Windkanaltests und CFD-Simulation

Wie Star-CCM+ Rennwagen noch windschnittiger macht

Die Nissan Motorsports International Co., Ltd. (NISMO) im Tsurumi-Distrikt bei Yokohama ist heiliger Boden für Fans des Nissan GT-R. NISMO ist der Entwicklungsstandort für SUPER GT- und andere hochklassige Rennwagen, zudem werden hier Fahrzeugkomponenten entwickelt und gefertigt. CFD (Computational Fluid Dynamics) unterstützt die Aerodynamik-Experten bei der Optimierung der aktuellsten Aerodynamikpakete.

Die Nissan Motorsports International Co., Ltd. (NISMO) im Tsurumi-Distrikt bei Yokohama ist heiliger Boden für Fans des Nissan GT-R. NISMO ist der Entwicklungsstandort für SUPER GT- und andere hochklassige Rennwagen, zudem werden hier Fahrzeugkomponenten entwickelt und gefertigt.

Die 1984 als Nissan-Werksteam gegründete NISMO hat eine Vielzahl von Rennen bestritten und dabei beeindruckende Erfolge erzielt. Yoshitaka Yamamoto, Leiter der Aerodynamik in der Entwicklungsabteilung für die NISMO-GT-R-GT-Rennwagen, ist sich sicher, dass „CFD ein unersetzliches Hilfsmittel in der Entwicklung ist, das die unsichtbare Welt der Strömungen sichtbar macht.

Die SUPER GT Serie

SUPER GT ist eine von der FIA anerkannte internationale Rennserie, innerhalb der zwei Klassen starten, die GT500 als Spitzenkategorie und die GT300 für Privatfahrer.

- GT500-Klasse: Hier starten vor allem Autos, die von den drei großen Autofirmen Nissan, Toyota und Honda sowie deren Tochterunternehmen gebaut werden.

- GT300-Klasse: Stärker auf Amateure ausgerichtet, starten in dieser Klasse vor allem Privatteams.

Im Rennen gehen die beiden Klassen gemeinsam auf die Strecke. Die Geschwindigkeitsunterschiede sorgen für spannende und komplexe Rennverläufe. Die Fahrzeuge kämpfen auf engster Tuchfühlung, um sich zu überholen, während sie um die Strecke röhren. Dies macht die Rennen für die Zuschauer sehr attraktiv.

Anzeige
Luftwiderstandoptimierte Frontpartie (fotografiert im NISMO-Showroom).

Das NISMO-Team entwickelt Fahrzeuge für beide Klassen. Das GT500-Fahrzeug, das den guten Ruf des Unternehmens als Autohersteller begründet, wird auf Basis des GT-R entwickelt. Im Jahr 2013 wurde das Reglement der GT-Serie stärker an die der deutschen DTM-Serie angeglichen, was eine ganze Reihe von aerodynamischen und technischen Änderungen an der 2014er Version des Nissan GT-R NISMO GT500 nach sich zog. In dieser Entwicklung wurde das Hauptprodukt von CD-adapco STAR-CCM+ genutzt. In seiner Rolle als Leiter der Aerodynamik in der Entwicklungsabteilung bei NISMO beaufsichtigt Yoshitaka Yamamoto die Aerodynamikentwicklung des GT500 GT-R. In diesem Artikel spricht er über seine Erfahrungen mit der Simulationstechnologie.

Jonglieren mit Windkanaltests und CFD-Simulation

Der traditionelle Ansatz bei der Entwicklung von Rennwagen ist der Windkanaltest an maßstäblichen Modellen, bei denen die Strömungsverhältnisse durch Druckmessung an bestimmten Punkten, Rauch, Fäden, Laser (Particle Image Velocimetry, PIV) und andere Methoden sichtbar gemacht werden. Mit diesen Methoden ist es jedoch praktisch unmöglich, einen ganzheitlichen Überblick über die Strömungsverhältnisse zu erhalten. Allerdings machen es die Fortschritte bei CFD-Software, Hardware und Computingleistungen inzwischen möglich, komplette Rennwagen in einem hochdetaillierten CFD-Modell zu simulieren. Dies ermöglicht den Ingenieuren tiefere Einblicke in ihre Konstruktionen, die mit anderen Methoden nicht zu erzielen wären. CFD hilft dabei, die Phänomene der Strömungstechnik zu verstehen, indem Informationen realistisch angezeigt und analysiert werden können – mit einer Detaillierung, die experimentell kaum zu erreichen ist.

Das ermöglicht es den Ingenieuren, das Fahrzeug im Vorfeld der Windkanalversuche virtuell zu testen, um verschiedene Konfigurationen und „was wäre wenn“-Szenarien durchzuspielen. So ist es möglich, nur die erfolgversprechendsten Lösungen tatsächlich im Windkanal zu testen. Dies macht CFD zu einem weithin akzeptierten Werkzeug für die Entwicklung und Konstruktion von Rennwagen, das die Windkanalversuche ergänzt. Aufgrund der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Computer sowie der Fortschritte bei den, der Strömungssimulation zugrunde liegenden Wissenschaften, ist die Hoffnung berechtigt, dass sich CFD zum „digitalen Windkanal“ weiterentwickelt und mit der Zeit den echten Windkanal ersetzt.

Aerodynamikchef Yoshitaka Yamamoto aus der Entwicklungsabteilung von NISMO mit dem 2014er NISMO GT-R.

Yoshitaka Yamamoto erläutert den Beitrag von CFD und die Vorteile dieser Methode gegenüber dem Windkanaltest bei der Aerodynamikentwicklung: „Wenn man beispielsweise kleine Teile am Auto anbringt, bringen Windkanaltests alleine zu wenig Daten, um deren Einfluss auf die Strömung weiter hinten zu verstehen, vor allem, wo diese Einflüsse auftreten und ob dabei Abtrieb erzeugt wurde. CFD liefert hier sehr wertvolle Einsichten in den Strömungsverlauf. Die GT-Autos werden jedes Jahr komplexer und auch die Anzahl komplexer Komponenten steigt, was es immer schwieriger macht, sich bei der Entwicklung auf seine Erfahrung zu verlassen. Das ist es, was CFD unverzichtbar macht.”

Wie CFD NISMO insipriert

Jeder Aerodynamiker im Rennsport hat zwei Hauptziele: Das Erzeugen von Abtrieb, der den Wagen an den Boden presst und so höhere Kurvengeschwindigkeiten ermöglicht, und die Minimierung des Luftwiderstands, der durch Turbulenzen erzeugt wird und den Wagen bremst. Je schneller und härter man fährt, desto mehr sinkt der Druck der Luftströmung (höhere Geschwindigkeit) unterhalb des Wagens und desto mehr Abtrieb entsteht.

...gegenüber dem 2012er Modell.

Auf der anderen Seite steigt mit der Geschwindigkeit der Luftwiderstand, was nicht erwünscht ist. Das ideale Setup ist normalerweise der maximale Abtrieb bei möglichst geringem Luftwiderstand. Allerdings ist die Entscheidung, ein ausgeglichenes oder ein eher auf eines der beiden Ziele hin optimiertes Aerodynamikpaket zu entwickeln, stark von der Strecke und den Streckenverhältnissen abhängig. Eine Strecke mit engen Kurven erfordert einen Wagen mit hohem Abtrieb, der diese Kurven schnell fahren kann. Speedways mit ihren langen Geraden und großen, überhöhten Kurven ist der Abtrieb dagegen weniger wichtig als der Luftwiderstand bei hohen Geschwindigkeiten. Als Yoshitaka Yamamoto im Jahr 2011 zu NISMO zurückkehrte, begann er mit der Entwicklung eines Aerodynamikpakets, das den Luftwiderstand bei hohen Geschwindigkeiten optimiert, während bis dahin eher der Abtrieb im Zentrum der Entwicklung gestanden hatte und der Luftwiderstand nur auf gleichen Werten gehalten wurde. Einer der Gründe hinter der Auswahl einer Spezifikation mit geringem Widerstand war die Entwicklung eines Aeropakets speziell für das Rennen auf dem Fuji Speedway im Jahr 2012. Wegen dessen langer Geraden konnte die Rundenzeit durch einen geringeren Luftwiderstand signifikant gesenkt werden.

Die CFD-Ergebnisse aus STAR-CCM+ zeigen den reduzierten Druck am Frontkotflügel beim 2013er Modell ...

Durch die Spezifikation für geringstmöglichen Luftwiderstand des Jahres 2013 nahm der vordere Kotflügel die Form einer steilen Wand an. Dies führte zu einer ganz außergewöhnlichen Form des Vorderwagens. Das Team von Yoshitaka Yamamoto führte eine erste CFD-Analyse mit STAR-CCM+ durch, um Bereiche mit Potential für Luftwiderstandsverringerung zu finden. Dabei fanden sie heraus, dass sich der Druck an der erwähnten Kotflügelsektion im Vergleich zum 2012er Modell signifikant verringert hat. Yamamoto erläutert: “Durch die CFD-Analyse entdeckten wir, dass der vordere Kotflügel ein Bereich ist, in dem sich der Luftwiderstand sehr effizient senken lässt. Im Rahmen des bestehenden Reglements war es nur möglich, ihn vertikal zu erweitern. Als wir das analysierten, erhielten wir – wie erwartet – sehr positive Ergebnisse.“

Vorher hatte man versucht, den Luftwiderstand durch Abrunden der Konturen zu senken, doch mit Hilfe der CFD erkannte das NISMO-Team, dass sich der Luftwiderstand auch ohne das Glätten der Formen senken lässt. Diese Erkenntnis wurde beim 2014er Modell unter dem Namen “Aerodynamic Harnessing Modulation” umgesetzt. Der Name weist auf die Nutzung von Druckunterschieden zur Leistungssteigerung hin – ein Schritt, der ohne CFD nicht denkbar gewesen wäre. Yoshitaka Yamamoto beurteilt den Einfluss von CFD auf diese neue Entwicklung: “ Natürlich lassen sich Messungen auch im Windkanal durchführen, aber es ist extrem schwierig, daraus eine Visualisierung über das gesamte Fahrzeug zu erstellen. CFD ist ein effizientes Werkzeug um diese ganzheitliche Sicht auf das Fahrzeug zu erhalten.“

Obwohl CFD Yamamotos Team damit zu einer besseren Lösung verholfen hatte, wird es bisher eher als Ergänzung zu den Windkanaltests gesehen denn als Ersatz. Er erläutert: „Eines der Gebiete, in denen immer noch Weiterentwicklungen notwendig sind, ist die Untersuchung der Teile im vorderen Fahrzeugbereich, die den Großteil der Nachlaufströmung verursachen. So ist der Einfluss der Räder auf die Verwirbelung bisher noch ein sehr schwierig zu berechnender Einflussfaktor. Wir sind auch mit den Berechnungen am hinteren Diffusor und an anderen Bereichen mit positiven Druckgradienten nicht zu 100 Prozent zufrieden. Wenn sich die Technik hier weiterentwickelt, bin ich sicher, dass wir eine Zeit erleben, in der Windkanaltests überflüssig sind.“

Praxisanwendung der im Rennsport entwickelten Technologien

Die Entwicklungsarbeit am GT500-Wagen vereinigte eine Vielzahl verschiedener Technologien. Dieses Know-how von NISMO fließt in die Entwicklung frei verfügbarer Autos wie GT-R NISMO, JUKE NISMO und anderen Autotypen ein, die unter der Sportmarke NISMO vermarktet werden. Yamamoto verdeutlicht: „Über die sportlich orientierten NISMO-Sondermodelle gelangt unsere Erfahrung aus dem Motorsport in die Entwicklung der Alltagsfahrzeuge. Diese Sondermodelle werden als Hochleistungsautos vermarktet. Jedes Fahrzeug, das NISMO im Namen trägt, wurde im Aerodynamikbereich durch die NISMO-Ingenieure mitentwickelt – was bedeutet, dass auch ich persönlich daran beteiligt bin.

2015 NISMO GT-R in der Entwicklung

Im Jahr 2014 wurden die Regularien der SUPER GT-Serie mit denen der Deutschen Tourenwagen Masters DTM abgeglichen, was große Veränderungen nach sich zog. Damit wurde es notwendig, die Entwicklungsarbeit an die neuen Regularien anzupassen. Yoshitaka Yamamoto erinnert sich: “Weil wir im Jahr 2014 erstmals die neuen, mit der DTM integrierten Regeln anwenden mussten, wussten wir anfangs nicht, welche Passage der Regeln für GT-Fahrzeuge vor- oder Nachteile haben. Inzwischen haben wir diese verstanden, so war das Know-how im oberen Bereich des Fahrzeugs in etwa dasselbe, so dass sich hier keine großen Unterschiede zum vorherigen Reglement ergaben.“

CFD und die Entwicklung eines visionären Leitblechs am hinteren Kotflügel

Form und Position des Leitblechs am hinteren Kotflügel.

Das Reglement des zweiten Fuji-Rennens 2012 erlaubte erstmals die Optimierung des hinteren Kotflügels, dies ist seither Standard. Im Rahmen dieser Regeländerung montierte NISMO Luftleitbleche mit flügelförmigem Querschnitt auf den hinteren Kotflügeln (Bild 5). Nach Angaben von Yoshitaka Yamamoto war das Hauptziel dieser Änderung eine ins Auge springende Optik, das Leitblech erhöhte jedoch auch die Leistung des Heckspoilers. Wie Bild 6 rechts zeigt, wurde in der CFD-Berechnung deutlich, dass der von den Spoilerlippen am vorderen Radhaus erzeugte Luftstrom die Anströmung des Heckflügels und des Kofferraumdeckels abschwächt. In Bild 6 links wird deutlich, dass der hinzugekommene Leitflügel den Luftstrom verändert und die Anströmung des Fahrzeughecks verbessert. Dies verringert den Luftwiderstand und erhöht die Wirksamkeit des Heckspoilers. Gleichzeitig sorgte das umgedrehte Flügelprofil des Leitblechs für Auftrieb an bestimmten Stellen der Front, am Heck und in der Mitte des Fahrzeugs.

Strömungsverhältnisse mit ...

Damit waren die Leitbleche keine Abtriebshilfen. Trotzdem befürwortete das Aerodynamikteam den Anbau der Leitbleche, da die den Luftwiderstand verringerten und die Wirkung des Heckflügels verbesserten. Allerdings interpretierten die Regelwächter der GTA die neu installierten Leitbleche als „zweiten Flügel“; das Reglement erlaubt jedoch nur „einen Flügel“. Deshalb mussten die Leitbleche nach zehn Minuten freiem Training abmontiert werden.

Zusammenfassung

NISMO gewann die Rennserie im Jahr 2014. Bei der Entwicklung des auf geringstmöglichen Luftwiderstand optimierten Aeropakets profitierten die Ingenieure stark von der Synergie zwischen der Simulation mit STAR-CCM+ und den Windkanaltests. Die Vorteile von CFD sind genauere Voruntersuchungen, tiefere Einblicke in die Strömungsverhältnisse am gesamten Fahrzeug und die Möglichkeit, möglichst viele Konfigurationen zu untersuchen. Dies führt dazu, dass die Rennwagenentwicklung bei NISMO auch in Zukunft auf CFD als unverzichtbares Entwicklungswerkzeug setzen wird. Nach den Gesprächen für diesen Artikel veröffentlichte das Unternehmen, dass man am 24-Stunden-Rennen in Le Mans teilnehmen wird. Dies wird die Nutzung von CFD in der Entwicklung noch verstärken. Auch hier wird STAR-CCM+ gemeinsam mit NISMO in die Rennschlacht ziehen. kf

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Kalibrierung

Auf hohem Niveau

Messungen sind wesentliche Bestandteile der industriellen Qualitätssicherung. Allerdings birgt jede Messung auch Mess-unsicherheiten, die viele Ursachen haben können. Um die unvermeidlich systematischen Abweichungen, die zu großen Teilen auf...

mehr...

MRK + Cobots

Einsatz im Windkanal

Klein-Roboter von Denso unterstützen Verfahrtechnik und Grundlagenforschung bei Airbus Aerodynamic Testing in Bremen und sorgen für eine punktgenaue Messung von Strömungszuständen. Einsatzort der Geräte aus der VM-Serie ist der Windkanal und das...

mehr...
Anzeige
Anzeige

Simulationssoftware

Siemens kauft CD-Adapco

Siemens und CD-Adapco haben eine Vereinbarung für die Übernahme der Anteile von CD-Adapco durch Siemens geschlossen. Der Kaufpreis für den Anbieter von Simulationssoftware beträgt 970 Millionen US-Dollar.

mehr...
Anzeige

Simulationstechnik

Chemische Reaktionen simulieren

Neue Funktionen zur Erzeugung chemischer Bibliotheken in der Version 2.10 des Simulationswerkzeugs Dars für das Management sowie 0D- und 1D-Analysen von chemischen Reaktionen, ermöglichen genauere Vorhersagen für Verbrennungsmotoren.

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige