsfeldern und bewirken einen drastischen Anstieg des Druckwiderstandes in Abhängigkeit von der Heckgeometrie (siehe Bild 1 rechts).
In jüngsten Untersuchungen zur aktiven Beeinflussung von Ablösungen konnte gezeigt werden, dass durch periodische Störimpulse der Impulstransport quer zur Hauptströmung erhöht und somit die Ablösegebiete verkleinert werden können.
Zielsetzung dieses Projektes ist die Reduktion des Druckwiderstandes eines generischen Fahrzeugmodells (Ahmed-Body, siehe Bild 1 links) durch eine deutliche Verkleinerung des Ablösegebietes an dessen Rückseite.

Bild 1: Strömungsfeld am Ahmed-Body mit 25° Heckrampenwinkel, Abhängigkeit des aerodynamischen Gesamtwiderstandes vom Heckrampenwinkel des Modells
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Methoden

Durch Variation der Heckschräge am Ahmed-Body treten unterschiedliche Wirbelsysteme im Nachlauf des Körpers auf (siehe Bild 1 links), die bei einer gezielten Beeinflussung berücksichtigt werden müssen und ausgenutzt werden können. Die Beeinflussung erfolgt dabei durch die Anregung von Scherschichtwirbeln mit Hilfe von periodischen Störimpulsen unter Verwendung von Druckluftaktuatoren.
Im Rahmen dieses Projektes wurden experimentelle Untersuchungen an Ahmed-Körpern mit einem Heckrampenwinkel von 35° in einem geschlossenem Wasserkanal durchgeführt, wobei bei dieser Konfiguration davon ausgegangen werden kann, dass quasi-zweidimensionale Querwirbelstrukturen das Ablösegebiet dominieren. Zur Erfassung der instationären sowie der zeit- und phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder wurde hier die Particle Image Velocimetry (PIV) eingesetzt.

Bild 2: Instationäres Geschwindigkeitsfeld mit typischen Querwirbelstrukturen und korrespondierenden Wellenlängen hinter dem Ahmed-Body (Heckrampenwinkel 35°)
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Für die Beeinflussung wurden Schlitzaktuatoren eingesetzt, die an verschiedenen Kanten des Modellhecks positioniert werden können. Als Parameter wurden neben dem Anregeort auch Frequenz und Amplitude der Störimpulse variiert. Die instationären Strömungsfelder (Bild 2) zeigen ausgeprägte Querwirbelstrukturen mit charakteristischen Wellenlängen und Frequenzen. Die hier ermittelte Vortex-Shedding-Frequenz zeigte sich zudem als die effektivste Anregefrequenz (Sr = 0,1) bei der Aktuation an der Rampenkante. Ein Vergleich der Geschwindigkeitsfelder in Bild 3 zeigt sehr deutlich den globalen Einfluss der Anregung; das Ablösegebiet konnte hier auf weniger als die Hälfte verkleinert werden.

Bild 3: Vergleich der Geschwindigkeitsfelder: ohne Beeinflussung (oben) und mit Anregung an der Heckkante (unten)
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Am Ahmed-Körper mit einem Heckrampenwinkel von 25° (siehe Abbildung 4 links) bewirkt ein stationäres Ausblasen an den Seitenkanten (Aktuator S1) die Abschwächung bzw. Unterdrückung der Längswirbelstrukturen und somit ebenfalls eine deutliche Widerstandsreduktion. Eine kombinierte Aktuation, zum Beispiel mit dem Schlitzaktuator P3 an der Basisoberkante, ermöglicht eine gezielte und effektive Beeinflussung der verschiedenen charakteristischen Strukturen und damit eine weitergehende Widerstandsreduktion, was sich auch in der Verringerung des Druckverlustes am Heck zeigt (siehe Abbildung 4 Mitte und links).

Abbildung 4: Ahmed-Körper mit 25°-Schrägheck und Aktuatorik (links), Einfluss der Heckaktuatoren S1 (stationär) und P3 (periodisch) im isolierten und kombinierten Betrieb auf den relativen Widerstandsbeiwert (Mitte) und den gemittelten Druckbeiwert (recht
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Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche

Dipl.-Ing. Daniel Krentel

 

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