Aerodynamik - Was ist Luftwiderstand?

 

Kurz gesagt, der Luftwiderstand oder Windwiderstand ist die Kraft, die in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung eines Objekts wirkt. Wenn sich ein Objekt durch ein Medium, wie z.B. Luft, bewegt, entsteht ein Luftwiderstand, der je nach Form des Objekts größer oder kleiner sein kann.

Der spezifische Luftwiderstandsbeiwert eines Objekts wird als Luftwiderstandskoeffizient Cd bezeichnet. Wird dieser mit der projizierten Fläche des durch das Medium bewegenden Objekts Ap multipliziert, kann die totale Widerstandskraft Fd berechnet werden. Dies ist die Kraft, die das Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung drückt. Diese entsteht durch den Druckunterschied, den das Objekt beim Bewegen durch das Medium erzeugt, ähnlich wie beim Flügel eines Flugzeugs, der aufgrund des niedrigeren Drucks über dem Flügel einen Auftrieb erzeugt. Bei einem Auto wird dieser niedrigere Druck typischerweise hinter dem Fahrzeug erzeugt, wo ein Nachlauf entsteht und die Luft fast null Geschwindigkeit erreicht, wie in Bild 1 gezeigt.

 

Die Simulationen wurden mit einem digitalen Referenzmodell namens DrivAer Notchback durchgeführt, das einen Cd von 0,254 hat und konzeptionell eine Mischung aus einem Audi, BMW, Mercedes, Volvo Limousinenfahrzeug ist.
Mit der projizierten Fläche Ap dieses Referenzfahrzeugs von 2,106m2 beträgt die erzeugte Gesamtwiderstandskraft Fd 0,536. Computergestützt mit CFD für die beiden Dachboxen und die sechs Varianten der IXTAboxen wurden folgende Ergebnisse erzielt.

Nach Abschluss der Masterarbeit haben wir einen Diffusorflügel zu allen IXTAbox-Modellen hinzugefügt, was zu einer weiteren Verbesserung der Aerodynamik führte. Wir haben keine formalen Statistiken, jedoch wird der geschätzte Effekt auf -2% bis -4% verbessert.

Modell	Cd	Fläche (m2)	CdA = Fd	% Diff
DrivAer Allein	0.254	2.106	0.536	0%
Stromlinienförmige Dachbox	0.307	2.407	0.740	38%
Volumen-Dachbox	0.310	2.472	0.769	43%
150-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.554	3%
150-60 IXTAbox	0.281	2.106	0.592	10%
170-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.555	4%
170-60 IXTAbox	0.281	2.108	0.596	11%
190-40 IXTAbox	0.282	2.152	0.603	13%
190-60 IXTAbox	0.283	2.183	0.618	15%

 

Beide Dachboxen erhöhen naturgemäß die projizierte Fläche (um 0,301-0,366m2), während nur die Hälfte der IXTAbox-Modelle eine Erhöhung wahrnimmt (um 0,002-0,077m2). Zudem hat der höhere Luftwiderstandskoeffizient Cd einen negativen Effekt auf die Dachboxen, da der Cd nur leicht für die IXTAbox-Modelle gestiegen ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass die gesamte erzeugte Luftwiderstandskraft mit jeder Variante der IXTAbox nur um 3% bis maximal 15% steigen wird, während die Dachboxen einen zusätzlichen Luftwiderstand von 38% bis 43% erzeugen. Damit verbessert die IXTAbox die aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs im Vergleich zu einer Dachbox um durchschnittlich 300%.

Der Einfluss des Luftwiderstandsunterschieds ist in den folgenden Vergleichsbildern gut dargestellt, in denen Sie die Größe des durch beide Boxen erzeugten Nachlaufs sowie die Niederdruckzonen und die Windgeschwindigkeit hinter dem Fahrzeug sehen können.

 

 

*Bild 2.2* Die IXTAbox nimmt einen Teil des Nachlaufs ein und optimiert so das aerodynamische Profil.

Diese Studie zeigte, dass die vertikale Position der IXTAbox ebenfalls Einfluss auf den Windwiderstand haben kann. Eine IXTAbox wird vorzugsweise auf gleicher Höhe oder höher als die untere Fläche des Autos positioniert. In Fällen, in denen die IXTAbox niedriger positioniert wird, kann der Wind zwischen Auto und Box fließen, was den Luftwiderstand bis zu einem gewissen Grad erhöht (Bild 4). Unter bestimmten Bedingungen kann eine IXTAbox jedoch eine geringere Luftwiderstandskraft erzeugen als das Fahrzeug allein.

 

*Bild 3.* Optimal positionierte IXTAbox 190x60. Selbst große IXTAboxen können optimal positioniert werden.

*Bild 4. Zu tief positionierte IXTAbox 190x40 zeigt, wie Luft zwischen Auto und Box strömt und somit den Luftwiderstand erheblich erhöht*

 

Dies ist möglich, da eine IXTAbox einen Großteil des natürlichen Nachlaufs des Autos ersetzen kann und somit die Gesamtform des Fahrzeugs und der Box verändert. Wie in den Bildern 2 und 3 zu sehen ist, stellt die Form der Box eine „natürliche“ Verlängerung der abfallenden Form des Autos dar und verbessert so die aerodynamische Gesamtform. Wenn eine Box eine minimale projizierte Fläche hinzufügt und gut positioniert ist, um den Luftstrom zwischen Auto und Box zu minimieren, können interessante Ergebnisse erzielt werden. In Simulationen, in denen ein Diffusor vom Boden der IXTAbox in Richtung des Autos verlängert wird, wodurch der Luftstrom zwischen Auto und Box verhindert wird, ist der Luftwiderstand etwa 5% niedriger als nur mit dem Fahrzeug. Dieses Szenario eröffnet die Möglichkeit, eine IXTAbox zu verwenden, um den Luftwiderstand zu verringern und somit weiter zu fahren.