CFD Simulation von aerodynamischen Maßnahmen

Arbeit der ses-tec OG, Graz, D. Jajcevic und W. Lang, 6/2014

Aerodynamische Untersuchungen eines Sattelschleppers mithilfe von CFD Einleitung

Während des letzten Jahrzehnts sind Simulationen mit Computational Fluid Dynamics (CFD) zu einem wichtigen Werkzeug im Forschungs- und Entwicklungsprozess geworden. Es ist zu erwarten, dass in Zu-kunft die Rechenkapazitäten moderner Computer weiterhin steigen, während auf der anderen Seite die Kos-ten signifikant abnehmen werden. Aus diesem Grund werden numerische Simulationen in Zukunft einen immer wichtigeren Beitrag zur Lösung von technischen Problemen liefern.

Die Verfügbarkeit von Ressourcen und der zunehmende Lkw-Verkehr beeinflussen die Entwicklung der neuen Lkw-Generationen und stellen Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit in den Vordergrund. Die Fahrzeugaerodynamik ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verbessert worden, dennoch gibt es eini-ges an Potenzial, das noch nicht ausgenutzt wurde. [FAT, 2011] berichtet über die Potenziale in Bezug auf die aerodynamischen Verbesserungen eines Sattelschleppers. Die Autoren zeigen, dass eine Änderung der Lkw-Komponenten, wie z. B. Frontverlängerungen, Dacheinzüge und Heckklappen, eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von bis zu 4 % ermöglichen. [Daimler, 2012] zeigte mit der Designstudie eines aero-dynamisch verbesserten Aufliegers, dass es möglich ist, durch verschiedenste Maßnahmen (Heckeinzug, Seitenverkleidung, ...) eine Reduktionen des Luftwiderstands von 18 % und des Kraftstoffverbrauchs von 4,5 % zu erreichen.

Die Abschätzung des Luftwiderstandes mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD) wird bereits erfolgreich in fast allen Großunternehmen durchgeführt siehe z. B. [FAT, 2011] [FAT, 2012] [Islam, 2009]

[Clasen, 2008] [Singh, 2008]. Da Messungen in der Regel sehr teuer und zeitaufwändig sind und in manchen Fällen auch die Windkanalgröße einen limitierenden Faktor darstellt, ist die Vorgehensweise, Veränderungen des Luftwiderstandsbeiwertes (cW) mithilfe der Simulation zu bestimmen, weitläufig akzeptiert. Zurzeit gibt es mehrere kommerzielle und Open-Source-CFD-Pakete, z. B. ANSYS CFX und Fluent, AVL-Fire Star-CD, Power Flow oder OpenFOAM, die in der Lage sind, den Luftwiderstandsbeiwert cW virtuell zu bestimmen.

Hintergrund dieses Projektes ist es, Empfehlungen für Spediteure abzugeben, inwieweit durch Anbauteile am Auflieger der Luftwiderstandsbeiwert von Sattelzügen reduziert werden kann. Der Fokus dabei stand jedoch nicht auf der Erstellung von strömungstechnisch optimierten Varianten. Vielmehr wurde versucht, die Geo-metrie so zu gestalten, dass sie die am Markt bereits verfügbaren aerodynamischen Anbauteile widerspiegelt.

Als Referenzfahrzeug wurde die generische Sattelschleppergeometrie der FAT gewählt. Das verwendete Simulationssetup und die Randbedingungen wurden aus den früheren Arbeiten der CFD Arbeitsgruppe der ACEA entnommen. An die vorhandene Basisgeometrie des FAT-Lkw wurden dann ein Heckeinzug sowie eine Seitenverkleidung angebracht. Leider war zu Beginn des Projekts kein Hersteller solcher Anbauteile verfügbar, weshalb versucht wurde, die Anbauteile anhand von Skizzen und Bildern nachzubilden. Zusätz-lich zur Simulation des Heckeinzugs sowie der Seitenverkleidung wurde noch der Einfluss der Randbedin-gungen, im speziellen die drehenden Räder und der sich bewegende Boden, auf den cW-Wert untersucht. Als letzte Variante wurde der Einfluss eines repräsentativen Seitenwinds von 3 ° auf den Sattelzug untersucht.

Geometrievarianten und Simulationseinstellungen

Als Referenzfahrzeug für dieses Projekt wurde die FAT-Sattelschleppergeometrie verwendet. Da für das Projekt leider kein Hersteller von aerodynamischen Anbauteilen für Lkw verfügbar war, wurden die Anbau-teile anhand von Skizzen und Abbildungen nachgebildet. An der FAT-Geometrie wurden folgende Modifi-kationen durchgeführt:

▸ Anbringen eines Heckeinzuges (50 cm);

▸ Durchgehende Seitenverkleidung, vom Aufliegerheck bis kurz hinter der Hinterachse der Zugmaschine.

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Dargestellt sind diese Modifikationen in Abbildung 1 und 2, in blau ist der Heckeinzug und in Rot die ange-brachte Seitenverkleidung eingefärbt. Der 50 cm lange Heckeinzug wurde an drei Seiten ausgeführt (oben, links und rechts).

Abbildung 1: Vorder- und Hinteransicht des modifizierten FAT-Lkw

Abbildung 2: Ober-, Unter- und Seitenansicht des modifizierten FAT-Lkw

Die für diese Arbeit durchgeführten Simulationsvarianten sind nun folgende:

▸ FAT-Geometrie (Referenz). Räder drehend, Boden bewegt.

▸ Variante 1: FAT-Geometrie mit Seitenverkleidung und Heckeinzug. Räder drehend, Boden bewegt.

▸ Variante 2: FAT-Geometrie mit Seitenverkleidung und Heckeinzug. Räder und Boden stehend

▸ Variante 3: FAT-Geometrie mit Seitenverkleidung und Heckeinzug. Seitenwind 3 °. Räder drehend, Boden bewegt.

Die Simulationseinstellungen und die Randbedingungen der Variantenberechnung des Lkw sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 3 gibt eine Übersicht über die wichtigsten thermophysikalischen Stoffda-ten und die verwendeStoffda-ten Startbedingungen.

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Tabelle 1: Simulationseinstellungen

Nr. Beschreibung Eingabewert

1 Simulationstyp Steady

2 Turbulenzmodell k-ε Realizable

3 Wandfunktion Non-Equilibrium

Tabelle2: Randbedingungen

Nr. Randbedingung FAT-Geometrie Variante 1 Variante 2 Variante 3 1 Einlass (Geschwindigkeit) 90 [km/h] 90 [km/h] 90 [km/h] 90 [km/h]

2 Auslass (Druck) 101325 [Pa] 101325 [Pa] 101325 [Pa] 101325 [Pa]

3 Turbulenz-Grad am Einlass 1 [%] 1 [%] 1 [%] 1 [%]

4 Charakteristische Länge am Einlass für die Turbulenz

10 [mm] 10 [mm] 10 [mm] 10 [mm]

5 Charakteristische Länge am Einlass für die Turbulenz

10 [mm] 10 [mm] 10 [mm] 10 [mm]

6 Anströmwinkel 0 [°] 0 [°] 0 [°] 3 [°]

7 Geschwindigkeit – Räder drehend drehend stehend drehend 8 Geschwindigkeit – Boden 90 [km/h] 90 [km/h] 0 [km/h] 90 [km/h]

Tabelle 3: Startbedingungen und thermophysikalische Stoffdaten

Nr. Beschreibung Wert

1 Dichte 1,184 [kg/m³]

2 Viskosität 1,49x10-5 [m²/s]

3 Initialisierungsdruck 101325 [Pa]

4 Initialisierungsgeschwindigkeit 0 [m/s]

Zum Starten der Berechnung wird ein sehr grobes Netz von zirka 10 Mio. Zellen erstellt, um ein erstes Strö-mungsfeld zu erhalten, welches für die Initialisierung der weiteren Simulationen verwendet wird. Dieses Strömungsfeld wird dann auf das feine Netz gemappt und ermöglicht dadurch eine schnellere Konvergenz der Simulation. Die Simulationseinstellungen für alle nachfolgenden Berechnungen orientieren sich an den Werten in Tabelle 1 – 3.

Das Berechnungsnetz wurde anhand der Vorgaben der ACEA-Arbeitsgruppe erstellt. Abbildung 3 zeigt ei-nen Schnitt in der xz-Ebene durch das erstellte Rechennetz. Detail A zeigt eiei-nen Ausschnitt beim Heckein-zug, um die verwendete Randschichtauflösung zu visualisieren.

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Abbildung 3: Berechnungsnetz

Detaillierte Vernetzungseinstellungen und eine Beschreibung der Vernetzungsstrategie sind dem Bericht [ses-Tec, 2013] zu entnehmen.

Ergebnisse und Diskussion

Das Ziel des Projektes war die Vorhersage des Luftwiderstandsbeiwertes von verschiedenen beschriebenen Lkw-Konfigurationen. Der Widerstandsbeiwert lässt sich dabei durch folgende Gleichung beschreiben:

𝑒𝑒𝑊 = 2𝐹_𝐷

𝜌𝑣𝑣²𝐴 (1)

Dabei repräsentiert FD die Widerstandskraft, ρ die Dichte der Luft, v entspricht der Anströmgeschwindigkeit und A ist die Referenzfläche.

Abbildung 4 vergleicht in einem Schnitt in der xy-Ebene die x-Geschwindigkeit der FAT-Geometrie mit der Geometrie der Variante 1 (mit Heckeinzug und Seitenverkleidung). Deutlich zu erkennen ist, die stärker ausgebildete Rezirkulationszone bei der FAT-Geometrie im Vergleich zur Variante 1.

Abbildung 4: Vergleich der x-Geschwindigkeiten; links: FAT-Geometrie; rechts: Variante 1

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