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Main Title: Experimental analyses of aerodynamic behaviour of DrivAer car model
Translated Title: Experimentelle Untersuchungen zum aerodynamischen Verhalten des DrivAer PKW-Modells
Author(s): Wieser, Dirk
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Repmann, Carsten
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11553
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10438
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: Die vom Menschen verursachte CO2-Emission erreicht jedes Jahr neue Höchstwerte. Aufgeschlüsselt nach Verursachern ist der Transportsektor der zweitgrößte Emittent, wobei der darin enthaltene Straßenverkehr mit dem Auto den Hauptanteil mit jährlich zunehmenden CO2-Emissionen ausmacht. Der Grund dafür ist die steigende Anzahl zugelassener Fahrzeuge, welche die die pro Fahrzeug erzielten CO2-Reduktionen infolge Effizienzsteigerungen vollständig kompensiert. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entstehen die größten Verluste beim Verbrennungsprozess in Form von Abwärme. Dahinter folgt die energetische Dissipation infolge der Fahrzeugumströmung. Bei batterieelektrischen Fahrzeugen ist der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs um ein vielfaches effizienter und der dominierende Verlustterm des Verbrennungsprozesses entfällt vollständig. Daraus folgt, dass der Beitrag des aerodynamischen Verlustanteils am Gesamtverlust signifikant zunimmt. Aus diesem Grund ist eine effiziente Fahrzeugaerodynamik essenziell für einen CO2-armen Transportsektor. Die vorliegende Arbeit liefert einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Strömungstopologie eines realistischen Fahrzeugs. Ziel ist es, zugrundeliegende Zusammenhänge aufzudecken und dominante Strömungsstrukturen zu identifizieren, die einen wesentlichen Einfluss auf den Luftwiderstand ausüben. Zu diesem Zweck wurden umfassende Windkanalversuche bei verschiedenen Anströmbedingungen durchgeführt und verschiedene Oberflächenvisualisierungsmethoden und Strömungsmesstechniken, wie Druck- und Kraftmessungen und laserbasierten Geschwindigkeitsmesstechniken angewendet. Ergänzend zu diesen Studien wird ein neuer Ansatz zur Fahrzeugwiderstandsreduktion mittels aktiver Strömungsbeeinflussung unter Verwendung von fluidischen Oszillatoren untersucht. Die zu Grunde liegende Fahrzeuggeometrie ist das DrivAer-Modell der TU Berlin im Maßstab 1:4. Die untersuchten Heckgeometrien sind das Stufen- und das Fließheck. Die Reynoldszahl liegt bei etwa drei Millionen. Die untersuchten Seitenwindanströmrichtungen sind null, fünf und zehn Grad. Die Aktuatoren für die Strömungsbeeinflussung sind an der hinteren Dachkante und den C-Säulen verortet. Die Strömungstopologie um ein Fahrzeug ist komplex, instationär und durch eine Vielzahl von sich gegenseitig beeinflussenden Strömungsstrukturen charakterisiert. Der obere Bereich des Strömungsfeldes wird deutlich durch die Längswirbelsysteme der A- und C-Säule dominiert. Die Schubspannungslinien zeigen ein gänzlich symmetrisches Strömungsbild für das Fließheck. Am Stufenheck bildet sich auf der Heckscheibe durch den Einfluss des Heckdeckels ein großes asymmetrisches Strömungsmuster aus. Im unteren Bereich des Nachlaufs bilden sich umlaufend zur Basisfläche Querwirbel aus, die im zeitlichen Mittel als geschlossener Ringwirbel in Erscheinung treten. Druckmessungen zeigen, dass sich infolge der Wirbelstrukturen im externen Strömungsfeld starke Unterdruckgebiete auf der Fahrzeugoberfläche ausbilden, welche wiederum wesentlich zum aerodynamischen Widerstand beitragen. Seitenwinde führen zu einer erheblichen Veränderung der Strömungstopologie. Neben der asymmetrischen Gesamtströmung ist zu erkennen, dass einzelne Strömungsstrukturen entweder deutlich verstärkt oder abgeschwächt sind. Insbesondere der leeseitige A-Säulen- und der luvseitige C-Säulen-Wirbel sind deutlich ausgeprägt. Die an den gegenüberliegenden Seiten befindlichen Wirbel sind dagegen deutlich geschwächt oder verschwinden ganz. Gleiches gilt auch stromab der Basisfläche, wo zusätzlich auch weitere Wirbel entstehen. Der Basisdruck erfährt großflächig einen signifikanten Druckabfall und die Kraftmessungen zeigen, dass der Fahrzeugwiderstand infolgedessen um bis zu zehn Prozent ansteigt. Der Einsatz von fluidischen Oszillatoren beim Stufenheck ändert die Strömungstopologie auf dem Heckfenster grundlegend, woraufhin der Druckkoeffizient um bis zu 0,3 ansteigt. Bereits bei geringen Impulsbeiwerten wird ein Nettovorteil im Luftwiderstandsbeiwert von etwa acht Prozent gegenüber dem Wert ohne Strömungsbeeinflussung erzielt. Die Abschätzung zur Leistungsbilanz zeigt Vorteile für niedrige Impulseinträge. Bei hohen Pulseinträgen ergibt sich jedoch ein unvorteilhafter Anwendungsfall.
Carbon dioxide emissions caused by human activity reach new record levels every year. Categorized by global contributors, the transport sector is the second-largest emitter with road traffic by car representing the main contributor with steadily increasing CO2 emissions. The reason for this is the increasing number of vehicles registered worldwide which entirely compensates the CO2 reductions of the vehicles achieved through efficiency improvements. For internal combustion engine vehicles, the greatest energy losses occur in the combustion process as waste heat. This is followed by energy dissipation during driving as a result of the flow around the vehicle. In battery electric vehicles, the overall efficiency of the powertrain is considerably more efficient and the dominant loss term of the combustion process is eliminated. As a result, the contribution of the aerodynamic loss term to the total loss increases significantly. Therefore, efficient aerodynamics of vehicles is crucial for a transport sector with low CO2 emissions. The present work provides a basic contribution to the understanding of the flow topology of a realistic passenger car. The objective is to expose underlying correlations and to identify dominant flow structures that have significant influence on aerodynamic drag. For this purpose, extensive wind tunnel tests were conducted at different inflow conditions and different surface visualization methods as well as flow measurement techniques such as pressure and force measurements and laser-based velocimetry techniques were applied. In addition to these investigations, a novel approach for drag reduction by means of active flow control using fluidic oscillators is studied. The model investigated is the DrivAer model of the TU Berlin in a scale of 1:4. The studied rear end geometries are the notchback and the fastback. The Reynolds number is about three million. The crosswind flow directions studied are zero, five, and ten degrees. The actuators used for the active flow control are located at the trailing edge of the roof and the C-pillars. The flow topology around a vehicle is complex, unsteady and characterized by a variety of interacting vortical flow structures. The upper flow field is significantly dominated by the longitudinal vortices of the A- and C-pillars. The shear stress lines show a symmetrical flow pattern for the fastback. At the notchback, a large asymmetric flow pattern is formed on the rear window due to the influence of the trunk deck. In the lower region of the wake, crosswise oriented vortices are formed around the base surface edges which appears as a closed ring vortex in the time average. Pressure measurements show that the vortex structures cause significant low-pressure areas on the vehicle surface which in turn considerably contribute to the increase in drag. Crosswinds lead to a significant change in the flow topology. In addition to the overall asymmetric flow, it can be seen that individual flow structures are either significantly intensified or weakened. In particular, the leeward A-pillar and the windward C-pillar vortex are clearly pronounced. In contrast, the vortices located on the respective opposite sides are clearly weakened or disappear entirely. The same also applies to the downstream of the vehicle base where new vortices are also formed. The base pressure experiences a significant pressure drop covering a large area and the force measurements show that the vehicle drag consequently increases by up to ten percent. The use of fluidic oscillators on the notchback changes the flow topology on the rear window completely, whereupon the pressure coefficient increases by up to 0.3. Already at low momentum coefficients, a net drag coefficient advantage of about eight percent is achieved compared to the value without any flow control approach. The assessment of the power balance also shows advantages for low momentum coefficients. However, a disadvantageous use case results for high momentum coefficients.
Subject(s): wind tunnel tests
vehicle aerodynamics
crosswind
DrivAer model
active flow control
Windkanalversuche
Fahrzeugaerodynamik
Seitenwind
DrivAer-Fahrzeugmodell
aktive Strömungsbeeinflussung
Issue Date: 2021
Date Available: 2-Jul-2021
Exam Date: 1-Jul-2020
Has Part: 10.14279/depositonce-9937
Language Code: en
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
TU Affiliation(s): Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Inst. Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » FG Experimentelle Strömungsmechanik
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