Strömungssimulation: Einfluss der Reynoldszahl auf den Kühlluftstrom – dargestellt am Volvo S60

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Die Strömungsverhältnisse im Kühllufteinlass eines Fahrzeugs unterscheiden sich bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen signifikant bezüglich der Strömungsgeschwindigkeiten und Reynoldszahlen. Forscher der schwedischen Chalmers University of Technology und Mitarbeiter von Volvo Cars haben mit dem CFD-Programm Ansys Fluent den Einfluss unterschiedlicher Reynoldszahlen auf den Kühlluftstrom eines Volvo S60 untersucht.

Den größten Anteil am Luftwiderstand eines Kraftfahrzeugs hat die Karosserie. Aber auch Details wie Unterboden oder Motorraum bieten ein großes Potenzial zur Widerstandsreduzierung, wobei ganz besondere Aufmerksamkeit den Lufteinlässen für die Motorkühlung gilt. Sie müssen für alle Betriebszustände eine optimale Kühlluftversorgung gewährleisten, die unter anderem abhängig ist von Außentemperatur, Motorbelastung und Fahrgeschwindigkeit. Hinzu kommt, dass Kühlsystemelemente wie Wärmetauscher und Lüfter potenzielle Quellen für einen hohen Luftwiderstand sind. Zentrale Bedeutung für die Gestaltung der Kühllufteinlässe hat die (geschwindigkeitsabhängige) Reynoldszahl Re, denn sie beeinflusst die Strömungscharakteristik signifikant.

Einsatz von CFD-Software
Die Untersuchungen am Modell eines Volvo S60 wurden mit dem CFD-Programm „Ansys Fluent 6.3“ durchgeführt. Mit der CFD-Methode (Computational Fluid Dynamics) lassen sich schnell Variantenberechnungen durchführen und so die strömungsrelevanten Daten generieren, für die bei konventioneller Vorgehensweise umfangreiche Messungen erforderlich wären. Für das CAD Clean-Up und die Oberflächenvernetzung des Fahrzeugs wurde „Ansa“ von Beta CAE genutzt, während die Volumenmodellierung des Tetraeder-dominanten Berechnungsraums mit 11 Millionen Zellen mit „Ansys Tgrid“ durchgeführt wurde. Für den als „Moving Ground“ modellierten Boden ist die Geschwindigkeit gleich der Eintrittsgeschwindigkeit der freien Luftströmung, für die Räder wurde eine entsprechende Rotationsgeschwindigkeit definiert. Die Fahrzeugoberfläche wurde mit prismatischen Layern modelliert. Das Kühlsystem besteht aus der Luftführung inklusive Kühlergrill, dem Wärmetauscher und dem Lüftergehäuse. Dem Wärmetauscher-Modell wurde ein Verhalten aufgeprägt, das den gleichen Druckabfall verursacht wie die reale Konfiguration. Der eingeschaltete Lüfter wird über einen Drucksprung simuliert.
Als Turbulenzmodell hat man wegen seiner Stabilität und guten Konvergenz das k-e-Modell gewählt. Für den Impuls, die turbulente kinetische Energie und die turbulente Dissipation wurde eine einfache Druck-Geschwindigkeit-Kopplung und eine Upwind-Diskretisierung zweiter Ordnung genutzt. Untersucht wurden die Strömungsverhältnisse für unterschiedliche Eintrittsgeschwindigkeiten (8,33 m/s bis 55,56 m/s) beziehungsweise Re-Zahlen. Alle Simulationen wurden zwecks besserer Vergleichbarkeit ohne Lüfter durchgeführt. Um den Effekt mit laufendem Lüfter bei niedriger Last zu untersuchen, wurde zusätzlich eine Simulation mit einer Re-Zahl von 5.5*106 durchgeführt.
Resultate
Luftwiderstand: Die ermittelten Luftwiderstandsbeiwerte wurden mit der Stirnfläche des Fahrzeugs skaliert. Bei niedrigen Re-Zahlen ist dabei generell ein höherer Koeffizient zu beobachten, der bei eingeschaltetem Lüfter nochmals erheblich ansteigt. Dieser Effekt lässt sich, ebenso wie das Absinken des Widerstands des Lüftergehäuses, auf einen größeren Wirbelbereich in der Zone hinter dem Stoßfänger zurückführen. Der niedrige Strömungswiderstand des Wärmetauschers ermöglicht eine relativ ungehinderte Entwicklung der Verwirbelung hinter dem Stoßfänger.
Massenstrom: Mit sinkenden Re-Zahlen gewinnt der Spoilereinlass zunehmend an Bedeutung. Der mit der freien Strömung skalierte Massenstrom sinkt aufgrund des steigenden Widerstands des Wärmetauschers bei höheren Reynoldszahlen. Ein eingeschalteter Lüfter erhöht zwar den Massenstrom und bewirkt eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung am Wärmetauscher, steigert aber gleichzeitig auch den Gesamtluftwiderstand des Fahrzeugs.
Geschwindigkeiten: Die berechneten Geschwindigkeiten wurden mit der freien Strömung skaliert. Prinzipiell ist dabei das Geschwindigkeitsniveau bei niedrigen Re-Zahlen höher und die Geschwindigkeitsverteilung an der Wärmetauscher-Vorderseite durch dessen geänderten Strömungswiderstand ungleichmäßiger. Die Verwirbelung hinter dem Stoßfänger ist bei hohen Re-Zahlen weniger ausgeprägt. An Stellen, wo die freie Abströmung hinter dem Wärmetauscher behindert wird (Lüfternabe und Lüftergehäuse), ist die Geschwindigkeit geringer.
Eine Folge der ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung ist ein ungünstiges Verhältnis von Wärmeabgabe zu Strömungswiderstand. Idealerweise sollte die Geschwindigkeit über die gesamte Oberfläche des Wärmetauschers möglichst gleichmäßig sein.
Druckverteilung: Die Druckverteilung auf der Fahrzeugaußenhaut ist für unterschiedliche Re-Zahlen nahezu identisch, was die Theorie stützt, dass die Unterschiede in Geschwindigkeit und Massenstrom durch die Änderung des Strömungswiderstandes im Wärmetauscher hervorgerufen werden.
Ansys Germany;
Telefon: 06151 3644-0;
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