Detectivewerk in de windtunnel > Design > Audi België
Detectivewerk in de windtunnel
In de Audi aero-akoestische windtunnel optimaliseren de aerodynamica-specialisten de vorm van de Audi RS e-tron GT tot in de perfectie.
Audi RS e-tron GT:Stroomverbruik (gecombineerd*) in kWh/100 km: 22,1–19,8 CO₂-uitstoot (gecombineerd*) in g/km: 0
Gegevens over brandstof- en stroomverbruik en CO₂-uitstoot bij spanbreedten afhankelijk van de gekozen uitrusting van het voertuig.
Voor het voertuig zijn alleen verbruiks- en emissiewaarden volgens WLTP beschikbaar, niet volgens NEDC.
Kijkend naar het ventilatorhuis van de Audi aero-akoestische windtunnel valt eerst deze spleet op, tussen de bladpunten van de 20 schoepen van de windtunnelrotor en de betonnen rand. Een paar verbluffende centimeters. Een gebrek aan precisie, die energie verspilt? Dr. Moni Islam, hoofd Ontwikkeling/Aerodynamica/Aero-akoestiek bij Audi, legt uit: "Als de turbine met het maximale aandrijfvermogen van 2.720 kW draait, worden de schoepen van gecoat aluminium vanwege de centrifugaal krachten langer, waardoor deze spleet nagenoeg sluit. Uiteindelijk wordt hier de kracht gegenereerd die op het te meten voertuig een windsnelheid van maar liefst 300 km/h bereikt."
Vervolgens moet iedereen de windtunnel verlaten. De 20 rotorschoepen van de vijf meter grote ventilator komen langzaam schommelend in beweging. De draaiende luchtbeweging wordt door de 27 geleidingsschoepen van de daarachter geplaatste stator voor het eerst gestabiliseerd. In de windtunnel volgen twee richtingveranderingen, die de lucht via speciaal geconstrueerde omkeerschoepen gelijkmatig verdelen. Roosters na de schoepen zorgen weer voor verhakselen van deze grote luchtwervelingen, die bij de omkeerhoeken en de ventilator onvermijdelijk ontstaan. Vervolgens wordt de lucht door een laag honingraatvormige roosters gelijkgericht, in de daarachterliggende grote kamer tot rust gebracht en dan met een factor 5,5 door de blazer versneld. Uiteindelijk stroomt de lucht dan in het plenum, de hoofdruimte, met de exact gewenste snelheid over de Audi RS e-tron GT.
Speciaal geconstrueerde omkeerschoepen verdelen de lucht zo gelijkmatig mogelijk bij richtingveranderingen in de windtunnel.
Thomas Redenbach is hoofd Ontwikkeling Aerodynamica/Aero-akoestiek Voertuigprojecten bij Audi.
Speciaal geconstrueerde omkeerschoepen verdelen de lucht zo gelijkmatig mogelijk bij richtingveranderingen in de windtunnel.
Thomas Redenbach is hoofd Ontwikkeling Aerodynamica/Aero-akoestiek Voertuigprojecten bij Audi.
Deze staat op een precisieweeginstallatie, die de aerodynamische krachten op de auto meet. De wielen van de auto staat op vier mini-transportbanden, die zorgen dat de wielen met windsnelheid draaien. Een brede transportband onder de auto simuleert de beweging van de weg relatief ten opzichte van de auto bij alle rijsnelheden. Bovendien wordt door nauwkeurig afstelbare gatenplaten in de bodem vóór de auto een deel van de stroming, de zogenoemde grenslaag, weggezogen voordat deze de auto raakt. Aerodynamici noemen dit een “complete bodemsimulatie”, een constructie die een realistische omstroming van het voertuig garandeert.
Als de lucht de Audi RS e-tron GT is gepasseerd, wordt de verwijde luchtstraal uit de hoofdruimte door de daarachterliggende collector opgevangen en weer teruggeleid naar de windtunnelbuizen en de rotorturbine. Dat is de weg die de lucht in de Audi aero-akoestische windtunnel aflegt. En wat zo ingewikkeld klinkt, is ook ingewikkeld.
Dr. Kentaro Zens, verantwoordelijk aerodynamicus voor de Audi RS e-tron GT, met name voor de uiterst gestroomlijnde onderkant van de sportwagen.
Dr. Kentaro Zens en Thomas Redenbach bespreken de meetwaarden. Achter de ruit staat de Audi RS e-tron GT in het zogenoemde plenum van de windtunnel.
Dr. Kentaro Zens, verantwoordelijk aerodynamicus voor de Audi RS e-tron GT, met name voor de uiterst gestroomlijnde onderkant van de sportwagen.
Dr. Kentaro Zens en Thomas Redenbach bespreken de meetwaarden. Achter de ruit staat de Audi RS e-tron GT in het zogenoemde plenum van de windtunnel.
Veel moeite voor perfecte stroomlijn
Dr. Kentaro Zens, verantwoordelijk ontwikkelingsingenieur voor de aerodynamica en aero-akoestiek van de Audi RS e-tron GT: “Op de weg beweegt de auto door lucht. Hier in de windtunnel is het precies andersom: de auto staat stil en wij bewegen de lucht er zo gelijkmatig mogelijk omheen. Wij doen veel moeite om een perfecte stroomlijn te bereiken. Alleen als de luchtstroom nauwkeurig bij de auto aankomt, krijgen wij exacte en betrouwbare meetresultaten.”
Zens zit op zijn werkplek naast het bedieningspaneel, waarop de operators de windtunnel bedienen. Hij kan alle relevante gegevens van beeldschermen aflezen: wat is de cW-waarde, hoe groot is de opwaartse kracht voor, hoe groot is de opwaartse kracht achter, bij welke wind- en welke transportbandsnelheid?
Naast hem staat Thomas Redenbach, hoofd Ontwikkeling Aerodynamica/Aero-akoestiek Voertuigprojecten: “Toen het windtunnelcentrum in gebruik werd genomen, was dit de eerste windtunnel voor personenwagens ter wereld waar de bodemsimulatie van de daadwerkelijke wegcondities voor de aerodynamica met zo'n extreem stille aero-akoestische functionaliteit werd gecombineerd.”
Tegenwoordig is de windtunnel zes dagen per week, in 2-ploegendienst van 07:00 tot 22:30 uur in gebruik. Toen door de wetgever toelating conform WLTP-voorschriften werd ingevoerd, was hij zelfs continu in gebruik. Moni Islam: “De complexiteit van deze windtunnel vereiste volledige inzet en de technische expertise van onze zusterafdeling, die de windtunnel al jarenlang elke dag opnieuw voor ons exploiteert. Onze collega's van de windtunnelexploitatie zorgden dat wij ontwikkelaars toen 23 uur per dag konden meten. Want wij moeten de WLTP-waarden met gecertificeerde windtunnelmetingen aan de wetgever kunnen aantonen.”
“Elk duizendste verbetering van de cw-waarde vergroot het potentieel voor wat betreft de actieradius.”
Dr. Moni Islam
Dr. Moni Islam, hoofd Ontwikkeling/Aerodynamica/Aero-akoestiek bij Audi. Hier geeft hij uitleg over de werking van de actieve anti-geluidsinstallatie van de windtunnel.
Dr. Moni Islam, hoofd Ontwikkeling/Aerodynamica/Aero-akoestiek bij Audi. Hier geeft hij uitleg over de werking van de actieve anti-geluidsinstallatie van de windtunnel.
De rook geeft aan hoe de luchtstroming voorbij de buitenspiegel van de Audi RS e-tron GT verloopt.
Op hun werkplek hebben aerodynamici altijd toegang tot de belangrijkste auto- en windtunnelgegevens.
De rook geeft aan hoe de luchtstroming voorbij de buitenspiegel van de Audi RS e-tron GT verloopt.
Op hun werkplek hebben aerodynamici altijd toegang tot de belangrijkste auto- en windtunnelgegevens.
Simulatie is geen vervanging voor de windtunnel
Toch spelen computersimulaties ook in de ontwikkeling van de aerodynamica een steeds grotere rol. CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics, Nederlands: numerieke stromingsmechanica) genereert een rekenkundig model en maakt analyse en visualisatie van de stroming mogelijk. Waarom dan nog het complexe en dure werk in de windtunnel? Thomas Redenbach: “De windtunnel is ons dagelijks gereedschap, ook om de resultaten uit de simulatie van een grondslag te voorzien. Wij willen de simulaties steeds verder ontwikkelen. Om ze geldig en representatief te maken, moeten we de berekeningen controleren. “
Maar de simulaties via de computer worden steeds beter en belangrijker. Kentaro Zens: “Bij de Audi RS e-tron GT hebben wij buitengewoon veel gesimuleerd, meer dan negen miljoen CPU-uur. En ik had de auto 150 uur in de windtunnel. Dat is zeer weinig. Ter vergelijking: bij de Audi R8 was het 600 uur.’’ Dat bewijst niet alleen de kwaliteit van de vorm die het resultaat is van het design van de Audi RS e-tron GT. Maar ook de aanzienlijke verkorting van het ontwikkelingsproces, een methode die Audi bij volgende modellen ook wil aanhouden.
Moni Islam voegt toe: “Windtunnel en CFD zijn twee gereedschappen van de aerodynamicus die elkaar aanvullen. De windtunnel is uiterst nauwkeurig en snel en maakt het mogelijk om binnen het dynamische ontwikkelingsproces zeer efficiënt te werken. De simulatie biedt een ongelooflijke hoeveelheid gegevens, maar vereist veel voorbereiding en resultaatanalyse. Met slechts één van deze twee gereedschappen was de moderne aerodynamicaontwikkeling niet mogelijk. “
“In de laatste 20 procent van de aerodynamica investeren wij enorm veel tijd.”
Thomas Redenbach
Mogelijkheden voor het vergroten van de actieradius
Bij elektrische auto's als de Audi RS e-tron GT is het totale aerodynamicapakket bijzonder nuttig (alleen al vanwege de gesloten onderkant van de auto). Maar de uitdagingen die worden gesteld aan de 31 medewerkers van de aerodynamische voertuigontwikkeling op de afdeling van Moni Islam worden steeds groter. “Met elk duizendste verbetering van de cW-waarde vergroten wij het potentieel als het gaat om actieradius", licht Moni Islam toe.
Mogelijkheden aan de auto zien de aerodynamici in de simulatieresultaten, op basis van uiterst gevoelige factoren: als ik de geometrie op punt X qua vorm iets verander, hoe beïnvloedt dat dan de stroomlijn? En dan begint wat Islam als volgt omschrijft: “Aerodynamica is ook uiterst nauwkeurig detectivewerk, lucht kun je nu eenmaal niet zien. Je moet proberen om aan de hand van de waarden die de weeginstallatie in de windtunnel voor je genereert, het probleem via een analytisch proces te begrenzen.”
Daarom werken de ingenieurs met verschillende aanbouwdelen in de Rapid Prototyping-methode. Eerst worden CAD-constructies gegenereerd om de geometrie van de onderdelen, zoals een luchtinlaat in de voorspoiler, te definiëren. Vervolgens zetten de collega's van modelmanagement met behulp van deze geavanceerde techniek de gewenste varianten, dit kunnen er drie, vier, vijf zijn, om in een proefonderdeel. Dan worden de verschillende varianten van de onderdelen een voor een op het automodel getest. De metingen geven de cW-waardes en de opwaartse krachten weer. Deze resultaten worden ook altijd vergeleken met de CFD-simulaties van precies dezelfde configuratie, om uiteindelijk in reproduceerbare simulatieresultaten te resulteren.
Voor analyses en ombouw tijdens de werkzaamheden in de windtunnel kan de auto op de weeginstallatie omhoog worden gebracht.
Onooglijk maar effectief: zo'n kunststof lip aan de onderkant van de wagen leidt de stroming gericht efficiënt.
Voor analyses en ombouw tijdens de werkzaamheden in de windtunnel kan de auto op de weeginstallatie omhoog worden gebracht.
Onooglijk maar effectief: zo'n kunststof lip aan de onderkant van de wagen leidt de stroming gericht efficiënt.
Detectivewerk voor elk duizendste
“80 procent van de aerodynamica van een auto kan in 20 procent van de tijd worden ontwikkeld. Maar voor die laatste 20 procent van de aerodynamica – op veel, heel veel kleine punten de duizendsten aan optimalisaties realiseren – investeren wij enorm veel tijd’’, vertelt ook Thomas Redenbach over het detectivewerk in de windtunnel. “Alleen door deze grote inzet met veel oog voor detail kunnen wij topresultaten bereiken.”
Wat was voor degenen die verantwoordelijk zijn voor de aerodynamica van de Audi RS e-tron GT voor wat betreft de stroomlijn het moeilijkste detail bij deze Gran Turismo? Kentaro Zens denkt even na. “De voorspoiler met vier in elkaar grijpende onderdelen. Want de lucht stroom de inlaten in, de jaloezie binnenin sluit - en dan ontstaat het probleem. De lucht stroomt ergens heen. En dat wil je niet. Hier de controle over de luchtstroom te houden en deze nauwkeurig af te stemmen, dat is het beslissende detail. Een geweldige teamprestatie, want de collega's van voertuigveiligheid, constructie, productie en montage moeten één lijn met mij trekken.
Zens wil ook de aandacht vestigen op de vormgeving van de zogenoemde Air Curtains in combinatie met de wielkuip: “Nauwe, wekelijkse afstemming met de designers van Audi hebben als resultaat dat de overgang van de voorkant naar de zijkant van de auto met de Air Curtain niet alleen aerodynamisch optimaal is, maar ook harmonisch in de totale vormgeving past. Alles aan de Audi RS e-tron GT heeft een functie en een nut. Dat is echte functionaliteit, iets wat ik geweldig vind aan deze auto’’
Met de zogenoemde rooklans kan de luchtstroming zichtbaar worden gemaakt. Hier wordt de optimale weg van de stroming door de Air Curtain naar de wielkuip duidelijk.
Met de zogenoemde rooklans kan de luchtstroming zichtbaar worden gemaakt. Hier wordt de optimale weg van de stroming door de Air Curtain naar de wielkuip duidelijk.
“Aerodynamica probeert design mogelijk te maken.”
Dr. Kentaro Zens
Ook de stand van de achterspoiler werd door Zens millimeter voor millimeter in de windtunnel getest, om de optimale stand te bepalen. En nog een ander voorbeeld vervult hem met trots: de in het achterlicht geïntegreerde rand. “Juist aan de sterk driedimensionale achterkant van de Audi RS e-tron GT ontstaan veel wervelsystemen. Het is een uitdaging om de lucht zuiver om de sterk gebogen oppervlakken te leiden. In de simulatie zagen we dat er bij het achterlicht nog ruimte voor verbetering was.”
Bij deze windtunnelmeting was gelukkig ook César Muntada, hoofd Lichtdesign bij Audi, aanwezig. Op het clay-model vormde hij resoluut een lichte knik naar buiten met een terugknik in het achterlicht, die nu precies zo in de standaardauto is aangebracht. Met deze licht knik bereiken designers en aerodynamici samen dat de luchtstroom bij de achterkant van de wagen gedefinieerd afbreekt en niet met wervelingen naar binnen loopt (wat de cW-waarde aanzienlijk zou verslechteren). “In de aerodynamica proberen wij design mogelijk te maken”, vertelt Kentar Zens over deze samenwerking. En daarbij hoort nu eenmaal ook nauwgezet detectivewerk in de windtunnel.
De achterspoiler van de Audi RS e-tron GT kan in drie verschillende standen worden gezet – voor effectieve stromingsgeleiding in elke rijomstandigheid.
De rotorturbine van de windtunnel heeft een maximaal vermogen van 2.720 kW.
De achterspoiler van de Audi RS e-tron GT kan in drie verschillende standen worden gezet – voor effectieve stromingsgeleiding in elke rijomstandigheid.
De rotorturbine van de windtunnel heeft een maximaal vermogen van 2.720 kW.
