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08.03.2017 | Fahrzeug-Aerodynamik | Im Fokus | Onlineartikel

Wie sich die Aerodynamik exakt messen lässt

Autor:
Christiane Köllner

Die aerodynamische Effizienz eines Fahrzeugs wird oft nur unter idealisierten Strömungsbedingungen ermittelt. Realistische Windverhältnisse finden kaum Berücksichtigung. Wie mehr Realismus in die Simulation kommt, zeigt Exa.

Fahrleistung und Kraftstoffverbrauch, Fahrverhalten und Komfort eines Fahrzeugs werden stark von dessen aerodynamischen Eigenschaften bestimmt. Die Fahrt eines Fahrzeugs ist mit zahlreichen Strömungsvorgängen verbunden. Zur Fahrzeug-Aerodynamik gehören die Umströmung des Fahrzeugs, die Durchströmung des Vorderwagens sowie Durchströmung des Passagierraums, wie Springer-Autor Thomas Schütz in seiner Einleitung zum Buch Fahrzeugaerodynamik erklärt. Für Kunden und Entwickler liegt das Hauptaugenmerk bei der Fahrzeug-Aerodynamik auf dem Luftwiderstand. Denn ein niedriger Luftwiderstand ist beispielsweise die Voraussetzung dafür, dass geforderte Verbrauchsziele erreicht werden können. 

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2014 | OriginalPaper | Buchkapitel

On-road aerodynamic efficiency under realistic transient wind conditions

"Für eine typische Fahrt bei Autobahngeschwindigkeit beträgt der Energiebedarf, um den aerodynamischen Widerstand zu überwinden, etwa 50 Prozent", wie die Exa Corporation, Spezialist im Bereich Aerodynamik-, Aeroakustik- und Thermodynamik-Simulation, in einem Blog-Post vom vergangenen Sommer erläutert. Die anderen 50 Prozent seien durch die mechanischen Verluste verursacht. Das bedeute, dass eine zweiprozentige Reduzierung des aerodynamischen Widerstands den Verbrauch um ein Prozent verringere. "Da insbesondere bei Elektrofahrzeugen Motoren, Getriebe und Reifen immer effizienter werden, steigen die Auswirkungen einer Verringerung des Luftwiderstands unter realen Bedingungen auf den Kraftstoffverbrauch und die Reichweite", heißt es weiter im Blog-Post. 

Zu idealisiert, zu wenig realistisch

Um die aerodynamische Effizienz von Fahrzeugen zu bewerten, werden die wesentlichen Eigenarten der Strömung um ein Auto in einem Windkanal sichtbar gemacht. Die notwendigen Tests im Windkanal lassen sich zwar realitätsnah und reproduzierbar durchführen, kosten aber viel Zeit und Geld. Daher gibt es ein weiteres Werkzeug, das dem Aerodynamiker zur Verfügung steht, um Strömungen zu visualisieren, und zwar die Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics CFD). Mit ihr lassen sich detailliert die Strömungsverhältnisse ermitteln. CFD kann zudem Informationen liefern, die messtechnisch nicht oder nur unter großem Aufwand zu erfassen sind. Daneben bietet die rechnergestützte Simulation einen entscheidenden Hebel, um Kosten im Entwicklungsprozess neuer Fahrzeuge zu verringern – zum Beispiel durch die Reduktion von Prototypen und Nacharbeiten.

Sowohl im Windkanalversuch als auch in der numerischen Strömungssimulation ist es Ziel, die Darstellung der Straßenfahrt und die damit verbundene Rotation der Räder realistisch abzubilden. Bislang wird die aerodynamische Effizienz eines Fahrzeugs bei beiden Methoden oft nur unter idealisierten Strömungsbedingungen betrachtet, die sich zwar von Test zu Test leicht reproduzieren lassen, allerdings nicht die realen Verhältnisse, wie sie auf der Straße herrschen, abbilden. Dynamische Windeffekte finden bei diesem Ansatz kaum Berücksichtigung, wie die Exa-Ingenieure im Kapitel On-road aerodynamic efficiency under realistic transient wind conditions aus dem Buch zum 14. Internationalen Stuttgarter Symposium kritisieren. Daher werden die Auswirkungen des Windes auf den Fahrzeugwiderstand und den Kraftstoffverbrauch deutlich unterschätzt. Grundsätzlich bedeute dies, dass die Bedingungen im realen Straßenverkehr, einschließlich verkehrsbedingter Turbulenzen und Seitenwind, den Kraftstoffverbrauch erhöhen. 

Realbedingungen in der Simulation berücksichtigen

Um die Effizienz und die Performance von Fahrzeugen im realen Straßenverkehr weiter zu verbessern und genauer vorhersagen zu können, müssten die Haupteinflussfaktoren der Realbedingungen in der Simulationsumgebung berücksichtigt werden. Exa-Entwickler tun dies, indem sie die realistischen Windeffekte in ihrem Simulationstool PowerFlow integrieren. 

Die Betrachtung der Windeffekte unter realistischen Bedingungen führt zu einer Erhöhung des Luftwiderstands, wie Exa in einer kürzlich durchgeführten Studie festgestellt hat. Berücksichtige man On-Road-Windturbulenzen bei einer Autobahnfahrt, ergäbe sich eine Zunahme des Luftwiderstands um sieben Prozent (statisches Modell: vier Prozent), was einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs von 3,5 Prozent (statisches Modell: zwei Prozent) entspreche. Damit verdoppelt sich der Windeffekt nahezu im Vergleich mit dem Ergebnis in einer statischen Strömungsumgebung. 

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