Closed-loop control of unsteady flows around bluff bodies including lateral vehicle dynamics
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekte wurden Ansätze zur Regelung von instationären Strömungen um stumpfe Körper entwickelt und erfolgreich an einem Fahrzeugmodell in Windkanalversuchen eingesetzt. Wesentliches Ziel hierbei war die geregelte Reduktion des Luftwiderstands, um so auch bei instationärer Anströmung durch Seitenwindböen eine effiziente Aktuation sicherzustellen. Hierdurch kann der Luftwiderstand um etwa 15 % gesenkt werden, was unter Einbeziehung des Aktuationsaufwands einer Leistungsersparnis von bis zu 8 % entspricht. Des Weiteren konnte durch eine Mehrgrößenregelung eine gleichzeitige Verbesserung der Seitenwindempflichkeit durch eine Unterdrückung von Störungen der Querdynamik erreicht werden, um so Sicherheit und Fahrkomfort bei instationärer Anströmung und dynamischer Fahrzeugreaktion zu erhöhen. Die entsprechenden Versuche wurden an einem speziellen Seitenwindkanal durchgeführt, mit dem realistische Seitenwindböen gezielt erzeugt werden können. Mittels eines neuartigen Versuchsaufbaus können zudem über ein bewegliches Modell die Seitenauslenkung und die Gierbewegung als Reaktion auf die Störung im Windkanal nachgebildet werden, wodurch weitere instationäre Strömungseffekte entstehen. Hierzu wurde eine Echtzeit-Simulation der Querdynamik und des Fahrerverhaltens auf Basis bestehender Modelle vorgenommen. Der aerodynamische Teil des Streckenverhaltens wurde für die Reglerauslegung aus Experimenten identifiziert. Um die Abhängigkeit von externen Parametern wie Anströmgeschwindigkeit und -winkel gezielt zu erfassen, wurden hierzu Ansätze zur linear parameter-veränderlichen (LPV) Modellierung für die Anwendung auf instationäre Strömungen angepasst. Auf Basis dieser LPV-Modelle wurden spezielle LPV-Gain-Scheduling-Regler ausgelegt, deren Parameter im Betrieb laufend an die aktuelle Strömungscharakteristik angepasst werden. Hiermit konnte eine höhere Bandbreite in Bezug auf Führungsgrößenfolge und Störunterdrückung im Vergleich zu herkömmlichen, robust ausgelegten H∞-Reglern erzielt und in Experimenten nachgewiesen werden. Neben den Vorteilen in Bezug auf Widerstandsreduktion und Verminderung der Seitenwindempflindlichkeit ermöglichen die entwickelten LPV-Ansätze auch eine genauere Modellierung der transienten Strömungsphänomene und somit eine integrierte Betrachtung von Strömungsdynamik, Fahrzeugquerdynamik und Fahrerverhalten im geschlossenen Regelkreis. Da hierbei die Anströmgeschwindigkeit und Fahrzeuggröße explizit als Parameter berücksichtigt wurden, konnte zum Abschluss des Projekts eine Abschätzung und positive Bewertung der Leistungsfähigkeit der entwickelten Ansätze für den Einsatz am Realfahrzeug durchgeführt werden.
Publications
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Multivariable closed-loop flow control of drag and yaw moment for a 3D bluff body. In: 6th AIAA Flow Control Conference, AIAA Paper 2012-2802, 2012
Pfeiffer, J., und R. King
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Robust Closed-Loop Flow Control of Drag and Yaw Moment for a Bluff Body under Cross-Wind Conditions. In: Wiedemann, J. (Hrsg.): Progress in Vehicle Aerodynamics and Thermal Management - Proceedings of the 8th FKFS-Conference, S. 159-173. expert Verlag, 2012
Pfeiffer, J. und R. King
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Closed-loop active flow control for road vehicles under transient crosswind conditions. In: First International Conference in Numerical and Experimental Aerodynamics of Road Vehicles and Trains., 23-25 June 2014, Bordeaux, France
Pfeiffer, J. und R. King
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Linear parameter-varying active flow control for a 3D bluff body exposed to cross-wind gusts. In: 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference, AIAA Paper 2014-2406, 2014
Pfeiffer, J. und R. King
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Closed-loop active flow control for road vehicles under unsteady cross-wind conditions. Dissertation, TU Berlin, 2016. XVI, (mind.) 138 S.
Pfeiffer, J.
