Laufband-Windkanäle: Warum aerodynamische Fahrzeugdaten einen bewegten Boden benötigen

Auf der Straße bewegt sich das Auto und der Boden steht still. In einem Windkanal bewegt sich die Luft, während sowohl das Auto als auch der Boden stillstehen – und genau diese Umkehrung ist für den Großteil der Abweichungen zwischen den Werten aus dem Windkanal und der Realität verantwortlich.

Ein Laufband-Windkanal existiert, um genau dieses Problem zu beseitigen. Alles andere in der Fahrzeugaerodynamik – Unterbodenströmung, Radnachlauf, Kühlluftwiderstand, Druckrückgewinnung am Heck – ist dem korrekten Setup des Bodens nachgelagert.

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1. Wie ein stationärer Boden Ihre Daten verfälscht

Bei einem feststehenden Boden wächst eine Grenzschicht entlang des Windkanalboden an und trifft auf das Fahrzeug. Anstelle von sauberer Luft mit voller Geschwindigkeit unter dem Fahrzeug erfährt der Unterboden eine verlangsamte, verdickte Strömung. Daraus ergeben sich unmittelbar drei Konsequenzen:

• Die Unterbodenströmung ist falsch. Die Empfindlichkeit gegenüber der Bodenfreiheit, die Diffusorleistung und die Bodenkantenwirbel hängen alle von dem Geschwindigkeitsprofil ab, das nun nicht mehr vorhanden ist.
• Die Räder verhalten sich falsch. Stehende Räder erzeugen einen anderen Nachlauf als rotierende. Die Aerodynamik von Rad und Radhaus kann einen erheblichen Teil des Gesamtwiderstands ausmachen, und nichts davon wird korrekt abgebildet.
• Der Nachlauf ist falsch. Fehler vom Unterboden und den Rädern wandern stromabwärts und verändern den Basisdruck – jenen Faktor, der den Luftwiderstand bei den meisten Straßenfahrzeugen dominiert.

Das Ergebnis ist eine wiederholbare Messung der falschen Konfiguration. Wiederholbarkeit ohne Realitätstreue ist genau der Grund, warum Entwicklungsprogramme am Ende ein Auto optimieren, das nur im Windkanal existiert.

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2. Die Stufen der Fahrbahnsimulation

Die Fahrbahnsimulation ist kein einzelnes Feature, sondern eine Reihe von Stufen. Moderne Anlagen sind so gebaut, dass diese Stufen einzeln aktiviert werden können – so lässt sich auch quantifizieren, welchen Mehrwert jede einzelne bietet. In den IVK-Windkanälen (Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart) wird die Abfolge beispielsweise wie folgt dokumentiert: keine Fahrbahnsimulation, dann Grenzschichtabsaugung, dann das Mittenlaufband, gefolgt von der Radrotation mit Minilaufbändern.

Grenzschichtabsaugung (BLS). Eine Hutze und eine verteilte Absaugung stromaufwärts entfernen die Grenzschicht am Boden, bevor sie das Auto erreicht. Tangentiales Ausblasen kann hinzugefügt werden, um die wandnahe Strömung wieder mit Energie anzureichern. Allein dies behebt einen Großteil des Fehlers und ist der kostengünstigste Schritt.

Mittenlaufband. Ein bewegtes Band unter der Fahrzeugmittellinie sorgt für die korrekte Relativbewegung dort, wo die Unterbodenströmung stattfindet.

Radrotation mit Minilaufbändern. Vier kleine Bänder, eines unter jedem Rad, versetzen die Räder in Rotation, während das Auto weiterhin abgestützt bleibt. Zusammen mit dem Mittenlaufband bildet dies das 5-Band-System , die Konfiguration, die heute in den meisten Windkanälen für Serienfahrzeuge im Maßstab 1:1 verwendet wird.

Ein-Band-System (Single wide belt). Ein einziges Band unter dem gesamten Fahrzeug, wobei das Auto von oben durch Streben oder durch Radnabenhalterungen fixiert wird. Es ist die realitätstreueste Simulation und stellt die höchsten Anforderungen: hohe Bandgeschwindigkeit und Leistung, Kühlung, Luftlager, präzise Spannungsregelung und ein Waagensystem, das um das Band herum funktioniert. Motorsport- und spezialisierte Aerodynamik-Entwicklungszentren bevorzugen dieses System.

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3. Versperrung: Die andere Hälfte des Problems

Ein Auto in einer Messstrecke verdrängt einen erheblichen Teil der Strömungsfläche. In einer geschlossenen Messstrecke engt dies die Stromlinien ein und erhöht die lokale Geschwindigkeit, was zu überhöhten Kräften führt. In einer Freistrahl -Messstrecke (open-jet) kann sich der Strahl ausdehnen, jedoch bildet sich an der Strahlgrenze eine Scherschicht, deren Instabilitäten Resonanzen auslösen können, die die Druckverteilung in der Messstrecke verschieben.

Keines dieser Verhaltensweisen ist ein Fehler, der beseitigt werden muss – beides ist Physik, die korrigiert werden muss. Die Praxis in der Automobilindustrie hat sich auf Korrekturmethoden geeinigt, die von Mercker, Wiedemann, Cooper und Kollegen entwickelt wurden. Diese berücksichtigen Düseninterferenzen, Strahlausdehnung und -ablenkung, Kollektorinterferenzen sowie den statischen Druckgradienten entlang der Messstrecke und haben gezeigt, dass sie die gemessenen cW-Werte an die Werte auf der Straße annähern.

Die praktische Konsequenz ist unbequem und wichtig: Ein cW-Wert ist keine Eigenschaft des Autos allein. Er ist eine Eigenschaft des Autos, des Windkanals, des Zustands der Fahrbahnsimulation und der Korrekturmethode. Einen cW-Wert aus einer Anlage mit einem cW-Wert aus einer anderen zu vergleichen, ohne alle vier Faktoren zu kennen, ist ein häufiger und teurer Fehler.

Wenn Sie einen Wert angeben, nennen Sie die Konfiguration. Wenn Sie einen erhalten, fragen Sie danach.

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4. Was der bewegte Boden noch ermöglicht

Sobald eine Fahrbahnsimulation vorhanden ist, werden mehrere andere Messungen in derselben Anlage aussagekräftig:

• Kühlluftwiderstand und Thermomanagement. Der Luftstrom durch den vorderen Einlass, das Wärmetauscherpaket und den Motor- oder Batterieraum verhält sich nur bei korrekter Unterbodenströmung realistisch – eine zunehmend dominierende Frage bei Elektrofahrzeugen.
• Auftrieb und Balanceverteilung. Der Auftrieb an Vorder- und Hinterachse sowie deren Verschiebung in Abhängigkeit von der Bodenfreiheit sind die Werte, die die Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten bestimmen.
• Aeroakustik. Die Bewertung von Windgeräuschen erfordert ein korrektes Strömungsfeld und einen niedrigen Eigen-Geräuschpegel des Windkanals.
• Verschmutzung und Wassermanagement. Wohin die Gischt wandert, hängt von der Radrotation ab.

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5. Auswirkungen auf die Anlage

Wenn Sie eine solche Anlage spezifizieren oder aufrüsten, bestimmt das Fahrbahnsimulationssystem einen überraschend großen Teil des Designs:

• Bandgeschwindigkeit, Leistung und Kühlung. Bänder, die stundenlang mit Straßengeschwindigkeit laufen, erzeugen Wärme und erfordern eine präzise Spannungs- und Spurregelung.
• Waagenintegration. Das Kraftmesssystem muss um Bänder, Radhalterungen und Absaugkammern herum funktionieren, ohne den Lastpfad zu beeinträchtigen.
• Absauganlage. Die Entfernung der Grenzschicht erfordert ein echtes Luftbehandlungssystem, nicht nur einen einfachen Schlitz.
• Geometrie der Messstrecke und Korrekturstrategie. Ob Freistrahl- oder geschlossene Messstrecke – diese Entscheidung bestimmt, mit welcher Korrekturmethode Sie arbeiten werden und wie vergleichbar Ihre Daten mit anderen sein werden.
• Maßstab. Maßstabsgetreue Windkanäle (üblicherweise etwa 1:2 bis 1:4) liefern weitaus mehr Teststunden pro Energieeinheit und werden häufig für die Entwicklung genutzt, während 1:1-Anlagen für die Validierung reserviert sind.

Die allgemeinen Kompromisse der Kreislaufarchitektur gelten hier wie überall – siehe

Umlauf-Windkanäle vs. Windkanäle im offenen Kreislauf

und unseren

Vergleich von Windkanal-Typen

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6. Fünf Fehler

• Vergleich unkorrigierter Werte. Zwei Windkanäle, zwei Korrekturmethoden, ein bedeutungsloser Vergleich.
• Angabe des cW-Wertes ohne den Zustand der Fahrbahnsimulation. „Nur mit BLS“ und „5-Band-System, rotierende Räder“ sind aerodynamisch gesehen unterschiedliche Autos.
• Ignorieren des Druckgradienten. Ein statischer Druckgradient entlang der Messstrecke erzeugt eine horizontale Auftriebskraft, die sich direkt im Luftwiderstand niederschlägt.
• Testen bei falscher Bodenfreiheit. Aerodynamische Lasten verändern die Bodenfreiheit, was wiederum die aerodynamischen Lasten verändert. Die statische Geometrie entspricht nicht der Geometrie im Fahrbetrieb.
• Fehlende CFD-Korrelation als CFD-Fehler behandeln. Häufig ist die Simulation korrekt, aber die Windkanal-Konfiguration entsprach nicht den Annahmen der Simulation.

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7. Die Integration in das System

Die Fahrbahnsimulation ist kein Zubehör; sie ist der Teil eines Automobil-Windkanals, der darüber entscheidet, ob die Daten ein Straßenfahrzeug beschreiben. Entscheiden Sie frühzeitig, welche Stufe Sie benötigen – nur Absaugung, 5-Band-System oder Ein-Band-System –, denn jede Stufe erfordert ein anderes Design hinsichtlich Struktur, Leistung, Kühlung und Waage.

Wir entwickeln, fertigen und nehmen maßgeschneiderte Windkanäle rund um das Messprogramm in Betrieb, wobei Fahrbahnsimulation, Waage und Messtechnik von Beginn an in das aerodynamische Konzept integriert und nicht erst nachträglich hinzugefügt werden.

Nennen Sie uns die Fahrzeuge und Geschwindigkeiten, die Sie testen müssen , und wir liefern Ihnen ein Konzept: Art der Messstrecke, Stufe der Fahrbahnsimulation, Antriebsleistung und Platzbedarf.

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Quellen und Anmerkungen

• 5-Band-Fahrbahnsimulation mit Grenzschichtabsaugung, tangentialem Ausblasen und vier Radrotationseinheiten sowie der schrittweisen Aktivierungssequenz (keine Fahrbahnsimulation → Grenzschichtabsaugung → Mittenlaufband → Radrotation): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• Korrekturverfahren für Freistrahl-Messstrecken, einschließlich Düseninterferenz, Strahlausdehnung und -ablenkung, Kollektorinterferenz und Effekten des statischen Druckgradienten: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• Scherschichtinstabilitäten und Resonanz in Freistrahl-Messstrecken für Automobile: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Auswirkungen der Fahrbahnsimulation und des Versperrungsverhältnisses auf die prognostizierte Fahrzeugaerodynamik: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• Maßstabsbereiche von etwa 1:2 bis 1:4 spiegeln die gängige Industriepraxis wider und variieren je nach Anlage.
• Die Richtlinien für das Anlagendesign entsprechen der Ingenieurspraxis von TunnelTech.