A comparative study of engineering tools in heavy vehicle aerodynamics

Haff, Johannes GND

Die Sattelzugkonfiguration ist insbesondere aufgrund der hohen Flexibilität und Verfügbarkeit der Hauptverkehrsträger für den Warengütertransport in Europa. Gekennzeichnet durch einen hohen spezifischen Energieverbrauch, bieten Maßnahmen zur Reduzierung des aerodynamischen Widerstands ein erhebliches Potential zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Sattelzügen. Untersuchungen im Bereich der Nutzfahrzeugaerodynamik machen allerdings die Anwendung anspruchsvoller experimenteller und numerischer Methoden erforderlich. Das wesentliche Ziel dieser Arbeit ist es, einige dieser Methoden hinsichtlich ihrer Praktikabilität und Vorhersagbarkeit für die Entwicklung widerstandsreduzierender Maßnahmen im Nutzfahrzeugbereich zu verifizieren. Als Grundlage für die Untersuchungen dient eine im Rahmen von Windkanalmessungen eruierte Modellkonfiguration mit einer Unterbodenvollverkleidung und einem Heckdiffusor. Neben einer gemessenen Reduzierung des aerodynamischen Gesamtwiderstands von bis zu 3,3%, liefern die Experimente unter Anwendung modernster Strömungsmesstechniken wesentliche Erkenntnisse über die induzierten strömungsphysikalischen Effekte, welche eine Widerstandsreduktion bewirken. Die Berechnung des Gesamtströmungsfeldes, durch Lösen der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen unter Vorgabe der Randbedingungen im Windkanalexperiment, liefert zusätzliche Erkenntnisse zur Klärung der genauen Wirkungsweise der untersuchten Modellmodifikationen. Dadurch kann die aus den Experimenten gewonnene Erkenntnis, dass diffusorinduzierte Strömungsstrukturen den Basisdruck am Heck des Aufliegers erhöhen, bestätigt werden. Ein weiterer wesentlicher Aspekt im Bereich der Fahrzeugaerodynamik ist die Berücksichtigung der unter realen Strömungsbedingungen vorhandenen Relativbewegung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn, welcher im Rahmen der durchgeführten Simulationen ebenfalls untersucht wurde. Dabei wird eine verringerte Wirkung der Unterbodenmodifikationen unter realen Bodenrandbedingungen nachgewiesen. Zur Ermittlung des Einflusses der Randbedingungen von Windkanalmessungen auf die Strömungsvorgänge eines Sattelzugs unter realen Anströmbedingungen und zur Identifizierung der Unterschiede in den jeweiligen berechneten und gemessenen Strömungsfeldern dienen Messergebnisse aus einem Fahrversuch. Insgesamt leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der instationären Strömungsvorgänge im Ablösegebiet hinter stumpfen Körpern und liefert einen genaueren Einblick in die Übertragbarkeit von Strömungsfelddaten aus skalierten Modellmessungen und numerischen Simulationen auf die Realität.

Due to the high flexibility and availability, the tractor-trailer configuration is the main traffic carrier for the transportation of goods in Europe. Associated with a high specific energy consumption, the reduction of aerodynamic drag contains a considerable potential to increase the vehicle performance. Investigations in heavy vehicle aerodynamics require the application of highly sophisticated experimental and numerical methods. A fundamental objective of this thesis is the verification of different methods regarding their practicability and predictability for the development of drag-reducing devices for tractor-trailers. The investigations are based on a model configuration with an underbody full fairing and a rear diffuser, which is obtained by wind tunnel experiments. Additional to a measured reduction of the total aerodynamic drag of up to 3.3%, the experiments combined with the application of modern flow measuring techniques provide meaningful results of the changed flow physics inducing a drag reduction. Since the numerical simulations based on the solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations including the boundary conditions of the wind tunnel experiments provide the complete unsteady 3D flow field, the results are used to clarify the working principle of the investigated model modifications. The made observations from experimental data, making diffuser-induced flow structures responsible for a pressure rise at the trailer base, are confirmed by the simulations. Besides, the relative model-to-ground motion, as fundamentally important aspect in vehicle aerodynamics, was investigated in the simulations. Concluding the results, a reduced efficiency of the underbody modifications under realistic ground conditions is demonstrated. Results of a road test were used to quantify the influence of wind tunnel boundary conditions on the flow physics around a tractor-trailer configuration under real operating conditions and to detect the deviations in the measured and predicted flow fields. Altogether, the present study provides a contribution to improve the understanding of the unsteady flow processes in the separated flow region behind a bluff body. Besides, a deeper insight into the transferability of the flow field results from scale model testing and numerical simulations on the reality is given.

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Haff, Johannes: A comparative study of engineering tools in heavy vehicle aerodynamics. 2015.

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