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Aerodynamik

Der neue Klimawindkanal von Behr Die Autoren Dipl.Ing. Klemens Schmiederer ist Leiter Produktlinie im Produktbereich Klimatisierung der Behr GmbH & Co. in Stuttgart. Dr.-Ing. Rudolf Riedel ist als Leiter des Service Centers Fahrzeugtest auch für den neuen Klimawindkanal von Behr verantwortlich.

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Mit dem Ziel, die fahrdynamischen und klimatischen Verhältnisse auf der Straße so realitätsnah wie nie zuvor nachzubilden zu können, wurde im Entwicklungszentrum der Behr GmbH & Co. ein neuer Klimawindkanal gebaut, der eine sehr gute Strömungsqualität, eine große Bandbreite an einstellbaren Klimata und eine hohe Dynamik aufweist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Klimawindkanälen können in dem neuen Klimawindkanal nicht nur konstante Versuchsbedingungen, sondern auch die raschen Änderungen bei einer realen Straßenfahrt nachgebildet werden. Die Anlage wurde von der Firma Sverdrup Technology, Inc. in einer Bauzeit von knapp zwei Jahren errichtet.

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1 Konzeption der Anlage 1 Konzeption der Anlage Tabelle 1: Technische Daten des Klimawindkanals Table 1: Technical data for the climatic wind tunnel

Fahrzeugabmessungen max.:

10,0 m x 2,65 m x 5,0 m (L x B x H) 2

Windgeschwindigkeit max.: Pkw: 130 km/h bei 6 m Düsenfläche 2 Van/Transporter: 100 km/h bei 8 m Düsenfläche 2 Nkw: 80 km/h bei 10 m Düsenfläche Temperaturbereiche:

-30 bis +50 °C im Windkanal (Abkühlzeit < 120 min von +50 auf -20 °C -40 bis +50 °C im Vortemperierraum

Feuchtigkeitsbereich:

0 °C Taupunkt bis 95 % rel. Feuchte

Solarium:

350 bis 1.200 W/m Intensität

Bremsleistung Rollenprüfstand max.:

150 kW/Achse ab 30 km/h

Antriebsleistung max.:

> 100 kW

Geschwindigkeitsabweichung max.:

0,5 %

Hintergrundgeräusch:

< 70dB(A) bei 50 km/h

2

Bild 1: Messstrecke des Klimawindkanals mit Solarium. Die Luftdüse (hier nicht sichtbar) befindet sich in der 10-m2-Stellung für Nutzfahrzeuge Figure 1: Test section in the climatic wind tunnel with the solarium. The air nozzle (not visible here) is located in the 10-m2-position for commercial vehicles

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Zentrale Aufgabe des neuen Klimawindkanals ist es, das Klimasystem eines Fahrzeugs zu überprüfen, die Regelalgorithmen zu optimieren und die Einzelkomponenten des Klima- und Motorkühlsystems aufeinander abzustimmen. Vor diesem Hintergrund und mit der Option, Kühlleistungsmessungen mit Spitzenlast bei 220 km/h in einem anderen, eigens dafür ausgelegten Windkanal durchzuführen, wurde für den Klimawindkanal eine Maximalgeschwindigkeit von 130 km/h spezifiziert. Mit dieser Auslegung konnten sehr anspruchsvolle Forderungen zur Strömungsqualität und zur Dynamik der Anlage hinsichtlich Temperaturänderungen und Variationen der Fahr- und Anströmgeschwindigkeit umgesetzt werden, Tabelle 1. Innerhalb von nur zwei Stunden lässt sich die Messstreckentemperatur von 50 °C auf – 20 °C absenken. Eine Vollbremsung von 130 km/h auf Null bewältigen das Gebläse und der Rollenprüfstand mit Fahrzeug innerhalb von 4 s. Für Motorkühlungsversuche im Teillastbereich sind somit auch extrem dynamische Fahrzyklen realisierbar. Die Temperatur lässt sich im Klimawindkanal zwischen - 30 °C und + 50 °C mit einer Genauigkeit von 0,5 K einstellen. Die Luftfeuchtigkeit kann ebenfalls sehr genau mit einer Toleranz von 0,5 K zum jeweiligen Taupunkt zwischen einem Taupunkt von 0 °C und 95 % relativer Feuchte eingestellt werden. Die Messkammer nimmt vom Kleinwagen bis zum Nutzfahrzeug alle Fahrzeuggrößen auf, wobei die Räder auf zwei Rollenpaaren positioniert werden können. Diese Rollenpaare lassen sich per Steuercomputer automatisch und millimetergenau auf einen vorgegebenen Achsabstand einstellen. Die Rollenpaare können schon ab 30 km/h jeweils bis zu 150 kW Motorleistung abbremsen. Mit den zwei Rollenpaaren lässt sich die reale Straßenfahrt auch im Hinblick auf die Aerodynamik sehr gut nachstellen, da die Durchströmung des Motorraums und die Unterbodenströmung in erheblichem Maße von den drehenden Rädern beeinflusst wird. Die hohen Anforderungen an die Strömungsqualität ergeben sich aus der Tatsache, dass für die Durchströmung des Innenraums die Druckverhältnisse um das gesamte Fahrzeug maßgebend sind. Zur optimalen Anpassung an die Fahrzeuggröße lässt sich die Austrittsfläche der Düse mit einem flexiblen Düsenoberteil auf 6, 8 oder 10 m2 einstellen. Bei Klimawindkanälen gilt schon die 6-m2-Öffnung, die für Pkw-Tests gedacht ist, als groß. Die Spezifikation war

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1 Konzeption der Anlage Bild 2: Bewegliches Solarium mit Filtersystem zur Simulation der Sonneneinstrahlung in das Fahrzeug. Die Filter werden zur Simulation von Abschattungen, etwa durch Wolken oder bei einer Tunnelfahrt, vor die Lampen geklappt Figure 2: Mobile solarium with filter system to simulate solar irradiation in the vehicle. The filters are folded down in front of the lamps to simulate periods of shadow, such as when a cloud passes in front of the sun or when the vehicle enters a tunnel

2 Bauweise

Bild 3: Rollenprüfstand im Messstreckenboden; maximale Bremsleistung pro Achse: 150 kW ab 30 km/h Figure 3: Chassis dynamometer in the test section floor; maximum braking power per axle 150 kW above 30 km/h

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Bild 4: Vortemperierraum für Fahrzeuge bis zur Van-Klasse; Temperaturbereich - 40 bis + 50 °C Figure 4: Soak room for vehicle sizes up to van category; temperature range from - 40 to + 50 °C

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auch hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Strömungsgeschwindigkeit (Abweichungen unter ± 0,5 %) und der Temperaturverteilung (± 0,5 K) im Austrittsquerschnitt sehr anspruchsvoll. Diese Werte werden im Klimawindkanal trotz fehlender Gleichrichter und Siebe tatsächlich erreicht. Darüber hinaus wurde bereits in der Planungsphase Wert auf einen möglichst geringen Schallpegel gelegt. Bei 50 km/h liegt der Schalldruckpegel im Plenum unter 70 dB(A). Damit sind akustische Bewertungen im Innenraum eines Fahrzeugs möglich. Mit Hilfe eines sehr vielseitigen Solariums wird die Aufheizung des Innenraums durch Sonneneinstrahlung nachgebildet, Bild 1 und Bild 2. So ist die Bestrahlungsstärke nicht auf einen Wert limitiert, sondern lässt sich zwischen 350 und 1200 W/m2 einstellen. Die Lampen sind auf vier Bänken an einem an der Decke befestigten, beweglichen Rahmen montiert. Jede dieser Bänke kann fast bis zum Boden der Messstrecke herabgelassen werden, sodass beliebige Einstrahlungswinkel und damit beliebige Tageszeiten und Jahreszeiten eingestellt werden können. Zusätzlich lassen sich Filter vor die Lampen klappen, mit denen die kurzfristige Abschattung durch den Einfluss einer Wolke oder die Fahrt durch einen Tunnel nachgebildet werden können. 2 Bauweise

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Die Luft im Klimawindkanal wird in einem geschlossenen Kreislauf gemäß der „Göttinger-Bauart“ von Windkanälen geführt. Die Hauptschallquelle in diesem Kreislauf ist das Gebläse, das deshalb von der Firma Voith Howden akustisch optimiert wurde. Es ist einstufig ausgeführt. Über neun Blätter im Laufrad mit einem Durchmesser von 3,35 m und acht Leitschaufeln wird die Luft mit 315 kW bei maximal 495 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Über einen langen Diffusor erreicht sie den 33 m2 großen Wärmeübertrager. Direkt dahinter befindet sich die Dampfeinspritzung, mit der die Luftfeuchte reguliert wird. Über zwei der mit Leitschaufeln bestückten Umlenk-Ecken gelangt die Luft dann in die Vorkammer, die abweichend von konventionellen Windkanälen ohne Gleichrichter und Siebe ausgeführt ist. Bei einem Klimawindkanal bedeutet dieser Verzicht einen erheblichen Betriebsvorteil, weil hier eine schleichende Verschlechterung der Strömungsqualität durch Verschmutzung der feinen Maschen von vornherein ausgeschlossen ist. Die sich anschließende Kontraktion der Düse, in der die Luft wieder beschleunigt wird, ist auf zwei Abschnitte verteilt. Im ersten erfolgt der Einzug nur horizontal;

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3 Abnahmemessungen

Bild 5: Geschwindigkeitsverteilung im Düsenquerschnitt und Geschwindigkeitsprofile stromab in der Messstrecke Figure 5: Speed distribution in the nozzle cross section and speed profiles downstream in the test section

Decke und Boden bleiben eben. Im zweiten Abschnitt verläuft zwischen den nun parallelen Seitenwänden die vertikale Kontraktion. Die Kontur der unteren Düsenwand ist fest. Oben befindet sich dagegen eine flexible Platte, deren Kontur durch sechs Stempel dem gewünschten Düsenquerschnitt angepasst wird. Bei 6 m2 Austrittsfläche, der Pkw-Einstellung, beträgt die maximale Windgeschwindigkeit 130 km/h, bei 8 m2 für den Van sind es noch 110 km/h und bei 10 m2 mit großen Nutzfahrzeugen 80 km/h. Die Düse ragt in die offene Messstrecke, deren Druck konstant etwa 50 Pa über dem Umgebungsdruck gehalten wird, sodass keine Feuchtigkeit unkontrolliert von außen eindiffundieren kann. Trotzdem wird es in einem Klimawindkanal bei schnellen Temperatur- und Feuchtewechseln immer wieder zu einer Taubeaufschlagung der Wände kommen, sodass offenzellige Schäume oder Fasern, obgleich diese gute akustische Eigenschaften aufweisen, als Wandverkleidung in jedem Fall ausscheiden. Es wurden deshalb in der Messstrecke Isolier-Panels mit einem Sandwichaufbau aus 0,25 mm Stahlblech, 150 mm

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hartem PU-Schaum und wieder 0,25 mm Stahlblech verwendet, die gegenüber hohen Frequenzen zwar als schallhart zu betrachten sind, bei tiefen Frequenzen jedoch eine gewisse Dämpfung bewirken. Auch beim Rollenprüfstand, Bild 3, der sich unter dem Messstreckenboden befindet, wurde auf eine gute akustische Dämmung geachtet. Der Durchmesser der Rollen beträgt 1,6 m. Der Kollektor am Ende der Messstrecke, der die Luft aus der Düse nach der Umströmung des Fahrzeugs wieder auffängt, dient gleichzeitig als Einfahrt in den Klimawindkanal. Dazu können die Umlenkschaufeln seitlich verfahren werden; sie geben dann den Weg zur Fahrzeugschleuse und zum daran angrenzenden Vortemperierraum frei. In dieser Kammer können Fahrzeuge bis zur Van-Klasse mit einer Temperatur zwischen - 40 °C und + 50 °C beaufschlagt werden, Bild 4. Mit dieser Einrichtung entfällt das Vortemperieren von Fahrzeugen in der Messstrecke, sodass wertvolle Windkanalmesszeit gewonnen wird. Die Wände der beiden vertikalen Teile der Luftführung sind mit feinperforierten Blechen verkleidet, hinter denen ein 100

mm tiefer Hohlraum einen weiteren Beitrag zur Absenkung von niederfrequenten Geräuschanteilen liefert. In die vertikale Röhre zwischen Kollektor und Gebläse werden pro Stunde 7000 m3 trockene Frischluft mit einem Taupunkt von - 42 °C und einer Temperatur von 22 °C eingeblasen. Sie ersetzen die beim Betrieb der Fahrzeuge abgesaugten Abgase und ermöglichen bei abgeschalteter Dampfbefeuchtung eine schnelle Reduzierung der Feuchtigkeit in der gesamten Luftführung. Bevor die Frischluft die eigentliche Luftführung erreicht, „spült“ sie den Rollenraum unter der Messstrecke. Die Lamellen der automatisch verschiebbaren Bodenabdeckung sind nämlich nicht gasdicht, sodass ein Teil der Abgase nach unten sinkt. Mit der Frischluft wird vermieden, dass sich im Rollenraum giftige Konzentrationen bilden. Gleichzeitig verhindert die trockene Luft auch Kondensation oder gar Eisbildung. 3 Abnahmemessungen

Zur Bestimmung der Strömungsqualität im Klimawindkanal wurde die Messstrecke

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3 Abnahmemessungen Düsenfläche

Grenzschichtdicke

6 m2 8 m2 10 m2

0,11 m 0,14 m 0, 18 m

σvgem/Vgem spezifiziert 0,24 % 0,34 % 0,52 %

σvgem/Vgem < 0,5 % < 0,5 % < 1,0 %

Tabelle 2: Grenzschichtdicken und Vergleich der auf den Sollwert normierten Standardabweichungen der Anströmgeschwindigkeit mit der Spezifikation Table 2: Boundary layer thickness and comparison between the specification and standard deviations for air velocity normed to the target value

Bild 6: Temperaturfelder in der Düsenaustrittsebene bei 70 km/h Figure 6: Temperature field at the nozzle outlet section at a speed of 70 km/h

Bild 7: Entwicklung des unbeeinflussten Strömungskerns im Luftstrahl, gemessen in der Mittelebene der Messstrecke bei einer Luftgeschwindigkeit von 100 km/h Figure 7: Build-up of the unaffected airflow center in the air stream, measured in the middle section of the test section at an air speed of 100 km/h

Bild 8: Verlauf des normierten Drucks (cp) am Messstreckenboden in der Messstreckenlängsachse Figure 8: Build-up of the dimensionless pressure coefficient cp on the test section floor on the longitudinal axis of the test section

leer und mit Fahrzeug vermessen. Bei leerer Messstrecke wurde die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung in der Düsenaustrittsebene bei mehreren Geschwindigkeits-Sollwerten bestimmt. Der Hersteller des Klimawindkanals stellte dafür ein kalibriertes Rechengestell mit 4 Armen bereit, das mit 32 Prandtl-Sonden

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und 32 Pt-100 Widerstandsthermometern bestückt war. Zusätzlich wurde ein verschiebbarer Rechen des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart (IAG) mit 84 Pitotsonden eingesetzt, so dass die Geschwindigkeiten an insgesamt 788 Messpunkten bestimmt werden konnten.

Für alle drei Düsenpositionen ergibt sich im Strahlkern außerhalb der dünnen Wandgrenzschichten ein sehr homogenes Geschwindigkeitsfeld, Tabelle 2 und Bild 5. Die Standardabweichungen der Geschwindigkeitsfelder von den jeweiligen Sollwerten liegen weit unter den spezifizierten Anforderungen. Auch bei der Temperaturver-

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teilung wird die vorgegebene Maximalabweichung von 0,5 K vom Sollwert eingehalten, Bild 6. Das gesamte Strömungsfeld zwischen Düse und Kollektor wurde mit einem Ultraschall-Anemometer des IAG hinsichtlich der Parallelität zur Messstreckenlängsachse überprüft. Dieses Instrument liefert neben der Geschwindigkeit und der Temperatur die Strömungsrichtung mit einer Messungenauigkeit von maximal 1,2 °. Die gemessenen Abweichungen von der Längsachse lagen alle unter diesem Wert. Entlang der Mittelachse der Messstrecke wurde mit einem Pitotrechen das Geschwindigkeitsprofil vom Boden bis zu einer Höhe von 3 m an mehreren Stellen bestimmt. Die in Bild 5 gezeigten drei Verläufe wurden mit einer 6-m-Düse und einer Anströmgeschwindigkeit von 100 km/h aufgenommen. Der unbeeinflusste Strömungskern des Strahls verkleinert sich stromab nur in einem flachen Winkel, Bild 7. Vor allem die Bodengrenzschicht wächst auffallend langsam an. Hier wirkt sich der Überdruck, unter dem die Messkammer aus den oben beschriebenen Gründen gehalten wird, sehr positiv aus. Ein Teil des Grenzschichtmaterials wird nämlich durch die Ritzen zwischen den Lamellen der verschiebbaren Bodenabdeckung in den Rollenraum gesaugt. Dort herrscht noch ein zusätzlicher Unterdruck, weil die durch den Rollenraum geführte Frischluft über ein Gebläse kontinuierlich abgesaugt wird. Dieser Effekt zeigt sich auch im Verlauf des normierten Drucks (cp) in Bild 8, der teilweise etwas unter null liegt. Der Anstieg beginnt erst zirka 7 m hinter der Düse. Da Pkw mit einem Abstand von zirka 1,5 m zur Düse positioniert werden, reicht diese Länge gut aus. Zur Bestimmung der optimalen Fahrzeugposition wurde ein Kalibrierfahrzeug mit statischen Druckanbohrungen, ein VW 1600, verwendet. Je weiter das Fahrzeug von der Düse entfernt ist, desto besser nähert sich die cp-Verteilung den Werten der großen aeroakustischen Windkanäle an. Nahe an der Düse tritt dieser Effekt besonders stark in Erscheinung, während er sich stromab verringert. Schon ab einem Abstand des Fahrzeug-Staupunkts von mehr als 1 m zur Düse lassen sich nur noch geringe Verbesserungen erzielen. Da die Grenzschichtdicke am Boden stromab ebenfalls zunimmt, ergibt sich für die optimale Fahrzeugposition ein Abstand von zirka 1,5 m. In Bild 9 wird die cp-Verteilung für diese Position im Behr Klimawindkanal bei der 6-m-Düseneinstellung mit den Werten verglichen, die im großen Fahrzeugwindkanal bei Volkswagen in Wolfsburg (KW 1) bei einer Düsenfläche von 37,5 m bestimmt wurden. Die Übereinstimmung mit diesem Kanal ist angesichts der Größenunterschiede sehr gut.

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5 Arbeitszeitmodell

3 Abnahmemessungen Bild 9: Vergleich der Druckverteilungen um ein Kalibrierfahrzeug zwischen dem Fahrzeugwindkanal KW 1 von VW mit einer 37,5 m2 großen Düse und dem neuen Behr-Klimawindkanal bei 6 m2 Düsenöffnung Figure 9: Comparison of pressure distribution around a calibrated vehicle as measured in vehicle wind tunnel KW 1 from VW with a 37.5 m2 air nozzle and in the new Behr climatic wind tunnel with a 6 m2 nozzle outlet

4 Messdaten-Erfassung

Bei diesem Klimawindkanal wurde auch die Software für die Datenerfassung auf eine gemeinsame Datenbasis mit den Simulations-Rechenprogrammen gestellt. Dies ermöglicht einen quasi-simultanen Produktentwicklungsablauf auf der Simula-

tions- und Versuchsseite. Das heißt, es können Rechenmodelle effektiver aus real gemessenen Daten erzeugt werden. Auf der anderen Seite werden Versuche im Windkanal mit „virtuellen“ WärmeaustauscherKomponenten aus den Simulationsrechnungen im Fahrzeug gemessen.

Eine so große und komplexe Investition wie der Klimawindkanal muss selbstverständlich sehr wirtschaftlich betrieben werden. Um das zu erreichen, hat Behr mit dem Betriebsrat ein flexibles Arbeitszeitmodell vereinbart, das eine schichtfreie Betriebszeit von 6:30 bis 20:00 Uhr ermöglicht. Hinsichtlich der für eine möglichst volle Nutzung notwendigen wöchentlichen Arbeitszeit stimmen sich die Mitarbeiter untereinander ab. 6 Zusammenfassung

In dem neuen Klimawindkanal, der seit Januar 2001 in Betrieb ist, können Fahrzeuge vom Kleinwagen bis zu großen Nutzfahrzeugen in dynamischen Zyklen getestet werden. Der Kanal zeichnet sich aus durch eine sehr genaue und realistische Umweltsimulation, eine hohe Strömungsqualität sowie ein niedriges Hintergrundgeräusch, das es erlaubt, die Innenraumakustik eines Fahrzeugs zu untersuchen. Das einzigartige Solarium ermöglicht eine dynamische Sonnensimulation mit dem natürlichen Spektrum des Sonnenlichts. Mit dem neuen Klimawindkanal können Klimaanlagen und Kühlsysteme schneller, effektiver und kostengünstiger als bisher entwickelt und getestet werden. ■

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