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Closed-loop active flow control for road vehicles under unsteady cross-wind conditions
Pfeiffer, Jens
Many road vehicles can be classified as bluff bodies based on their aerodynamic characteristics. Due to their geometry, the flow separates at the back of the vehicle, leading to a large, turbulent wake and a high drag coefficient. Active flow control (AFC) represents a promising technique for mitigating these detrimental effects. Although this has been successfully demonstrated in various wind tunnel experiments, most of the research has been limited to simplified, generic vehicle shapes under low-turbulent conditions. By contrast, real vehicles experience a significant amount of on-road turbulence, most notably when driving in gusty cross wind. This thesis explores the potential of AFC to adapt to these changing flow conditions by using feedback control. Here, the focus lies on ensuring an efficient drag reduction especially during cross-wind gusts; the effects on lateral vehicle dynamics and driver behavior are considered as well. To this end, further advantages of closed-loop AFC such as disturbance suppression are exploited to reduce the vehicle’s cross-wind sensitivity and improve comfort and safety for the driver. These techniques are first applied to a simple generic 2D bluff body equipped with Coanda actuators. A multivariable robust H8 controller is designed based on a set of black-box models identified from experimental data. The controller adjusts the Coanda blowing rates at the two trailing edges simultaneously and achieves an efficient drag reduction of up to 35 %. Additionally, it rapidly suppresses disturbances acting on the yaw moment during cross-wind conditions, which are emulated here by a simple rotation of the bluff body in the wind tunnel. This approach is extended to a 3D bluff body exposed to more realistic gusts in a special crosswind facility. A novel support system for wind-tunnel models replicates the lateral vehicle motion during the experiments based on a real-time simulation of lateral vehicle dynamics and driver behavior. This enables an investigation of the various transient effects resulting from unsteady cross-wind gust response, actuated flow dynamics and lateral vehicle response. A particular goal of this thesis lies on capturing these transient effects better than existing techniques. This is achieved through the application of linear parameter-varying (LPV) modeling and control tools. To this end, a novel approach for the identification of LPV models for unsteady flow dynamics is developed and presented. It exploits the similarity of the nondimensional transient aerodynamic characteristics for varying free-stream velocities. Furthermore, it allows dependencies on additional parameters such as cross-wind angle to be easily taken into account. Here, LPV models are identified for actuated flow dynamics and unsteady cross-wind gust response of the 3D bluff body. These models describe the flow physics more accurately than conventional linear black-box models and allow an improved LPV controller design that takes the parameter dependency of the flow dynamics on varying free-stream velocities and cross-wind angles directly into account. This translates into better performance than conventional robust controllers. Additional LPV feedforward control reduces the cross-wind sensitivity further. In wind-tunnel experiments with cross-wind gusts the controllers achieve an efficient drag reduction of up to 15% while simultaneously improving the vehicle’s side-wind sensitivity significantly. Last but not least, the LPV models can be scaled easily to different vehicle dimensions and driving velocities. The thesis concludes with a prediction of the dynamic characteristics of unsteady gust response, actuated flow dynamics and controller performance for a real-sized vehicle based on the models identified from wind-tunnel experiments.
Straßenfahrzeuge weisen üblicherweise die aerodynamischen Eigenschaften stumpfer Körper auf. Auf Grund ihrer Körpergeometrie löst die Strömung an den Fahrzeughinterkanten ab und bildet ein großes, turbulentes Nachlaufgebiet, das zu einem hohen Widerstandsbeiwert führt. Der Einsatz aktiver Strömungsbeeinflussung stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, dem entgegenzuwirken. Dies wurde in verschiedenen Windkanalexperimenten mit zumeist turbulenzarmen Anströmbedingungen und einfachen, generischen Fahrzeugformen nachgewiesen. Da reale Straßenfahrzeuge jedoch insbesondere bei Fahrten in böigem Seitenwind deutlich höheren Turbulenzgraden ausgesetzt sind, wird in dieser Arbeit untersucht, wie mittels einer Regelung der Strömung gezielt auf veränderliche Anströmbedingungen reagiert werden kann. Hierbei wird über das Ziel einer effizienten Luftwiderstandsreduktion hinaus auch der Einfluss auf Fahrzeugquerdynamik und Fahrerverhalten betrachtet, um durch eine Unterdrückung von Störungen den Fahrer während Seitenwindböen zu entlasten und so Sicherheit und Fahrtkomfort zu erhöhen. Die Methoden zur aktiven Strömungsbeeinflussung werden zunächst an einem generischen zweidimensionalen stumpfen Körper angewandt, der mit Coanda-Aktuatoren entlang der Körperhinterkanten ausgestattet ist. Ein anhand von experimentell identifizierten Black-Box-Modellen ausgelegter robuster H8-Mehrgrößenregler stellt die Ausblasgeschwindigkeiten an den beiden Aktuatoren simultan ein und erzielt eine effiziente Luftwiderstandsreduktion von bis zu 35%. Zudem werden Störungen des Giermoments bei Schräganströmungsbedingungen schnell ausgeregelt, die hier durch ein einfaches Verdrehen des Versuchskörpers nachgebildet werden. Dieser Ansatz wird anschließend auf einen dreidimensionalen stumpfen Körper erweitert, der in einem speziellen Seitenwindkanal realitätsnahen Böen ausgesetzt wird. Mittels einer Echzeitsimulation der Querdynamik und des Fahrerverhaltens wird auch die Fahrzeugquerbewegung berücksichtigt und durch ein neuartiges Verfahrsystem im Windkanal umgesetzt. Dies ermöglicht eine Untersuchung der unterschiedlichen transienten Effekte, die sich aus instationärer Böenantwort, Dynamik der aktuierten Strömung und Fahrzeugquerdynamik ergeben. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit stellt eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verbesserte Erfassung dieser transienten Effekte mittels linear parameter-veränderlicher (LPV) Verfahren dar. Hierzu wird ein neuartiger Ansatz für die Identifikation von LPV-Modellen vorgestellt, der die Ähnlichkeit der transienten Aerodynamik für variierende Anströmgeschwindigkeit ausnutzt. Darüber hinaus können Abhängigkeiten von weiteren Parametern wie dem Schräganströmungswinkel leicht berücksichtigt werden. Für den 3D stumpfen Körper werden entsprechende LPV- Modelle für die Dynamik der aktuierten Strömung und das transiente Seitenwindverhalten identifiziert. Sie beschreiben die Strömungsphysik genauer als herkömmliche lineare Black-Box- Modelle und erlauben einen verbesserten LPV-Reglerentwurf, der die Parameterabhängigkeiten der Strömungsdynamik von variiender Anströmgeschwindigkeit und Schräganströmungswinkel berücksichtigt. Im Vergleich zu konventionellen robusten Reglern wird so eine höhere Performance erzielt, die durch eine LPV-Störgrößenaufschaltung weiter gesteigert werden kann. In Windkanalversuchen mit Seitenwindböen wird so eine effiziente Widerstandsreduktion von bis zu 15% bei gleichzeitiger Verbesserung der Seitenwindempfindlichkeit erzielt. Des weiteren können die LPV-Modelle leicht auf andere Fahrzeuggrößen und Fahrtgeschwindigkeiten skaliert werden. Dies wird abschließend anhand der in Windkanalversuchen identifizierten Modelle für eine Abschätzung und Vorhersage der Dynamik der instationären Böenantwort, der aktuierten Strömung und der Reglerperformance für Realfahrzeuggröße vorgenommen.
