Einführung

In Teil 1konzentrierte ich mich auf die Bewertung der Qualität der Formula Student-Karosserie mithilfe CATIA Oberflächenanalyse. Durch die Untersuchung von Oberflächenkontinuität, Krümmung und Reflexionsverhalten identifizierte ich die Bereiche, die vor der Durchführung der CFD-Simulation genauer betrachtet werden mussten. Nachdem die Geometrie validiert war, führte ich eine SIMULIA -CFD-Analyse , um die Wechselwirkung der Karosserie mit der Luftströmung zu untersuchen und das Modell für die aerodynamische Bewertung vorzubereiten.

In diesem Artikel werde ich den Arbeitsablauf beschreiben, den ich in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer befolgt habe, von der Reparatur der importierten Geometrie und der Erstellung des externen Fluidbereichs bis hin zur Definition der Physik, der Generierung des Netzes und der Interpretation der ersten CFD-Ergebnisse.

Diese Studie stellt eine aerodynamische Grundlagenuntersuchung und keine abschließende Fahrzeugvalidierung dar. Mein Ziel war es, das Strömungsverhalten um die Karosserie zu verstehen, zu bewerten, ob die in CATIA Analyse ermittelten Oberflächeneigenschaften die Strömung beeinflussen, und potenzielle Bereiche für zukünftige Designverbesserungen aufzuzeigen.

Umstieg von CATIA auf SIMULIA: Planung der CFD-Strategie

Nach Abschluss der Geometrievalidierungs- und Reparaturvorgänge in CATIAhabe ich das Modell in SIMULIA Fluid Model Creation übertragen.

Da ich bereits mit ANSYS Fluent gearbeitet hatte, empfand ich den Vergleich der beiden CFD-Workflows als einen der interessantesten Aspekte dieses Projekts. Mir fiel auf, dass der Hauptunterschied nicht in der zugrundeliegenden Physik der Simulation liegt, sondern vielmehr in der Art und Weise, wie die jeweilige Plattform den gesamten Simulationsprozess organisiert.

Vergleich der Arbeitsabläufe von ANSYS Fluent und SIMULIA CFD

Meiner Erfahrung nach bietet ANSYS Fluent einen sehr solverorientierten Workflow. Es ermöglicht Benutzern den direkten Zugriff auf viele detaillierte Einstellungen, darunter Vernetzungssteuerungen, Diskretisierungsschemata, Druck-Geschwindigkeits-Kopplungsmethoden, Turbulenzmodelle und Konvergenzparameter.

SIMULIA Fluid Dynamics Engineer verfolgt einen stärker integrierten CAD-zu-CFD-Ansatz innerhalb der 3DEXPERIENCE Plattform. Geometrieaufbereitung, Erstellung externer Fluiddomänen, hexadominante Vernetzung, Prismenschichtgenerierung, Physikdefinition und Nachbearbeitung bleiben mit derselben Produktdatenumgebung verbunden.

Beide Arbeitsabläufe basieren auf Finite-Volumen-CFD-Methoden und können für RANS-Simulationen verwendet werden. Der Hauptunterschied, den ich feststellte, lag daher nicht in den Gleichungen, die der Simulation zugrunde liegen, sondern in der Art und Weise, wie der Ingenieur mit dem gesamten Prozess interagiert.

Definition der CFD-Strategie für die Basisstudie

Für diese erste aerodynamische Studie musste ich auch die Beschränkungen einer Studentenlizenz und das verfügbare Zellenbudget berücksichtigen. Anstatt überall ein sehr feines Netz zu verwenden, konzentrierte ich die verfügbaren Elemente auf die Bereiche, in denen sie den größten Nutzen brachten:

• Die Nasenregion, in der sich starke Druckgradienten entwickeln
• Oberflächenübergänge, bei denen Strömungsbeschleunigung oder -ablösung auftreten kann
• Wandnahe Bereiche, in denen das Verhalten der Grenzschicht erfasst werden muss
• Der Nachlaufbereich hinter der Karosserie

Der Fernfeldbereich wurde relativ grob gehalten, um Rechenressourcen zu sparen.

Für die Grenzschicht plante ich die Verwendung körperangepasster Prismenschichten. Die Höhe der ersten Schicht, die Wachstumsrate und die Gesamtdicke mussten entsprechend dem Turbulenzmodell und dem angestrebten y+-Bereich gewählt werden. SIMULIA Fluid Dynamics Engineer bietet diese Art der körperangepassten Vernetzung, um komplexe Oberflächen und das Strömungsverhalten in Wandnähe besser zu erfassen.

Für die erste Simulation wählte ich einen stationären, inkompressiblen RANS-Ansatz. Da es sich um eine Basisstudie handelte, war mein Ziel nicht, die endgültigen aerodynamischen Zertifizierungswerte zu erreichen, sondern vielmehr die wichtigsten Strömungsstrukturen um die Karosserie zu verstehen.

Während des Lösungsprozesses überwachte ich nicht nur die Konvergenz der Residuen, sondern auch die Stabilität der aerodynamischen Kräfte, die Druckverteilung und die Entwicklung der Nachlaufströmung. Eine Simulation kann nicht allein aufgrund sinkender Residuenwerte als zuverlässig gelten; die aerodynamischen Kräfte müssen ebenfalls ein stabiles Verhalten erreichen.

Abbildung 10. Die reparierte Karosseriegeometrie wurde vor der Extraktion der externen Domäne und der Netzgenerierung in SIMULIA Fluid Model Creation übertragen.

Erzeugung des externen Fluidbereichs

Der nächste Schritt bestand darin, mithilfe des Befehls Fluid Domain die äußere Fluiddomäne um die Karosserie herum zu erstellen.

Dieses Gebiet repräsentiert das Luftvolumen, das während der CFD-Analyse berechnet wird. Seine Größe und die Position des Fahrzeugs darin beeinflussen sowohl die Genauigkeit der Ergebnisse als auch den Rechenaufwand direkt.

Beim Positionieren der Karosserie innerhalb des Bereichs habe ich die beabsichtigte Fahrzeughöhe beibehalten, indem ich die untere Begrenzung auf die korrekte Bodenfreiheit eingestellt habe.

Dieses Detail ist wichtig, weil der Abstand zwischen Karosserie und Boden die Unterbodenströmung, die Druckverteilung und die Art und Weise beeinflusst, wie die Luft mit dem vorderen Teil des Fahrzeugs interagiert.

Ich habe zudem ausreichend Platz um das Fahrzeug herum geschaffen, um künstliche Blockierungseffekte zu minimieren. Der stromaufwärts gelegene Bereich wurde erweitert, um eine optimale Entwicklung der Anströmung zu ermöglichen, während stromabwärts zusätzlicher Raum für die Nachlaufbildung reserviert wurde.

Da ich jedoch nur über ein begrenztes Budget für die Mesh-Modellierung im Rahmen einer Studentenlizenz verfügte, musste ich einen Kompromiss finden. Ein größeres Gebiet führt nicht automatisch zu besseren Ergebnissen, wenn die zusätzlichen Zellen die wichtigen Strömungsbereiche nicht verbessern.

Abbildung 11. Äußeres Fluidfeld, das um die Karosserie herum entsteht.

Definition der Karosserieregion

Nach der Erstellung des externen Bereichs habe ich die Karosserieoberflächen als separate Region innerhalb des Fluidmodells definiert.

Dieser Schritt ermöglicht es SIMULIA , zwischen der Fahrzeuggeometrie und dem umgebenden Luftvolumen zu unterscheiden, wodurch es möglich wird, während der Simulationseinrichtung die korrekte Wandrandbedingung anzuwenden.

In diesem Stadium habe ich überprüft, ob die ausgewählten Flächen die Karosserie korrekt darstellen und bestätigt, dass SIMULIA das Fluidvolumen ohne offene Begrenzungen oder sich schneidende Oberflächen erzeugen kann.

Dies war auch eine wichtige Bestätigung dafür, dass der zuvor in CATIA durchgeführte Geometriebereinigungsprozess das Modell erfolgreich für die CFD-Untersuchung vorbereitet hatte.

Abbildung 12. Als Fluidmodellbereich definierte Karosserieoberflächen.

Physikalische Einstellungen, Randbedingungen und Ausgabeanforderungen

Nachdem das Fluidgebiet vorbereitet war, erstellte ich einen stationären Simulationsschritt für die aerodynamische Basisanalyse.

Ich habe die maximale Anzahl der Iterationen auf 2000 festgelegt und Konvergenzkriterien für die Impuls-, die turbulente kinetische Energie- (TKE) und die Omega-Gleichungen definiert.

Diese Residuen liefern zwar nützliche Informationen über die numerische Konvergenz, aber ich habe mich nicht allein auf sie verlassen. Ich habe auch die aerodynamischen Kräfte und das Druckverhalten überwacht, um festzustellen, ob die Lösung einen physikalisch stabilen Zustand erreicht hatte.

Eine Simulation mit geringen Residuen kann dennoch zusätzliche Iterationen erfordern, wenn sich die Werte für Widerstand, Auftrieb oder Druck weiterhin ändern.

Abbildung 13 – Schritt der stationären Lösung mit maximal 2000 Iterationen und Restabbruchkriterien für Impuls, TKE und Omega.

Definition der Randbedingungen

Für die Einlassgrenze habe ich einen Geschwindigkeitseinlass senkrecht zur stromaufwärts gelegenen Fläche mit einer Geschwindigkeitsgröße von 15 m/s angewendet.

Die Turbulenzbedingungen wurden über die Turbulenzintensität und das Verhältnis der turbulenten Viskosität definiert, wobei für dieses Basismodell Werte von 0,1 und 100 verwendet wurden.

Am Auslass habe ich eine Druckauslassbedingung mit einem statischen Überdruck von 0 Pa angewendet, wodurch sich die Strömungsvariablen auf natürliche Weise entwickeln konnten, während gleichzeitig ein Referenzdruck aufrechterhalten wurde.

Die Karosserieoberflächen wurden als feste Wandbegrenzungen definiert. Dies ermöglichte es der Simulation, wichtige aerodynamische Phänomene wie die folgenden zu erfassen:

• Druckansammlung um die Nase herum
• Strömungsbeschleunigung über gekrümmten Oberflächen
• Scherverhalten in Wandnähe
• Wirbelbildung hinter dem Fahrzeug

Abbildung 14A – Physikalisches Verhalten

Abbildung 14B – Geschwindigkeitseinlass-Randbedingung, angewendet auf die stromaufwärts liegende Fläche mit einer Anströmgeschwindigkeit von 15 m/s.

Abbildung 15. Druckauslass, der auf die stromabwärtige Seite mit einem statischen Überdruck von 0 Pa angelegt wird.

Feld- und Verlaufsausgaben definieren

Vor dem Start der Simulation habe ich sowohl Feldausgaben als auch Verlaufsausgaben definiert.

Die Feldausgaben wurden verwendet, um die Strömungsvariablen im gesamten Berechnungsbereich zu visualisieren. Zu den ausgewählten Variablen gehörten:

• Geschwindigkeit
• Relativ- und Absolutdruck
• Gesamtdruck
• Wirbelstärke
• Q-Kriterium
• Schergeschwindigkeit

Diese Ergebnisse würden später dazu beitragen, Druckschwankungen, Beschleunigungszonen, rotierende Strömungsstrukturen und mögliche Ablösegebiete zu identifizieren.

Für die Karosserieoberflächen habe ich Verlaufsausgaben erstellt, um diese zu überwachen:

• Gesamte Fluidkraft
• Druckkraft
• Viskose Kraft
• Moment

Die Verfolgung dieser Werte während der Lösungsfindung lieferte ein klareres Bild der aerodynamischen Konvergenz als die alleinige Betrachtung von Residuenplots.

Ich habe außerdem Wandschubspannungen und y+-Werte angefordert, um zu beurteilen, ob das wandnahe Netz für die gewählte Turbulenzbehandlung geeignet ist.

Abbildung 16. Ausgabe.

Hex-Dominant-Mesh-Strategie und Qualitätsprüfung

Für diese Basisstudie habe ich ein Hex-Dominant-Netz für die gesamte äußere Fluiddomäne generiert.

Die globale Elementgröße wurde zwischen 1 mm und 5 mm festgelegt, wobei kleinere Elemente dort eingesetzt wurden, wo mehr geometrische Details erforderlich waren. Zusätzlich wurden Grenzschichten mit sieben Prismenschichten und einer Dicke der ersten Schicht von 0,2 mm realisiert.

Diese Schichten waren wichtig, um die Geschwindigkeitsgradienten in der Nähe der Karosserieoberfläche zu erfassen und um die Auswertung der Wandschubspannung und der y+-Werte nach der Simulation zu ermöglichen.

Da ich jedoch mit den Einschränkungen einer Studentenlizenz und einem begrenzten Budget für die Zellenanzahl arbeiten musste, musste das Netz einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand darstellen. Aus diesem Grund betrachtete ich dieses Netz eher als Ausgangskonfiguration denn als endgültige, netzunabhängige Lösung.

Nach der Netzgenerierung überprüfte ich den Qualitätsbericht anhand mehrerer Kriterien, darunter Seitenverhältnis, Verzerrung, maximale und minimale Winkel, Schiefe und Streckung.

Die meisten Elemente lagen innerhalb akzeptabler Grenzen. Ein kleiner Prozentsatz der Zellen wurde, hauptsächlich aufgrund des Aspektverhältnisses, als mangelhaft oder schlecht eingestuft. Dies war bei einem komplexen Außenströmungsmodell nicht unerwartet, da die Aufrechterhaltung einer perfekten Elementqualität im gesamten Bereich den Rechenaufwand erheblich erhöhen kann.

Im Qualitätsbericht wurde bestätigt, dass das Netz für eine erste aerodynamische Untersuchung geeignet war, jedoch konnte keine Netzunabhängigkeit nachgewiesen werden.

Für eine zukünftige Iteration würde ich eine einheitliche Verfeinerung des gesamten Bereichs vermeiden und stattdessen zusätzliche Elemente auf die wichtigsten aerodynamischen Regionen konzentrieren:

• Der Nasenbereich, wo die Druckgradienten stärker sind
• Während CATIA -Analyse wurden scharfe Oberflächenübergänge identifiziert
• Der wandnahe Bereich
• Die stromabwärts gerichtete Nachlaufströmung

Dieser Ansatz würde eine höhere Genauigkeit dort bieten, wo es am wichtigsten ist, und gleichzeitig die Simulationskosten in einem überschaubaren Rahmen halten.

Abbildung 17. Hex-Dominant-Netzeinstellungen und Qualitätsbericht für das Basismodell.

Einleitung der stationären Lösung und Überwachung der Konvergenz

Nachdem das Netz und die Simulationseinrichtung abgeschlossen waren, startete ich die stationäre Lösung und begann mit der Überwachung der Ergebnisse.

Während der Berechnung nutzte ich die Verlaufsdaten, um die Entwicklung der aerodynamischen Kraftkomponenten zu verfolgen. Dies half mir zu verstehen, ob sich die Lösung im Laufe der Iterationen einem stabilen Zustand annäherte.

Das untenstehende Bild entstand bei etwa 1 % des Simulationsfortschritts. Da sich die Lösung noch in der Entwicklung befand, stellt der angezeigte Kraftwert nicht das endgültige aerodynamische Ergebnis dar.

Für die vollständige Konvergenzbewertung habe ich mehrere Indikatoren gemeinsam betrachtet:

• Restverhalten der Impuls-, TKE- und Omega-Gleichungen
• Stabilität der überwachten aerodynamischen Kräfte
• Konsistenz der Druck- und Geschwindigkeitsfelder

Dies war ein wichtiger Punkt während der Studie, da eine alleinige Reduzierung des Restbetrags nicht garantiert, dass die technischen Größen eine stabile Lösung erreicht haben.

Ein CFD-Ergebnis ist dann aussagekräftig, wenn sowohl die numerische Konvergenz als auch das physikalische Strömungsverhalten einen konsistenten Trend aufweisen.

Abbildung 18. Anfangsphase der stationären Lösung mit aktivierter Kraftüberwachung.

CFD-Ergebnisse und erste technische Interpretation

Nach Abschluss der Simulation analysierte ich die Ergebnisse durch die Kombination verschiedener Visualisierungen, darunter Druckkonturen, Geschwindigkeitsverteilung, Geschwindigkeitsvektoren und mittlere Strömungsstromlinien.

Anstatt mich auf ein einzelnes Diagramm zu verlassen, habe ich diese verschiedenen Ergebnisse zusammen verwendet, um zu verstehen, wie die Luftströmung mit der Karosserie interagiert.

Im vorderen Bereich der Nase bildete sich ein deutlicher Staupunkt, wo die einströmende Luft abgebremst wurde und eine Hochdruckzone entstand. Von diesem Punkt an löste sich die Strömung an der Ober-, Seiten- und Unterseite der Karosserie ab.

Da die Luftströmung den gekrümmten Oberflächen folgte, erhöhte sich die Geschwindigkeit in mehreren Bereichen, wodurch Unterdruckzonen entstanden. Die stärksten Druckschwankungen traten im Bereich der Nase und der Übergangszonen an der unteren Frontpartie auf. Die Ergebnisse der Stromlinien- und Geschwindigkeitsvektoranalyse zeigten zudem, dass die in der CATIA -Analyse identifizierten Oberflächenübergänge das Strömungsverhalten beeinflussten.

Der vordere Bereich wies größtenteils ein relativ geordnetes Strömungsverhalten auf, während in den nachgelagerten Bereichen zunehmende Störungen, Bereiche mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit und Nachlaufbildung auftraten. Die Nase, die untere vordere Ecke und der Heckübergang erwiesen sich als die empfindlichsten Bereiche der Konstruktion.

Identifizierung von Designbeschränkungen und Verbesserungspotenzialen

Diese Beobachtungen deckten sich mit den Bedenken, die bei den Analysen zu Zebra-, Stachelschwein- und Oberflächenkrümmung geäußert wurden. Es ist jedoch wichtig klarzustellen, dass eine sichtbare Oberflächenunregelmäßigkeit nicht automatisch eine messbare aerodynamische Beeinträchtigung bedeutet.

Um die tatsächlichen Auswirkungen dieser Regionen zu quantifizieren, wäre ein Vergleich mit modifizierter Geometrie und eine Netzunabhängigkeitsstudie erforderlich.

Da es sich hierbei um ein vereinfachtes CFD-Modell handelte, das nur die Karosserie berücksichtigte, nutzte ich diese Ergebnisse hauptsächlich, um das Strömungsverhalten und mögliche Verbesserungsbereiche zu identifizieren.

Einschränkungen der CFD-Basisstudie

Die Simulation beinhaltete Folgendes nicht:

• Frontflügeleffekte
• Rotierende Räder
• Fahrwerkskomponenten
• Vollständige aerodynamische Interaktionen des Fahrzeugs

Daher sollten diese Ergebnisse nicht als endgültige aerodynamische Leistung des Formula Student-Fahrzeugs betrachtet werden, sondern vielmehr als erster Schritt zum Verständnis und zur Verbesserung des Designs.

Abbildung 19. Manometerdruck

Abbildung 20. Geschwindigkeit

Abbildung 21. Geschwindigkeitsvektor

Abbildung 22. Manometerdruckrahmen 2

Abschluss

Die Erläuterung dieses Arbeitsablaufs war nicht so einfach, wie ich ursprünglich erwartet hatte. Das Projekt vereinte zwei verschiedene Bereiche: die Oberflächenqualitätsbewertung in CATIA und die aerodynamische Analyse in SIMULIA.

Während ich diesen Artikel vorbereitete, wurde mir bewusst, dass die Dokumentation jedes einzelnen Schrittes mich auch dazu zwang, meine eigenen Entscheidungen zu hinterfragen und die Gründe für jededellbesser zu verstehen.

Die 3DEXPERIENCE Community war eine wichtige Lernquelle durch gemeinsame Projekte, technische Diskussionen und unterschiedliche ingenieurwissenschaftliche Ansätze.

Ich hoffe, dieser Artikel kann auch anderen Studenten helfen, die damit beginnen, CATIA Oberflächenanalyse mit SIMULIA CFD zu kombinieren und nach einem praktischen Beispiel für einen kompletten CAD-zu-CFD-Workflow suchen.

• Autor
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Abdulkadir Gunumdogdu

Fahrzeugdynamik-, Strukturanalyse-, Aerodynamik-Design- und CFD-Ingenieur bei Konrul Racing

Student der Maschinenbautechnik und Mitglied des Konrul Racing Teams mit Schwerpunkt auf Chassis-Design, CFD, Strukturanalysen und Fahrzeugdynamik. Erfahrung mit CATIA, 3DEXPERIENCEund ANSYS für Formula Student und UAV-Entwicklung. Leidenschaft für Motorsport-Engineering und simulationsbasiertes Design.

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