Innovation aus dem Windtunnel: Luftwiderstand reduzierende Riblet Oberflächen für Höchstleistungen im Motorsport

Innovation aus dem Windtunnel: Luftwiderstand reduzierende Riblet Oberflächen für Höchstleistungen im Motorsport

Aufgabe

Effizienz-Steigerungen von Rennwägen durch Riblet Oberflächen.

Lösung

Durchführung von Windkanaltests mit Riblet-Applikationen auf der Basis detaillierter numerische Riblet-Analysen und CFD Simulationen.

Kundennutzen

Reduzierter Treibstoffverbrauch, höhere Durchschnitts- und Maximalgeschwindigkeiten und damit schnellere Rundenzeiten.

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Abbildung 1: Hochleistungs-Rennwagen der Deutschen Tourenwagen Masters - DTM
Einsatz des Windkanals im Motorsport
Der Motorsport ist eine faszinierende Welt, die sich ständig weiterentwickelt und neue technische, aerodynamische und strategische Herausforderungen bietet. Von den Anfängen des Automobilrennsports bis hin zu modernen Hochleistungsrennwagen und -motorrädern hat sich der Motorsport kontinuierlich weiterentwickelt und bleibt ein dynamisches Umfeld für Innovation und Spitzenleistungen.
Einen wesentlichen Anteil an diesem kontinuierlichen technischen Fortschritt haben Windkanäle. Windkanaltests liefern wertvolle Erkenntnisse über die Aerodynamik von Fahrzeugen, die verbesserte Leistung und höhere Wettbewerbsfähigkeit ermöglichen. Im Allgemeinen besteht ein Windkanal aus einer langen Röhre mit einem Einlass und einem Auslass. In der Mitte des Kanals befindet sich der Testbereich, in dem ein Testmodell platziert wird. Gebläse bzw. Verdichter erzeugen einen kontrollierten Luftstrom zur Erfüllung der notwendigen Testanforderungen. Speziell ausgewählte Messeinrichtungen erfassen die relevanten Strömungsparameter und zeichnen die gesuchten Daten auf. Diese ermöglichen ausführliche weitere Analysen und die etwaige Optimierung des Strömungsverhaltens.
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Abbildung 2: Strömungsvisualisierung mittels CFD Simulation
Ein Windkanal ist eine kontrollierte Umgebung, in der reale Bedingungen simuliert und die Wechselwirkung zwischen strömendem Fluid und den Fahrzeugoberflächen untersuchen werden können. Dieser Prozess ist von zentraler Bedeutung für die Optimierung des Designs und der Leistung von Rennwagen oder Motorrädern, und ermöglicht die Auslegung auf eine maximale Geschwindigkeit, Stabilität und Handling. Das zugrundeliegende Konzept eines Windkanals bzw. eines Modellversuchs ist die Ähnlichkeitstheorie. Diese besagt, dass Strömungszustände ähnlich sind, welche um zwei ähnliche Geometrien mit derselben Reynoldszahl auftreten. Wenn die Reynolds-Zahl für ein reales Fahrzeug oder Flugzeug demnach der eines Modells im Windkanal entspricht, hat die Strömung ähnliche Eigenschaften. Obwohl die Reynolds-Zahl von der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität des Fluids, sowie von geometrischen Parametern abhängt, können auch andere Gegebenheiten die Gültigkeit derartiger Modellversuche beeinflussen.
Essentiell für das moderne Ingenieurswesen und die Aerodynamik, und im speziellen auch für das Design und die Durchführung von Windkanaltests, sind numerische Analysen. Computational Fluid Dynamics (CFD) – Simulationen sind mittlerweile unverzichtbare Werkzeuge für die Konfiguration von Windkanaltests und um kosten- und zeitaufwendige Trial & Error Schleifen vorzubeugen. Darüber hinaus werden derartige Strömungssimulationen für die Validierung von Tests und vice-versa herangezogen.
Mit unserem internen Windkanal, der hauptsächlich für Tests von Riblet-Anwendungen an kleinen Flügelprofilen entwickelt wurde, fokussieren wir uns auf die Kombination von experimentellen und numerischen Analysen, um zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten. Abbildung 3 zeigt beispielsweise die Strömungsvisualisierung der Saugseite eines Flügels. An der Vorderkante ist die Strömung laminar, in der Mitte des Flügels entwickelt sich eine Umschlagszone. Im Bereich der Hinterkanten wird die Strömung turbulenter. Diese Gegebenheiten werden auch durch die CFD-Simulation bestätigt, die geringere Wand-Schubspannungen im Bereich der Übergangszone zeigt. Ein Vergleich der Bilder macht die Übereinstimmung des Experiments und der Simulation deutlich.
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Abbildung 3: Strömungsvisualisierung an einem Motorsport-Flügel im Windkanal & CFD-Simulation der Wandschubspannungen des Flügels
Riblets im Windkanal

Auch für die Analyse und Demonstration von Riblet Effekten sind Windkanaltests wertvolle Bestandteile. Die Experimente in unserem hauseigenen Windkanal untersuchen vorrangig verschiedene Riblet-Layouts hinsichtlich ihres Einflusses auf den Luftwiderstand und das generelle Strömungsverhalten. Präzise Messungen und Simulationen werden ebenfalls verwendet, um festzustellen, welche Riblet-Konfiguration die höchsten Leistungsgewinne bietet. Dies ermöglicht die Entwicklung innovativer aerodynamischer Lösungen.
Riblet-Strukturen interagieren mit der turbulenten Grenzschicht und erhöhen dadurch den Abtrieb und reduzieren den strömungsdynamischen Widerstand. Die Verringerung der Querströmung führt auch zu verbesserter Strömungsstabilität und verzögertem Strömungsabriss. Das aerodynamische Verhalten verbessert sich und die Leistungsvorteile sind signifikant. Abbildung 4 zeigt die erhöhte Abtriebs-Kraft mit Riblet-Oberflächen, gemessen in unserem Windkanal. Die Tests wurden sowohl ohne als auch mit Riblet Strukturen am Flugprofil bei verschiedenen Anstellwinkeln untersucht.

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Abbildung 4: Steigerung des Abtriebs (Downforce) und Reduzierung des Luftwiderstands (Drag) von einem aerdynamischen Flügel durch „Haifischhaut Folie“
Ergebnis
Die vorteilhaften aerodynamischen Effekte von Riblets bringen erhebliche Leistungsgewinne für den jeweiligen Anwendungsfall. Anwendungen bei Rennwagen oder Motorrädern bieten Effizienzsteigerungen, reduzierten Kraftstoffverbrauch, höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten und Höchstgeschwindigkeiten sowie einen erhöhten Abtrieb. Derartige Effekte führen direkt zu schnelleren Rundenzeiten. Die Vorteile durch Riblet Strukturen werden nicht nur durch unsere numerischen Analysen und Windkanalversuche belegt, sondern sind bereits auf der Rennstrecke gemessen worden. Große Leistungsgewinne wurden beispielsweise bei den "Deutschen Tourenwagen Masters - DTM" erzielt, wo unsere Riblet-Oberflächen bis zu 0,3 Sekunden schnellere Rundenzeiten ermöglichten und nach langfristigem erfolgreichen Renneinsatz durch das Reglement ausgeschlossen wurden.