Evaluation and modeling of the flow in a slotted wall wind tunnel
Doctoral thesis, 2019
As vehicle manufacturers strive to shorten the development time of new models, an increasing share of the aerodynamic development work is shifted from wind tunnel testing of prototype vehicles to numerical simulations of virtual models. However, comparing measurements from the wind tunnel with numerical simulation data is not straightforward due to several interference effects occurring between the wind tunnel and the tested vehicle.
The objective of this thesis is to improve the understanding of the properties of a slotted wall wind tunnel used for automotive aerodynamic testing and enhance numerical simulation accuracy by providing validation between the simulations and physical wind tunnel measurements. This is done by investigating the empty test section flow, as well as both local and global interactions between the wind tunnel and the test object.
Using standard instrumentation that was calibrated in-situ to achieve low measurement uncertainty, it is shown that a swirling flow angularity pattern seen already during the wind tunnel commissioning is still present in the test section. By ruling out two alternative hypotheses on the cause of this pattern, it is concluded that it most likely originates from the fan. It is also demonstrated that the measured levels of flow angularity are unlikely to have a significant impact on the forces measured on a vehicle.
Scale-resolving numerical simulations of the flow in the empty wind tunnel show good agreement with the measured longitudinal pressure distribution in the downstream region of the test section but deviate upstream of the turntable. This is attributed to shortcomings in the modeling of the distributed suction system used to limit boundary layer growth on the floor upstream of the car.
Investigations of the tangential blowing system used to fill in the boundary layer behind the belts in the moving ground system show that the blowers effectively reduce the displacement thickness of the boundary layer as intended and that this can be well represented in numerical simulations using a simplified representation of the blowers. It is also shown that the force differences measured between different configurations of a vehicle can be significantly affected by the tangential blowing.
Simulations of vehicles as tested inside the wind tunnel test section are shown to improve the prediction quality compared to open road simulations. This requires that the process of non-dimensionalizing the forces and pressures are done in the same way for the in-tunnel simulations as in the physical wind tunnel. Furthermore, lift predictions are significantly improved when including the lift acting on the wheel drive unit belts used to rotate the wheels of the test object.
The objective of this thesis is to improve the understanding of the properties of a slotted wall wind tunnel used for automotive aerodynamic testing and enhance numerical simulation accuracy by providing validation between the simulations and physical wind tunnel measurements. This is done by investigating the empty test section flow, as well as both local and global interactions between the wind tunnel and the test object.
Using standard instrumentation that was calibrated in-situ to achieve low measurement uncertainty, it is shown that a swirling flow angularity pattern seen already during the wind tunnel commissioning is still present in the test section. By ruling out two alternative hypotheses on the cause of this pattern, it is concluded that it most likely originates from the fan. It is also demonstrated that the measured levels of flow angularity are unlikely to have a significant impact on the forces measured on a vehicle.
Scale-resolving numerical simulations of the flow in the empty wind tunnel show good agreement with the measured longitudinal pressure distribution in the downstream region of the test section but deviate upstream of the turntable. This is attributed to shortcomings in the modeling of the distributed suction system used to limit boundary layer growth on the floor upstream of the car.
Investigations of the tangential blowing system used to fill in the boundary layer behind the belts in the moving ground system show that the blowers effectively reduce the displacement thickness of the boundary layer as intended and that this can be well represented in numerical simulations using a simplified representation of the blowers. It is also shown that the force differences measured between different configurations of a vehicle can be significantly affected by the tangential blowing.
Simulations of vehicles as tested inside the wind tunnel test section are shown to improve the prediction quality compared to open road simulations. This requires that the process of non-dimensionalizing the forces and pressures are done in the same way for the in-tunnel simulations as in the physical wind tunnel. Furthermore, lift predictions are significantly improved when including the lift acting on the wheel drive unit belts used to rotate the wheels of the test object.
CFD Simulations
Ground Simulation
Uncertainty Quantification
Wind Tunnel
Tangential Blowing
Flow Uniformity
Slotted Walls
HB2, Hörsalsvägen 8
Opponent: Dr Jürg Müller, RUAG Aviation, Emmen, Switzerland
Author
Emil Ljungskog
Chalmers, Mechanics and Maritime Sciences (M2), Vehicle Engineering and Autonomous Systems
On the Effects of Wind Tunnel Floor Tangential Blowing on the Aerodynamic Forces of Passenger Vehicles
SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems,;Vol. 10(2017)p. 591-599
Journal article
Uncertainty quantification of flow uniformity measurements in a slotted wall wind tunnel
SAE Technical Papers,;Vol. 2019-April(2019)
Journal article
Flow angularity investigations in an automotive slotted wall wind tunnel
Energies,;Vol. 12(2019)
Journal article
Inclusion of the physical wind tunnel in vehicle CFD simulations for improved prediction quality
Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,;Vol. 197(2020)
Journal article
I takt med att kraven på energieffektivitet höjs och utsläppsgränser stramas åt arbetar fordonstillverkare allt hårdare med att sänka fordonens energiförbrukning. Ett sätt att minska energiåtgången är att sänka fordonets luftmotstånd, vilket är den största kraften att överkomma vid körning i lands- och motorvägsfart.
För att kunna mäta, förstå och förbättra luftmotståndet används både fysiska mätningar i vindtunnlar och datorberäkningar, så kallade CFD-simuleringar. Att testa en bilmodell under utveckling i en vindtunnel är mycket dyrt, eftersom det kräver tillgång till en stor vindtunnel och att ett prototypfordon byggs. Av den anledningen är det eftersträvansvärt att ersätta så många vindtunnelprov som möjligt med CFD-simuleringar, som är billigare än fysiska prov trots att de kräver superdatorer med tusentals CPU-kärnor. Om detta ska kunna göras behöver simuleringsmetoderna valideras, vilket normalt sett görs genom att jämföra resultat mellan vindtunnelmätningar och simuleringar.
Ett problem med detta angreppssätt är att vindtunneln påverkar strömningen kring bilen som testas, och därmed även det uppmätta luftmotståndet. Detta innebär att man jämför datorsimuleringar av det fall man vill undersöka och optimera bilen för, nämligen att bilen kör rakt fram en vindstilla dag utan några störningar i närheten, med mätningar som påverkats av mätmiljön i vindtunneln, vilket inte är en rättvis jämförelse.
Ett mål med denna avhandling är att förbättra dessa jämförelser genom att inkludera vindtunneln i datorberäkningarna, för att på så sätt kunna öka förståelsen för såväl vindtunnelns inverkan på mätningarna som datormodellernas förmåga att efterlikna strömningen kring bilen. Ett viktigt steg för att åstadkomma detta har varit att utöka förståelsen för strömningen i vindtunneln utan en bil monterad på mätplatsen genom att utföra mätningar av strömningskvaliteten, och med hjälp av dessa anpassa datormodellerna. Med de anpassade modellerna visas att det går att nå mycket god överensstämmelse mellan datorsimuleringar och vindtunnelmätningar för flera av de undersökta fallen.
Med hjälp av de metoder och resultat som presenteras i denna avhandling kan fordonsaerodynamiker ytterligare förbättra sina modeller och sin förståelse för hur och varför resultaten varierar mellan vindtunnelmätningar och datorberäkningar. Detta ökar deras möjlighet att utveckla bilar med ännu lägre luftmotstånd, och därmed lägre energiförbrukning och utsläpp.
För att kunna mäta, förstå och förbättra luftmotståndet används både fysiska mätningar i vindtunnlar och datorberäkningar, så kallade CFD-simuleringar. Att testa en bilmodell under utveckling i en vindtunnel är mycket dyrt, eftersom det kräver tillgång till en stor vindtunnel och att ett prototypfordon byggs. Av den anledningen är det eftersträvansvärt att ersätta så många vindtunnelprov som möjligt med CFD-simuleringar, som är billigare än fysiska prov trots att de kräver superdatorer med tusentals CPU-kärnor. Om detta ska kunna göras behöver simuleringsmetoderna valideras, vilket normalt sett görs genom att jämföra resultat mellan vindtunnelmätningar och simuleringar.
Ett problem med detta angreppssätt är att vindtunneln påverkar strömningen kring bilen som testas, och därmed även det uppmätta luftmotståndet. Detta innebär att man jämför datorsimuleringar av det fall man vill undersöka och optimera bilen för, nämligen att bilen kör rakt fram en vindstilla dag utan några störningar i närheten, med mätningar som påverkats av mätmiljön i vindtunneln, vilket inte är en rättvis jämförelse.
Ett mål med denna avhandling är att förbättra dessa jämförelser genom att inkludera vindtunneln i datorberäkningarna, för att på så sätt kunna öka förståelsen för såväl vindtunnelns inverkan på mätningarna som datormodellernas förmåga att efterlikna strömningen kring bilen. Ett viktigt steg för att åstadkomma detta har varit att utöka förståelsen för strömningen i vindtunneln utan en bil monterad på mätplatsen genom att utföra mätningar av strömningskvaliteten, och med hjälp av dessa anpassa datormodellerna. Med de anpassade modellerna visas att det går att nå mycket god överensstämmelse mellan datorsimuleringar och vindtunnelmätningar för flera av de undersökta fallen.
Med hjälp av de metoder och resultat som presenteras i denna avhandling kan fordonsaerodynamiker ytterligare förbättra sina modeller och sin förståelse för hur och varför resultaten varierar mellan vindtunnelmätningar och datorberäkningar. Detta ökar deras möjlighet att utveckla bilar med ännu lägre luftmotstånd, och därmed lägre energiförbrukning och utsläpp.
Development of the Volvo Cars Full-Scale Wind Tunnel and Corresponding Virtual Model for Future Vehicle Certification
VINNOVA (2014-01359), 2014-08-01 -- 2018-09-30.
Areas of Advance
Transport
Subject Categories
Applied Mechanics
Vehicle Engineering
Fluid Mechanics and Acoustics
Infrastructure
C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)
ISBN
978-91-7905-219-5
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4686
Publisher
Chalmers
HB2, Hörsalsvägen 8
Opponent: Dr Jürg Müller, RUAG Aviation, Emmen, Switzerland