Modalanalyse in der Fahrzeugaerodynamik

Iso-Flächen der Geschwindigkeitskomponente in Hauptströmungsrichtung der dominantesten DMD Mode bei 9 Hz

Eine neue Methode der Modalanalyse wird verwendet, um zeitlich aufgelöste Strömungsfelddaten aus Detached Eddy Simulationen (DES) unter Verwendung der Open-Source-CFD-Umgebung OpenFOAM zu analysieren. Dafür werden die 3 Geschwindigkeitskomponenten aus dem Simulationsgitter auf ein gröberes äquidistantes Mapping-Gitter in einer Subdomain um das Fahrzeug und Nachlauf herum interpoliert. Diese Filteroperationen reduzieren die Anzahl von numerischen Oszillationen in den zu analysierenden Daten und verringern hochfrequente niederenergetische Oszillationen. Um die dominantesten Strukturen aus dem Strömungsfeld für tieferreichende Analysen zu extrahieren, wurde eine inkrementelle Variante der Dynamic Mode Decomposition (DMD) als am nützlichsten befunden. DMD erzeugt Moden fester Frequenz und räumlicher Kohärenz, die in der Zeit rekonstruiert werden können. Mehrere Modifikationen an einer bereits existierenden Variante werden implementiert, um die Anwendbarkeit für große Datensätze zu erhöhen und die für die Berechnung erforderliche Arbeitsspeichermenge zu reduzieren, was der limitierende Faktor bei der Modalanalyse für industrielle Anwendungen mit großen Datensätzen ist. Rekonstruktion der Moden ermöglicht die Verfolgung von Strukturen zu ihren jeweiligen Anregungsmechanismen und ermöglicht die Identifizierung von geometrischen Merkmalen, die starke Störungen in das Strömungsfeld einbringen. Starke Störungen führen zu einer Erhöhung der viskosen Dissipation im Nachlauf von Staukörpern und damit zu einem allgemein niedrigeren Basisdruck und erhöhten Widerstandskräften. Das DrivAer-Referenzmodell in Stufenheck-Konfiguration mit strukturiertem Unterboden, Motorraumdurchströmung, offenen Radhäusern und drehenden Rädern wird im Windkanal mit bewegtem Laubbandsystem simuliert. Die Ergebnisse von CFD werden unter Verwendung des zuvor beschriebenen DMD-Ansatzes verarbeitet, und die dominantesten Strömungsstrukturen visualisiert und diskutiert. Kleinräumige Ablösungen, die weit vor der mittleren Ablöselinie des hinteren Fahrzeugendes erzeugt werden, wandern stromabwärts entlang der Oberfläche und lösen großräumige Strukturen im Nachlaufgebiet aus. Die Frequenz dieser Strukturen ist auch in den Frequenzspektren des integrierten Widerstandskraftbeiwerts dominant.

Frequenzspektrum des integrierten Widerstandbeiwerts