Muncă de detectiv în tunelul aerodinamic

Când priviți nacela ventilatorului din tunelul aerodinamic Audi, primul lucru pe care îl observați este distanța dintre vârfurile celor 20 de pale ale rotorului tunelului aerodinamic și consola din beton. O lipsă de precizie care risipește energie? Dr. Moni Islam, șeful departamentului de dezvoltare aerodinamică/aeroacustică de la Audi, oferă lămuriri: „La puterea maximă de acționare a turbinei de 2.720 kW, palele din aluminiu acoperit se lungesc din cauza forței centrifuge, astfel încât acest spațiu aproape că se închide.”

Apoi, toată lumea trebuie să părăsească tunelul aerodinamic. La urma urmei, aici este generată forța care produce o viteză a vântului de până la 300 km/h pe vehiculul măsurat. Cele 20 de pale de cinci metri ale ventilatorului încep să oscileze încet. Mișcarea rotativă a aerului este stabilizată pentru prima dată de cele 27 de palete de ghidare ale statorului din spatele său. Urmează două schimbări de direcție în tunelul aerodinamic, care distribuie aerul în mod uniform cu ajutorul unor pale deflectoare special concepute. Grilajul din spatele palelor mărunțește vârtejurile mari de aer care apar în mod inevitabil. Aerul este apoi uniformizat de un strat de grilaje în formă de fagure, este acumulat în camera mare ulterioară - și apoi accelerat cu un factor de 5,5 prin duză înainte de a lovi Audi RS e-tron GT¹ exact la viteza dorită.

Audi RS e-tron GT¹ se află pe un banc de test care măsoară forțele aerodinamice asupra vehiculului. Roțile autovehiculului sunt montate pe patru mini benzi transportoare, care asigură rotirea acestora. O bandă transportoare largă sub mașină simulează mișcarea drumului în raport cu vehiculul. În plus, plăcile perforate fin reglabile din podeaua din fața vehiculului extrag o parte din fluxul de aer - așa-numitul strat limită - înainte ca acesta să ajungă la mașină. Experții în aerodinamică numesc acest design „simulare completă a solului”. Ea garantează un flux de aer realist în jurul vehiculului.

Procesul este la fel de complex pe cât pare.

Eforturi mari pentru un flux de aer perfect

Dr. Kentaro Zens, inginerul de dezvoltare responsabil pentru aerodinamica și aeroacustica modelului Audi RS e-tron GT¹: „Pe șosea, vehiculul se deplasează prin aer. Aici, în tunelul aerodinamic, este exact opusul: vehiculul este staționar și noi mișcăm aerul în jurul său cât mai uniform posibil. Efortul necesar este foarte mare. Doar atunci când fluxul de aer ajunge cu precizie la vehicul putem obține măsurătoti precise în care putem avea încredere.”

Zens stă la postul său de lucru, lângă panoul de control prin care operatorii controlează tunelul aerodinamic. El poate citi toate datele relevante pe ecrane: Care este valoarea cW, cât de mare este aeroportanța punții față, cât de mare este aeroportanța punții spate, la ce viteză a vântului și la ce viteză a benzii transportoare? Thomas Redenbach, șeful Departamentului de Dezvoltare Proiecte Aerodinamică/Aeroacustică Vehicule, se află lângă el: „Când centrul de tuneluri aerodinamice a fost pus în funcțiune, a fost primul tunel aerodinamic pentru autoturisme din lume care a combinat simularea la sol a condițiilor reale de drum pentru aerodinamică cu o astfel de funcționalitate aeroacustică extrem de silențioasă.”

În prezent, tunelul aerodinamic funcționează șase zile pe săptămână, în două schimburi, de la ora 7.00 la 22.30. Atunci când standardul WLTP a fost introdus prin lege, a trebuit chiar să funcționeze la capacitate maximă. Moni Islam: „Complexitatea acestui tunel aerodinamic a necesitat o implicare deplină și expertiza tehnică a departamentului nostru asociat, care operează zilnic tunelul aerodinamic pentru noi de mulți ani. Colegii noștri de la operarea tunelului aerodinamic ne-au pus la dispoziție nouă, dezvoltatorilor, 23 de ore de măsurători pe zi. Acest lucru se datorează faptului că trebuie să dovedim valorile WLTP legiuitorului prin intermediul unor măsurători certificate în tunelul aerodinamic.”

Simularea nu înlocuiește tunelul aerodinamic

Cu toate acestea, simulările pe calculator joacă, la rândul lor, un rol din ce în ce mai important în dezvoltarea aerodinamicii. Simularea CFD (Computational Fluid Dynamics, în traducere dinamica numerică a fluidelor) reproduce matematic curgerea aerului și permite analiza și vizualizarea modelelor aerodinamice. Deci, de ce mai este necesară munca solicitantă și costisitoare din tunelul aerodinamic? Thomas Redenbach: „Tunelul aerodinamic este instrumentul nostru de zi cu zi, inclusiv pentru a valida rezultatele simulării. Dorim să continuăm să dezvoltăm simulările. Pentru ca acestea să fie valide și reprezentative, trebuie să verificăm calculele.”

Cu toate acestea, simulările computerizate sunt din ce în ce mai bune și devin din ce în ce mai importante. Kentaro Zens: „Cu Audi RS e-tron GT¹ am simulat deosebit de mult, peste nouă milioane de ore CPU. Am petrecut 150 de ore în tunelul aerodinamic cu vehiculul. Asta este foarte puțin.” În comparație: la Audi R8 au fost 600 de ore. Acest lucru nu arată doar calitatea formei pe care o presupune designul lui Audi RS e-tron GT¹. Arată, de asemenea, că procesul de dezvoltare a fost mult scurtat - un obiectiv pe care Audi îl urmărește și pentru modelele viitoare.

Moni Islam adaugă: „Tunelul aerodinamic și CFD sunt două instrumente complementare în aerodinamică. Tunelul aerodinamic este foarte precis și rapid și, prin urmare, ne permite să lucrăm foarte eficient în procesul de dezvoltare dinamică. Simularea ne oferă o cantitate incredibilă de informații, dar necesită mult efort pentru a pregăti și analiza rezultatele. Dezvoltarea aerodinamicii moderne nu ar fi posibilă doar cu unul dintre aceste două instrumente.”

Realizarea potențialului în ceea ce privește autonomia

În cazul vehiculelor electrice, cum ar fi Audi RS e-tron GT¹, ansamblul vehiculului este favorabil aerodinamicii (fie și numai datorită părții inferioare închise a caroseriei). Dar provocările pentru cei 31 de angajați din departamentul de dezvoltare aerodinamică a vehiculelor condus de Moni Islam sunt din ce în ce mai mari. „Cu fiecare miime de îmbunătățire a coeficientului de rezistență, realizăm un potențial în ceea ce privește autonomia”, așa definește Moni Islam provocarea.

Specialiștii în aerodinamică recunosc potențialul vehiculului cu ajutorul rezultatelor simulărilor care reprezintă sensibilități: Dacă modific ușor geometria în punctul X al formei, cât de mult afectează acest lucru fluxul? Și apoi începe faza pe care Islam o descrie astfel: „Aerodinamica este, de asemenea, o muncă meticuloasă de detectiv, pentru că nu poți vedea aerul. Trebuie să încercăm să restrângem problema folosind o abordare analitică bazată pe valorile date de scala din tunelul aerodinamic.”

Pentru a face acest lucru, inginerii lucrează, de asemenea, cu diferite piese, folosind procesul de prototipare rapidă. În primul rând, sunt create proiecte CAD pentru a defini geometriile componentelor, de exemplu, o admisie de aer pe spoilerul frontal. Colegii de la Managementul Modelelor folosesc apoi această tehnologie avansată pentru a converti variantele dorite - pot fi trei, patru sau cinci - într-o componentă de testare. Diferitele variante de componente sunt apoi testate pe vehicul, una după alta. Măsurătorile furnizează apoi valori cW și de portanță. Aceste rezultate sunt, de asemenea, comparate în mod selectiv cu simulările CFD ale exact aceleiași configurații, pentru a produce, în cele din urmă, rezultate de simulare reproductibile.

Muncă de detectiv pentru fiecare miime

„Este nevoie de 20 la sută din timp pentru a obține 80 la sută din aerodinamica unui vehicul. Dar pentru ultimele 20 de procente - elaborarea miilor de optimizări în multe, multe locuri mici - investim o cantitate enormă de timp", spune Thomas Redenbach, descriind munca de detectiv din tunelul aerodinamic. Putem produce rezultate de top doar prin acest nivel ridicat de angajament și atenție la detalii.”

Care a fost cel mai dificil detaliu pentru persoana responsabilă de aerodinamica modelului Audi RS e-tron GT¹ în ceea ce privește fluxul de aer în acest Gran Turismo? Kentaro Zens cade pe gânduri un pic. „Spoilerul față cu patru componente care se întrepătrund. Deoarece aerul curge în admisii, iar lamelele din interior se închid - dar atunci apare problema. Aerul curge undeva. Și nu dorim asta. Păstrarea controlului asupra fluxului de aer și reglarea exactă a acestuia reprezintă munca de precizie crucială. Este un efort de echipă uriaș, deoarece colegii mei de la siguranța vehiculului, proiectare, producție și asamblare trebuie să lucreze împreună cu mine.”

Zens mai subliniază în mod special designul așa-numitelor Air Curtains în combinație cu pasajele roților: „Coordonarea strânsă cu designerii Audi, într-un ritm săptămânal, a făcut ca tranziția de la secțiunea frontală la cea laterală în jurul Air Curtain să fie nu numai optimizată din punct de vedere aerodinamic, ci și să fie o temă coerentă în designul general. Totul pe Audi RS e-tron GT¹ are o funcție și un scop. Aceasta este o funcționalitate autentică, ceea ce îmi place foarte mult la acest vehicul.”

Și mai există un alt exemplu care îi este foarte drag: muchia integrată în stopuri. „Partea din spate foarte tridimensională a modelului Audi RS e-tron GT¹, în special, are multe sisteme de vârtejuri. Ghidarea curată a fluxului în jurul suprafețelor foarte curbate este o provocare. În cadrul simulării, am văzut că mai era loc de îmbunătățiri la nivelul stopurilor.”

Din fericire, César Muntada, Head of Lighting Design la Audi, a fost, de asemenea, prezent în timpul acestei măsurători în tunelul aerodinamic. Fără să mai stea pe gânduri, el a creat pe modelul de lut o ușoară curbură exterioară cu o contravirare în farul spate, care este instalată exact în același format pe vehiculul de serie în prezent. Cu această ușoară curbură, designerii și specialiștii în aerodinamică lucrează împreună pentru a se asigura că fluxul de aer se întrerupe în partea din spate într-un mod definit, în loc să se direcționeze spre interior cu turbulențe (ceea ce ar înrăutăți semnificativ coeficientul de rezistență). „Încercăm să includem designul în aerodinamică”, spune Kentaro Zens, descriind această colaborare. Iar acest proces necesită, de asemenea, o muncă meticuloasă de detectiv în tunelul aerodinamic.